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HISTORIA DE LA TECNOLOGÍA, TECNOLOGÍA, OBJETOS ALREDEDOR DE NOSOTROS
Batería. Historia de la invención y la producción.
Directorio / La historia de la tecnología, la tecnología, los objetos que nos rodean. Una batería eléctrica es una fuente de corriente reutilizable, cuya principal especificidad es la reversibilidad de los procesos químicos internos, lo que asegura su uso cíclico repetido (mediante carga-descarga) para el almacenamiento de energía y el suministro de energía autónomo de diversos dispositivos y equipos eléctricos, así como así como para proporcionar fuentes de energía de respaldo en medicina, manufactura y otras áreas.
El descubrimiento del efecto acumulativo es uno de los inventos más importantes y significativos en el campo de la ingeniería eléctrica. Muy a menudo había y hay necesidad de suministrar electricidad a dispositivos o mecanismos en un lugar donde no hay fuentes de energía. Durante mucho tiempo se utilizó una batería galvánica para estos fines, pero era una fuente de corriente débil, cara y excesivamente voluminosa. La creación de una batería eléctrica simplificó enormemente esta tarea. En 1802, Ritter descubrió que dos placas de cobre, sumergidas en ácido y conectadas a una batería galvánica, se cargan y luego se pueden utilizar como fuente de corriente constante durante un breve periodo de tiempo. Este fenómeno fue estudiado más tarde por muchos otros científicos. En 1854, el médico militar alemán Wilhelm Sinsteden observó el siguiente efecto: cuando se pasaba corriente a través de electrodos de plomo sumergidos en ácido sulfúrico diluido, el electrodo positivo se cubría con dióxido de plomo PbO2, mientras que el electrodo negativo no sufría ningún cambio. Si dicho elemento se cortocircuitaba, deteniendo el paso de corriente a través de él desde una fuente constante, entonces aparecía una corriente constante en él, que se detectó hasta que todo el dióxido de plomo se disolvió en el ácido. Por lo tanto, Sinsteden estuvo cerca de crear un acumulador, pero no sacó ninguna conclusión práctica de su observación. Solo cinco años después, en 1859, el ingeniero francés Gaston Plante hizo accidentalmente el mismo descubrimiento y construyó la primera batería de plomo de la historia. Este fue el comienzo de la tecnología de baterías. El acumulador de Plante constaba de dos placas de plomo idénticas enrolladas en un cilindro de madera. Estaban separados entre sí por una junta de tela. Así dispuesto, el dispositivo se colocó en un recipiente con agua acidificada y se conectó a una batería eléctrica. Unas horas más tarde, al desconectar la batería, fue posible eliminar una corriente suficientemente fuerte de la batería, que mantuvo su valor constante durante algún tiempo.
¿Qué explica los procesos que ocurren en la batería? Como en una celda galvánica, la corriente eléctrica aquí es consecuencia de una reacción química que puede ocurrir muchas veces en ambas direcciones. Imagina que empezamos a cargar una batería agotada conectándola a una fuente de CC. Por lo general, la masa aún sin carga de la placa de plomo positiva contiene los restos del ciclo anterior: óxido de plomo PbO y sulfato de plomo PbSO4, y la negativa contiene solo óxido de plomo PbO. Bajo la acción de una corriente eléctrica, el electrolito, el agua acidificada, comienza a descomponerse: se libera oxígeno en el electrodo positivo, que inmediatamente oxida el óxido de plomo y el sulfato de plomo a peróxido de PbO2 (además, el residuo ácido SO4 se disuelve), y se libera hidrógeno en la placa negativa. Este último se combina con el oxígeno del óxido, formando plomo metálico y agua. Entonces, el gas comienza a acumularse en los poros de la placa de plomo. Si una batería cargada se conecta a un circuito, la corriente que pasa a través de la batería durante la carga cambia de dirección. Como resultado, en la placa donde antes se liberaba el oxígeno, comienza a liberarse hidrógeno, que reacciona con el oxígeno del peróxido de plomo. En la otra placa, se libera oxígeno. El ácido sulfúrico del líquido pasa al electrodo positivo y nuevamente forma sulfato de plomo, mientras que el hidrógeno y el plomo en la placa negativa se oxidan, el primero en agua, el segundo en óxido de plomo. De forma algo simplificada (sin tener en cuenta los procesos paralelos), la reacción química de descarga tiene la forma: PbO2 + Pb + 2H2S4 = 2PbSO4 + 2H2O. Al cargar, los fenómenos van en la dirección opuesta. Esta reacción, acompañada por la liberación de una corriente eléctrica, continúa hasta que se equilibra la cantidad de óxido de plomo en ambas placas. La misma reacción ocurre en una batería abierta, pero mucho más lenta. Cuando se carga (debido a la liberación de un residuo ácido en la solución), la gravedad específica del líquido en la batería aumenta y cuando se descarga, disminuye (porque cuando se descarga, el ácido sulfúrico se combina con el óxido de plomo y forma sulfato de plomo en la batería). electrodos). Durante la descarga, la energía de las reacciones químicas se convierte en energía eléctrica, y durante la carga, viceversa. Un inconveniente importante de la batería Plante era su pequeña capacidad: se descargaba demasiado rápido. Plante pronto se dio cuenta de que la capacidad podía aumentarse mediante una preparación especial de la superficie de las placas de plomo, que debía ser lo más porosa posible. Para lograr esto, Plante descargó una batería cargada y luego pasó nuevamente una corriente a través de ella, pero en la dirección opuesta. Este proceso de formación de placas se repitió muchas veces durante un período de aproximadamente 500 horas y estaba destinado a aumentar la capa de óxido de plomo en ambas placas. Hasta