• ---

  تارخچه اختراع باتری
• باتری را چه کسی اختراع کرد؟
• باتری های اولیه چگونه کار می کردند؟
• باتری قابل شارژ چه زمانی اختراع شد؟

  ---

در این مقاله به این سوالات پاسخ خواهیم داد. در ادامه با ما همراه باشید.

تاریخچه اختراع باتری

به جرات میتوان گفت یکی از بارزترین و بدیع ترین اکتشافات در 400 سال گذشته، الکتریسیته بود. شاید این سوال در ذهن ما باشد که "آیا برق هم در  این مدت طولانی بوده است؟" جواب به این سوال مثبت است و حتی میتوان گفت که طول عمر این موضوع خیلی طولانی تر هم بوده. اما استفاده عملی از آن فقط از اواسط تا اواخر دهه 1800 و در ابتدا به صورت محدود در اختیار ما بوده است. از اولین کارهای عمومی که میتوان به آن اشاره کرد، چراغ‌های خیابان‌ها در برلین در سال 1882، روشن کردن نمایشگاه جهانی شیکاگو در سال 1893 با 250000 لامپ و در سال 1900 نورپردازی یک پل بر روی رودخانه سن در طول نمایشگاه جهانی پاریس بود.

البته استفاده از برق بیشتر به عقب برمیگردد. در زمان ساخت راه آهن در سال 1936 در نزدیکی بغداد، کارگران شی را که به نظر می رسید یک باتری ماقبل تاریخ است کشف کردند. قدمت این شی به دوران امپراتوری اشکانی برمی گردد. که به عنوان باتری اشکانی نیز شناخته می شود،  همچنین گمان می رود قدمتی 2000 ساله داشته باشد. این باتری شامل یک کوزه سفالی بود که با محلول سرکه (که همان محلول الکترولیت میباشد) پر شده بود و یک میله آهنی که توسط یک استوانه مسی احاطه شده بود داخل آن قرار می گرفت. و جالب است بدانیم این دستگاه 1.1 تا 2.0 ولت برق تولید می کرد.

شکل 1 باتری اشکانی را نشان می دهد

عمدتا همه دانشمندان باتری اشکانی را به عنوان یک منبع انرژی قبول ندارند. این گمان وجود دارد که از این دستگاه برای آبکاری، افزودن لایه ای از طلا یا سایر فلزات گرانبها به سطوح استفاده میشده. گفته می شود که مصریان بیش از 4300 سال پیش آنتیموان (عنصر شیمیایی نیمه فلزی) را روی مس آبکاری کردند. همچنین برخی شواهد باستان شناسان حاکی از آن است که بابلی‌ها اولین کسانی بودند که با استفاده از الکترولیت مبتنی بر آب انگور یک روش گالوانیکی را در ساخت جواهرات کشف و به کار گرفتند. همچنین اشکانیان که حدود 250 قبل از میلاد بر بغداد حکومت می کردند احتمالاً از باتری ها برای آبکاری نقره استفاده می کردند.

از اولین روش‌های تولید الکتریسیته در دوران مدرن، ایجاد بار ساکن بود. در سال 1660، اتو فون گوریکه با استفاده از یک کره بزرگ گوگردی یک ماشین الکتریکی ساخت این ماشین الکتریکی هنگام مالش و چرخاندن، پرها و تکه های کوچک کاغذ را جذب می کرد. گوریکه توانست ثابت کند که جرقه های تولید شده ماهیتی الکتریکی دارند.

در سال 1744، Ewald Georg von Kleist  کوزه لیدن را ساخت این کوزه بار استاتیک را در یک ظرف شیشه ای که داخل و خارج ظرف با فویل فلزی پوشانده شده بود را ذخیره می کرد. بسیاری از دانشمندان، از جمله پیتر ون موشنبروک، استاد لیدن، هلند، فکر می کردند که الکتریسیته شبیه مایعی است که می توان آن را در یک بطری گرفت. آنها نمی دانستند که دو فویل فلزی یک خازن را تشکیل می دهند. وقتی با ولتاژ بالا شارژ شد، شیشه لیدن با لمس فویل فلزی، شوک شدید غیرقابل توضیحی به آقایان وارد کرد.

اولین استفاده عملی از الکتریسیته ساکن "تپانچه الکتریکی" بود که الساندرو ولتا (1745-1827) اختراع کرد. او به فکر ارائه ارتباطات از راه دور، بود. قرار بود یک سیم آهنی که توسط تیرهای چوبی نگه داشته شده بود از کومو به میلان ایتالیا کشیده شود. و در انتهای سیم در یک شیشه پر از گاز متان خاتمه می یابد. برای نشان دادن یک رویداد رمزگذاری شده، یک جرقه الکتریکی توسط سیم برای منفجر کردن شیشه ارسال می شود. ولی این پیوند ارتباطی هرگز ساخته نشد.

