Isidor Buchmann, Cadex Electronics, Inc
de batterij, de huidige technologische noodzaak, is het resultaat van 400 jaar wetenschappelijke inspanningen.een van de meest opmerkelijke en nieuwe ontdekkingen van de laatste 400 jaar is elektriciteit. Men kan zich afvragen: “bestaat elektriciteit al zo lang?”Het antwoord is ja en misschien veel langer, maar het praktische gebruik van elektriciteit is pas vanaf het midden tot eind 1800 tot onze beschikking., Een van de eerste elektrische attracties die de publieke aandacht kreeg was een elektrisch verlichte brug over de Seine tijdens de wereldtentoonstelling van 1900 in Parijs.
het gebruik van elektriciteit kan veel verder teruggaan. Tijdens de bouw van een nieuwe spoorlijn in 1936 in de buurt van Bagdad, ontdekten arbeiders wat leek op een prehistorische batterij. De ontdekking stond bekend als de Bagdad of Parthische batterij (zie Figuur 1) en werd verondersteld 2000 jaar oud te zijn, daterend uit de Parthische periode . De batterij bestond uit een klei pot gevuld met azijn., Een ijzeren staaf omgeven door een koperen cilinder drong door in de vloeistof en produceerde 1,1 tot 2 V elektriciteit.
niet alle wetenschappers accepteren de Parthische batterij als energiebron omdat de toepassing onbekend is. Het is mogelijk dat de batterij werd gebruikt voor het galvaniseren van een laag goud of andere edele metalen op een oppervlak. Men zegt dat de Egyptenaren meer dan 4300 jaar geleden antimoon op koper hebben gegalvaniseerd.
moderne Batterijexperimenten
De vroegste methode voor het opwekken van elektriciteit was door het opwekken van een statische lading in een bepaalde stof., In 1660 bouwde Otto von Guericke (1602-1686) de eerste elektrische machine, bestaande uit een grote zwavelbol die, wanneer ingewreven en gedraaid, veren en kleine stukjes papier aantrok. Guericke kon bewijzen dat de vonken Elektrisch van aard waren. Het eerste praktische gebruik van statische elektriciteit was het “elektrische pistool”, uitgevonden door Alessandro Volta (1745-1827). Een elektrische draad werd geplaatst in een pot gevuld met methaangas. Als er een elektrische vonk door de draad werd gestuurd, zou de pot ontploffen.,
Volta (zie Figuur 2) dacht er toen aan om deze uitvinding te gebruiken voor communicatie over lange afstand, zij het slechts één Booleaans bit. Een ijzeren draad ondersteund door houten palen zou worden geregen van Como naar Milaan, Italië. Aan de ontvangende kant zou de draad eindigen in een pot gevuld met methaangas. Om een gecodeerde gebeurtenis te signaleren, zou een elektrische vonk door de draad worden gestuurd om het elektrische pistool te laten ontploffen. Deze communicatieverbinding is nooit gebouwd.,in 1791 ontdekte Luigi Galvani (1737-1798), toen hij aan de Universiteit van Bologna werkte, dat de spier van een kikker samentrekte wanneer hij werd aangeraakt door ongelijksoortige metalen voorwerpen. Dit fenomeen werd bekend als ” dierlijke elektriciteit — – een verkeerde benaming, zoals later werd bewezen. Gevraagd door deze experimenten, volta initieerde een reeks experimenten met behulp van ongelijke metalen. Hij probeerde Zink, Lood, tin of ijzer te combineren als positieve platen en koper, zilver, goud of grafiet als negatieve platen.,in 1800 ontdekte Volta dat bepaalde vloeistoffen een continue stroom van elektrisch vermogen zouden genereren in combinatie met een paar ongelijksoortige metalen. Deze ontdekking leidde tot de uitvinding van de eerste voltaïsche cel, beter bekend als een batterij. Volta ontdekte verder dat de spanning zou toenemen wanneer voltaïsche cellen bovenop elkaar werden gestapeld. Figuur 3 illustreert zo ‘ n seriële verbinding.in hetzelfde jaar publiceerde Volta zijn ontdekking van een continue bron van elektriciteit aan de Royal Society., Niet langer werden experimenten beperkt tot een korte vertoning van vonken die duurde een fractie van een seconde. Een schijnbaar eindeloze stroom van elektrische stroom was nu beschikbaar.Frankrijk was een van de eerste landen die Volta ‘ s ontdekkingen officieel erkende. Frankrijk naderde het hoogtepunt van wetenschappelijke vooruitgang en nieuwe ideeën werden met open armen verwelkomd. Op uitnodiging sprak Volta het Instituut van Frankrijk toe in een reeks lezingen waarbij Napoleon Bonaparte als lid aanwezig was (zie Figuur 4)., Napoleon hielp met de experimenten, het trekken van vonken uit de batterij, het smelten van een staaldraad, het ontladen van een elektrisch pistool en het ontbinden van water in de elementen.na Galvani ‘ s succesvolle experimenten en de ontdekking van de voltaïsche cel, werd de belangstelling voor galvanische elektriciteit wijdverspreid. Sir Humphry Davy( 1778-1829), uitvinder van de veiligheidslamp van de mijnwerker, deed nieuwe ontdekkingen toen hij de grootste en krachtigste elektrische batterij installeerde in de gewelven van het Koninklijk Instituut. Hij sloot de batterij aan op houtskoolelektroden en produceerde het eerste elektrische licht., Getuigen meldden dat zijn voltaïsche booglamp “de meest briljante opgaande Boog van licht ooit gezien produceerde.”
