Οι πρώτοι επαναφορτιζόμενοι συσσωρευτές

Δημοσιευθηκε απο editor 11/02/2020 0 Σχολια Μπαταρίες,

Η μπαταρία από την ανακάλυψή της μέχρι και σήμερα αποτελεί τον εγκυρότερο τρόπο αποθήκευσης της ηλεκτρικής ενέργειας. Τα τελευταία χρόνια λόγω της αυξανόμενης ζήτησης και χρήσης σε πολλαπλά πεδία υπάρχει επιτακτική ανάγκη βελτίωσης των τεχνικών χαρακτηριστικών τους που αφορούν στην ταχύτητα φόρτισης, την αύξηση του αποθηκευμένου φορτίου, την αξιοπιστία τους, την μείωση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων από την αλόγιστη χρήση και την απόρριψή τους στο περιβάλλον.

 

Οι μπαταρίες μολύβδου οξέος του Gaston Plante

 

Οι μπαταρίες μολύβδου οξέος (lead acid, L-A) εφευρέθηκαν το 1859 από τον Γάλλο φυσικό Gaston Planté και είναι ο πιο παλιός τύπος επαναφορτιζόμενης μπαταρίας. Είναι εμπορικά διαθέσιμες για την αποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας εδώ και περισσότερο από 100 χρόνια. Έχουν αποτελέσει, και παραμένουν ακόμα και σήμερα, το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο σύστημα αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας για δεκαετίες. Χαρακτηρίζονται από το γεγονός ότι και στα δύο ηλεκτρόδια χρησιμοποιείται ο μόλυβδος σαν ενεργό υλικό, όπως θα δούμε παρακάτω.

 

Το στοιχείο του Planté αποτελούνταν από δύο φύλλα μολύβδου χωριζόμενα με λωρίδες από ελαστικό και τυλιγμένα σε σπείρα. Το στοιχείο όταν βυθιζόταν σε υδαρές διάλυμα 10% θειικού οξέος και φορτιζόταν, μπορούσε να αποθηκεύσει ηλεκτρική ενέργεια. Μολονότι το στοιχείο του Planté μπορούσε να αποδώσει την αποθηκευμένη ενέργεια πολύ γρήγορα, δηλαδή μπορούσε να παραγάγει ισχυρό ρεύμα, παρέμεινε για είκοσι περίπου χρόνια απλώς μια εργαστηριακή επινόηση.

 

Οι μπαταρίες μολύβδου οξέος καλύπτουν ένα μεγάλο εύρος εφαρμογών από SLI μπαταρίες σε αυτοκίνητα και φορτηγά μέχρι UPS, από μπαταρίες ανύψωσης φορτίου για σταθεροποίηση του δικτύου μέχρι μπαταρίες έλξης (περονοφόρα ανυψωτικά οχήματα και άλλα) και φυσικά αυτόνομα συστήματα παροχής ηλεκτρικής ενέργειας. Διαφορετικοί σχεδιασμοί έχουν αναπτυχθεί για διαφορετικές εφαρμογές έτσι ώστε να καλύπτονται οι κάθε είδους απαιτήσεις.

 

Οι μπαταρίες μολύβδου οξέος είναι μακράν ο φθηνότερος τύπος μπαταρίας συγκριτικά με όλα τα άλλα άμεσα διαθέσιμα συστήματα αποθήκευσης με κατάλληλα χαρακτηριστικά ώστε να ικανοποιούνται οι απαιτήσεις που θέτει ένα αυτόνομο σύστημα παροχής ηλεκτρικής ενέργειας. Παρά το γεγονός ότι η μπαταρία μολύβδου οξέος είναι η λιγότερο ακριβή μπαταρία αποθήκευσης για κάθε σχεδόν εφαρμογή, τα χαρακτηριστικά και η απόδοσή της είναι πολύ ικανοποιητικά. Ένα αρκετά σημαντικό μειονέκτημα των μπαταριών μολύβδου οξέος είναι το χαμηλό ειδικό σταθμικό ενεργειακό περιεχόμενο (specific gravimetric energy content) λόγω του υψηλού μοριακού βάρους του μολύβδου. Παρ’όλα αυτά, αυτή δεν είναι μια παράμετρος μεγάλης σημασίας για τα αυτόνομα συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας αφού η μπαταρία είναι σταθερή.

 

Οι μπαταρίες μολύβδου οξέος αποτέλεσαν για πολλά χρόνια την πρώτη επιλογή για τα αυτόνομα συστήματα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και με αρκετά καλή αποτελεσματικότητα και αυτό δε φαίνεται να αλλάζει άμεσα.

 

Το πρώτο ξηρό στοιχείο του Georges Leclanché

 

Το πρώτο «ξηρό» στοιχείο επινοήθηκε περί το 1865 από τον Γάλλο χημικό Georges Leclanché και παραμένει ένα από τα πλέον χρησιμοποιούμενα μη επαναφορτιζόμενα στοιχεία.

 

Στην αρχική του μορφή αποτελούνταν από μια γυάλινη λάγηνο (στάμνα) που περιείχε ως ηλεκτρολύτη διάλυμα χλωριούχο αμμωνίου. Η άνοδος ήταν ράβδος ψευδαργύρου προστατευόμενη από τη διάβρωση με στρώμα υδραργύρου.

