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TECHNOLOGIEGESCHICHTE, TECHNOLOGIE, OBJEKTE UM UNS
Batterie. Geschichte der Erfindung und Produktion
Verzeichnis / Die Geschichte der Technik, Technik, Objekte um uns herum Eine elektrische Batterie ist eine wiederverwendbare Stromquelle, deren Hauptspezifität die Reversibilität interner chemischer Prozesse ist, die ihre wiederholte zyklische Verwendung (durch Laden und Entladen) auch zur Energiespeicherung und autonomen Stromversorgung verschiedener elektrischer Geräte und Geräte gewährleistet B. für die Bereitstellung von Backup-Energiequellen in der Medizin, Fertigung und anderen Bereichen.
Die Entdeckung des Akkumulationseffekts ist eine der wichtigsten und bedeutendsten Erfindungen auf dem Gebiet der Elektrotechnik. Sehr oft bestand und besteht die Notwendigkeit, Geräte oder Mechanismen an Orten mit Strom zu versorgen, an denen es keine Energiequellen gibt. Lange Zeit wurde für diese Zwecke eine galvanische Batterie verwendet, die jedoch eine schwache, teure und zu sperrige Stromquelle war. Die Schaffung einer elektrischen Batterie hat diese Aufgabe erheblich vereinfacht. Bereits 1802 entdeckte Ritter, dass zwei in Säure getauchte und an eine galvanische Batterie angeschlossene Kupferplatten aufgeladen werden und dann für kurze Zeit als Konstantstromquelle verwendet werden können. Dieses Phänomen wurde später von vielen anderen Wissenschaftlern untersucht. 1854 beobachtete der deutsche Militärarzt Wilhelm Sinsteden folgenden Effekt: Beim Durchleiten von Strom durch in verdünnte Schwefelsäure getauchte Bleielektroden wurde die positive Elektrode mit Bleidioxid PbO2 bedeckt, während die negative Elektrode keinerlei Veränderungen erfuhr. Wenn ein solches Element dann kurzgeschlossen wurde und den Stromfluss durch es von einer konstanten Quelle stoppte, erschien darin ein konstanter Strom, der nachgewiesen wurde, bis das gesamte Bleidioxid in der Säure gelöst war. So kam Sinsteden der Schaffung eines Akkumulators nahe, zog jedoch keine praktischen Schlussfolgerungen aus seiner Beobachtung. Nur fünf Jahre später, 1859, machte der französische Ingenieur Gaston Plante zufällig dieselbe Entdeckung und baute die erste Blei-Säure-Batterie der Geschichte. Dies war der Beginn der Batterietechnologie. Plantes Akkumulator bestand aus zwei identischen Bleiplatten, die auf einen Holzzylinder gewickelt waren. Sie waren durch eine Gewebedichtung voneinander getrennt. So angeordnet wurde die Vorrichtung in ein Gefäß mit angesäuertem Wasser gestellt und an eine elektrische Batterie angeschlossen. Einige Stunden später konnte durch Abklemmen der Batterie ein ausreichend starker Strom aus der Batterie entnommen werden, der für einige Zeit seinen konstanten Wert beibehielt.
