初期のバッテリー集合体の技術的研究と処理

Oct 18, 2023

電池の進化は、化学と材料科学の両方の進歩と並行しています。 これらは航空宇宙技術の継続的な革新を可能にするポータブル電源として機能し、航空の起源から利用されてきました。 この進化の一例は、以下に示すバッテリーのセットです。 これらは博物館のサミュエル・ラングレー研究室実験の一部であり、ラングレーのその後の航空実験や科学実験に力を与えました。

ラングレーは 1834 年から 1906 年まで生き、航空の先駆者でした。 彼はゴムバンドで動く模型や飛行場で知られるようになり、最初の機能的な飛行機械の開発レースでライト兄弟と競い合いました。 ラングレーはスミソニアン博物館の三代目長官も務め、スミソニアン城の裏で初期の実験航空機の一部を製造しました。

写真のバッテリーは約 1.4 ボルトと 12 ～ 16 アンペアを提供しましたが、これはこのタイプのバッテリー セルの初期の形式に比べて大幅に改善されました。 これらの特定の電池は、19 世紀末頃にマサチューセッツ州ボストンの Samson Battery Company/Electric Goods Manufacturing Company によって製造されました。 このようなサンプソン ジャー電池は、ドアベル、電話、初期の照明、小型電子機器の電源として使用されていました。 これらは、バッテリーが技術革命を経験し、アメリカ人の生活の中でより一般的になりつつあった時代を表しています。

一連の 5 つのバッテリー セルは、蓋付きの長方形のアクアブルーのガラス瓶で構成されています。 各蓋の上部には中央にプラス端子があり、片側にマイナス端子があります。 蓋からは、炭素マンガンのシリンダーに囲まれた亜鉛棒がぶら下がっています。 各セルは互いに直列に配線され、「バッテリー」を形成します。 使用時には、各瓶にはサルアンモニア酸 (塩化アンモニウム) と電解質溶液として機能する水が満たされていました。

これらの電池は、正極端子を形成する亜鉛棒に広範囲の腐食が発生していました。 腐食による外向きの力により、ロッドと蓋が接触する部分のセラミック絶縁体のいくつかが破損しました。 さらに、緩んだ亜鉛の腐食生成物が蓋の表面全体に広がっていました (上の画像に見られるように)。 端子やワイヤの銅や鉄の部品にも腐食が発生していました。

保存処理が行われる前に、さまざまな構成要素をより深く理解するために分析技術が使用されました。

紫外線 (UV) 写真は、可視光下では検出できない表面の特徴を特定し、材料の特性を評価するのに役立ちます。

UV 光は、蓋の上の明るい蛍光とガラスの緑色の色合いという 2 つの特に興味深い特徴を示しました。

亜鉛が腐食すると、明るい青緑色の蛍光を発するのが一般的です。 紫外線によって誘発されたガラス瓶の蛍光緑色の色合いは、おそらくガラスへの添加物によって引き起こされたものと考えられます。 一説によると、この蛍光はガラスにウランを使用することによって引き起こされるのではないかということです。 これは、1880 年代から 1920 年代にかけて一般的なガラス製造手法でした 3。しかし、この理論は、XRF 分析 (以下のセクションを参照) とガイガーカウンターによるガラスの放射線検査の両方によって反証されました。 この不気味な輝きのもう 1 つの説明は、ガラスにマンガンが添加されたことです。 これは、製造中に酸化還元（レドックス）反応を受ける鉄不純物によって引き起こされるガラスの濃い緑色を除去するために、何世紀にもわたって行われてきました。

この理論を確認するために、電池「A」のいくつかのコンポーネントに対して、材料内の無機元素を非破壊的に識別するために使用される技術である蛍光 X 線 (XRF) を使用しました。 ガラス瓶には銅とマンガンの元素が検出され、これらがガラスのアクアブルーに寄与している可能性があります。 マンガンの存在は、UV 写真で見られる緑色の蛍光と一致しています。

