Étude technique et traitement d'un assemblage de batterie précoce

Oct 18, 2023

L'évolution des batteries est parallèle à nos avancées en chimie et en science des matériaux. Ils ont servi de source d'alimentation portable permettant des innovations continues dans la technologie aérospatiale et ont été utilisés depuis les origines de l'aviation. Un exemple de cette évolution est l'ensemble de batteries vu ci-dessous. Celles-ci font partie des expériences du laboratoire Samuel Langley du Musée, alimentant les expériences aéronautiques et scientifiques ultérieures de Langley.

Langley a vécu de 1834 à 1906 et a été un pionnier de l'aviation. Il est devenu connu pour ses modèles et aérodromes propulsés par des élastiques et a concouru contre les frères Wright dans la course pour développer la première machine volante fonctionnelle. Langley a également été le troisième secrétaire de la Smithsonian Institution et a construit certains de ses premiers avions expérimentaux derrière le château Smithsonian.

Les batteries illustrées fournissaient environ 1,4 volts et 12-16 ampères, ce qui est bien amélioré par rapport aux formes antérieures de ce type de cellule de batterie. Ces batteries particulières ont été fabriquées par la Samson Battery Company/Electric Goods Manufacturing Company à Boston, Massachusetts, vers la fin du 19ème siècle. Les piles Sampson jar, comme celles-ci, étaient utilisées pour alimenter les sonnettes, les téléphones, les premiers éclairages électriques et les petits appareils électroniques. Ils représentent une période où les batteries subissaient une révolution technique et devenaient plus courantes dans la vie américaine.

La série de cinq cellules de batterie est composée de bocaux rectangulaires en verre bleu aqua avec couvercles. Sur le dessus de chaque couvercle se trouve une borne positive centrale et une borne négative d'un côté. Des tiges de zinc sont suspendues aux couvercles, entourées de cylindres en carbone-manganèse. Chaque cellule aurait été câblée à l'autre en série, formant ainsi une "batterie". Lors de son utilisation, chaque bocal aurait été rempli de sel ammoniac (chlorure d'ammonium) et d'eau qui agirait comme solution d'électrolyte.

Ces batteries souffraient d'une corrosion importante sur la tige de zinc qui forme la borne positive. La force extérieure de la corrosion a brisé plusieurs des isolateurs en céramique là où la tige rencontre le couvercle. De plus, le produit de corrosion du zinc en vrac s'était répandu sur la surface des couvercles (comme on le voit sur l'image ci-dessus). Les composants en cuivre et en fer des bornes et des fils avaient également développé de la corrosion.

Des techniques analytiques ont été utilisées pour mieux comprendre les différents composants avant que les traitements de conservation n'aient lieu.

La photographie ultraviolette (UV) est utilisée pour aider à identifier les caractéristiques de surface non détectables sous la lumière visible et pour caractériser les matériaux.

La lumière UV a montré deux caractéristiques particulièrement intéressantes : une fluorescence brillante sur le dessus du couvercle et la teinte verte du verre.

Il est typique que la corrosion du zinc émette une fluorescence bleu-vert clair. La teinte verte fluorescente induite par les UV du bocal en verre était probablement causée par un additif au verre. Une théorie est que la fluorescence pourrait être causée par l'utilisation d'uranium dans le verre. Il s'agissait d'une pratique courante de production de verre entre les années 1880 et 1920.3 Cependant, cette théorie a été réfutée à la fois par l'analyse XRF (voir la section ci-dessous) et par les tests de rayonnement du verre avec un compteur Geiger. Une autre explication de cette lueur étrange est l'ajout de manganèse au verre. Cela a été une pratique pendant des siècles pour aider à éliminer la couleur vert foncé du verre causée par les impuretés de fer subissant une réaction d'oxydo-réduction (redox) pendant la production.

Pour confirmer cette théorie, nous avons utilisé la fluorescence X (XRF) - une technique utilisée pour identifier de manière non destructive les éléments inorganiques dans un matériau - sur plusieurs composants de la batterie "A". Le bocal en verre présentait des éléments de cuivre et de manganèse, qui peuvent contribuer à la couleur bleu aqua du verre. La présence de manganèse est cohérente avec la fluorescence verte observée sur les photographies UV.