Davy begon in 1800 met het testen van de chemische effecten van elektriciteit en ontdekte al snel dat door elektrische stroom door bepaalde stoffen te gaan, ontbinding plaatsvond, een proces dat later elektrolyse werd genoemd. De opgewekte spanning was direct gerelateerd aan de reactiviteit van de elektrolyt met het metaal. Davy begreep dat de acties van elektrolyse en de voltaïsche cel hetzelfde waren.,in 1802 ontwierp Dr William Cruickshank de eerste elektrische batterij die in massa geproduceerd kon worden. Cruickshank gerangschikt vierkante platen van koper met gelijke plaat maten van zink. Deze platen werden in een lange rechthoekige houten kist geplaatst en aan elkaar gesoldeerd. Groeven in de doos hielden de metalen platen in positie. De verzegelde doos werd vervolgens gevuld met een elektrolyt van pekel, of verdund zuur, die lijkt op de overstroomde batterij die nog steeds bij ons is (zie Figuur 5).
Oplaadbare Batterij
In 1836 John F., Daniell, een Engelse chemicus, ontwikkelde een verbeterde batterij die een stabielere stroom produceerde dan Volta ‘ s apparaat. Tot die tijd waren alle batterijen primair, wat betekent dat ze niet konden worden opgeladen. In 1859 vond de Franse arts Gaston Planté de eerste oplaadbare batterij uit. Het was gebaseerd op lood en zuur, een systeem dat nog steeds wordt gebruikt.in 1899 vond Waldmar Jungner uit Zweden de nikkel-cadmiumbatterij (NiCd) uit, die nikkel gebruikte voor de positieve elektrode en cadmium voor de negatieve., Twee jaar later maakte Thomas Edison een alternatief ontwerp door cadmium te vervangen door ijzer. De hoge materiaalkosten in vergelijking met droge cellen of loodzuursystemen beperkten de praktische toepassingen van nikkel-cadmium-en nikkel-ijzerbatterijen. Het was niet voordat Shlecht en Ackermann belangrijke verbeteringen door het uitvinden van de gesinterde paal plaat in 1932 dat NiCd kreeg nieuwe aandacht . Dit resulteerde in hogere belastingstromen en verbeterde levensduur. De doorbraak kwam in 1947 toen Neumann erin slaagde de nikkel-cadmiumcel volledig te verzegelen.,
in de jaren tachtig en negentig werd aandacht besteed aan nikkelgebaseerde chemie. Bezorgd over milieuverontreiniging als NiCd onzorgvuldig werd verwijderd, begonnen sommige Europese landen deze chemie te beperken en vroegen de industrie om over te schakelen op nikkelmetaalhydride (NiMH). Velen zeggen dat het NiMH een tussenstap is naar lithium-ion (Li-ion) en dit kan heel goed waar zijn. Veel van het onderzoek richt zich op het verbeteren van lithium-ion batterijen. Naast het voeden van mobiele telefoons, laptops, digitale camera ‘ s, hulpmiddelen en medische apparaten, Li-ion is ook een kandidaat voor voertuigen., Li-ion heeft een aantal voordelen, waaronder een hogere energiedichtheid, is gemakkelijker op te laden en heeft geen onderhoudsproblemen in tegenstelling tot op nikkel gebaseerde batterijen. Ook Li-ion lijdt niet aan sulfatie die gebruikelijk is bij op lood gebaseerde systemen.
