Isidor Buchmann, Cadex Electronics, Inc
La batteria, l’odierna necessità tecnologica, è il risultato di 400 anni di impegno scientifico.
Una delle scoperte più notevoli e nuove degli ultimi 400 anni è l’elettricità. Si può chiedere: “L’elettricità è stata così a lungo?” La risposta è sì e forse molto più a lungo, ma l’uso pratico dell’elettricità è stato a nostra disposizione solo dalla metà alla fine del 1800., Una delle prime attrazioni elettriche che guadagnò l’attenzione del pubblico fu un ponte illuminato elettricamente sulla Senna durante l’Esposizione Universale di Parigi del 1900.
L’uso di energia elettrica può andare indietro molto più lontano. Mentre costruivano una nuova ferrovia nel 1936 vicino a Baghdad, gli operai scoprirono quella che sembrava essere una batteria preistorica. La scoperta era conosciuta come Bagdad o batteria partica (vedi Figura 1) e si credeva che avesse 2000 anni, risalente al periodo partico . La batteria consisteva in un barattolo di argilla pieno di aceto., Una barra di ferro circondata da un cilindro di rame penetrò nel liquido e produsse da 1,1 a 2 V di elettricità.
Non tutti gli scienziati accettano la batteria partica come fonte di energia perché l’applicazione è sconosciuta. È possibile che la batteria sia stata utilizzata per placcare uno strato di oro o altri metalli preziosi su una superficie. Si dice che gli egiziani abbiano placcato l’antimonio sul rame oltre 4300 anni fa.
Esperimenti di batteria moderna
Il primo metodo di generazione di elettricità era inducendo una carica statica in qualche sostanza., Nel 1660, Otto von Guericke (1602-1686) costruì la prima macchina elettrica costituita da un grande globo di zolfo che, strofinato e girato, attirava piume e piccoli pezzi di carta. Guericke è stato in grado di dimostrare che le scintille generate erano di natura elettrica. Il primo uso pratico dell’elettricità statica fu la “pistola elettrica”, inventata da Alessandro Volta (1745-1827). Un filo elettrico è stato posto in un barattolo pieno di gas metano. Quando una scintilla elettrica è stata inviata attraverso il filo, il barattolo sarebbe esploso.,
Volta (vedi Figura 2) ha quindi pensato di utilizzare questa invenzione per fornire comunicazioni a lunga distanza, anche se solo un bit booleano. Un filo di ferro sostenuto da pali di legno doveva essere infilato da Como a Milano, Italia. All’estremità ricevente, il filo terminerebbe in un barattolo pieno di gas metano. Per segnalare un evento codificato, una scintilla elettrica sarebbe stata inviata dal filo per far esplodere la pistola elettrica. Questo collegamento di comunicazione non è mai stato costruito.,
Nel 1791, mentre lavorava all’Università di Bologna, Luigi Galvani (1737-1798) scoprì che il muscolo di una rana si contrasse quando veniva toccato da oggetti metallici dissimili. Questo fenomeno divenne noto come” elettricità animale ” — un termine improprio, come fu successivamente dimostrato. Spinto da questi esperimenti, Volta ha avviato una serie di esperimenti utilizzando metalli dissimili. Ha provato a combinare zinco, piombo, stagno o ferro come piastre positive e rame, argento, oro o grafite come piastre negative.,
Batterie precoci
Volta scoprì nel 1800 che alcuni fluidi avrebbero generato un flusso continuo di energia elettrica se combinati con una coppia di metalli dissimili. Questa scoperta portò all’invenzione della prima cella voltaica, più comunemente nota come batteria. Volta scoprì inoltre che la tensione aumentava quando le celle voltaiche erano impilate una sopra l’altra. Figura 3 illustra una tale connessione seriale.
Nello stesso anno, Volta pubblicò la sua scoperta di una fonte continua di elettricità alla Royal Society., Gli esperimenti non erano più limitati a una breve esposizione di scintille che duravano una frazione di secondo. Un flusso apparentemente infinito di corrente elettrica era ora disponibile.
