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HISTOIRE DE LA TECHNOLOGIE, TECHNOLOGIE, OBJETS AUTOUR DE NOUS
La batterie. Histoire de l'invention et de la production
Annuaire / L'histoire de la technologie, de la technologie, des objets qui nous entourent Une batterie électrique est une source de courant réutilisable dont la principale spécificité est la réversibilité des processus chimiques internes, ce qui assure son utilisation cyclique répétée (par charge-décharge) pour le stockage d'énergie et l'alimentation autonome de divers appareils et équipements électriques, ainsi que quant à la fourniture de sources d'énergie de secours dans la médecine, la fabrication et d'autres domaines.
La découverte de l'effet cumulatif est l'une des inventions les plus importantes et les plus significatives dans le domaine de l'électrotechnique. Très souvent, il y avait et il y a un besoin d'alimenter en électricité des appareils ou des mécanismes dans un endroit où il n'y a pas de sources d'énergie. Pendant longtemps, une batterie galvanique a été utilisée à ces fins, mais c'était une source de courant faible, coûteuse et excessivement encombrante. La création d'une batterie électrique a grandement simplifié cette tâche. En 1802, Ritter a découvert que deux plaques de cuivre immergées dans l'acide et connectées à une batterie galvanique sont chargées et peuvent ensuite être utilisées comme source de courant constant pendant une courte période. Ce phénomène a ensuite été étudié par de nombreux autres scientifiques. En 1854, le médecin militaire allemand Wilhelm Sinsteden a observé l'effet suivant : lorsque le courant passait à travers des électrodes de plomb immergées dans de l'acide sulfurique dilué, l'électrode positive était recouverte de dioxyde de plomb PbO2, tandis que l'électrode négative n'était soumise à aucune modification. Si un tel élément était alors court-circuité, arrêtant le passage du courant à travers lui à partir d'une source constante, un courant constant y apparaissait, qui était détecté jusqu'à ce que tout le dioxyde de plomb soit dissous dans l'acide. Ainsi, Sinsteden a failli créer un accumulateur, mais il n'a tiré aucune conclusion pratique de son observation. Seulement cinq ans plus tard, en 1859, l'ingénieur français Gaston Plante fit accidentellement la même découverte et construisit la première batterie au plomb de l'histoire. Ce fut le début de la technologie des batteries. L'accumulateur de Plante consistait en deux plaques de plomb identiques enroulées sur un cylindre en bois. Ils étaient séparés les uns des autres par un joint en tissu. Ainsi agencé, l'appareil était placé dans une cuve contenant de l'eau acidifiée et relié à une batterie électrique. Quelques heures plus tard, en déconnectant la batterie, il a été possible de retirer un courant suffisamment fort de la batterie, qui a conservé sa valeur constante pendant un certain temps.
Qu'est-ce qui explique les processus qui se produisent dans la batterie ? Comme dans une cellule galvanique, le courant électrique est ici la conséquence d'une réaction chimique qui peut se produire plusieurs fois dans les deux sens. Imaginez que nous commencions à charger une batterie déchargée en la connectant à une source de courant continu. Habituellement, la masse encore non chargée de la plaque de plomb positive contient les restes du cycle précédent - oxyde de plomb PbO et sulfate de plomb PbSO4, et la masse négative ne contient que de l'oxyde de plomb PbO. Sous l'action d'un courant électrique, l'électrolyte - l'eau acidifiée - commence à se décomposer : de l'oxygène est libéré sur l'électrode positive, qui oxyde immédiatement l'oxyde de plomb et le sulfate de plomb en peroxyde de PbO2 (de plus, le résidu acide SO4 passe en solution), et de l'hydrogène est libéré sur la plaque négative. Ce dernier se combine avec l'oxygène de l'oxyde, formant du plomb métallique et de l'eau. Le gaz commence alors à s'accumuler dans les pores de la plaque de plomb. Si une batterie chargée est connectée à un circuit, le courant traversant la batterie pendant la charge change de sens. En conséquence, sur la plaque où l'oxygène était précédemment