また、フーリエ変換赤外分光法 (FTIR) を使用して、ばらばらの材料片を収集し、分析しました。 この技術は、材料の吸収の赤外線スペクトルを作成します。 瓶の内側と内部コンポーネントの上部で見つかったワックス状物質のサンプルを分析したところ、それがパラフィンワックスであることが判明しました。 これは、1901 年版の「電気ガス照明」2 に記載された報告書と一致しています。パラフィン ワックスは、使用中にこぼれた電解液をはじくための瓶と蓋の上部の保護層として使用されました。

また、各セル間の銅線に巻き付いているのが見つかった奇妙な繊維の付加物について分析を行ったところ、それが絹であることが判明しました。 銅線の絶縁材料として絹を選択するのは奇妙な選択のように思えるかもしれませんが、19 世紀のイギリスの科学者マイケル ファラデーは、検流計を使用した実験でこの方法の支持者でした。1 絹の弾性により、絹はワイヤーの絶縁材料として動くことができました。下地の地金を露出させずに曲げました。 この種の繊維製のラッピングは、現在使用されているプラ​​スチック製のワイヤー被覆の初期バージョンです。

この処理の目的は、バッテリー内のあらゆる歴史的情報とすべてのオリジナル素材を保持し、保存することでした。 これは、劣化地域を保護し安定させる必要性とのバランスをとったものでした。 バッテリーの処理は、材料固有の悪影響により、他のコンポーネントを損なうことなく特定のコンポーネントを保持することが困難になる場合があるため、困難な場合があります。

処理の最初のステップには、蓋からすべての遊離した亜鉛腐食生成物を注意深く除去することが含まれていました。 これは柔らかいブラシと軽い真空吸引で完了しました。 ガラス瓶の外側を脱イオン水で湿らせた綿棒で掃除しました。 これは、瓶の肩のパラフィンワックスが乱されないように慎重に行われました。

洗浄後、ガラスの外側は埃が少なくなり、より透明になったように見えましたが、内側の四面には埃と塩アンモニア酸の堆積物が混在していました。 瓶の内側も外側と同じ方法で洗浄できるように、各瓶から塩アンモニアの結晶を傾けました。 これにより、ガラスの光学的透明度が大幅に向上しました。 次に、サルアンモニアから異物を取り除いてから、瓶に戻しました。 薄いマイラーから透明なインサートを作成した後、それらを瓶の底とクリスタルの間に置き、サルアンモニア酸の酸性の性質からガラスを保護し、ガラス疾患の発症を防ぎました。

ガラスを洗浄した後、亜鉛電極とプラス端子の腐食処理を行い、亜鉛から不安定な腐食を除去し、弱酸を使用して露出した金属表面を不動態化し、表面に透明な保護コーティングを施しました。 次に、露出した銅線の腐食に対処し、それを機械的に還元し、同じ保護層でコーティングしました。 この層は、腐食がさらに進行するリスクを最小限に抑えるのに役立ちます。

この保存処理の目的は 2 つありました。1 つは保管用にバッテリーを安定させること、もう 1 つは正確な材料特性を明らかにして管理記録を強化することです。 亜鉛の腐食が軽減され、相対湿度が低い環境であれば、さらに腐食が進行する可能性は低くなります。 同様に、塩アンモニア電解質をガラス瓶から分離すると、両方の要素を将来にわたって安定に保つのに役立ちます。

情報源

1. Mills、A. 2004 年。絶縁銅線の初期の歴史。 科学年報、61:4、453-467.2。 シュナイダー、N.、1901年。電気ガス照明。 第1版ニューヨーク：スポン＆チェンバレン.3。 Emery, K.、2021 年。ガンソンの光るガラス: ウラン ガラスの歴史と考古学。 [ブログ] ミシガン州立大学、以下で入手可能:

メレディス・スウィーニーは、2019 年から 2021 年までエンゲン保護フェローを務めました。 このブログは、歴史的なバッテリーの管理に関する彼女の研究の一環として書かれました。