Nous avons également collecté et analysé des morceaux de matériau en vrac à l'aide de la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR). Cette technique crée un spectre infrarouge de l'absorption du matériau. Nous avons analysé un échantillon de matériau cireux trouvé à l'intérieur du pot et sur le dessus des composants internes et avons découvert qu'il s'agissait de cire de paraffine. Ceci est cohérent avec un rapport trouvé dans l'édition de 1901 de "Electric Gas Lighting".2 La cire de paraffine a été utilisée comme couche protectrice sur le dessus du bocal et du couvercle pour repousser toute solution d'électrolyte qui aurait pu se renverser pendant l'utilisation.

Nous avons également effectué des analyses sur un curieux ajout textile trouvé enroulé autour des fils de cuivre entre chaque cellule et nous avons déterminé qu'il s'agissait de soie. Alors que la soie peut sembler être un choix étrange comme matériau isolant pour le fil de cuivre, le scientifique anglais du XIXe siècle Michael Faraday était un partisan de cette méthode avec ses expériences impliquant des galvanomètres.1 L'élasticité de la soie lui permettait de se déplacer avec le fil lorsqu'il était plié sans exposer le métal nu sous-jacent. Ce type d'emballage textile est une première version des revêtements en fil de plastique que nous utilisons aujourd'hui.

Le but du traitement était de conserver et de préserver toutes les informations historiques et tous les matériaux d'origine dans les batteries. Cela a été contrebalancé par la nécessité de protéger et de stabiliser les zones de détérioration. Les traitements de batterie peuvent être difficiles car le vice inhérent des matériaux peut rendre difficile la conservation de certains composants sans en compromettre d'autres.

La première étape du traitement consistait à retirer soigneusement tout le produit de corrosion du zinc en vrac des couvercles. Ceci a été complété par des brosses douces et une légère aspiration sous vide. L'extérieur des bocaux en verre a été nettoyé avec des cotons-tiges imbibés d'eau déminéralisée. Cela a été soigneusement entrepris afin que la cire de paraffine sur les épaules des pots ne soit pas dérangée.

Alors que l'extérieur du verre commençait à paraître moins poussiéreux et plus transparent après le nettoyage, l'intérieur présentait un mélange de poussière et de dépôts de sel ammoniac sur les quatre côtés. Nous avons retiré les cristaux de sel ammoniac de chaque bocal afin que les côtés internes du bocal puissent être nettoyés de la même manière que l'extérieur. Cela a grandement amélioré la clarté optique du verre. Nous avons ensuite retiré les débris étrangers du sel ammoniac avant de le remettre dans le bocal. Après avoir fabriqué des inserts transparents en mylar fin, nous les avons placés entre le fond des bocaux et les cristaux pour protéger le verre de la nature acide du sel ammoniac et prévenir le développement de la maladie du verre.

Après avoir nettoyé le verre, nous avons traité l'électrode de zinc et la borne positive contre la corrosion, éliminant la corrosion instable du zinc, passivant toute surface métallique exposée à l'aide d'un acide doux et donnant à la surface un revêtement protecteur transparent. Nous avons ensuite traité la corrosion du fil de cuivre exposé, en le réduisant mécaniquement et en le recouvrant de la même couche protectrice. Cette couche aide à minimiser le risque de développement de corrosion supplémentaire.

L'objectif de ce traitement de conservation était double : stabiliser les batteries pour le stockage et enrichir le dossier de conservation avec des caractérisations matérielles précises. Avec la réduction de la corrosion du zinc et un environnement à faible humidité relative, un développement supplémentaire de la corrosion est peu probable. De même, la séparation de l'électrolyte sal ammoniac du bocal en verre aidera à maintenir les deux éléments stables dans le futur.

Sources

1. Mills, A. 2004. Les débuts du fil de cuivre isolé. Annals of Science, 61:4, 453-467.2. Schneider, N., 1901. Éclairage électrique au gaz. 1ère éd. New York : Spon & Chamberlain.3. Emery, K., 2021. Verre incandescent de Gunson : Histoire et archéologie du verre d'uranium. [Blog] Michigan State University, Disponible sur :

Meredith Sweeney a été boursière Engen Conservation de 2019 à 2021. Ce blog a été écrit dans le cadre de ses recherches sur l'entretien des batteries historiques.