la invención de la dinamo, las baterías eran de poco interés para los ingenieros eléctricos, pero cuando fue posible cargarlas fácil y rápidamente con un generador, las baterías se generalizaron. En 1882, Camille Faure mejoró enormemente la técnica de fabricación de placas acumuladoras. Si el acumulador Plante comenzó a funcionar bien solo después de repetidas cargas y descargas (hasta que las placas se volvieron porosas), en el acumulador Faure, la formación de placas ocurrió mucho más rápido. La esencia de la mejora de Faure fue que se le ocurrió la idea de cubrir cada placa con plomo rojo u otro óxido de plomo. Cuando se cargaba, una capa de esta sustancia en una de las placas se convertía en peróxido, mientras que en la otra placa, como resultado de la reacción, se obtenía un bajo grado de óxido. Durante estos procesos, se formó una capa de óxidos con una estructura porosa en ambas placas, lo que contribuyó a la acumulación de gases desprendidos en los electrodos. Para que la masa de óxidos formada en las placas no se desprenda, se tapan con un paño. La batería Faure no solo se cargaba más rápido que la batería Plante, sino que también tenía una capacidad mucho mayor y podía producir una corriente muy fuerte. Consistía en placas de plomo paralelas colocadas una cerca de la otra y conectadas a través de una, de modo que cada electrodo del mismo signo se colocaba entre dos electrodos de opuesto. El invento de Faure atrajo de inmediato la atención de los ingenieros eléctricos. El banquero alemán Volkmar, que se hizo cargo de la producción de las baterías Faure, pronto las mejoró aún más. En baterías anteriores, la capa de óxido, como ya se mencionó, no se adhería bien a la rejilla y se caía fácilmente cuando se agitaba. Este fue un grave defecto de diseño, ya que impedía el uso de baterías en el transporte. Para mejorar la situación, Volkmar sugirió hacer placas de plomo no sólidas, sino en forma de rejillas, cuyos agujeros se rellenaban con plomo esponjoso. En tales rejillas, la masa activa ya no se pegaba simplemente al plomo, sino que se mantenía firmemente en las celdas.
A principios del siglo XX, Edison asumió la mejora de la batería, que quería hacerla más adecuada a las necesidades del transporte. En relación con esta tarea, era necesario aligerar el peso de las baterías, aumentar su capacidad, eliminar el plomo venenoso y el ácido sulfúrico cáustico, que corroían rápidamente las placas de plomo, después de lo cual debían ser reemplazadas. Como de costumbre, Edison se puso a trabajar a gran escala: creó un laboratorio especial con una gran plantilla de químicos y les encomendó la investigación en todas las áreas mencionadas. En esencia, se trataba de crear un tipo de batería completamente nuevo, en el que el álcali sirviera como electrolito y el hierro triturado con algunas impurezas sirviera como electrodo negativo. Durante mucho tiempo no fue posible elegir el material para el electrodo positivo. Dado que los procesos químicos en la batería alcalina eran muy complejos y no se entendían completamente, teníamos que, literalmente, sentir nuestro camino. En modelos experimentales, el electrodo positivo estaba hecho de carbono, cuyos poros estaban llenos de varias sustancias: se probaron muchos metales y sus compuestos, pero todos dieron resultados insuficientemente buenos. Finalmente, nos decidimos por el níquel, que resultó ser el más adecuado. Así que Edison llegó a la batería de hierro-níquel con un electrolito en forma de potasa cáustica. (La reacción química que ocurre durante la descarga en una batería alcalina se describe de forma algo simplificada mediante la ecuación: 2NiOOH + Fe + 2H2O = 2Ni(OH)2 + Fe(OH)2; al cargar, el proceso va en la dirección opuesta; electrolito KOH, aunque crea el ambiente necesario, no participa en la reacción.) Varias de estas baterías se fabricaron para pruebas exhaustivas, y aquí los investigadores se sintieron decepcionados: la capacidad de la batería resultó ser muy pequeña. Edison notó que la pureza del material era de gran importancia para aumentar la capacitancia. Pidió muestras de níquel canadiense de alta calidad, después de lo cual la capacidad de la batería se triplicó inmediatamente. Se construyó una pequeña refinería de hierro y níquel en West Orange. La capacidad de la batería nueva resultó ser 2 veces mayor que la de plomo anterior. Edison afirmó que este fue el mayor avance en tecnología de baterías desde su creación. Otros experimentos tuvieron tanto éxito que en 1903 Edison decidió iniciar la producción industrial de sus baterías en una fábrica construida especialmente para este fin. Sin embargo, las primeras pilas alcalinas que salieron a la venta resultaron estar muy lejos de ser perfectas: no retenían bien un valor de voltaje dado, a menudo tenían fugas y tenían muchos otros defectos menores. Numerosas quejas comenzaron a llegar de los distribuidores. Edison tuvo que detener la planta y volver a dedicarse a mejorar su invento. A pesar de los contratiempos, siguió creyendo firmemente en el éxito del caso. El refinamiento se confió a varios grupos a la vez: uno trabajaba en la mejora de la soldadura de los recipientes acumuladores, el otro en el refinado del hierro, el tercero se dedicaba al níquel y sus aditivos. Para 1905, se habían llevado a cabo más de 10 experimentos adicionales, y en 1910 se volvió a poner en producción una batería significativamente mejorada. En el primer año, se produjeron productos por valor de $ 1 millón, y todos ellos encontraron buenas ventas. La nueva batería portátil pronto se generalizó en el transporte, las centrales eléctricas, las embarcaciones pequeñas y los submarinos. Autor: Ryzhov K.V.
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