ההיסטוריה של הסוללה - חלק ראשון

טיסנים, מכוניות שלט, מסוקים וכיום גם רכבים משפחתיים עוברים בהדרגה לשימוש באנרגיה חשמלית להנעתם. כיום ניתן למצא טיסנים ומכוניות שלט המספקים ביצועים מכובדים תוך כדי שימוש בסוללה ומנוע חשמלי המחליף את מנוע הניטרו הוותיק.
צוות טיסן שמח לפתוח בסדרת תרגומים לסקירות בתחום הסוללות מבית Battery University.

לפתיחת הסדרה בחרנו לספק סקירה היסטורית של ספקית אנרגיה מתחדשת זו - הסוללה.

אם כן, מתי הומצאה הסוללה?
החשמל הינו ללא ספק אחת התגליות המדהימות ביותר ב-400 השנים האחרונות. נשאלת השאלה: "האם החשמל מוכר זמן רב כל כך?". התשובה היא כן ולמעשה החשמל היה מוכר עוד קודם לכן, אך הוא היגע לידי שימוש מעשיר רק לקראת אמצע עד סוף המאה ה-19. בתחילת דרכו השימוש בחשמל בוצע באופן מוגבל ביותר. בין הדוגמאות המרשימות הראשונות ניתן למנות את תערוכת שיקגו קולומביה מ-1893, שכללה כ-250,000 נורות, והארת הגשר מעל נהר הסיין במהלך היריד העולמי בפריס ב-1900.
סוללות שונות

השימוש בחשמל מתחיל בתקופה מוקדמת יותר. ראיות לכך נמצאו בשנת 1936 ליד בגדד, במהלך החפירות להנחת פסי רכבת, עובדי הרכבת חשפו ממצא שנראה כסוללה הקדומה ביותר - המכונה גם סוללה פרתי - Parthian Battery. הסוללה תוארכה לתקופה הפרתית והיא ככל הנראה בת 2,000 שנה. הסוללה מורכבת מכד חרס, שהיה מלא בחומץ אליו הוכנס מוט ברזל מוקף נחושת. מתקן זה ייצר מתח חשמלי של בין 1.1 ל-2.0 וולט.

לא כל המדענים מקבלים את הטענה כי סוללה פרתי שימשה כמקור אנרגיה. ייתכן כי המכשיר שימש לצורך אלקטרוליטי, כגון הוספת שכבת זהב או מתכות יקרות אחרות על פני השטח (ציפוי). נאמר כי המצרים השתמשו באלקטרוליזה כבר לפני 4,300 שנה. מראיות ארכאולוגיות עולה כי הראשונים להשתמש בטכניקה זו היו הבבלים עבור ייצור תכשיטים, באמצעות אלקטרוליט המבוסס על מיץ ענבים כדי לצפות צלחות חרס בזהב. יתכן שהפרתים, ששלטו בבגדד (בערך 250 לפנה"ס), עשו שימוש בסוללות כדי לצפות כלים בכסף.

איור של סוללה פרתית

האיור מעל מדגים את הסוללה הפרתית או בכינוי אחר הסוללה הבגדדית.

ייצור חשמל בעידן המודרני

אחת השיטות הראשונות לייצור חשמל בעידן המודרני היא באמצעות יצירת מטען סטטי. בשנת 1660, אוטו פון גאוריק (Otto von Guericke) בנה מכונה חשמלית באמצעות כדור גופרית גדול, שלאחר חיכוך וסיבוב משך נוצות ופיסות קטנות של נייר. גאוריק הוכיח כי הניצוצות שנוצרו היו חשמל בטבען.

השימוש המעשי הראשון של חשמל סטטי היה "אקדח חשמלי", אשר הומצא בידי אלסנדרו וולטה ( Alessandro Volta) . הוא ניסה לספק תקשורת למרחקים ארוכים, אך רק על ידי שימוש בביט אחד. חוט ברזל נתמך על ידי עמודי עץ היה אמור להימתח מקומו ועד מילאנו אשר באיטליה. קצה החוט מונח בצנצנת מלאה גז מתאן. כדי לתעד אירוע מקודד, ישלח ניצוץ חשמלי על ידי חוט לצורך פיצוץ אקדח חשמלי. קישור תקשורת זה מעולם לא נבנה.

בשנת 1791, במקביל לעבודתו באוניברסיטת בולוניה, גילה לואיג'י גלוואני (Luigi Galvani), כי שריר של צפרדע מתכווץ כאשר הוא בא במגע עם חפץ מתכתי. תופעה זו נודעה בשם חשמל בעלי חיים. בעקבות ניסויים אלה, יזם וולטה סדרה של ניסויים באמצעות אבץ, עופרת, פח וברזל כמשטח חיובי (קטודה), ונחושת, כסף, זהב וגרפיט כמשטח שלילי (אנודה). העניין בחשמל גלווני נפוץ עד מהרה.

