Isidor Buchmann, Cadex Electronics, Inc
Die Batterie, die heutige technologische Notwendigkeit, ist das Ergebnis von 400 Jahren der wissenschaftlichen Aufwand.
Eine der bemerkenswertesten und neuartigen Entdeckungen der letzten 400 Jahre ist die Elektrizität. Man könnte fragen: „Ist Elektrizität schon so lange da?“Die Antwort ist ja und vielleicht viel länger, aber die praktische Nutzung von Strom steht uns erst seit Mitte bis Ende des 19., Eine der ersten elektrischen Attraktionen, die öffentliche Aufmerksamkeit erlangten, war eine elektrisch beleuchtete Brücke über die Seine während der Weltausstellung 1900 in Paris.
Die Nutzung von Strom kann viel weiter zurückgehen. Beim Bau einer neuen Eisenbahn im Jahr 1936 in der Nähe von Bagdad entdeckten Arbeiter eine prähistorische Batterie. Die Entdeckung wurde als Bagdad oder parthische Batterie bekannt (siehe Abbildung 1) und wurde geglaubt, 2000 Jahre alt zu sein, aus der parthischen Zeit . Die Batterie bestand aus einem mit Essig gefüllten Tongefäß., Ein von einem Kupferzylinder umgebener Eisenstab drang in die Flüssigkeit ein und erzeugte 1,1 bis 2 V Strom.
Nicht alle Wissenschaftler akzeptieren die Parther-Batterie als Energiequelle, da die Anwendung unbekannt ist. Es ist möglich, dass die Batterie zum Galvanisieren einer Schicht Gold oder anderer Edelmetalle auf eine Oberfläche verwendet wurde. Die Ägypter sollen vor über 4300 Jahren Antimon auf Kupfer galvanisiert haben.
Moderne Batterieexperimente
Die früheste Methode zur Erzeugung von Elektrizität war die Induktion einer statischen Ladung in einer Substanz., 1660 konstruierte Otto von Guericke (1602-1686) die erste elektrische Maschine, die aus einer großen Schwefelkugel bestand, die beim Reiben und Drehen Federn und kleine Papierstücke anzog. Guericke konnte nachweisen, dass die erzeugten Funken elektrischer Natur waren. Die erste praktische Anwendung statischer Elektrizität war die“ elektrische Pistole“, die von Alessandro Volta (1745-1827) erfunden wurde. Ein elektrischer Draht wurde in ein mit Methangas gefülltes Gefäß gelegt. Wenn ein elektrischer Funke durch den Draht geschickt wurde, explodierte das Glas.,
Volta (siehe Abbildung 2) dachte dann daran, diese Erfindung zu verwenden, um Fernkommunikation bereitzustellen, wenn auch nur ein Boolesches Bit. Ein Eisendraht, der von Holzstangen getragen wurde, sollte von Como nach Mailand, Italien, aufgereiht werden. Am empfangenden Ende würde der Draht in einem mit Methangas gefüllten Gefäß enden. Um ein codiertes Ereignis zu signalisieren, würde ein elektrischer Funke vom Draht gesendet, um die elektrische Pistole zu detonieren. Diese Kommunikationsverbindung wurde nie gebaut.,
Luigi Galvani (1737-1798) entdeckte 1791 während seiner Arbeit an der Universität Bologna, dass sich der Muskel eines Frosches zusammenzog, wenn er von unähnlichen metallischen Objekten berührt wurde. Dieses Phänomen wurde als „tierische Elektrizität“ bekannt — eine falsche Bezeichnung, wie später bewiesen wurde. Aufgrund dieser Experimente initiierte Volta eine Reihe von Experimenten mit unähnlichen Metallen. Er versuchte, Zink, Blei, Zinn oder Eisen als positive Platten und Kupfer, Silber, Gold oder Graphit als negative Platten zu kombinieren.,
Frühe Batterien
Volta entdeckte 1800, dass bestimmte Flüssigkeiten in Kombination mit einem Paar unähnlicher Metalle einen kontinuierlichen Stromfluss erzeugen würden. Diese Entdeckung führte zur Erfindung der ersten voltaischen Zelle, die allgemein als Batterie bekannt ist. Volta entdeckte weiter, dass die Spannung zunehmen würde, wenn voltaische Zellen übereinander gestapelt würden. Abbildung 3 veranschaulicht eine solche serielle Verbindung.
Im selben Jahr veröffentlichte Volta seine Entdeckung einer kontinuierlichen Stromquelle für die Royal Society., Experimente beschränkten sich nicht mehr auf eine kurze Anzeige von Funken, die einen Bruchteil einer Sekunde dauerten. Ein scheinbar endloser Strom von elektrischem Strom war jetzt verfügbar.