کشف ولتا در مورد تجزیه آب توسط جریان الکتریکی، پایه و اساس الکتروشیمی را بنا نهاد.

الساندرو ولتا، مخترع باتری الکتریکی
 

در سال 1791، لوئیجی گالوانی در حالی که در دانشگاه بولونیا کار می کرد، متوجه شد که عضله قورباغه با لمس یک جسم فلزی منقبض می شود. این پدیده به الکتریسیته حیوانی معروف شد. ولتا با این آزمایش‌ها، مجموعه‌ای از آزمایش‌ها را با استفاده از روی، سرب، قلع و آهن به عنوان صفحات مثبت (کاتد) آغاز کرد. و مس، نقره، طلا و گرافیت به عنوان صفحات منفی (آند). علاقه به برق گالوانیکی به زودی گسترده شد.

باتری های اولیه

ولتا در سال 1800 کشف کرد که برخی از سیالات هنگامی که به عنوان رسانا استفاده می شوند، یک جریان پیوسته از نیروی الکتریکی تولید می کنند. این کشف منجر به اختراع اولین سلول ولتایی شد که بیشتر با نام باتری شناخته می شود. ولتا بیشتر فهمید که وقتی سلول های ولتایی روی هم قرار می گیرند، ولتاژ افزایش می یابد. شکل 3.1 و 3.2 چنین اتصال سری را نشان می دهد.

شکل 3.1

آزمایشات ولتا با باتری الکتریکی در سال 1796

فلزات نقره (A) و روی (Z) در فنجان های پر از الکترولیت غوطه ور شده و به صورت سری به هم متصل می شوند.

شکل 3.2

 آزمایشات ولتا با باتری الکتریکی در سال 1796

الکترودهای نقره و روی به صورت سری به هم متصل شده اند و توسط کاغذ آغشته به الکترولیت از هم جدا شده اند.

آزمایشات ولتا با باتری الکتریکی در سال 1796

فلزات موجود در باتری دارای پیوندهای الکترونی متفاوتی هستند. ولتا متوجه شد که پتانسیل ولتاژ فلزات غیرمشابه با دورتر شدن اعداد میل ترکیبی قوی تر می شود. اولین عدد در فلزات ذکر شده در زیر نشان دهنده تمایل به جذب الکترون است. دوم حالت اکسیداسیون است.

• روی = 1.6 / -0.76 V
• سرب = 1.9 / -0.13 V
• قلع = 1.8 / -1.07 V
• آهن = 1.8 / -0.04 V
• مس = 1.9 / 0.159 V
• نقره = 1.9 / 1.98 V
• طلا = 2.4 / 1.83 V
• کربن = 2.5 / 0.13 V

در همان سال، ولتا کشف خود را از منبع مداوم برق به انجمن سلطنتی لندن منتشر کرد. آزمایش‌ها ی دیگر  محدود به نمایش مختصری از جرقه‌هایی که کسری از ثانیه طول می‌کشید نبود.

اکتشافات ولتا چنان جهان را تحت تأثیر قرار داد که در نوامبر 1800 مؤسسه فرانسه از او برای سخنرانی در رویدادهایی که ناپلئون بناپارت در آن شرکت داشت دعوت کرد. ناپلئون به آزمایش‌ها کمک کرد، جرقه‌هایی از باتری کشید، سیم فولادی را ذوب کرد، تپانچه الکتریکی را تخلیه کرد و آب را به عناصر آن تجزیه کرد.

شکل 4: آزمایشات ولتا در موسسه فرانسه
 

در سال 1800، سر همفری دیوی ، مخترع لامپ ایمنی معدنچی، آزمایش اثرات شیمیایی الکتریسیته را آغاز کرد و متوجه شد که تجزیه هنگام عبور جریان الکتریکی از مواد رخ می دهد. این فرآیند بعدها الکترولیز نامیده شد.
او با نصب بزرگ‌ترین و قوی‌ترین باتری الکتریکی جهان در خزانه‌های مؤسسه سلطنتی لندن، به اکتشافات جدیدی دست یافت و با اتصال باتری به الکترودهای زغال، اولین نور الکتریکی را تولید کرد. شاهدان گزارش کردند که لامپ قوس ولتایی او "درخشنده ترین طاق نوری صعودی که تا به حال دیده شده است" را ایجاد کرد.

ویلیام کرویکشانک، شیمیدان انگلیسی، باتری سلول های الکتریکی را با اتصال صفحات روی و مس در یک جعبه چوبی پر از محلول الکترولیت ساخت. این طرح سیلابی دارای مزیت خشک نشدن بود و انرژی بیشتری نسبت به چیدمان دیسک ولتا ارائه می کرد.

