Batteriets historia

Hur det hela började

Statisk elektricitet är en företeelse som varit känd under en mycket lång tid. Redan i det antika Grekland kände man till statisk elektricitet, det fenomen som uppstår när man exempelvis kammar torrt hår med en plastkam. Om en bit bärnsten gneds mot ett skinn, kunde stenen dra till sig och hålla en bit lätt metall under en kort tid. Aristoteles kände till magnetit, en starkt magnetisk järnmalm och hur denna kunde dra till sig järn och andra metaller. Benjamin Franklin påvisade med sitt berömda experiment med en drake naturlagen med elektricitet från blixten.

Vid arkeologiska utgrävningar nära Bagdad 1932 hittade en tysk arkeolog, Wilhelm Koenig, en tusenårig kruka som innehöll en järnstav som var inlagd i en kopparcylinder. Denna anordning kunde ha använts till att “lagra elektricitet”, men naturligtvis också till något annat som vi inte känner till.

Elektriciteten som sådan har med andra ord inte varit ett okänt begrepp. Det var inte förrän på 1800-talet som Allessandro Volta kunde producera en varaktig elektrisk ström med hjälp av ett batteri. Senare påvisade Michael Faraday sambandet mellan magnetism och elektricitet.

Forskningen var speciellt aktiv under 1600- och 1700-talet. En tidsperiod som vi brukar kalla för upplysningstiden. Vetenskapsmännen trodde på den tiden att elektricitet var en del av naturen, nästan som ett levande väsen. Olika apparater för att generera, lagra och frigöra statisk elektricitet utvecklades. Den generator som användes, den s.k. elektricitetsmaskinen, bestod av en glasskiva som roterade hastigt med hjälp av en vev. Metallborstar drog åt sig statisk elektricitet från den roterande glasskivan tills en gnista uppstod mellan två elektroder.

1762 Galvani’s grodexperiment

Lugi Galvani fann att lårmuskler hos döda grodor ryckte till vid kontakt med metaller.

Galvani’s upptäckt ledde sedan till Alessandro Voltas uppfinning av det första galvaniska elementet.

 

20 mars år 1800 Alessandro Volta’s galvaniska element

Om man skulle fastställa battericellens födelsedag skulle det utan tvekan vara den 20 mars år 1800. Den dagen skrev Alessandro Volta, som var professor i naturkunskap på Pavia Universitet i Italien, ett brev till ordföranden i The Royal Society of London, en av de mest högaktade vetenskapliga institutionerna på den tiden. I brevet berättade Volta att han hade konstruerat en apparat, en pålitlig källa av kontinuerlig elektrisk kraft. Apparaten bestod av metallbrickor i myntstorlek som staplades parvis (en silver och en zink), med tunt kartongpapper, läder eller något annat poröst material mellan varje par. Det porösa materialet var indränkt i saltvatten, lut eller någon annan alkalisk lösning. På båda ändar av stapeln var en metalltunga fäst, som sedan doppades ner i var sin behållare med kvicksilver. Kvicksilver, liksom lödtenn, ger en god elektrisk kontakt. Ibland kopplades flera staplar ihop med hjälp av metallskenor. Teoretiskt fanns ingen gräns för hur många skivor som kunde sättas ihop. Volta upptäckte att ju fler staplar han kopplade ihop desto kraftigare stöt fick han när han rörde metalltungan. Voltastapeln var ett riktigt batteri. Det innehöll 40-80 st zink-silver-celler, ibland t.o.m. mer.

voltastapel_batteriforeningen

Voltas konstruktion.

Med hjälp av Voltas konstruktion kunde forskarna äntligen börja studera de elektriska fenomenen. För det ändamålet byggdes allt större batterier. År 1813 hade Sir Humphrey Davy byggt ett batteri i källaren på The Royal Institution of London. Batteriet bestod av 2 000 par metallplattor uppbyggt på en yta av ca 300 m². Davy och senare Michael Faraday använde sedan dessa tidiga batterier med stor framgång för olika experiment.

Voltas upptäckt banade väg för forskning och experiment med elektricitet och elektrolys liksom förekomsten av olika grundämnen.

1831 Faraday – Elektromagneten, generatorn

Samtidigt med dessa elektrolysexperiment använde Michael Faraday Voltas staplar för sin forskning inom elektricitet och magnetism. Som resultat kunde Faraday påvisa att om en elektrisk ström flöt genom en ledare bildades ett magnetfält runt ledaren och omvänt bildades en elektrisk ström om en magnet fördes över ledaren. Det första resultatet av den upptäckten var elektromagneten och den andra var generatorn som Faraday konstruerade 1831. När en brittisk politiker frågade Faraday vad generatorn kunde användas till, svarade Faraday ironiskt: “I framtiden kan ni beskatta den, sir.” Han visste inte själv hur rätt han skulle få. I dag produceras all elektricitet i kraftverk av generatorer som bygger på Faradays upptäckter.