הסוללות המוקדמות

בשנת 1800 גילה וולטה כי נוזלים מסויימים מעוררים זרם רציף של חשמל כאשר משתמשים בו כמוליך. גילוי זה הוביל להמצאת התא וולטאי, הידוע יותר בכינויו הסוללה. וולטה גילה כי המתח גדל כאשר תאים וולתאים נערמים אחד על גבי השני.
באותה שנה פירסם וולטה את התגלית של זרם חשמלי רציף לחברה המלכותית של לונדון. לא עוד ניסויים מוגבלים של ניצוץ חשמלי לשבריר שניה, אלא זרם אינסופי של חשמל נראה אפשרי כעט.
צרפת הייתה אחת המדינות הראשונות להכיר בתגליות של וולטה. בנובמבר 1800 המכון הלאומי הצרפתי הזמין את וולטה לסדרת הרצאות בהן השתתף בין היתר נפוליאון בונפרטה.

בשנת 1800, החל סר האמפרי דייווי (Sir Humphry Davy), ממציא נורת הבטיחות של הכורים, לבדוק את ההשפעות הכימיות של חשמל, הוא גילה ההתפרקות של חומרים דרכם זורם זרם חשמלי. תהליך זה נקרא מאוחר יותר אלקטרוליזה. תגליות נוספות התגלו על ידי התקנת הסוללה החשמלית הגדולה והחזקה ביותר בעולם במכון המלכותי של לונדון. חיבור הסוללה לאלקטרודות פחם ייצר את האור החשמלי הראשון.

בשנת 1802, ויליאם קריקוסאנק (William Cruickshank) תכנן את הסוללה החשמלית הראשונה בייצור המוני. קריקוסאנק סידר גיליונות רבועים של נחושת ואבץ שוות בגודלן, יריעות אלה הוכנסו אל תיבת עץ מלבנית ארוכה והולחמו יחד. חריצים בתיבת העץ החזיקו את לוחות המתכת במקומן והתיבה האטומה מולאה באלקטרוליט מלח או חומצה מדוללת. בדומה לסוללה הנמצאת בשימוש כיום.

המצאת הסוללה הנטענת

בשנת 1836, פיתח ג'ון פ' דניאל (John F. Daniell), כימאי אנגלי, סוללה משופרת שיצרה זרם יציב יותר. עד למועד זה, כל הסוללות היו ראשונית – חד פעמיות, כלומר ללא אפשרות לטעינה חוזרת. בשנת 1859, המציא הפיסיקאי הצרפתי גסטון פלנטה ( Gaston Planté) את הסוללה הנטענת הראשונה. הוא התבסס על עופרת חומצתית, מערכת הנמצאת בשימוש עד היום.

בשנת 1899, המציא וולדמר יורגנר (Waldmar Jungner) משוודיה סוללות ניקל קדמיום (NiCd), אשר עושה שימוש בניקל על האלקטרודה החיובית (הקתודה) וקדמיום עבור שלילית (האנודה). עלויות החומר הגבוהות של הקדיום בהשוואה לשימוש בעופרת חומצתית הגבילו את השימוש בשיטה זו, ושנתיים לאחר מכן, הפיק תומאס אדיסון תוכנית חלופית על ידי החלפת הקדמיום בברזל. ביצועים ירודים בטמפרטורה נמוכה וגבוהה ביחד עם פריקה עצמית הגבילה את הצלחתה של סוללת הניקל ברזל. בשנת 1932, הצליחו שלכט ואקרמן להשיג זרמים גבוהים יותר ולשפר את תוחלת החיים של סוללת ה-NiCd ידי יציקת המוט למשטח. בשנת 1947 הצליח גיאורג נוימן (Georg Neumann) לאטום את תא הסוללה.

במשך שנים רבות, NiCd היתה הסוללה הנטענת העיקרית עבור התקנים ניידים. בשנת 1990, פעילי איכות הסביבה באירופה הביאו דאגה מזיהום סביבתי כאשר סוללות NiCd טופלו ברישול עם סיום השימוש בהם והחלו לדרוש מהתעשייה והצרכנים לעבור לשימוש בכימיה שונה – ניקל מאטל הידריד NiMH, סוללה ידידותית לסביבה. סללות NiMH דומות במאפיינהן לסוללות ה-NiCd ורבים צופים כי הן ישמשו כקרש הקפיצה לסוללות בטכנולוגיית ליתיום Li-Ion.

פעילויות המחקר רבות כיום עוסקות סביב שיפור מערכות מבוססות סוללת הליתיום. בנוסף לשימוש הנעשה בליתיום בטלפונים סלולריים, מחשבים ניידים, מצלמות דיגיטליות, כלי עבודה ומכשור רפואי, ליתיום משמש גם עבור כלי רכב חשמליים. יש מספר יתרונות לסוללה זו, בעיקר כמות אנרגיה גבוהה משמעותית, טעינה פשוטה, תחזוקה נמוכה וידידותיות לסביבה.

חלקה השני של הסקירה יעלה לאתר בימים הקרובים.

רוצים לדבר על נושא הסקירה? היכנסו לפורום הטיסנים שלנו.

 

מקור: ?When was the Battery Invented

תודה לאיסידור בוכמן מ־batteryuniversity.com על הרשות לתרגם.

Thanks to Isidor Buchman from batteryuniversity.com for the permission to translate.