La Francia fu una delle prime nazioni a riconoscere ufficialmente le scoperte di Volta. La Francia si stava avvicinando al culmine dei progressi scientifici e le nuove idee sono state accolte a braccia aperte. Su invito, Volta si rivolse all’Istituto di Francia in una serie di conferenze in cui Napoleone Bonaparte era presente come membro (vedi Figura 4)., Napoleone aiutò con gli esperimenti, disegnando scintille dalla batteria, fondendo un filo d’acciaio, scaricando una pistola elettrica e decomponendo l’acqua nei suoi elementi.
Dopo gli esperimenti di successo di Galvani e la scoperta della cella voltaica, l’interesse per l’elettricità galvanica si diffuse. Sir Humphry Davy (1778-1829), inventore della lampada di sicurezza del minatore, fece nuove scoperte quando installò la batteria elettrica più grande e potente nelle volte dell’Istituzione reale. Ha collegato la batteria agli elettrodi di carbone e ha prodotto la prima luce elettrica., Testimoni riferirono che la sua lampada ad arco voltaico produsse “il più brillante arco ascendente di luce mai visto.”
Davy iniziò a testare gli effetti chimici dell’elettricità nel 1800 e presto scoprì che passando corrente elettrica attraverso alcune sostanze, si verificava la decomposizione, un processo in seguito chiamato elettrolisi. La tensione generata era direttamente correlata alla reattività dell’elettrolita con il metallo. Davy capì che le azioni dell’elettrolisi e della cella voltaica erano le stesse.,
Nel 1802, il dottor William Cruickshank progettò la prima batteria elettrica in grado di essere prodotta in serie. Cruickshank disposto fogli quadrati di rame con dimensioni uguali foglio di zinco. Questi fogli sono stati collocati in una lunga scatola di legno rettangolare e saldati insieme. Le scanalature nella scatola tenevano le piastre metalliche in posizione. La scatola sigillata è stata quindi riempita con un elettrolita di salamoia, o acido annacquato, simile alla batteria allagata che è ancora con noi oggi (vedi Figura 5).
Batteria ricaricabile
Nel 1836 John F., Daniell, un chimico inglese, ha sviluppato una batteria migliorata che ha prodotto una corrente più stabile del dispositivo di Volta. Fino ad allora, tutte le batterie erano primarie, il che significa che non potevano essere ricaricate. Nel 1859, il medico francese Gaston Planté inventò la prima batteria ricaricabile. Era basato su piombo e acido, un sistema che viene ancora usato oggi.
Nel 1899, Waldmar Jungner dalla Svezia inventò la batteria al nichel-cadmio (NiCd), che utilizzava nichel per l’elettrodo positivo e cadmio per il negativo., Due anni dopo, Thomas Edison produsse un progetto alternativo sostituendo il cadmio con il ferro. Gli alti costi del materiale rispetto alle celle a secco o ai sistemi al piombo hanno limitato le applicazioni pratiche delle batterie al nichel-cadmio e al nichel-ferro. Non è stato prima che Shlecht e Ackermann raggiunto importanti miglioramenti inventando la piastra palo sinterizzato nel 1932 che NiCd guadagnato nuova attenzione . Ciò ha comportato correnti di carico più elevate e una maggiore longevità. La svolta arrivò nel 1947 quando Neumann riuscì a sigillare completamente la cella al nichel-cadmio.,
Negli anni 1980 e 1990, l’attenzione era sulle chimiche a base di nichel. Preoccupati per la contaminazione ambientale se il NiCd è stato smaltito con noncuranza, alcuni paesi europei hanno iniziato a limitare questa chimica e hanno chiesto all’industria di passare all’idruro di nichel-metallo (NiMH). Molti dicono che il NiMH è un passo intermedio agli ioni di litio (Li-ion) e questo potrebbe essere vero. Gran parte della ricerca si concentra sul miglioramento delle batterie agli ioni di litio. Oltre ad alimentare telefoni cellulari, computer portatili, fotocamere digitali, strumenti e dispositivi medici, Li-ion è anche un candidato per i veicoli., Li-ion ha una serie di vantaggi tra cui una maggiore densità di energia, è più facile da caricare e non ha problemi di manutenzione a differenza di batterie a base di nichel. Né Li-ion soffre di solfatazione che è comune con i sistemi a base di piombo.
