Dunia bateri - bahagian 1

Hadiah Nobel Kimia 2019 telah dianugerahkan untuk membangunkan reka bentuk bateri litium-ion. Tidak seperti beberapa keputusan lain Jawatankuasa Nobel, keputusan ini tidak mengejutkan - sebaliknya. Bateri litium-ion kuasa telefon pintar, komputer riba, alat kuasa mudah alih dan juga kereta elektrik. Tiga saintis, John Goodenough, Stanley Whittingham dan Akira Yoshino, layak menerima diploma, pingat emas dan 9 juta SEK untuk pengagihan. 

Anda boleh membaca lebih lanjut tentang rasional anugerah itu dalam keluaran sebelumnya kitaran kimia kami - dan artikel itu sendiri berakhir dengan pengumuman pembentangan yang lebih terperinci tentang isu sel dan bateri. Sudah tiba masanya untuk menunaikan janji anda.

Pertama, penjelasan ringkas tentang ketidaktepatan penamaan.

Link ini adalah satu-satunya litar yang menjana voltan.

bateri terdiri daripada sel yang disambungkan dengan betul. Matlamatnya adalah untuk meningkatkan voltan, kapasitansi (tenaga yang boleh diambil daripada sistem), atau kedua-duanya.

аккумулятор ia adalah sel atau bateri yang boleh dicas semula apabila ia habis. Tidak setiap cip mempunyai ciri-ciri ini - kebanyakannya boleh guna. Dalam pertuturan harian, dua istilah pertama sering digunakan secara bergantian (ini juga akan berlaku dalam artikel), tetapi seseorang mesti menyedari perbezaan antara mereka (1).

1. Bateri yang terdiri daripada sel.

Bateri tidak dicipta selama beberapa dekad yang lalu, ia mempunyai sejarah yang lebih lama. Anda mungkin pernah mendengar tentang pengalaman itu Galvaniego i Volt pada permulaan abad ke-XNUMX dan XIX, yang menandakan permulaan penggunaan arus elektrik dalam fizik dan kimia. Walau bagaimanapun, sejarah bateri bermula lebih awal lagi. Sudah lama dahulu…

... lama di Baghdad

Pada tahun 1936 seorang ahli arkeologi Jerman Wilhelm Koenig menjumpai sebuah bekas tembikar berhampiran Baghdad sejak abad ke-XNUMX SM. Penemuan itu tidak kelihatan luar biasa, memandangkan tamadun di Euphrates dan Tigris berkembang selama beribu-ribu tahun.

Walau bagaimanapun, kandungan kapal itu adalah misteri: gulungan lembaran tembaga yang berkarat, batang besi, dan sisa resin semula jadi. Koenig hairan tentang tujuan artifak itu sehingga dia teringat melawat Alley of Jewellers di Baghdad. Reka bentuk yang serupa digunakan oleh pengrajin tempatan untuk menutup produk tembaga dengan logam berharga. Idea bahawa ia adalah bateri purba tidak meyakinkan ahli arkeologi lain bahawa tiada bukti elektrik yang terselamat pada masa itu.

Jadi (itulah yang dinamakan penemuan itu) adakah ini perkara sebenar atau kisah dongeng dari 1001 malam? Biarkan percubaan memutuskan.

Anda perlu: plat tembaga, paku besi dan cuka (perhatikan bahawa semua bahan ini diketahui dan tersedia secara meluas pada zaman dahulu). Gantikan resin untuk mengelak bekas dan gantikannya dengan plastisin sebagai penebat.

Lakukan eksperimen dalam bikar atau kelalang, walaupun menggunakan pasu tembikar akan memberikan ujian rasa asli. Menggunakan kertas pasir, bersihkan permukaan logam daripada plak dan pasangkan wayar padanya.

Gulungkan plat tembaga ke dalam gulungan dan letakkan di dalam bekas, dan masukkan paku ke dalam gulungan. Menggunakan plastisin, betulkan pinggan dan paku supaya tidak bersentuhan antara satu sama lain (2). Tuangkan cuka (lebih kurang 5% larutan) ke dalam bekas dan, menggunakan multimeter, ukur voltan antara hujung wayar yang disambungkan ke plat kuprum dan paku besi. Tetapkan instrumen untuk mengukur arus DC. Antara kutub yang manakah merupakan "tambah" dan yang manakah "tolak" bagi punca voltan?