در سال 1802، ویلیام کرویکشنک اولین باتری الکتریکی را برای تولید انبوه طراحی کرد. او ورقه های مربع مسی را با ورقه های روی هم اندازه در یک جعبه چوبی مستطیل شکل بلند قرار داد و به هم لحیم کرد. شیارهای داخل جعبه صفحات فلزی را در موقعیت خود نگه می داشتند. سپس جعبه مهر و موم شده با یک الکترولیت آب نمک یا اسید آب شده پر شد. این شبیه باتری آب گرفتگی بود که هنوز هم با ما وجود دارد.

شکل 5 کارگاه باتری او را نشان می دهد

شکل 5 Cruickshank : و اولین باتری آب گرفتگی

اختراع باتری قابل شارژ

در سال 1836، جان اف. دانیل ، شیمیدان انگلیسی، باتری بهبود یافته ای را تولید کرد که جریان ثابت تری نسبت به تلاش هایی که در گذشته برای ذخیره انرژی الکتریکی تولید می کرد. در سال 1859، گاستون پلانته، پزشک فرانسوی، اولین باتری قابل شارژ مبتنی بر اسید سرب را اختراع کرد، سیستمی که هنوز هم استفاده می شود. تا آن زمان، تمام باتری ها اولیه بودند، یعنی نمی توان آنها را شارژ کرد.

در سال 1899، والدمار یونگنر از سوئد باتری نیکل-کادمیم (NiCd) را اختراع کرد که از نیکل به عنوان الکترود مثبت (کاتد) و کادمیوم به عنوان منفی (آند) استفاده می کرد. هزینه بالای مواد در مقایسه با سرب استفاده از آن را محدود کرد. دو سال بعد توماس ادیسون کادمیوم را با آهن جایگزین کرد و این باتری نیکل-آهن (NiFe) نام گرفت .انرژی ویژه کم، عملکرد ضعیف در دمای پایین و خود تخلیه بالا موفقیت باتری نیکل-آهن را محدود کرد. در سال 1932 بود که شلخت و آکرمن به جریان های بار بالاتری دست یافتند و با اختراع صفحه قطبی متخلخل، طول عمر نیکل را بهبود بخشیدند. در سال 1947، گئورگ نویمان موفق به مهر و موم کردن سلول شد.

برای سال‌ها،NiCd  تنها باتری قابل شارژ برای برنامه‌های قابل حمل بود. در دهه 1990، فعالان محیط زیست در اروپا در مورد آسیب های ناشی از دفع بی احتیاطی NiCd نگران شدند.

بیشتر فعالیت های تحقیقاتی امروزه حول محور بهبود سیستم های مبتنی بر لیتیوم است که برای اولین بار توسط سونی در سال 1991 تجاری شد. باتری چندین مزیت دارد که مهمترین آنها انرژی ویژه بالا، شارژ ساده، نگهداری کم و بی خطر بودن برای محیط زیست است.

الکتریسیته از طریق مغناطیس

تولید الکتریسیته از طریق مغناطیس نسبتاً دیر انجام شد. در سال 1820، آندره ماری آمپر (1775-1836) متوجه شد که سیم هایی که دارای جریان الکتریکی هستند، در مواقعی به یکدیگر جذب می شوند و در مواقع دیگر از یکدیگر دفع می شوند. در سال 1831، مایکل فارادی (1791-1867) نشان داد که چگونه یک دیسک مسی جریان ثابتی از الکتریسیته را در حالی که در یک میدان مغناطیسی قوی می چرخد، فراهم می کند. فارادی با کمک به هامفری دیوی و تیم تحقیقاتی اش، تا زمانی که حرکت بین سیم پیچ و آهنربا ادامه داشت، موفق شد نیروی الکتریکی بی پایانی تولید کند. این امر منجر به اختراع ژنراتور الکتریکی و همچنین موتور الکتریکی با معکوس کردن فرآیند شد.

اندکی پس از آن، ترانسفورماتورهایی ساخته شدند که جریان متناوب (AC) را به هر ولتاژ دلخواه تبدیل می کردند. در سال 1833، فارادی پایه و اساس الکترومغناطیس را که قانون فارادی بر آن استوار است، پایه گذاری کرد. این مربوط به الکترومغناطیس است که در ترانسفورماتورها، سلف ها و بسیاری از انواع موتورهای الکتریکی و ژنراتورها یافت می شود. هنگامی که رابطه با مغناطیس درک شد، ژنراتورهای بزرگ برای تولید جریان ثابت برق ساخته شدند. موتورها به دنبال آن حرکت مکانیکی را فعال کردند و به نظر می رسید که لامپ توماس ادیسون بر تاریکی غلبه می کند.