Elettricità attraverso il magnetismo
L’elettricità attraverso il magnetismo, un metodo alternativo per generare elettricità oltre alla carica statica e alla batteria, è arrivata relativamente tardi. Nel 1820, André-Marie Ampère (1775-1836) notò che i fili che trasportavano una corrente elettrica erano a volte attratti e altre volte respinti l’uno dall’altro., Nel 1831, Michael Faraday (1791-1867) dimostrò come un disco di rame fornisse un flusso costante di elettricità mentre ruotava in un forte campo magnetico. Faraday, assistendo Davy e il suo team di ricerca, riuscì a generare una forza elettrica infinita finché il movimento tra una bobina e un magnete continuava. Ciò ha portato all’invenzione del generatore elettrico e quindi del motore elettrico. Poco dopo, sono stati sviluppati trasformatori in grado di convertire la corrente alternata (ac) in qualsiasi tensione desiderata., Nel 1833, Faraday stabilì le basi dell’elettrochimica pubblicando le sue leggi sull’elettrolisi.
Una volta scoperta la relazione con il magnetismo a metà del 1800, i grandi generatori iniziarono a produrre un flusso costante di elettricità. Motori seguiti che hanno permesso il movimento meccanico e la lampadina Edison sembrava conquistare l’oscurità. La tecnologia ac trifase sviluppata da Nikola Tesla (1857-1943) ha permesso alle linee di trasmissione di trasportare energia elettrica su grandi distanze. L’elettricità è stata così messa a disposizione dell’umanità per migliorare la qualità generale della vita.,
L’invenzione del tubo a vuoto elettronico nei primi anni del 1900 è stato il significativo passo successivo verso l’alta tecnologia, consentendo lo sviluppo di oscillatori di frequenza, amplificazioni di segnale e commutazione digitale. Ciò ha portato alla trasmissione radio nel 1920 e il primo computer digitale chiamato ENIAC nel 1946. La scoperta del transistor nel 1947 ha aperto la strada al circuito integrato 10 anni dopo. Il microprocessore ha inaugurato l’era dell’informazione e ha rivoluzionato il nostro modo di vivere oggi.,
L’umanità dipende dall’elettricità e, con una maggiore mobilità, le persone si stanno muovendo sempre più verso lo storage portatile di potenza, prima per le applicazioni su ruote, poi per la portabilità e infine per l’uso indossabile. Per quanto imbarazzanti e inaffidabili come le prime batterie potrebbero essere state, le generazioni future potrebbero guardare alle tecnologie odierne come nient’altro che esperimenti maldestri.
Storia dello sviluppo della batteria.,
1600 William Gilbert (UK) Istituzione di elettrochimica studio
1791 Luigi Galvani (Italia) Scoperta di “elettricità animale”
1800 Alessandro Volta (Italia) Invenzione della cella di voltaic
(zinco e rame dischi)
1802 William Cruickshank (regno UNITO) Prima batteria elettrica in grado
di produzione di massa
1820 André Marie Ampère (Francia) di energia Elettrica attraverso il magnetismo
1833 Michael Faraday (UK) Annuncio di Faraday leggi
1836 John F., di tenuta
nichel-cadmio batterie
1949 Lew Uir, Eveready Batteria (USA) Invenzione alcalino-manganese
batteria
1970 sforzo di Gruppo, Sviluppo di valve regulated
piombo-acido batteria
1990 sforzo di Gruppo Commercializzazione di nichel-metallo
– idruro batteria
1991 Sony (Giappone) Commercializzazione di
batterie agli ioni di litio
1996 Moli di Energia (Canada) Introduzione agli ioni di Litio
con il manganese catodo
2005 Stretching, A123 System (USA) Introduzione agli ioni di Litio con
fosfato catodo
Illustrazioni da Cadex Electronics Inc.,
Isidor Buchmann è il fondatore e CEO di Cadex Electronics Inc, una società canadese specializzata nella progettazione e produzione di strumenti avanzati di test della batteria. Ha studiato il comportamento delle batterie ricaricabili in applicazioni pratiche e quotidiane per due decenni. In qualità di pluripremiato autore di numerosi articoli e libri sull’argomento, Buchmann ha pubblicato articoli tecnici relativi alle batterie in tutto il mondo. Puoi trovare ulteriori informazioni sulla batteria presso l’università della batteria di Cadex. Isidor può essere contattato a 22000 Fraserwood Way, Richmond, BC V6W 1J6, Canada.