 

Με την πρόσδοση ηλεκτρικού ρεύματος παράγονταν ιόντα υδραργύρου, που κινούνταν προς το διάλυμα. Στο κέντρο της λαγήνου ήταν τοποθετημένο ένα πορώδες πήλινο δοχείο, που περιείχε μίγμα κονιοποιημένου διοξειδίου του μαγγανίου και άνθρακα, και το οποίο λειτουργούσε ως αγώγιμο υλικό για να συνδέει τη σκόνη του διοξειδίου του μαγγανίου με την κάθοδο.

 

Η κάθοδος ήταν ράβδος από άνθρακα και ήταν τοποθετημένη στο κέντρο του πήλινου δοχείου. Με τη ροή του ρεύματος, το διοξείδιο του μαγγανίου μετατρεπόταν σε οξείδιο.

 

Το στοιχείο του Carl Gassner

 

Το 1886, ο Carl Gassner έλαβε ένα γερμανικό δίπλωμα ευρεσιτεχνίας για μία παραλλαγή του στοιχείου του Leclanché, που έγινε γνωστή ως το ξηρό στοιχείο καθώς δεν περιείχε κάποιο ελεύθερο υγρό ηλεκτρολύτη. Αντίθετα, το χλωριούχο αμμώνιο αναμίχθηκε με γύψο δημιουργώντας μια μάζα στην οποία προσθέτοντας μια μικρή ποσότητα χλωριούχο ψευδαργύρου παρατεινόταν η χρονική διάρκεια αποθήκευσης. Το διοξείδιο του μαγγανίου (κάθοδος) βυθιζόταν σε αυτή τη μάζα, και στη συνέχεια και τα δύο μαζί σφραγίζονταν σε ένα κέλυφος ψευδαργύρου, το οποίο λειτουργούσε ως άνοδος. Σε αντίθεση με τα προηγούμενα υγρά στοιχεία, το στοιχείο του Gassner ήταν περισσότερο ανθεκτικό, δεν απαιτούσε ιδιαίτερη συντήρηση, δεν χυνόταν και μπορούσε να χρησιμοποιηθεί με οποιονδήποτε προσανατολισμό. Παρήγαγε δυναμικό 1.5V.

 

Η πρώτη μαζική παραγωγή του στοιχείου έγινε το 1896 από τη National Carbon Company, η οποία βελτίωσε το στοιχείο του Gassner, αντικαθιστώντας το γύψο με χαρτόνι τυλιγμένο σε σπείρα, μία καινοτομία που άφηνε περισσότερο χώρο για την κάθοδο και διευκόλυνε στην κατασκευή του. Ήταν η πρώτη εύχρηστη μπαταρία για το κοινό και έκανε τις φορητές ηλεκτρονικές συσκευές περισσότερο πρακτικές. Ο συσσωρευτής ψευδαργύρου-άνθρακα, όπως ονομάζεται σήμερα, συνεχίζει να κατασκευάζεται.

 

Νέες εκδοχές μπαταριών

 

Το 1899, ο Σουηδός Waldemar Jungner επινόησε την επαναφορτιζόμενη μπαταρία νικελίου-καδμίου (NiCd), η οποία χρησιμοποιούσε ως ηλεκτρόδια νικέλιο για την άνοδο και κάδμιο για την κάθοδο, σε διάλυμα υδροξειδίου του καλίου. Ήταν η πρώτη μπαταρία με αλκαλικό ηλεκτρολύτη. Εμπορευματοποιήθηκε στη Σουηδία το 1910, ενώ στην Αμερική έφτασε πολύ αργότερα, το 1946. Τα πρώτα μοντέλα της μπαταρίας νικελίου-καδμίου ήταν ανθεκτικά και είχαν σημαντικά καλύτερη πυκνότητα ενέργειας από τις προηγούμενες μπαταρίες που είχαν κατασκευασθεί, όμως εξαιτίας του υψηλού κόστους των υλικών συγκριτικά με το ξηρό στοιχείο και το στοιχείο μολύβδου-οξέος περιορίσθηκε η χρήση τους.

 

Δύο χρόνια αργότερα, το 1901, ο Edison κατασκεύασε μία διαφορετική εκδοχή της μπαταρίας νικελίου-καδμίου, αντικαθιστώντας το κάδμιο με σίδηρο. Ωστόσο, η χαμηλή ειδική ενέργεια, η μικρή απόδοση σε χαμηλές θερμοκρασίες και η γρήγορη αυτοεκφόρτιση της μπαταρίας, μετρίασαν την επιτυχία της.

 

Νέες βελτιώσεις δεν παρουσιάστηκαν μέχρι το 1932, όταν ο Shlecht και ο Ackermann κατάφεραν να αυξήσουν το ρεύμα φορτίου και τη διάρκεια ζωής των μπαταριών νικελίου-καδμίου επινοώντας την πορώδη πλάκα του πόλου της μπαταρίας.

 

Παρακολουθήστε μας και θα βρείτε σύντομα στο blog του BATTERY CLUB περισσότερες λεπτομέρειες για την χρήση της ηλεκτρικής ενέργειας μέσω των μπαταριών ακόμη και στην αρχαιότητα!

Σχολιαστε