2. Lakaran salinan moden bateri dari Baghdad.

Meter menunjukkan 0,5-0,7 V, jadi bateri Baghdad berfungsi! Sila ambil perhatian bahawa kutub positif sistem adalah tembaga, dan kutub negatif adalah besi (meter menunjukkan nilai voltan positif hanya dalam satu pilihan untuk menyambung wayar ke terminal). Adakah mungkin untuk mendapatkan elektrik daripada salinan terbina untuk kerja yang berguna? Ya, tetapi buat beberapa lagi model dan sambungkannya secara bersiri untuk meningkatkan voltan. LED memerlukan kira-kira 3 volt - jika anda mendapat sebanyak itu daripada bateri anda, LED akan menyala.

Bateri Baghdad telah diuji berulang kali untuk keupayaannya untuk menggerakkan peralatan bersaiz kecil. Percubaan serupa telah dijalankan beberapa tahun lalu oleh pengarang program pemujaan MythBusters. Mythbusters (adakah anda masih ingat Adam dan Jamie?) juga membuat kesimpulan bahawa struktur itu boleh berfungsi sebagai bateri purba.

Jadi adakah pengembaraan manusia dengan elektrik bermula lebih 2 tahun lalu? Ya dan tidak. Ya, kerana walaupun begitu ia adalah mungkin untuk mereka bentuk bekalan kuasa. Tidak, kerana ciptaan itu tidak tersebar luas - tiada siapa yang memerlukannya pada masa itu dan selama berabad-abad yang akan datang.

Sambungan? Ianya mudah!

Bersihkan permukaan plat logam atau wayar, aluminium, besi, dsb. Masukkan sampel dua logam berbeza ke dalam buah berair (yang akan memudahkan pengaliran elektrik) supaya ia tidak bersentuhan antara satu sama lain. Sambungkan pengapit multimeter ke hujung wayar yang melekat pada buah, dan baca voltan di antara mereka. Tukar jenis logam yang digunakan (serta buah-buahan) dan teruskan mencuba (3).

3. Sel buah (aluminium dan elektrod kuprum).

Dalam semua kes pautan telah dibuat. Nilai voltan yang diukur berbeza bergantung pada logam dan buah yang diambil untuk eksperimen. Menggabungkan sel buah ke dalam bateri akan membolehkan anda menggunakannya untuk menggerakkan peralatan elektronik kecil (dalam kes ini, ia memerlukan sedikit arus, yang boleh anda perolehi daripada reka bentuk anda).

Sambungkan hujung wayar yang melekat keluar dari buah-buahan yang melampau ke wayar, dan ini, seterusnya, ke hujung LED. Sebaik sahaja anda telah menyambungkan tiang bateri ke "terminal" yang sepadan diod dan voltan telah melebihi ambang tertentu, diod akan menyala (diod warna yang berbeza mempunyai voltan awal yang berbeza, tetapi kira-kira 3 volt sepatutnya mencukupi ).

Sumber kuasa yang sama menarik ialah jam tangan elektronik - ia boleh beroperasi pada "bateri buah" untuk masa yang lama (walaupun banyak bergantung pada model jam tangan).

Sayur-sayuran sama sekali tidak kalah dengan buah-buahan dan juga membolehkan anda membina bateri daripadanya. Kerana? Ambil beberapa jeruk dan jumlah kepingan atau wayar tembaga dan aluminium yang sesuai (anda boleh menggantikannya dengan paku keluli, tetapi anda akan mendapat voltan yang lebih rendah daripada satu pautan). Pasang bateri dan apabila anda menggunakannya untuk menghidupkan litar bersepadu dari kotak muzik, koir timun akan menyanyi!

Mengapa timun? Konstantin Ildefons Galchinsky berhujah bahawa: "Jika timun tidak menyanyi dan pada bila-bila masa, dia mungkin tidak dapat melihat dengan kehendak syurga." Ternyata seorang ahli kimia boleh melakukan perkara yang tidak diimpikan oleh penyair.