libéré, de l'hydrogène commence à être libéré, qui réagit avec l'oxygène du peroxyde de plomb. Sur l'autre plaque, de l'oxygène est libéré. L'acide sulfurique du liquide passe à l'électrode positive et forme à nouveau du sulfate de plomb, tandis que l'hydrogène et le plomb sur la plaque négative sont oxydés, le premier en eau, le second en oxyde de plomb. Sous une forme quelque peu simplifiée (sans tenir compte des processus parallèles), la réaction chimique de décharge a la forme : PbO2 + Pb + 2H2S4 = 2PbSO4 + 2H2O. Lors de la charge, les phénomènes vont dans le sens inverse. Cette réaction, accompagnée de la libération d'un courant électrique, se poursuit jusqu'à ce que la quantité d'oxyde de plomb sur les deux plaques soit équilibrée. La même réaction se produit dans une batterie ouverte, mais beaucoup plus lentement. Lors de la charge (en raison de la libération d'un résidu d'acide dans la solution), la densité du liquide dans la batterie augmente et lorsqu'elle est déchargée, elle diminue (car lors de la décharge, l'acide sulfurique se combine avec l'oxyde de plomb et forme du sulfate de plomb sur le électrodes). Lors de la décharge, l'énergie des réactions chimiques est convertie en énergie électrique, et lors de la charge, inversement. Un inconvénient important de la batterie Plante était sa petite capacité - elle se déchargeait trop rapidement. Plante s'aperçut bientôt que la capacité pouvait être augmentée par une préparation spéciale de la surface des plaques de plomb, qui devait être la plus poreuse possible. Pour y parvenir, Plante a déchargé une batterie chargée, puis a de nouveau fait passer un courant à travers elle, mais dans le sens opposé. Ce processus de formation de plaque a été répété plusieurs fois pendant environ 500 heures et visait à augmenter la couche d'oxyde de plomb sur les deux plaques. Jusqu'à l'invention de la dynamo, les batteries intéressaient peu les ingénieurs électriciens, mais lorsqu'il est devenu possible de les recharger rapidement et facilement avec un générateur, les batteries se sont généralisées. En 1882, Camille Faure améliore considérablement la technique de fabrication des plaques d'accumulateurs. Si l'accumulateur Plante n'a commencé à bien fonctionner qu'après des charges et décharges répétées (jusqu'à ce que les plaques deviennent poreuses), dans l'accumulateur Faure, la formation des plaques s'est produite beaucoup plus rapidement. L'essence de l'amélioration de Faure était qu'il avait eu l'idée de recouvrir chaque plaque de plomb rouge ou d'un autre oxyde de plomb. Une fois chargée, une couche de cette substance sur l'une des plaques s'est transformée en peroxyde, tandis que sur l'autre plaque, à la suite de la réaction, un faible degré d'oxyde a été obtenu. Au cours de ces processus, une couche d'oxydes à structure poreuse s'est formée sur les deux plaques, ce qui a contribué à l'accumulation de gaz dégagés sur les électrodes. Pour que la masse d'oxydes formée sur les plaques ne tombe pas, elles sont recouvertes d'un tissu. La batterie Faure se chargeait non seulement plus rapidement que la batterie Plante, mais avait également une capacité beaucoup plus grande et pouvait produire un courant très fort. Il se composait de plaques de plomb parallèles placées à proximité les unes des autres et reliées par une seule, de sorte que chaque électrode de même signe était placée entre deux électrodes opposées. L'invention de Faure a immédiatement attiré l'attention des ingénieurs électriciens. Le banquier allemand Volkmar, qui a repris la production des batteries Faure, les a bientôt encore améliorées. Dans les batteries précédentes, la couche d'oxyde, comme déjà mentionné, n'adhérait pas bien à la grille et tombait facilement lorsqu'elle était secouée. Il s'agissait d'un grave défaut de conception, car il empêchait l'utilisation de batteries dans le transport. Pour améliorer la situation, Volkmar a suggéré de fabriquer des plaques de plomb non pas solides, mais sous forme de grilles dont les trous étaient bourrés de plomb spongieux. Sur de tels réseaux, la masse active n'est plus simplement collée au plomb, mais fermement maintenue dans les alvéoles.