Frankreich war eine der ersten Nationen, die Voltas Entdeckungen offiziell anerkannte. Frankreich näherte sich dem Höhepunkt des wissenschaftlichen Fortschritts und neue Ideen wurden mit offenen Armen begrüßt. Auf Einladung wandte sich Volta an das Institut von Frankreich in einer Reihe von Vorträgen, bei denen Napoleon Bonaparte als Mitglied anwesend war (siehe Abbildung 4)., Napoleon half bei den Experimenten, indem er Funken aus der Batterie zog, einen Stahldraht schmelzte, eine elektrische Pistole entließ und Wasser in seine Elemente zersetzte.
Nach Galvanis erfolgreichen Experimenten und der Entdeckung der voltaischen Zelle verbreitete sich das Interesse an galvanischer Elektrizität. Sir Humphry Davy (1778-1829), Erfinder der Sicherheitslampe des Bergmanns, machte neue Entdeckungen, als er die größte und stärkste elektrische Batterie in die Gewölbe der königlichen Institution installierte. Er verband die Batterie mit den Elektroden und produzierte das erste elektrische Licht., Zeugen berichteten, dass seine voltaische Lichtbogenlampe „den brillantesten aufsteigenden Lichtbogen produzierte, den ich je gesehen habe.“
Davy begann 1800, die chemischen Wirkungen von Elektrizität zu testen und stellte bald fest, dass durch das Leiten von elektrischem Strom durch einige Substanzen eine Zersetzung stattfand, ein Prozess, der später als Elektrolyse bezeichnet wurde. Die erzeugte Spannung stand in direktem Zusammenhang mit der Reaktivität des Elektrolyten mit dem Metall. Davy verstand, dass die Wirkungen der Elektrolyse und der voltaischen Zelle gleich waren.,
1802 entwarf Dr. William Cruickshank die erste elektrische Batterie, die in Massenproduktion hergestellt werden konnte. Cruickshank arrangierte quadratische Kupferplatten mit gleichen Zinkblechgrößen. Diese Platten wurden in eine lange rechteckige Holzkiste gelegt und miteinander verlötet. Rillen in der Box hielten die Metallplatten in Position. Die versiegelte Schachtel wurde dann mit einem Elektrolyten aus Sole oder verwässerter Säure gefüllt, der der überfluteten Batterie ähnelt, die noch heute bei uns ist (siehe Abbildung 5).
Wiederaufladbarer Akku
1836 John F., Daniell, ein englischer Chemiker, entwickelte eine verbesserte Batterie, die einen gleichmäßigeren Strom erzeugte als Voltas Gerät. Bis dahin waren alle Batterien primär, was bedeutet, dass sie nicht aufgeladen werden konnten. 1859 erfand der französische Arzt Gaston Planté den ersten Akku. Es basierte auf Blei und Säure, ein System, das noch heute verwendet wird.
1899 erfand Waldmar Jungner aus Schweden die Nickel-Cadmium-Batterie (NiCd), die Nickel für die positive Elektrode und Cadmium für das Negative verwendete., Zwei Jahre später produzierte Thomas Edison ein alternatives Design, indem er Cadmium durch Eisen ersetzte. Hohe Materialkosten im Vergleich zu Trockenzellen oder Bleisäuresystemen schränkten die praktischen Anwendungen der Nickel-Cadmium-und Nickel-Eisen-Batterien ein. Erst als Shlecht und Ackermann 1932 durch die Erfindung der gesinterten Polplatte wesentliche Verbesserungen erzielten, erlangte NiCd neue Aufmerksamkeit . Dies führte zu höheren Lastströmen und verbesserter Langlebigkeit. Der Durchbruch gelang 1947, als es Neumann gelang, die Nickel-Cadmium-Zelle vollständig abzudichten.,
In den 1980er und 1990er Jahren lag das Augenmerk auf nickelbasierten Chemikalien. Besorgt über Umweltverschmutzung Wenn NiCd sorglos entsorgt wurde, begannen einige europäische Länder, diese Chemie einzuschränken, und forderten die Industrie auf, auf Nickelmetallhydrid (NiMH) umzusteigen. Viele sagen, dass NiMH ein Zwischenschritt zu Lithium-Ionen (Li-Ion) ist, und dies kann durchaus wahr sein. Ein Großteil der Forschung konzentriert sich auf die Verbesserung von Lithium-Ionen-Batterien. Neben der Stromversorgung von Mobiltelefonen, Laptops, Digitalkameras, Werkzeugen und medizinischen Geräten ist Li-Ion auch ein Kandidat für Fahrzeuge., Li-Ion hat eine Reihe von Vorteilen, einschließlich einer höheren Energiedichte, ist einfacher zu laden und hat keine Wartungsprobleme im Gegensatz zu Nickel-basierten Batterien. Li-Ion leidet auch nicht an Sulfatierung, die bei bleibasierten Systemen üblich ist.
