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 flygande 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 Alessandro 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.

1800-talet 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 stycken 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 1808 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 genomförandet av den första elektrolysen.

1831 Faraday – Elektromagneten, generatorn

Samtidigt som de första elektrolysexperimenten 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

Schematisk bild över uppbyggnaden av blybattericellen

1866 Georges Leclanchés våtcell

Under 1860-talet utvecklade fransmannen Georges Leclanchés det som blev ursprunget till brunstensbatteriet vilket historiskt sett har varit ett av de mest använda batterierna i våra hushåll.

Leclanchés cell var en s.k. våtcell där anoden, minuspolen, var utförd som en amalgerad zinkstav (med amalgerad menas en metall legerad med kvicksilver). Katoden, pluspolen, 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. Därutav 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.

1887 Hellesens torrbatteri

Leclanché-cellen förbättrades ständigt och år 1887 utvecklade dansken Wilhelm Hellesens torrcellen. Zinkanoden utgjorde själva ytterhöljet till batteriet och elektrolyten var utformad som en trögflytande massa i stället för en vätska. Avsaknaden av ren vätska gav upphov till benämningen torrbatteri. Som katod användes mangandioxid blandat med kolpulver. Uppbyggnaden av Hellesens torrcell liknar till stor del den för brunstensbatteriet, så som vi känner det idag.

hellsens_batteriforeningen

Hellesens torrbatteri

1899 Waldemar Jungner – NiCd-ackumulatorn

Waldermar Jungner, svensk ingenjör och uppfinnare, uppfann och utvecklade den laddningsbara alkaliska ackumulatorn under 1890-talet. Batteriet använde nickeloxid som katodmaterial, kadmium som anodmaterial och som elektrolyt användes kaliumhydroxid. Nickel-kadmiumbatterier har haft en stor betydelse för strömförsörjning av bärbar och stationära applikationer. Beroende på sitt innehåll av den farliga tungmetallen kadmium är batteritypen numera nästan helt förbjuden inom EU och även många andra delar av världen.

nicod_gammal

NiCd-akumulatorn.

1942 Samuel Ruben & Philip Roger Mallory – Kvicksilveroxidbatteriet

Vid andra världskrigets utbrott fick forskningen kring batterier ett genombrott med nya upptäckter som skulle revolutionera strömförsörjningen till bärbara elektronikutrustningar. 1942 utvecklade Samuel Ruben en battericell som många hade försökt göra men ingen hade lyckats med. Det var kvicksilveroxidbatteriet. I stället för mangandioxid, som i vanliga brunstensbatterier, användes kvicksilveroxid som katodmaterial. Även om kvicksilveroxid var ganska dyrt så innehöll den mycket mer syre och batteriet hade därför en mycket högre kapacitet och generellt sett en överlägsen prestanda jämfört med brunstensbatteriet. Kvicksilveroxidbatteriet kom till stor användning under andra världskriget för strömförsörjning av “walkie talkies”.

Efter kriget fortsatte utvecklingen av kvicksilveroxidbatteriet och kort därefter introduceras de på nya och expansiva marknader. Det första stora kommersiella 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. Beroende på sitt innehåll av den farliga tungmetallen kvicksilver är batteritypen numera förbjuden inom EU.

De _forsta_knappcellsbatterierna

Kvicksilveroxidbatter

Kort efter lanserades silveroxid-knappceller för strömförsörjning av miniatyrelektronik.

silveroxid_knappceller

Silveroxid-knappceller.

1950 Det 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 natriumhydroxid. Batteriet gav en cellspänning på 0,85 Volt.

Samuel Rubens jobbade under samma tid med att försöka att ta fram en billigare version av kvicksilveroxidbatteriet och kom genom det att bidra till ett mycket större genombrott inom batteritekniken – det alkaliska batteriet.

I det alkaliska batteriet används zink (Zn) som anod och mangandioxid (MnO2) som katod. Som elektrolyt används en vattenlösning med saltet 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 för övrigt fått sitt namn från elektrolyten, kaliumhydroxid, vilket är ett alkaliskt ämne.

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

1970-talet Litiummetallbatterier introduceras

Icke-laddningsbara litiumbatterier, ”litiummetallbatterier”, med olika kemiska kompositioner men som alla använder metalliskt litium som anod, introducerades under 1970-talet. Dessa batterier har högre energitäthet än alkaliska- och brunstensbatterier och är bättre på att klara av höga strömpulser. Ett segment där dessa egenskaper var av stor betydelse och som drev på utveckling var inom fotografering där användandet i tidiga versioner av kompaktkameror var stort. Litiumbatterier kan ha en spänning som varierar mellan 1,5 V (kan användas som en direkt ersättare till alkaliska batterier) upp till en spänning på 3,6 V beroende på vilket katodmaterial man använder sig av.

Litium tionylkloridcellen, som har en hög energi densitet då den nominella spänningen är 3.6 V, uppfanns av Adam Heller år 1973.

1989 Nickel-metallhydridcellen kommersialiseras

Introduktionen av nickel-metallhydridbatterier (NiMH) har inneburit att de miljöfarliga nickel-kadmiumbatterierna 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 som är ”Ready-to-use“ med mycket låg självurladdning. Dessa celler behöver inte laddas före första användning och kan återuppladdas hundratals gånger.

1991 Litiumjoncellen 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 och spänning används i dag uteslutande litiumjonbatterier för strömförsörjning av portabla konsumentprodukter.

Under senare delen av 1970-talet formulerade den franske kemisten Michel Armand den första idén om ett batteri där litiumjoner rörde sig fram och tillbaka mellan den positiva och negativa elektroden där man använde sig av så kallade interkallationsmaterial med olika potentialer vilket utgör grunden för dagens Li-jon batterier. 1980 upptäckte den amerikanske kemisten John B. Goodenough det positiva elektrodmaterialet litiumkoboltoxid (LiCoO2) och några år senare visade den marockanske forskaren Rachid Yazami att grafit kunde användas som negativt elektrodmaterial. Efter vidare forskning och utveckling av grafitanoden, separatorer och elektrolyt, vilket genomfördes av bland annat Jeff Dahn, Kanada, och Akiro Yoshino, Japan, under senare delen av 1980-talet var det Sony som 1991 lanserade den första kommersiella Li-jon battericellen. Dessa Li-jon batterier var baserade på LiCoO2 som katodmaterial och grafit som anodmaterial.

2000- Utveckling av nya högeffekt litiumjonbatterier

Litiumjonbatterier är egentligen samlingsnamnet på ett flertal litiumbaserade kemier. Genom att ändra på anod- och/eller katod-material samt elektrolyt erhålls olika egenskaper så som energi- och effektprestanda. I samband med millenniumskiftet så intensifierades forskning och utveckling av nya litiumteknologier. I dagsläget används litiumjonbatterier i allt från mobiltelefoner och handverktyg, till elektrifierade personbilar och tunga fordon samt stationära energilager.