1859 Gaston Plante’ – Blybattericellen

År 1859 uppfann Gaston Plante’ det första laddningsbara batteriet, blybatteriet.

vaatcell_batteriforeningen

1866 George LeClancheés våtcell

Under 1860-talet utvecklade fransmannen Georges Leclanché det som blev ursprunget till vad som än i dag är en av de vanligaste battericellerna, nämligen brunstensbatteriet.

Leclanchés cell var en s.k. våt cell där anoden, (-)-polen, var utförd som en amalgerad zinkstav. (Med amalgerad menas en metall legerad med kvicksilver). Katoden, (+)-polen, utgjordes av krossad mangandioxid blandat med en tillsats av kolpulver. Blandningen packades hårt i en bägare och en kolstav placerades i blandningen för att fungera som strömsamlare. Bägaren samt anoden sänktes ned i ett bad av salmiak vilket genomdränkte den porösa bägaren och fungerade som elektrolyt. Därav namnet våtcell. Våtcellen var en tålig cell, samtidigt som den var billig att tillverka och kunde lagras under en relativt lång tid.

Utvecklingen går vidare

Med tiden utvecklades battericellen från Voltas staplar. Det var känt att varje zink-papper-silver -skikt i dessa staplar var en enskild strömkälla. Insikten om att en cell bestod av en metall som anod och en annan som katod nedsänkta i en elektrolyt växte fram. Under årens lopp genomfördes, med varierande framgång, försök med olika kombinationer av metaller, metalloxider och med olika vätskor som elektrolyt. Det har dock visat sig att Voltas val av zink som anod var en av de allra bästa, även ur ekonomisk synvinkel.

1870 Thomas Edison – Glödlampan

Under slutet av 1870-talet förverkligade Thomas Edison sin idé att bygga ett centralt kraftverk för produktion av billig elektricitet till elektricitetskrävande industrier som galvaniserings- och tryckeriindustrin. Edison använde både batterier och generatorer för det ändamålet. Vid samma tidpunkt uppfann Edison glödlampan, som snabbt blev en framgång.

1880 Samuel Morse – Telegrafen blir allmänt använd

Leclanchés battericell, både med fast och flytande elektrolyt började få ett allt större användningsområde. Batterier användes till ringklockor, inbrottslarm och till järnvägssignaler.

Redan under 1844 introducerade Samuel Morse sin telegraf vilken fr.o.m. 1880-talet användes som ett viktigt kommunikationsmedel på de flesta platser över hela världen.

1887 Hellesens torrbatteri – Föregångaren till dagens torrbatterier

Leclanchécellen förbättrades ständigt och år 1887 utvecklade dansken Wilhelm Hellesens torrcellen. Zinkanoden utgjorde själva bägaren till batteriet och elektrolyten var utformad som en trögflytande massa i stället för en vätska. Det är därifrån benämningen torrbatterier kommer. Som katod användes mangandioxid blandad med kolpulver.
I sin uppbyggnad var detta brunstensbatteri liknande det vi använder än i dag.

hellsens_batteriforeningen

Hellesens torrbatteri

 

Torrceller tillverkade i Sverige

Flera företag började nu tillverka torrbatterier. Ett stort användningsområde var för strömmatning av telefonapparater, s.k. lokalbatterier.

torrceller_batteri

Torrbatteri tillverkat i Sverige.

1899 Waldemar Jungner – NiCd-akumulatorn

Waldermar Jungner, svensk ingenjör och uppfinnare uppfann och utvecklade den laddningsbara alkaliska akumulatorn under 1890-talet. Batteriet använde nickeloxid som katodmaterial, kadmium som anodmaterial och som elektrolyt användes kalimhydroxid. Nickelkadmiumbatterier har haft en stor betydelse för strömförsörjning av bärbar och stationära applikationer.

nicod_gammal

NiCd-akumulatorn.

1916 – 1940 Samuel Ruben & Philip Roger Mallory – Kvicksilveroxidbatteriet

År 1916 grundade Philip Roger Mallory P.R. Mallory Company i New York. Mallory hade ett nära samarbete med en ung begåvad forskare vid namn Samuel Ruben som bedrev forskning och utveckling och som hade ett antal uppfinningar inom elektronik och elektrokemi.

1940. Vid andra världskrigets utbrott fick forskningen ett genombrott med nya upptäckter som skulle revolutionera strömförsörjningen till bärbara elektronikutrustningar.

Samuel Ruben utvecklade då en battericell som många hade försökt göra men ingen hade lyckats med. Det var kvicksilveroxidbatteriet. I stället för mangandioxid, som i vanliga brunstens-batterier, användes kvicksilveroxid som katodmaterial. Även om kvicksilveroxid var ganska dyrt så innehöll den mycket mer syre och batteriet hade därför en mycket högre kapacitet. Kvicksilveroxidbatteriet kom till stor användning under andra världskriget för strömförsörjning av “walki talki” . Det hade överlägsen prestanda jämfört med brunstensbatteriet.

