法拉第:组织上现在有个任务交给你

前情中法拉第发现电解定律,其后电池研究继续它的征途。本文整理了19世纪30年代至50年代20年间的主要电池技术的进展。

 

出来混,总是要还的。

小编自己发的下期预告,含着泪也要写完。

 

自1832年法拉第发现“电解定律”以来,已经停更一个多月了。

约翰·丹尼尔还没有发明他著名的“丹尼尔电池”。

哎呀,乱了乱了,捋一捋~~

 

法拉第同在皇家学会的朋友丹尼尔(John Daniell)一直对一件事情耿耿于怀,在“电解定律”等重要实验室中居功甚伟的伏打电池,一直存在后劲不足的问题。其原因,我们现在知道是酸溶液中电解出了氢气,给电极包上一层氢气膜,逐渐增加回路的电阻。

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法拉第和丹尼尔(右)

©Photos.com/Thinkstock

为朋友,自当两肋插刀。不过这次,英国绅士丹尼尔选择了相对温和的方法。1836年,他在回路的铜电极和负极锌棒间插”入了饱和硫酸铜电解液环境,通过一个多空陶罐和内部的负极室向隔离,这样作为正极的铜筒上也将会又镀上一层铜而不是析出氢气。这是一套较之以往可靠许多的能源系统,并且很快应用在当时英美的电报系统中。

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Daniell电池

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同一时期,电池研究的另一条跑道上,德国化学家尚班(Christian Friedrich Schönbein)也在挥汗如雨。1836~1862年间,他和法拉第之间有多大155封往来书信讨论电化学相关问题,并在1839年在法拉第等人常发表成果的英国著名期刊“哲学杂志(Philosophical Magazine)”上发表了革命性的“燃料电池”理论。

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尚班

© en.wikipedia.org

在稍早一些的1838年,他的密友,英国的威廉·格罗夫爵士(Sir William Robert Grove)已经基于同他的书信往来开发出一个实验性的燃料电池实物。伴随分辨充入正负极的氧气和氢气的减少,回路在没有金属电极发生消耗的情况下发生电流。这在当时一种相当吸引眼球的创新,但是这种电池造价高昂,尚不具备进入主流的资质。

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格罗夫在早期手稿中描述的燃料电池

©americanhistory.si.edu

有趣的是,这款燃料电池并不叫“格罗夫电池”,因为真正的“格罗夫电池“另有其”池“。

1839年,格罗夫将丹尼尔电池中的正极铜换成了铂金,获得了比丹尼尔电池更高的的电流和电压。

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格罗夫电池

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格罗夫电池一度压过了丹尼尔电池的风头而在电报业大展拳脚,直到美国南北战争中,庞大的通信量暴露除了该电池散发出大量二氧化氮和电压不稳等缺陷,在1860年末期引退。

 

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南北战争里架设电线的士兵

© shutterstock.com


1840年,也许是受到格罗夫电池启发,丹尼尔在国王大学化学系的昔日学生阿尔弗雷德·史密(Alfred Smee),用类似方式解决了正极氢气膜聚集的问题。在位于英格兰银行分类帐室一侧的实验室里,这位后来英格兰银行唯一的外科医生,用打磨光滑的镀铂金的银正极去替代铜,这样氢气可以迅速从正极散发,从而也简化掉了丹尼尔电池中的多孔陶罐隔离结构。由于祖父和父亲都在英格兰银行身居要职,处于安全因素,其家庭寓所被安排在银行内部。受到时任州长密友之一的某外科医生举荐,1841年,史密被董事特聘为英格兰银行唯一的外科医生。正应了那句古训,“不想做化学家的医生,不是一个好帐房“。

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© technology.matthey.com

格罗夫电池也是另一款著名电池的先驱。1841年,德国化学家罗伯特·本生(Robert Wilhelm Eberhard Bunsen)用碳电极代替了格罗夫电池中昂贵的铂电极。

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如果用许多本生电池串联起来的话,可以实现耀眼强光。基于这种机制,本生在1853年开发出了2300°C的无色灯光,从而可以方便观测不同元素的焰色反应。进一步,本生还在1859年与物理学家基尔霍夫开发出第一款光谱仪。

 

同时代,还有另一款叫做“梅努斯(Maynooth)电池“的著名电池后也实现了商用。它由爱尔兰神父尼可拉斯·卡兰(Nicholas Callan)在梅努斯学院任教期间开发,用于为他的电磁学研究提供大电流。其用便宜的铸铁代替以往原电池正极的铂金和碳,大幅提高了电池功率。他用577个梅努斯电池胞组装的巨型电池为电磁铁提供电力,举起了足足两顿的重物。

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© maynoothcollegemuseum.wordpress.com

 

这样在当时看来了不起的成就,离当今电池的水平还有太大的鸿沟。比如,我们不能想象无法给手机充电意味着每天要背多少盒新电池去上班,或者该换多大的有害垃圾筒。

好在,真实的历史,在1854年,电池家族诞生了一个新星——可充电的铅酸电池。

 

(下期预告:可充电电池到锂电池)

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