バッテリー。発明と生産の歴史

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バッテリー。発明と生産の歴史

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電池は再利用可能な電流源であり、その主な特徴は内部化学プロセスの可逆性であり、これにより、エネルギー貯蔵およびさまざまな電気機器や機器の自律的な電力供給のために繰り返し周期的に使用されます（充放電による）。医療、製造、その他の分野におけるバックアップエネルギー源の提供に関しても同様です。

バッテリー

累積効果の発見は、電気工学の分野で最も重要かつ重要な発明の XNUMX つです。非常に多くの場合、エネルギー源がない場所でデバイスまたはメカニズムに電力を供給する必要がありました。長い間、これらの目的のためにガルバニ電池が使用されていましたが、それは弱く、高価で、過度にかさばる電流源でした。電池の作成により、この作業が大幅に簡素化されました。

1802 年にリッターは、酸に浸してガルバニ電池に接続した 1854 枚の銅板を充電すると、短時間定電流源として使用できることを発見しました。この現象は、後に他の多くの科学者によって研究されました。 2 年、ドイツの軍医ヴィルヘルム・ジンシュテーデンは、希硫酸に浸した鉛電極に電流を流すと、正極は二酸化鉛 PbOXNUMX で覆われ、負極は何の変化も受けないことを観察しました。

次に、そのような要素が短絡され、一定の電源からの電流の通過が停止すると、一定の電流が発生し、二酸化鉛がすべて酸に溶解するまで検出されました。このように、Sinsteden はアキュムレータの作成に近づきましたが、彼の観察から実際的な結論を導き出すことはありませんでした。

わずか 1859 年後の XNUMX 年、フランスのエンジニア、ガストンプランテが偶然にも同じ発見をし、史上初の鉛蓄電池を製造しました。これが電池技術の始まりでした。

Planteのアキュムレータは、木製のシリンダーに巻かれたXNUMX枚の同一の鉛板で構成されていました。それらは布製ガスケットによって互いに分離されていました。このように配置された装置は、酸性水が入った容器に入れられ、電池に接続された。数時間後、バッテリーを外すことで、バッテリーから十分に強い電流を取り除くことができ、しばらくの間一定の値を維持していました。

バッテリー
アキュムレータプラント

バッテリーで発生するプロセスを説明するものは何ですか? ガルバニ電池と同様に、ここでの電流は、両方向に何度も発生する化学反応の結果です。切れたバッテリーを DC 電源に接続して充電を開始することを想像してみてください。通常、正の鉛板のまだ帯電していない質量には、前のサイクルの残りの部分 (酸化鉛 PbO と硫酸鉛 PbSO4) が含まれ、負の鉛プレートには酸化鉛 PbO のみが含まれます。

電流の作用下で、電解質 - 酸性化された水 - が分解し始めます。正極で酸素が放出され、酸化鉛と硫酸鉛がすぐに酸化されて過酸化鉛PbO2になります（さらに、酸残留物SO4が溶液になります）。水素は負極板で放出されます。後者は酸化物の酸素と結合し、金属鉛と水を形成します。その後、ガスは鉛板の細孔に蓄積し始めます。

充電されたバッテリーが回路に接続されている場合、充電中にバッテリーを通過する電流はその方向を変えます。その結果、以前に酸素が放出されたプレートでは、水素が放出され始め、過酸化鉛の酸素と反応します。もう一方のプレートでは、酸素が放出されます。液体からの硫酸は正極に移動し、再び硫酸鉛を形成します。一方、負極板の水素と鉛は酸化され、最初は水に、XNUMX 番目は酸化鉛になります。やや単純化した形で（並行プロセスを考慮せずに）、放電の化学反応は次の形をしています。

PbO₂ + 鉛 + 2H₂S₄ = 2PbSO₄ + 2H₂O.

充電時には、現象は逆方向に進みます。電流の放出を伴うこの反応は、両方のプレート上の酸化鉛の量が釣り合うまで続きます。開放型バッテリーでも同じ反応が起こりますが、はるかに遅くなります。充電時（酸の残留物が溶液に放出されるため）、バッテリー内の液体の比重が増加し、放電すると減少します（放電時に硫酸が酸化鉛と結合し、硫酸鉛を形成するため）電極)。放電中は化学反応のエネルギーが電気エネルギーに変換され、充電中はその逆です。

Plante バッテリーの重大な欠点は、容量が小さいことでした。放電が速すぎました。 Plante はすぐに、鉛プレートの表面を特別に処理することで容量を増やすことができることに気付きました。これを達成するために、プランテは充電されたバッテリーを放電し、再び電流を流しましたが、逆方向でした。このプレート成形プロセスは、約 500 時間にわたって何度も繰り返され、両方のプレートの酸化鉛層を増加させることを目的としていました。

発電機が発明されるまで、バッテリーは電気技術者にとってほとんど関心がありませんでしたが、発電機で簡単かつ迅速に充電できるようになると、バッテリーが普及しました。 1882 年、カミーユフォーレはアキュムレータプレートの製造技術を大幅に改善しました。プランテアキュムレータが充電と放電を繰り返した後にのみ (プレートが多孔質になるまで) うまく機能し始めた場合、フォーレアキュムレータでは、プレートの形成がはるかに速く発生しました。