نیروگاه های الکتریکی اولیه جریان مستقیم (DC) را با محدودیت های توزیع 3 کیلومتر (~ 2 مایل) از نیروگاه تولید می کردند. در حدود سال 1886، شرکت برق آبشار نیاگارا (NFPC) مبلغ 100000 دلار برای روشی برای انتقال الکتریسیته در مسافت طولانی پیشنهاد داد. پس از بحث‌های فراوان و پیشنهادهای ناموفق، درخشان‌ترین ذهن‌های جهان در لندن، انگلستان ملاقات کردند و جایزه به نیکولا تسلا )۱۸۵۶–۱۹۴۳)، یک مهاجر صرب که سیستم انتقال AC را ایجاد کرد، اهدا شد. NRPC با تسلا به عنوان مشاور، یک سیستم AC چند فازی ایجاد کرد، که برق را از نیروگاه جدید نیاگارا تا بوفالو، نیویورک می‌رساند.

شکل 6: نیکولا تسلا (1856–1943).
 

سیستم های DC با ولتاژ پایین کار می کنند و به سیم های سنگین نیاز دارند. AC می تواند به ولتاژهای بالاتر برای انتقال از طریق سیم های سبک تبدیل شود و سپس برای استفاده کاهش یابد. افراد مسن تر از DC پشتیبانی می کردند در حالی که نوابغ جوان تر به سمت AC جذب می شدند.

اختلاف نظر ادامه یافت، اما AC به یک هنجار پذیرفته شده تبدیل شد که مورد حمایت اروپا نیز قرار گرفت. جورج وستینگهاوس، مخترع و سازنده آمریکایی، با نارضایتی توماس ادیسون، شروع به توسعه سیستم تسلا کرد.

در کمال تعجب همگان، برق AC نمایشگاه جهانی شیکاگو را در سال 1893 روشن کرد. (شکل 7)  وستینگهاوس سپس سه ژنراتور بزرگ برای تبدیل انرژی از آبشار نیاگارا به برق ساخت. فناوری AC سه فاز که توسط تسلا توسعه یافته است، انتقال نیروی الکتریکی را در فواصل بسیار ارزان امکان پذیر می کند. بنابراین برق به طور گسترده در دسترس بشریت قرار گرفت تا کیفیت زندگی را بهبود بخشد.

شکل 7: 250000 لامپ نور نمایشگاه جهانی شیکاگو در سال 1893 را که به عنوان نمایشگاه جهانی کلمبیای شیکاگو نیز شناخته می شود، روشن می کند.
موفقیت چراغ برق منجر به ساخت سه ژنراتور بزرگ آبی در آبشار نیاگارا شد.

ارتباطات از راه دور با سیمی که در امتداد راه‌آهن قرار می‌گرفت، عمدتاً با باتری‌های اولیه کار می‌کرد که نیاز به تعویض مکرر داشتند. تلکس، یک وسیله اولیه برای انتقال داده، دیجیتال بود که باتری ها یک سری رله را فعال می کردند. قیمت ارسال پیام بر اساس تعداد کلیک های رله مورد نیاز بود.

در اواسط دهه 1800، تلگراف مشاغل جدیدی را برای مردان جوان باهوش باز کرد. کارکنانی که این دستگاه‌ها را اداره می‌کردند، به طبقه متوسط ​​رو به رشد، دور از کارخانه‌ها و معادنی که بار کار، خاک و خطر را بر دوش داشتند، نقل مکان کردند. اندرو کارنگی، نجیب زاده فولاد، روزهای اولیه خود را به عنوان یک پیام رسان تلگراف به یاد آورد: آلفرد هیچکاک قبل از تبدیل شدن به یک تصویرگر، کار خود را به عنوان یک برآوردگر آغاز کرد.

اختراع لوله خلاء الکترونیکی در اوایل دهه 1900 گام مهم بعدی به سمت فناوری پیشرفته را تشکیل داد. نوسانگرهای فرکانس، تقویت سیگنال و سوئیچینگ دیجیتال را فعال کرد. این امر منجر به پخش رادیویی در دهه 1920 و اولین رایانه دیجیتال به نام ENIAC در سال 1946 شد. اختراع ترانزیستور در سال 1947 راه را برای ورود مدار مجتمع 10 سال بعد و ریزپردازنده که عصر اطلاعات را آغاز کرد، هموار کرد. . این برای همیشه روش زندگی و کار ما را تغییر داد.

بشریت به الکتریسیته وابسته شده است و با افزایش تحرک، مردم به سمت نیروی قابل حمل که شامل باتری است میل می کنند. با بهبود بیشتر باتری، کارهای بیشتری با این منبع تغذیه قابل حمل امکان پذیر خواهد شد.