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미국 주변의 기술, 기술, 개체의 역사
배터리. 발명과 생산의 역사
전기 배터리는 재사용 가능한 전류원이며, 주요 특징은 내부 화학 공정의 가역성으로 에너지 저장 및 다양한 전기 장치 및 장비의 자율적 전원 공급을 위한 반복적인 순환 사용(충방전을 통해)을 보장합니다. 의학, 제조 및 기타 분야에서 백업 에너지원을 제공합니다.
누적 효과의 발견은 전기 공학 분야에서 가장 중요하고 중요한 발명 중 하나입니다. 에너지원이 없는 곳에서 장치나 메커니즘에 전기를 공급해야 하는 경우가 매우 많았습니다. 오랫동안 갈바닉 전지가 이러한 목적으로 사용되었지만 약하고 고가이며 지나치게 부피가 큰 전류원이었습니다. 전기 배터리의 생성으로 이 작업이 크게 단순화되었습니다. 1802년으로 돌아가서 Ritter는 산에 잠겨 갈바닉 배터리에 연결된 두 개의 구리판이 충전된 다음 짧은 시간 동안 정전류원으로 사용될 수 있음을 발견했습니다. 이 현상은 나중에 다른 많은 과학자들에 의해 연구되었습니다. 1854년 독일 군의관 빌헬름 신스테덴(Wilhelm Sinsteden)은 묽은 황산에 담근 납 전극을 통해 전류를 흘렸을 때 양극이 이산화납 PbO2로 덮여 있는 반면 음극은 아무런 변화가 없는 현상을 관찰했습니다. 그런 다음 그러한 요소가 단락되어 일정한 소스에서 전류의 통과를 중지하면 모든 이산화 납이 산에 용해 될 때까지 감지되는 일정한 전류가 나타납니다. 따라서 Sinsteden은 누산기를 만드는 데 가까워졌지만 관찰에서 실질적인 결론을 내리지 않았습니다. 불과 1859년 후인 XNUMX년에 프랑스 엔지니어 Gaston Plante는 우연히 같은 발견을 했고 역사상 최초의 납축전지를 만들었습니다. 이것이 배터리 기술의 시작이었습니다. Plante의 어큐뮬레이터는 나무 실린더에 감긴 두 개의 동일한 리드 플레이트로 구성됩니다. 그들은 패브릭 개스킷으로 서로 분리되었습니다. 이렇게 배열된 장치를 산성화된 물이 담긴 용기에 넣고 전기 배터리에 연결했습니다. 몇 시간 후 배터리를 분리하면 일정 시간 동안 일정한 값을 유지하는 배터리에서 충분히 강한 전류를 제거할 수 있었습니다.
배터리에서 발생하는 프로세스를 설명하는 것은 무엇입니까? 갈바니 전지에서와 같이 여기서 전류는 양방향으로 여러 번 발생할 수 있는 화학 반응의 결과입니다. 방전된 배터리를 DC 소스에 연결하여 충전을 시작한다고 상상해 보십시오. 일반적으로 양극 리드 플레이트의 아직 충전되지 않은 질량에는 이전 사이클의 잔해 인 산화 납 PbO 및 황산 납 PbSO4가 포함되어 있으며 음극에는 산화 납 PbO 만 포함되어 있습니다. 전류의 작용으로 전해질 - 산성화 된 물 -이 분해되기 시작합니다. 산소가 양극에서 방출되어 산화 납과 황산 납을 PbO2 과산화수소로 즉시 산화시킵니다 (또한 산 잔류 물 SO4가 용액에 들어갑니다). 네거티브 플레이트에서 수소가 방출됩니다. 후자는 산화물의 산소와 결합하여 금속 납과 물을 형성합니다. 그러면 가스가 납판의 기공에 축적되기 시작합니다. 충전된 배터리가 회로에 연결되어 있으면 충전 중에 배터리를 통과하는 전류의 방향이 바뀝니다. 결과적으로 이전에 산소가 방출되었던 판에서 수소가 방출되기 시작하여 과산화납의 산소와 반응합니다. 