В этой статье речь пойдет о изобретении, которое продвинуло очень важную для всех физиков экспериментаторов задачу не только получать электричество в результате химической реакции, но и хранить его. Краткая хронология изобретения батарейки:
| Дата | Изобретатель | Изобретение или открытие |
|---|---|---|
| 1780 | Лукой Гальвани | Обнаружение электрических токов при контакте металлов с мышечной тканью |
| 1800 | Уильям Николсон и А. Каррера | Создание первой примитивной батареи |
| 1800 | Алессандро Вольта | Создание первой истинной батареи |
| 1836 | Даниэль Фарадей | Усовершенствование дизайна батареи Вольта |
| 1866 | Жорж Лекланше | Создание первой перезаряжаемой батареи |
| 1901 | Томас Эдисон | Представление никель-железной батареи |
| 1949 | Льюис У. Уолтер | Разработка щелочной батареи |
| 1991 | Акира Ямашита | Создание литий-ионной батареи |
- Случайное открытие Гальвани
- Опыты и изобретение Вольта
- Уильям Крюйкшенк — один из первых последователей Вольта
- Гальванический элемент Даниеля
- Элемент Лекланше
- Улучшение сухого элемента Карлом Гасснером
- Усовершенствование солевой батарей Паулем Шмидтом
- Ртутно-цинковые батареи Сэмюэля Рубена
- Создатель щелочного элемента Льюис Фредерик Урри
- В чем опасность батареек
Случайное открытие Гальвани
Первым шагом на пути к созданию современной батарейки принято считать случайное открытие итальянского врача и физика Луиджи Гальвани.
В 1791 году он экспериментировал с “животным электричеством” и изучал взаимодействие разных электрических сигналов с мышечной тканью. Основным объектом исследований была лягушка. Гальвани препарировал земноводных и к их мышцам прикладывал разное электричество. Сокращение мышц наблюдалось визуально, в результате воздействия:
- искусственного электричества (лейдонская банка);
- атмосферного (молния).
В ходе этих наблюдений Гальвани заметил то, что в дальнейшем Вольта превратил в стабильный источник тока: “Если не прикладывать специального внешнего электричества (атмосферного, искусственного), а ввести в контакт с лягушкой два разных металла, происходит сокращение мышц”. Описав это заключение в своей книге, Гальвани посылает ее разным специалистам, в том числе Вольту.
Опыты и изобретение Вольта
Через девять лет другой итальянец Алессандро Вольта, профессор-физик университета в Павии, продолжил такие испытания.
Он экспериментировал на себе. Вместо лягушачьей лапки применял собственный язык. Сверху клал медную монетку, а снизу — серебряную, и ничего особенного не происходило. А вот когда два разных металла соприкасались с краю, язык пощипывало так, будто к нему подали заряд слабо заряженного конденсатора.
Другой опыт. Небольшую часть тонкой оловянной фольги Вольта помещал себе на глазное яблоко (открытый глаз), а в рот брал серебряную ложку. Затем кусочками металла прикасался одновременно к ложке и к фольге. В результате была вспышка света в глазу. Разные металлы — есть вспышка, одинаковые — нет. Разные металлы щиплет язык, одинаковые — нет.
Вольта делает абсолютно правильный вывод, в отличие от Гальване, который предполагал, что электричество вырабатывается где-то в живых тканях. Если б это было так, две одинаковые металлические пластины и замкнутая цепь должны были давать результат, которого нет. Искра появляется только тогда, когда металлы разные. Вольта предположил, что дело вовсе не в живой ткани, а в металлах. Решил повторить, но только без живого организма.
Вольта взял медную и цинковую пластины, между которыми поместил пропитанную солевым раствором ткань, потому что язык и глаза влажные. А когда замыкал проводом металлы, увидел, что проскакивает искра и возникает слабое электричество. В ходе дальнейшей работы Вольта пытался использовать это заключение для того, чтобы получить как можно больше стабильного электрического тока из данной конфигурации.
Вольта несколько лет повторял эксперименты Гальвани с лягушками, другими организмами и без них. Он пришел к важному выводу, что явление гальванизма — это протекание электрического тока во время контакта разных металлов с влажной средой. Данное заключение Вольта опубликовал в английском научном журнале “Философские труды Королевского общества”.