フォーレの改良の本質は、各プレートを赤鉛または他の酸化鉛で覆うというアイデアを思いついたことです。充電すると、一方のプレート上のこの物質の層が過酸化物に変わり、他方のプレートでは反応の結果、低度の酸化物が得られました。これらのプロセス中に、多孔質構造を持つ酸化物の層が両方のプレートに形成され、電極上に発生したガスの蓄積に寄与しました。プレート上に形成された酸化物の塊が落ちないように、それらは布で覆われています。フォーレのバッテリーは、プランテのバッテリーよりも充電が速いだけでなく、容量がはるかに大きく、非常に強い電流を生成することができました。これは、互いに近接して配置され、XNUMX つを介して接続された平行な鉛板で構成されていたため、同じ符号の各電極が反対の XNUMX つの電極の間に配置されていました。

フォーレの発明は、すぐに電気技術者の注目を集めました。フォーレ電池の生産を引き継いだドイツの銀行家フォルクマールは、すぐにそれらをさらに改良しました。以前のバッテリーでは、前述のように、酸化物層が火格子にうまく接着せず、振ると簡単に剥がれ落ちました。これは、輸送中のバッテリーの使用を妨げたため、重大な設計上の欠陥でした。状況を改善するために、Volkmar は鉛板を中実ではなく、穴に海綿状の鉛を詰めた格子の形にすることを提案しました。そのようなグレーティングでは、アクティブな質量は単に鉛にくっつくのではなく、セル内にしっかりと保持されました。

フォルクマーグリルと完成したバッテリープレート

XNUMX 世紀の初めに、エジソンはバッテリーの改良に着手し、バッテリーを輸送のニーズにより適したものにしたいと考えました。この作業に関連して、バッテリーの重量を軽くし、容量を増やし、鉛板を急速に腐食させた有毒な鉛と苛性硫酸を取り除き、その後交換する必要がありました。

いつものように、エジソンは大規模な研究に着手しました。彼は、多数の化学者を擁する特別な実験室を作り、上記のすべての分野の研究を彼らに任せました。要するに、アルカリを電解質とし、不純物を含んだ砕鉄を負極とする、まったく新しいタイプの電池を作ることでした。

長い間、正極の材料を選択することはできませんでした。アルカリ電池の化学プロセスは非常に複雑で、完全には理解されていなかったので、文字通り自分のやり方を探る必要がありました。実験モデルでは、陽極は炭素でできており、その細孔にはさまざまな物質が充填されていました。多くの金属とその化合物が試されましたが、すべて不十分な結果しか得られませんでした。最終的に、最適であることが判明したニッケルに落ち着きました。そこでエジソンは、苛性カリの形の電解液を使って鉄ニッケル電池を開発しました。 (アルカリ電池の放電中に発生する化学反応は、次の式でやや簡略化された形で表されます。

2NiOOH + Fe + 2H₂O = 2Ni(OH)₂ +鉄(OH)₂;

充電時には、プロセスは反対方向に進みます。電解質 KOH は、必要な環境を作り出しますが、反応には関与しません。)

広範なテストのためにそのようなバッテリーがいくつか作成されましたが、ここで研究者は失望しました-バッテリー容量が非常に小さいことが判明しました。エジソンは、材料の純度が静電容量を増加させる上で非常に重要であることに気付きました。彼はサンプル用に高品位のカナダ製ニッケルを注文したところ、バッテリー容量はすぐに 2 倍になりました。小さな鉄とニッケルの精錬所がウェストオレンジに建設されました。新しいバッテリーの容量は、古い鉛バッテリーの 5 倍であることが判明しました。エジソンは、これが電池技術の誕生以来最大の進歩であると主張しました。

その後の実験は非常に成功したため、1903 年にエジソンはこの目的のために特別に建設された工場で電池の工業生産を開始することを決定しました。しかし、最初に販売されたアルカリ乾電池は完璧とはほど遠いものでした。所定の電圧値を十分に保持できず、しばしば液漏れし、その他多くの小さな欠陥がありました。ディストリビューターから多くの苦情が寄せられ始めました。エジソンはプラントを停止し、発明の改良に再び取り組まなければなりませんでした。

挫折にもかかわらず、彼は事件の成功を固く信じ続けました. 精錬は一度にいくつかのグループに委ねられました.XNUMXつはアキュムレータ容器の溶接の改善に取り組み、もうXNUMXつは鉄の精錬に取り組み、XNUMXつ目はニッケルとその添加物に従事しました。

1905 年までに 10 回を超える追加の実験が行われ、1910 年には大幅に改良されたバッテリーが生産に戻されました。最初の 1 年で XNUMX 万ドル相当の製品が生産され、すべての製品が好調な売り上げを記録しました。新しい携帯用バッテリーは、輸送、発電所、小型ボート、潜水艦ですぐに普及しました。

著者：Ryzhov K.V.

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