1945 De första knappcellsbatterierna – Hörbatterier Kvicksilveroxid

Efter kriget fortsatte utvecklingen av kvicksilveroxidbatteriet och kort därefter introduceras de på nya och expansiva marknader. Det första stora användningsområdet var till hörapparater. och senare för användning inom foto. Orsaken till framgången var att kvicksilveroxidbatterierna kunde göras mycket små och samtidigt avge en stabil spänning. De kunde dessutom lagras länge.

De _forsta_knappcellsbatterierna

Kvicksilveroxidbatter

Beroende på sitt innehåll av den farliga tungmetallen kvicksilver är batteritypen numera förbjuden inom EU.

Kort efter lanserades silveroxid-knappceller för strömförsörjning av miniatyrelektronik.

silveroxid_knappceller

Silveroxid-knappceller.

1950 Samuel Ruben & Philip Roger Mallory – Alkaliska batteriet

Det är flera som gör anspråk på att vara det alkaliska batteriets fader.

Det första alkaliska batteriet patenterades faktiskt redan 1881 av fransmännen Lalande och Chaperon men blev ingen kommersiell framgång. Som aktivt material i batteriet användes kopparoxid som katod och zink som anod och som elektrolyt användes en blandning av kalium- och natrium -hydroxid. Batteriet gav en cellspänning på 0,85 Volt.

1950 Det alkaliska batteriet

Under Rubens försök att ta fram en billigare version av kvicksilveroxidbatteriet kom han att bidraga till ett genombrott inom batteritekniken – det alkaliska batteriet.

I det alkaliska batteriet används zink (Zn) som anod och mangandioxid (MnO2) som katod. Som elektrolyt används en vattenhaltig lösning av kaliumhydroxid (KOH). Rubens vidareutvecklingen av den alkaliska cellen resulterade i ett mer kompakt och hållbart batteri vilket gav längre driftstid jämfört med tidigare konstruktioner.

Det alkaliska batteriet har under åren ständigt förbättrats, både prestanda- och miljö -mässigt. För att undvika självurladdning innehöll det tidiga alkaliska batteriet tillsats av kvicksilver. Dagens batterier är miljöanpassade och innehåller ej tillsatser av sådana tungmetaller.

1985 Li fotobatterier introduceras

Litiumbatterier har högre energitäthet än alkaliska batterier och brunstensbatterier. Utvecklingen av Litium fotobatterier, (Li-Mangandioxid), var ett viktigt framsteg för strömförsörjning av de s.k. APS-kamerorna.

1991 Nickel-metal-hydridcellen kommersialiseras

Introduktionen av Nickelmetallhydridbatterier har inneburit att de miljöfarliga nickelkadmiumbatterierna har kunnat fasas ut från flertalet konsument-applikationer. Produktutvecklingen har gått mycket snabbt och i dag finns specialceller för hög effekt, snabbladdning samt högtemperatur.

Det senaste tillskottet är NiMH-celler,”Ready to use“, med mycket låg självurladdning. Batteriet behöver ej laddas före användning och efter urladdning kan det återuppladdas 100, eller till och med upp till 1000 gånger.

1992 Litium-joncellen kommersialiseras

Den växande användningen av små elektroniska apparater, t.ex. mobiltelefoner och bärbara datorer, har skapat ett stort behov av små och lätta batterier med mycket energi. Beroende på sin höga energitäthet används i dag uteslutande litium-jonbatterier för strömförsörjning av snabbrörliga konsumentprodukter.

Litium polymercellen är teknologiskt utvecklad från litium-jon cellen. Till skillnad från konventionella cylindriska eller primatiska litium-jonceller med metallbägare, är polymer-celler försedda med ett hölje i formen av en böjlig folie (polymer laminat). Polymertekniken innebär att batteriet blir mindre samt med utökad energitäthet jämfört litium-jonbatteriet.

Det vanligaste litiumjonbatteriet har fram tills nu varit koboltbaserat.

2000- Utveckling av nya högeffekt litium jon

Litium-jon är egentligen samlingsnamnet på ett flertal litiumkemier. Genom att ändra på anod / katod-material samt elektrolyt erhålles olika egenskaper.I samband med milleniumskiftet har en intensiv forskning och utveckling av nya litiumteknologier påbörjats.
Handverktyg med högeffekts litiumbatterier har redan introducerats på marknaden.

handtool

Verktyg som använder litiumbatterier.

Övergång från användning av fossila bränslen för drift av våra fordon har ställt krav på nya batterisystem som energikälla för el- samt hybridbilar.

Stora forskningsprojekt pågår för fullt i USA, Japan samt Europa för att ta fram nya litium batterisystem för bilindustrin.