Was erklärt die in der Batterie ablaufenden Prozesse? Wie in einer galvanischen Zelle ist der elektrische Strom hier die Folge einer chemischen Reaktion, die viele Male in beide Richtungen ablaufen kann. Stellen Sie sich vor, wir beginnen mit dem Laden einer leeren Batterie, indem wir sie an eine Gleichstromquelle anschließen. Normalerweise enthält die noch nicht geladene Masse der positiven Bleiplatte die Überreste des vorherigen Zyklus - Bleioxid PbO und Bleisulfat PbSO4, und die negative - nur Bleioxid PbO. Unter Einwirkung eines elektrischen Stroms beginnt sich der Elektrolyt - angesäuertes Wasser - zu zersetzen: An der positiven Elektrode wird Sauerstoff freigesetzt, der Bleioxid und Bleisulfat sofort zu PbO2-Peroxid oxidiert (außerdem geht der Säurerest SO4 in Lösung) und Wasserstoff wird auf der negativen Platte freigesetzt. Letzteres verbindet sich mit dem Sauerstoff des Oxids zu metallischem Blei und Wasser. Dann beginnt sich das Gas in den Poren der Bleiplatte anzusammeln. Wenn eine geladene Batterie an einen Stromkreis angeschlossen wird, ändert der Strom, der während des Ladevorgangs durch die Batterie fließt, seine Richtung. Infolgedessen beginnt auf der Platte, auf der zuvor Sauerstoff freigesetzt wurde, Wasserstoff freigesetzt zu werden, der mit dem Sauerstoff von Bleiperoxid reagiert. Auf der anderen Platte wird Sauerstoff freigesetzt. Schwefelsäure aus der Flüssigkeit gelangt zur positiven Elektrode und bildet wieder Bleisulfat, während Wasserstoff und Blei auf der negativen Platte oxidiert werden, das erste zu Wasser, das zweite zu Bleioxid. In etwas vereinfachter Form (ohne Berücksichtigung von Parallelprozessen) hat die chemische Reaktion der Entladung die Form: PbO2 + Pb + 2H2S4 = 2PbSO4 + 2H2O. Beim Laden gehen die Phänomene in die entgegengesetzte Richtung. Diese Reaktion, begleitet von der Freisetzung eines elektrischen Stroms, setzt sich fort, bis die Menge an Bleioxid auf beiden Platten ausgeglichen ist. Die gleiche Reaktion tritt in einer offenen Batterie auf, jedoch viel langsamer. Beim Laden (aufgrund der Freisetzung eines Säurerests in die Lösung) nimmt das spezifische Gewicht der Flüssigkeit in der Batterie zu und beim Entladen ab (weil sich beim Entladen Schwefelsäure mit Bleioxid verbindet und Bleisulfat bildet). Elektroden). Beim Entladen wird die Energie chemischer Reaktionen in elektrische Energie umgewandelt und beim Laden umgekehrt. Ein wesentlicher Nachteil der Plante-Batterie war ihre geringe Kapazität - sie entlud sich zu schnell. Plante bemerkte bald, dass durch eine spezielle Vorbereitung der Oberfläche der Bleiplatten, die möglichst porös sein sollte, die Kapazität gesteigert werden konnte. Um dies zu erreichen, entlud Plante eine geladene Batterie und leitete dann erneut einen Strom durch sie, jedoch in die entgegengesetzte Richtung. Dieser Plattenbildungsprozess wurde viele Male für etwa 500 Stunden wiederholt und sollte die Bleioxidschicht auf beiden Platten erhöhen. Bis zur Erfindung des Dynamos waren Batterien für Elektroingenieure wenig interessant, aber als es möglich wurde, sie einfach und schnell mit einem Generator aufzuladen, wurden Batterien weit verbreitet. 1882 verbesserte Camille Faure die Technik zur Herstellung von Akkumulatorplatten erheblich. Wenn die Plante-Batterie erst nach wiederholtem Laden und Entladen (bis die Platten porös wurden) gut zu funktionieren begann, trat bei der Faure-Batterie die Plattenbildung viel schneller auf. Die Essenz von Faures Verbesserung bestand darin, dass er auf die Idee kam, jede Platte mit rotem Blei oder anderem Bleioxid zu bedecken. Beim Aufladen verwandelte sich eine Schicht dieser Substanz auf einer der Platten in Peroxid, während auf der anderen Platte infolge der Reaktion ein geringer Oxidgrad erhalten wurde. Bei diesen Prozessen bildete sich auf beiden Platten eine Oxidschicht mit poröser Struktur, die zur Ansammlung von freigesetzten Gasen an den Elektroden beitrug. Damit die auf den Platten gebildete Oxidmasse nicht abfällt, werden sie mit einem Tuch abgedeckt. Die Faure-Batterie lud nicht nur schneller als die Plante-Batterie, sondern hatte auch eine viel größere Kapazität und konnte einen sehr starken Strom erzeugen. Es bestand aus parallelen Bleiplatten, die nahe beieinander angeordnet und durch eine verbunden waren, so dass jede Elektrode mit demselben Vorzeichen zwischen zwei Elektroden des gegenüberliegenden platziert wurde. Faures Erfindung zog sofort die Aufmerksamkeit von Elektroingenieuren auf sich. Der deutsche Bankier Volkmar, der die Produktion der Faure-Batterien übernahm, verbesserte sie bald noch weiter. Bei bisherigen Batterien haftete die Oxidschicht, wie bereits erwähnt, nicht gut am Rost und fiel beim Schütteln leicht ab. Dies war ein schwerwiegender Konstruktionsfehler, da er die Verwendung von Batterien beim Transport verhinderte. Um die Situation zu verbessern, schlug Volkmar vor, Bleiplatten nicht massiv, sondern in Form von Gittern herzustellen, deren Löcher mit Bleischwamm gestopft wurden. Bei solchen Gittern klebte die aktive Masse nicht mehr einfach am Blei, sondern wurde fest in den Zellen gehalten.