Elektrizität durch Magnetismus
Elektrizität durch Magnetismus, eine alternative Methode zur Stromerzeugung neben statischer Ladung und Batterie, kam relativ spät. Im Jahr 1820 bemerkte André-Marie Ampère (1775-1836), dass Drähte, die einen elektrischen Strom trugen, manchmal angezogen und zu anderen Zeiten voneinander abgestoßen wurden., Im Jahr 1831 demonstrierte Michael Faraday (1791-1867), wie eine Kupferscheibe einen konstanten Stromfluss lieferte, während sie sich in einem starken Magnetfeld drehte. Faraday gelang es Davy und seinem Forschungsteam, eine endlose elektrische Kraft zu erzeugen, solange die Bewegung zwischen Spule und Magnet andauerte. Dies führte zur Erfindung des elektrischen Generators und dann des Elektromotors. Kurz darauf wurden Transformatoren entwickelt, die Wechselstrom (ac) in jede gewünschte Spannung umwandeln können., Im Jahr 1833 gründete Faraday die Grundlage der Elektrochemie, indem er seine Gesetze der Elektrolyse veröffentlichte.
Sobald die Beziehung mit Magnetismus in der Mitte der 1800er Jahre entdeckt wurde, begannen große Generatoren einen stetigen Stromfluss zu erzeugen. Es folgten Motoren, die mechanische Bewegung ermöglichten, und die Edison-Glühbirne schien die Dunkelheit zu erobern. Die von Nikola Tesla (1857-1943) entwickelte Drehstrom-Wechselstromtechnologie ermöglichte es Übertragungsleitungen, elektrische Energie über große Entfernungen zu transportieren. So wurde der Menschheit Strom zur Verfügung gestellt, um die allgemeine Lebensqualität zu verbessern.,
Die Erfindung der elektronischen Vakuumröhre in den frühen 1900er Jahren war der bedeutende nächste Schritt in Richtung Hochtechnologie und ermöglichte die Entwicklung von Frequenzoszillatoren, Signalverstärkungen und digitaler Umschaltung. Dies führte in den 1920er Jahren zum Rundfunk und 1946 zum ersten digitalen Computer namens ENIAC. Die Entdeckung des Transistors im Jahr 1947 ebnete 10 Jahre später den Weg zur integrierten Schaltung. Der Mikroprozessor leitete das Informationszeitalter ein und revolutionierte unser heutiges Leben.,
Die Menschheit ist auf Elektrizität angewiesen, und mit zunehmender Mobilität bewegen sich die Menschen immer mehr in Richtung tragbarer Energiespeicher — zuerst für Radanwendungen, dann für Portabilität und schließlich für den tragbaren Gebrauch. So umständlich und unzuverlässig die frühen Batterien auch gewesen sein mögen, zukünftige Generationen betrachten die heutigen Technologien möglicherweise als nichts weiter als ungeschickte Experimente.
Geschichte der Batterieentwicklung.,
1600 William Gilbert (UK) Gründung der Elektrochemie-Studie
1791 Luigi Galvani (Italien) Entdeckung der „tierischen Elektrizität“
1800 Alessandro Volta (Italien) Erfindung der voltaischen Zelle
(Zink-und Kupferscheiben)
1802 William Cruickshank (UK) Erste elektrische Batterie in der Lage
der Massenproduktion
1820 André Marie Ampère (Frankreich) Elektrizität durch magnetismus
1833 Michael Faraday (UK) Ankündigung von Faradays Gesetzen
1836 John F., abdichtung der
Nickel-Cadmium-Batterie
1949 Lew Uir, Eveready Battery (USA) Erfindung Alkali-Mangan
Batterie
1970er Jahre Gruppenaufwand Entwicklung von Ventilzellen
Blei-Säure-Batterie
1990 Gruppenaufwand Vermarktung von Nickel-Metall
Hydrid-Batterie
1991 Sony (Japan) Vermarktung von
Lithium-Ionen-Batterie
1996 Moli Energy (Kanada) Einführung von Li-Ion
mit Mangankathode
2005 Valence, A123 System (USA) Einführung von Li-Ion mit
Phosphatkathode
Illustrationen von Cadex Electronics Inc.,
Isidor Buchmann ist Gründer und CEO von Cadex Electronics Inc, einem kanadischen Unternehmen, das sich auf die Entwicklung und Herstellung fortschrittlicher Batterietestgeräte spezialisiert hat. Seit zwei Jahrzehnten beschäftigt er sich mit dem Verhalten von Akkus im praktischen Alltag. Als preisgekrönter Autor zahlreicher Artikel und Bücher zu diesem Thema hat Herr Buchmann batteriebezogene Fachbeiträge rund um den Globus geliefert. Weitere Informationen zum Akku finden Sie bei Cadex Battery University. Isidor, kann kontaktiert werden 22000 Fraserwood Way, Richmond, BC V6W 1J6, Kanada.