Au début du XNUMXe siècle, Edison s'est lancé dans l'amélioration de la batterie, qui voulait la rendre plus adaptée aux besoins des transports. Dans le cadre de cette tâche, il était nécessaire d'alléger le poids des batteries, d'augmenter leur capacité, de se débarrasser du plomb toxique et de l'acide sulfurique caustique, qui corrodaient rapidement les plaques de plomb, après quoi elles devaient être remplacées. Comme d'habitude, Edison se mit au travail à grande échelle : il créa un laboratoire spécial avec un grand nombre de chimistes et leur confia des recherches dans tous les domaines ci-dessus. Il s'agissait essentiellement de créer un tout nouveau type de batterie, dans lequel l'alcali servait d'électrolyte et le fer broyé avec quelques impuretés servait d'électrode négative. Pendant longtemps, il n'a pas été possible de choisir le matériau de l'électrode positive. Étant donné que les processus chimiques de la pile alcaline étaient très complexes et pas entièrement compris, nous avons dû littéralement nous frayer un chemin. Dans les modèles expérimentaux, l'électrode positive était en carbone dont les pores étaient remplis de diverses substances: de nombreux métaux et leurs composés ont été essayés, mais tous ont donné des résultats insuffisamment bons. Finalement, nous avons opté pour le nickel, qui s'est avéré le plus adapté. Alors Edison est venu à la batterie fer-nickel avec un électrolyte sous forme de potasse caustique. (La réaction chimique qui se produit lors de la décharge dans une pile alcaline est décrite sous une forme quelque peu simplifiée par l'équation : 2NiOOH + Fe + 2H2O = 2Ni(OH)2 +Fe(OH)2; lors de la charge, le processus va dans le sens opposé; l'électrolyte KOH, bien qu'il crée l'environnement nécessaire, ne participe pas à la réaction.) Plusieurs de ces batteries ont été fabriquées pour des tests approfondis, et ici les chercheurs ont été déçus - la capacité de la batterie s'est avérée très faible. Edison a remarqué que la pureté du matériau était d'une grande importance pour augmenter la capacité. Il a commandé du nickel canadien de haute qualité pour des échantillons, après quoi la capacité de la batterie a immédiatement triplé. Une petite raffinerie de fer et de nickel a été construite à West Orange. La capacité de la nouvelle batterie s'est avérée être 2 fois supérieure à celle de l'ancienne au plomb. Edison a affirmé qu'il s'agissait de la plus grande avancée dans la technologie des batteries depuis sa création. D'autres expériences eurent un tel succès qu'en 1903, Edison décida de lancer la production industrielle de ses batteries dans une usine spécialement construite à cet effet. Cependant, les premières piles alcalines mises en vente se sont avérées très loin d'être parfaites : elles ne tenaient pas bien une valeur de tension donnée, fuyaient souvent et présentaient de nombreux autres défauts mineurs. De nombreuses plaintes ont commencé à arriver de la part des distributeurs. Edison a dû arrêter l'usine et se réengager dans l'amélioration de son invention. Malgré les déboires, il a continué à croire fermement au succès de l'affaire. Le raffinement a été confié à plusieurs groupes à la fois: l'un travaillait sur l'amélioration du soudage des réservoirs accumulateurs, l'autre sur le raffinage du fer, le troisième était engagé dans le nickel et ses additifs. En 1905, plus de 10 1910 expériences supplémentaires avaient été réalisées et en 1, une batterie considérablement améliorée fut remise en production. Au cours de la première année, des produits d'une valeur de XNUMX million de dollars ont été fabriqués et tous ont trouvé de bonnes ventes. La nouvelle batterie portable s'est rapidement répandue dans les transports, les centrales électriques, les petits bateaux et les sous-marins. Auteur : Ryzhov K.V.
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