Zu Beginn des XNUMX. Jahrhunderts griff Edison die Verbesserung der Batterie auf, die sie für die Bedürfnisse des Transports geeigneter machen wollte. Im Zusammenhang mit dieser Aufgabe war es notwendig, das Gewicht der Batterien zu verringern, ihre Kapazität zu erhöhen, giftiges Blei und ätzende Schwefelsäure loszuwerden, die die Bleiplatten schnell korrodierten, woraufhin sie ersetzt werden mussten. Wie üblich ging Edison im großen Stil ans Werk: Er schuf ein Speziallabor mit einem großen Stab von Chemikern und betraute sie mit der Forschung auf allen oben genannten Gebieten. Im Wesentlichen ging es darum, einen völlig neuen Batterietyp zu schaffen, bei dem Alkali als Elektrolyt und zerkleinertes Eisen mit einigen Verunreinigungen als negative Elektrode dienten. Lange Zeit war es nicht möglich, das Material für die positive Elektrode auszuwählen. Da die chemischen Prozesse in der Alkaline-Batterie sehr komplex und nicht vollständig verstanden waren, mussten wir uns buchstäblich vortasten. In experimentellen Modellen bestand die positive Elektrode aus Kohlenstoff, dessen Poren mit verschiedenen Substanzen gefüllt waren: Viele Metalle und ihre Verbindungen wurden ausprobiert, aber alle lieferten unzureichend gute Ergebnisse. Schließlich entschieden wir uns für Nickel, das sich als am besten geeignet herausstellte. So kam Edison auf die Eisen-Nickel-Batterie mit einem Elektrolyten in Form von Ätzkali. (Die chemische Reaktion, die beim Entladen in einer Alkalibatterie auftritt, wird etwas vereinfacht durch die Gleichung beschrieben: 2NiOOH + Fe + 2H2O = 2Ni(OH)2 + Fe(OH)2; beim Laden geht der Prozess in die entgegengesetzte Richtung; Elektrolyt KOH, obwohl es die notwendige Umgebung schafft, nimmt nicht an der Reaktion teil.) Mehrere solcher Batterien wurden für umfangreiche Tests hergestellt, und hier waren die Forscher enttäuscht - die Batteriekapazität erwies sich als sehr gering. Edison bemerkte, dass die Reinheit des Materials für die Erhöhung der Kapazität von großer Bedeutung war. Er bestellte hochwertiges kanadisches Nickel für Proben, woraufhin sich die Batteriekapazität sofort verdreifachte. In West Orange wurde eine kleine Eisen- und Nickelraffinerie gebaut. Die Kapazität der neuen Batterie war 2-mal größer als die der alten Bleibatterie. Edison behauptete, dies sei der größte Fortschritt in der Batterietechnologie seit ihrer Einführung. Weitere Experimente waren so erfolgreich, dass Edison 1903 beschloss, in einer eigens dafür gebauten Fabrik mit der industriellen Produktion seiner Batterien zu beginnen. Die ersten Alkalibatterien, die auf den Markt kamen, erwiesen sich jedoch als alles andere als perfekt: Sie hielten einen bestimmten Spannungswert nicht gut, liefen oft aus und hatten viele andere kleinere Mängel. Von Händlern gingen zahlreiche Beschwerden ein. Edison musste die Anlage stoppen und sich wieder an der Verbesserung seiner Erfindung beteiligen. Trotz der Rückschläge glaubte er weiterhin fest an den Erfolg des Verfahrens. Die Veredelung wurde mehreren Gruppen gleichzeitig anvertraut: Eine arbeitete an der Verbesserung des Schweißens von Akkumulatorbehältern, die andere an der Veredelung von Eisen, die dritte beschäftigte sich mit Nickel und Zusätzen dazu. Bis 1905 wurden mehr als 10 zusätzliche Experimente durchgeführt, und 1910 wurde eine deutlich verbesserte Batterie wieder in Produktion genommen. Im ersten Jahr wurden Produkte im Wert von 1 Million US-Dollar hergestellt, und alle fanden gute Verkäufe. Die neue tragbare Batterie wurde bald weit verbreitet in Transportmitteln, Kraftwerken, kleinen Booten und U-Booten. Autor: Ryzhov K.V.
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