elektriciteit door magnetisme
elektriciteit door magnetisme, een alternatieve methode voor het opwekken van elektriciteit naast statische lading en batterij, kwam relatief laat. In 1820 merkte André-Marie Ampère (1775-1836) op dat draden met een elektrische stroom soms werden aangetrokken en op andere momenten van elkaar werden afgestoten., In 1831 demonstreerde Michael Faraday (1791-1867) hoe een koperen schijf een constante stroom van elektriciteit leverde terwijl hij in een sterk magnetisch veld ronddraaide. Faraday, die Davy en zijn onderzoeksteam assisteerde, slaagde erin een eindeloze elektrische kracht te genereren zolang de beweging tussen een spoel en een magneet voortduurde. Dit leidde tot de uitvinding van de elektrische generator en vervolgens de elektromotor. Kort daarna werden transformatoren ontwikkeld die wisselstroom (ac) konden omzetten naar elke gewenste spanning., In 1833 stichtte Faraday de basis van de elektrochemie door zijn wetten voor elektrolyse te publiceren.
toen de relatie met magnetisme in het midden van de jaren 1800 werd ontdekt, begonnen grote generatoren een gestage stroom van elektriciteit te produceren. Motoren volgden die mechanische beweging mogelijk maakte en de Edison Gloeilamp leek de duisternis te veroveren. De driefasige ac-technologie ontwikkeld door Nikola Tesla (1857-1943) stelde transmissielijnen in staat om elektrische stroom over grote afstanden te vervoeren. Elektriciteit werd dus ter beschikking gesteld van de mensheid om de algehele kwaliteit van leven te verbeteren.,de uitvinding van de elektronische vacuümbuis in de vroege jaren 1900 was de belangrijke volgende stap in de richting van geavanceerde technologie, waardoor de ontwikkeling van frequentie-oscillatoren, signaalversterkers en digitaal schakelen mogelijk werd. Dit leidde tot radio-uitzendingen in de jaren 1920 en de eerste digitale computer genaamd ENIAC in 1946. De ontdekking van de transistor in 1947 maakte 10 jaar later de weg vrij naar de geïntegreerde schakeling. De microprocessor luidde het informatietijdperk in en revolutioneerde de manier waarop we vandaag leven.,
De mensheid is afhankelijk van elektriciteit, en met toenemende mobiliteit bewegen mensen zich meer en meer naar draagbare energieopslag — eerst voor toepassingen op wielen, dan draagbaarheid en uiteindelijk draagbaar gebruik. Hoe onhandig en onbetrouwbaar de eerste batterijen ook mogen zijn geweest, toekomstige generaties kunnen de technologieën van vandaag beschouwen als niets meer dan onhandige experimenten.
geschiedenis van Batterijontwikkeling.,1791 Luigi Galvani (Italië) ontdekking van “dierlijke elektriciteit”
1800 Alessandro Volta (Italië) uitvinding van de voltaïsche cel
(zink-en koperschijven)
1802 William Cruickshank (VK) eerste elektrische batterij geschikt
voor massaproductie
1820 André Marie Ampère (Frankrijk) electricity through magnetism
1833 Michael Faraday (UK) aankondiging van de wetten van Faraday
1836 John F., het afdichten van de
nikkel-cadmium batterij
1949 Lew Uir, Eveready Battery (verenigde staten) Uitvinding alkaline-mangaan
batterij
jaren 1970 een Groep inspanning Ontwikkeling van valve regulated
lead-acid batterij
1990 Groep inspanning Commercialisering van nikkel-metaal
hydride batterij
1991 Sony (Japan) Commercialisering van
de lithium-ion batterij
1996 Moli Energie (Canada) Introductie van Li-ion
met mangaan kathode
2005 Valence, A123 Systeem (USA), de Invoering van Li-ion met
fosfaat kathode
Illustraties van Cadex Electronics Inc.,Isidor Buchmann is de oprichter en CEO van Cadex Electronics Inc, een Canadees bedrijf dat gespecialiseerd is in het ontwerpen en produceren van geavanceerde instrumenten voor het testen van batterijen. Hij bestudeert al twintig jaar het gedrag van oplaadbare batterijen in praktische, alledaagse toepassingen. Als bekroonde auteur van vele artikelen en boeken over dit onderwerp, heeft de Heer Buchmann over de hele wereld batterijgerelateerde technische papers geleverd. Meer informatie over batterijen vindt u bij Cadex ‘ s battery university. Isidor kan worden gecontacteerd op 22000 Fraserwood Way, Richmond, BC V6W 1J6, Canada.