Важное и самое знаменитое заявление Вольта 1800 года — это сообщение о том, что можно построить несколько повторяющихся серий двух разных металлов, и между соседними парами лежит тонкая прослойка (кусок ткани, бумаги), пропитанная раствором. Более активный металл, менее активный металл, а между ними раствор электролита, который просто зафиксирован в этой влажной прослойке. В результате получился высокий столб, который вырабатывал уже достаточно большое напряжение. В историю науки это изобретение вошло под названием Вольтов столб.
Конструкция являлась набором повторяющихся комбинации из трех элементов. Между парами разных металлов, к примеру, цинка и олова, есть тонкие прослойки, смоченные раствором электролита. По мере наращивания числа элементов в Вольтовом столбе — напряжение усиливается.
Проблемы Вольтова столба:
- состав раствора непостоянен;
- образование малорастворимых соединений с плохой проводимостью;
- самопроизвольное растворение цинка с выделением водорода;
- раствор способен вытекать.
Открытия Вольта произвели сенсацию в научном мире. Осенью 1800 года физика пригласили в институт Франции для чтения ряда лекций в присутствии самого Наполеона Бонапарта. Впечатленный император в 1805 году удостоил итальянского ученого звания кавалера ордена Почетного легиона, а затем присвоил ему титул сенатора и графа итальянского королевства.
Уильям Крюйкшенк — один из первых последователей Вольта
По электрической дорожке, проложенной Вольтом, прошли многие ученые того времени. В 1802 году английский химик Уильям Крюйкшенк разработал первую электрическую батарею, подходящую для массового производства.
В длинную деревянную коробку он поместил предварительно спаянные на концах медные и цинковые листы квадратной формы. Коробка была запечатана при помощи цемента и заполнялась электролитом. По сравнению с Вольтовым столбом изобретение Крюйкшенка не высыхало и вырабатывало больше энергии.
Гальванический элемент Даниеля
В 1836 году химик и физик Джон Даниель усовершенствовал элемент Вольта, разрешив проблемы коррозии электродов.
Он придумал следующее: не нужно ограничиваться маленьким объемом раствора. Для того, чтобы потенциалы были стабильны, надо каждому электроду сделать свой раствор. Здесь будет полуреакция с цинком и полуреакция с медью. Цинк и медь погружены в раствор солевого сульфата, а между ними Даниэль поставил пористую перегородку. Разработанный им элемент так и назывался элемент Даниеля.
Интересный факт. Именно для батареи Даниеля была разработана конструкция, которая применяется в современных батарейках.
Один раствор в наружном цилиндре, другой — во внутреннем, а между ними вставлен пористый, керамический цилиндр, который работает перегородкой и препятствует смешиванию двух растворов. Конечно, постепенно это происходило и через керамическую перегородку, однако батареи Даниеля были полноценными источниками тока, которые использовались в производстве. У них невысокое напряжение, но довольно высокая стабильность, и они запасают много заряда.
Элемент Лекланше
В 1866 году французский инженер Жорд Лекланше создал первый маргацево-цинковый элемент или, проще говоря, батарейку, которую стали выпускать в промышленных масштабах. Это было простое и безопасное в изготовлении и эксплуатации устройство. Элемент Лекланше оставался влажным, поскольку в нем использовался жидкий электролит. 10 лет спустя Лекланше добавил крахмал в хлорид аммония, тем самым повысив желирование состава электролита.
Характеристики марганцево-цинкового элемента:
| Удельная энергоёмкость | 67—99 Вт∙час/кг |
| Удельная энергоплотность | 122-263 Вт∙час/дм³ |
| ЭДС | 1,51 В |
Изобретение Лекланше находит применение в железнодорожной промышленности Нидерландов и телеграфных сетях соседней Бельгии. Он является основателем фабрики массового производства батареек в Париже. Сегодня солевые батареи — самый распространенный тип источника питания.
Улучшение сухого элемента Карлом Гасснером
В 1886 году немец Карл Гасснер получил патент на сухие элементы. Изобретение Гасснера — это, по сути, усовершенствованные угольно-цинковые батарейки, которые применяются сегодня. Гасснер улучшил процесс желирования и получения более портативного сухого элемента путем смешивания гипса и гидрофильных химикатов с электролитом хлористого аммония.