Bateri Bivakov

Dalam keadaan kecemasan, anda boleh mereka bentuk bateri sendiri dan menggunakannya untuk menghidupkan LED. Benar, cahaya akan menjadi malap, tetapi ia lebih baik daripada tiada.

Apa yang anda perlukan? Diod, sudah tentu, dan sebagai tambahan, acuan kiub ais, dawai tembaga, dan paku keluli atau skru (logam hendaklah dibersihkan permukaannya untuk memudahkan pengaliran elektrik). Potong wayar menjadi kepingan dan balut kepala skru atau paku dengan satu hujung serpihan. Buat beberapa susun atur keluli-tembaga dengan cara ini (8-10 sepatutnya cukup).

Tuangkan tanah lembap ke dalam ceruk dalam acuan (anda juga boleh taburkan dengan air garam, yang akan mengurangkan rintangan elektrik). Sekarang masukkan struktur anda ke dalam rongga: skru atau paku harus masuk ke dalam satu lubang, dan wayar tembaga ke dalam yang lain. Letakkan yang seterusnya supaya terdapat keluli dalam rongga yang sama dengan tembaga (logam tidak boleh bersentuhan antara satu sama lain). Keseluruhannya membentuk satu siri: keluli-tembaga-keluli-tembaga, dsb. Susun unsur-unsur sedemikian rupa sehingga rongga pertama dan terakhir (satu-satunya yang mengandungi logam individu) terletak bersebelahan antara satu sama lain.

Inilah kemuncaknya.

Masukkan satu kaki diod ke dalam ceruk pertama dalam baris dan kaki yang lain ke dalam yang terakhir. Adakah ia bersinar?

Jika ya, tahniah (4)! Jika tidak, cari kesilapan. Diod LED, tidak seperti mentol lampu konvensional, mesti mempunyai sambungan kekutuban (adakah anda tahu logam mana yang "tambah" dan yang mana "tolak" bateri?). Ia cukup untuk memasukkan kaki ke arah yang bertentangan dengan tanah. Penyebab kegagalan lain adalah voltan terlalu rendah (minimum 3 volt), litar terbuka atau litar pintas di dalamnya.

4. "Bateri bumi" sedang beroperasi.

Dalam kes pertama, tambahkan bilangan komponen. Pada yang kedua, periksa sambungan antara logam (juga kedap tanah di sekelilingnya). Dalam kes ketiga, pastikan hujung tembaga dan keluli tidak bersentuhan antara satu sama lain di bawah tanah dan tanah atau mortar yang anda membasahkannya tidak menyambung lubang bersebelahan.

Percubaan dengan "bateri bumi" menarik dan membuktikan bahawa elektrik boleh diperolehi daripada hampir tiada. Walaupun anda tidak perlu menggunakan struktur yang dibina, anda sentiasa boleh menarik perhatian pelancong dengan kemahiran anda seperti MacGyver (mungkin hanya diingati oleh juruteknik kanan) atau pakar kelangsungan hidup.

Bagaimanakah sel berfungsi?

Logam (elektrod) yang direndam dalam larutan konduktif (elektrolit) dicas daripadanya. Jumlah minimum kation masuk ke dalam larutan, manakala elektron kekal dalam logam. Berapa banyak ion dalam larutan dan berapa banyak elektron berlebihan dalam logam bergantung pada jenis logam, larutan, suhu, dan banyak faktor lain. Jika dua logam yang berbeza direndam dalam elektrolit, voltan akan timbul di antara mereka kerana bilangan elektron yang berbeza. Apabila menyambungkan elektrod dengan wayar, elektron dari logam dengan bilangan yang besar (elektrod negatif, iaitu anod sel) akan mula mengalir ke dalam logam dengan bilangan yang lebih kecil (elektrod positif - katod). Sudah tentu, semasa operasi sel, keseimbangan mesti dikekalkan: kation logam dari anod masuk ke dalam larutan, dan elektron yang dihantar ke katod bertindak balas dengan ion di sekelilingnya. Seluruh litar ditutup oleh elektrolit yang menyediakan pengangkutan ion. Tenaga elektron yang mengalir melalui konduktor boleh digunakan untuk kerja yang berguna.