다른 판에서는 산소가 방출됩니다. 액체의 황산은 양극으로 이동하여 다시 황산납을 형성하는 반면, 음극판의 수소와 납은 산화되어 첫 번째는 물로, 두 번째는 산화 납으로 산화됩니다. 다소 단순화된 형태(병렬 프로세스를 고려하지 않음)에서 배출의 화학 반응은 다음과 같은 형식을 갖습니다. PbO2 + 납 + 2H2S4 = 2PbSO4 + 2H2O. 충전시 현상은 반대 방향으로 진행됩니다. 이 반응은 전류 방출과 함께 두 판의 산화 납 양이 균형을 이룰 때까지 계속됩니다. 개방형 배터리에서도 동일한 반응이 발생하지만 훨씬 느립니다. 충전시 (용액에 산 잔류 물이 방출되어) 배터리 내 액체의 비중이 증가하고 방전시 감소합니다 (방전시 황산이 산화 납과 결합하여 황산 납을 형성하기 때문입니다. 전극). 방전 중에는 화학 반응의 에너지가 전기 에너지로 변환되고 충전 중에는 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. Plante 배터리의 중요한 단점은 용량이 적다는 것입니다. 너무 빨리 방전됩니다. Plante는 가능한 한 다공성이어야 하는 납판 표면을 특수하게 준비하여 용량을 증가시킬 수 있음을 곧 알아차렸습니다. 이를 달성하기 위해 Plante는 충전된 배터리를 방전한 다음 다시 반대 방향으로 전류를 통과시켰습니다. 이 판 성형 공정은 약 500시간 동안 여러 번 반복되었으며 두 판의 납 산화물 층을 증가시키기 위한 것이었습니다. 다이나모가 발명되기 전까지 전기기술자들에게 배터리는 별 관심이 없었지만, 발전기로 쉽고 빠르게 충전할 수 있게 되면서 배터리가 보편화됐다. 1882년에 Camille Faure는 어큐뮬레이터 플레이트를 만드는 기술을 크게 개선했습니다. Plante 축전지가 충방전을 반복한 후에야(플레이트가 다공성이 될 때까지) 제대로 작동하기 시작했다면 Faure 어큐뮬레이터에서는 플레이트 형성이 훨씬 더 빨리 일어났습니다. Faure의 개선의 본질은 각 판을 적연 또는 기타 산화 납으로 덮는 아이디어를 내놓았다는 것입니다. 충전시 플레이트 중 하나의이 물질 층이 과산화물로 변한 반면 다른 플레이트에서는 반응 결과 낮은 수준의 산화물이 얻어졌습니다. 이 과정에서 다공성 구조의 산화물 층이 두 판에 형성되어 전극에 방출된 가스가 축적되는 데 기여했습니다. 판에 형성된 산화물 덩어리가 떨어지지 않도록 천으로 덮습니다. Faure 배터리는 Plante 배터리보다 더 빨리 충전되었을 뿐만 아니라 훨씬 더 큰 용량을 가지고 있었고 매우 강한 전류를 생성할 수 있었습니다. 그것은 서로 가깝게 배치되고 하나를 통해 연결된 병렬 리드 플레이트로 구성되어 동일한 기호의 각 전극이 반대쪽의 두 전극 사이에 배치되었습니다. Faure의 발명은 즉시 전기 엔지니어의 관심을 끌었습니다. Faure 배터리 생산을 인수한 독일 은행가 Volkmar는 곧 배터리를 더욱 개선했습니다. 이전 배터리에서는 이미 언급했듯이 산화물 층이 화격자에 잘 붙지 않고 흔들면 쉽게 떨어집니다. 이것은 운송 중에 배터리를 사용할 수 없도록 하는 심각한 설계 결함이었습니다. 상황을 개선하기 위해 Volkmar는 납판을 단단하지 않고 구멍이 해면질 납으로 채워진 격자 형태로 만들 것을 제안했습니다. 이러한 격자에서 활성 물질은 더 이상 단순히 납에 달라붙지 않고 셀에 단단히 고정되었습니다.