Усовершенствование солевой батарей Паулем Шмидтом
Немецкий изобретатель Пауль Шмидт с 1891 года работал над созданием сухой переносной гальванической батареи. Чтобы связать электролит, он проводит опыты с гипсом, опилками, желатином. Но лучший результат дает пшеничная мука.
Технологию изготовления Шмидт запатентовал, а со временем создал собственную компанию по изготовлению батареек DAIMON. Шидт установил действующие сегодня размеры пальчиковых батареек 14,5х50,5 мм. В 1906 году создал электрический ручной фонарь.
Ртутно-цинковые батареи Сэмюэля Рубена
В 1924 году века американским изобретателем в области электрохимии Сэмюэлем Рубеном и бизнесменом Филиппом Роджерсом Мэллори была основана компания Mallory Company по изготовлению батарей и аккумуляторов, которая с 1964 года называется Duracell.
В 1942 году Рубеном был разработан ртутный элемент. Во время Второй мировой войны изобретение заменяло угольно-цинковые батареи. Она отличалась от предшественника надежным корпусом
Характеристики ртутного элемента питания:
| Теоретическая энергоёмкость | 228,72 Вт·ч/кг |
| Удельная энергоёмкость | до 135 Вт·ч/кг |
| Удельная энергоплотность | 550—750 Вт·ч/дм³ |
| ЭДС | 1,36 В |
Ртутный элемент нашел применение в военной технике: металлоискателях, боеприпасах и рациях. В мирное время на таком элементе питания работали фотоаппараты, слуховые аппараты, кинокамеры.
Стоит заметить, что с начала 90-х годов производство и продажа ртутьсодержащих батареек запрещается во многих странах мира из-за проблем с утилизацией.
Создатель щелочного элемента Льюис Фредерик Урри
Создателем щелочной батарейки, а затем литиевой является Льюис Фредерик Урри, канадский химик-изобретатель. Он экспериментировал с марганцево-цинковым гальваническим элементом, как и многие другие инженеры 50-х годов. В результате опытов Урри пришел к выводу, что увеличить ток можно, заменив солевое вещество электролита на щелочное. А если применять порошкообразный цинк, батарейка способна обеспечить достаточную мощность.
Характеристики щелочного элемента питания:
| Удельная энергия | 65—90 Вт∙ч/кг |
| Удельная мощность | 100—150 кВт/м³ |
| ЭДС элемента | 1,5 В |
Следует обратить внимание, что солевые и щелочные элементы питания являются токсичными, так как содержат растворенные тяжелые металлы.
1960 года Льюис Урри со своими коллегами патентует конструкцию щелочного элемента. Массовое производство батарейки впервые выпускаются компанией Eveready (ныне Energizer).
Характеристика литиевого элемента питания:
| Весовая удельная энергия | 300 Вт∙ч/кг |
| Объёмная удельная энергия | 600 Вт∙ч/кг |
| ЭДС | 1,5-3,0 В |
В чем опасность батареек
Человечество сегодня очень сильно зависит от электричества. Растут и требования к электрическим батареям. Улучшая их технические характеристики, увеличивается число задач, которые следует решать.
Очень важно правильно утилизировать опасные отходы! Просто выбрасывать их на свалку нельзя. Под воздействием влаги, корпус батарей подвергается коррозии, и содержимое попадает в почву, грунтовые воды. Одна выброшенная батарея заражает поверхность земли в радиусе до 20 м2 и способна отравить до 400 литров грунтовых вод. Это приносит непоправимый вред здоровью людей и окружающей среды.
Со временем ядовитые вещества накапливаются в организме человека, что способствует развитию онкологических, репродуктивных и других тяжелых заболеваний.
Дома хранить батарейки тоже нельзя. Под влиянием различных факторов герметичность корпуса элемента питания нарушается. Вся опасность кроется в веществах, которые находятся внутри и используются для изготовления батареек: магний, ртуть, никель, цинк, кадмий и др.
Их следует сдавать в соответствующие пункты, которые специализируются на утилизации данной продукции.
Во всем мире остро стоит проблема экологии и загрязнения окружающей среды. Поэтому нужно правильно использовать и утилизировать опасный, но необходимый источник электропитания.