XNUMX세기 초, 에디슨은 배터리를 운송에 더 적합하게 만들고자 배터리 개선 작업에 착수했습니다. 이 작업과 관련하여 배터리의 무게를 줄이고 용량을 늘리고 납판을 빠르게 부식시킨 유독성 납과 가성 황산을 제거한 후 교체해야 했습니다. 평소와 같이 Edison은 대규모 작업을 시작했습니다. 그는 많은 화학자 직원과 함께 특수 실험실을 만들고 위의 모든 영역에서 연구를 맡겼습니다. 본질적으로 알칼리가 전해질 역할을하고 일부 불순물이 포함 된 분쇄 철이 음극 역할을하는 완전히 새로운 유형의 배터리를 만드는 것이 었습니다. 오랫동안 양극 소재를 선택할 수 없었습니다. 알카라인 배터리의 화학 공정은 매우 복잡하고 완전히 이해되지 않았기 때문에 문자 그대로 느껴야 했습니다. 실험 모델에서 양극은 탄소로 만들어졌으며 구멍은 다양한 물질로 채워져 있습니다. 많은 금속과 그 화합물이 시도되었지만 모두 좋은 결과를 얻지 못했습니다. 마지막으로 우리는 가장 적합한 니켈로 결정했습니다. 그래서 Edison은 부식성 칼륨 형태의 전해질을 사용하여 철-니켈 배터리를 사용했습니다. (알카라인 배터리에서 방전 중에 발생하는 화학 반응은 방정식으로 다소 단순화된 형태로 설명됩니다. 2NiOOH + 철 + 2H2O = 2Ni(OH)2 + 철(OH)2; 충전시 프로세스는 반대 방향으로 진행됩니다. 전해질 KOH는 필요한 환경을 조성하지만 반응에는 참여하지 않습니다.) 광범위한 테스트를 위해 이러한 배터리가 여러 개 만들어졌으며 여기에서 연구원들은 실망했습니다. 배터리 용량이 매우 작은 것으로 나타났습니다. 에디슨은 재료의 순도가 커패시턴스 증가에 매우 중요하다는 사실을 알아차렸습니다. 그는 샘플을 위해 고급 캐나다 니켈을 주문했고 그 후 배터리 용량이 즉시 세 배가되었습니다. 소규모 철 및 니켈 정제소가 West Orange에 건설되었습니다. 새 배터리의 용량은 기존 리드 배터리보다 2배 더 큰 것으로 나타났습니다. 에디슨은 이것이 배터리 기술이 시작된 이래 가장 큰 발전이라고 주장했습니다. 추가 실험이 매우 성공적이어서 1903년 에디슨은 이 목적을 위해 특별히 지어진 공장에서 배터리의 산업 생산을 시작하기로 결정했습니다. 그러나 판매된 최초의 알카라인 배터리는 완벽함과는 거리가 먼 것으로 판명되었습니다. 주어진 전압 값을 잘 유지하지 못하고 종종 누출되며 기타 사소한 결함이 많았습니다. 유통업체로부터 수많은 불만이 접수되기 시작했습니다. Edison은 공장을 멈추고 자신의 발명품을 개선하는 데 다시 참여해야 했습니다. 좌절에도 불구하고 그는 사건의 성공을 계속 굳게 믿었습니다. 정제는 한 번에 여러 그룹에 맡겨졌습니다. 하나는 어큐뮬레이터 용기의 용접 개선에, 다른 하나는 철 정제에, 세 번째는 니켈 및 첨가제에 종사했습니다. 1905년까지 10회 이상의 추가 실험이 수행되었고 1910년에는 크게 개선된 배터리가 다시 생산되었습니다. 첫 해에 1만 달러 상당의 제품이 생산되었고 모두 좋은 판매 실적을 거두었습니다. 새로운 휴대용 배터리는 곧 운송, 발전소, 소형 보트 및 잠수함에 널리 보급되었습니다. 저자: Ryzhov K.V.
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