Κόσμος μπαταριών - μέρος 1

Το Νόμπελ Χημείας 2019 απονεμήθηκε για την ανάπτυξη του σχεδιασμού μπαταριών ιόντων λιθίου. Σε αντίθεση με κάποιες άλλες ετυμηγορίες της Επιτροπής Νόμπελ, αυτή δεν ήταν έκπληξη - ακριβώς το αντίθετο. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου τροφοδοτούν smartphone, φορητούς υπολογιστές, φορητά ηλεκτρικά εργαλεία, ακόμη και ηλεκτρικά αυτοκίνητα. Τρεις επιστήμονες, ο John Goodenough, ο Stanley Whittingham και ο Akira Yoshino, έλαβαν επάξια διπλώματα, χρυσά μετάλλια και 9 εκατομμύρια SEK για να μοιράσουν. 

Μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα για το σκεπτικό της βράβευσης στο προηγούμενο τεύχος του χημικού μας κύκλου - και το ίδιο το άρθρο έκλεισε με την ανακοίνωση μιας πιο λεπτομερούς παρουσίασης του θέματος των κυψελών και των μπαταριών. Ήρθε η ώρα να κρατήσετε την υπόσχεσή σας.

Πρώτον, μια σύντομη εξήγηση των ανακρίβειων ονομασίας.

Σύνδεσμος αυτό είναι το μόνο κύκλωμα που παράγει τάση.

Μπαταρία αποτελείται από σωστά συνδεδεμένα κελιά. Ο στόχος είναι να αυξηθεί η τάση, η χωρητικότητα (η ενέργεια που μπορεί να αντληθεί από το σύστημα) ή και τα δύο.

συσσωρευτή είναι ένα στοιχείο ή μπαταρία που μπορεί να επαναφορτιστεί όταν εξαντληθεί. Δεν έχουν όλα τα τσιπ αυτά τα χαρακτηριστικά — πολλά είναι μιας χρήσης. Στην καθημερινή ομιλία, οι δύο πρώτοι όροι χρησιμοποιούνται συχνά εναλλακτικά (αυτό θα συμβεί και σε αυτό το άρθρο), αλλά πρέπει κανείς να γνωρίζει τη διαφορά μεταξύ τους (1).

1. Μπαταρίες που αποτελούνται από κυψέλες.

Οι μπαταρίες δεν εφευρέθηκαν τις τελευταίες δεκαετίες, έχουν πολύ μεγαλύτερη ιστορία. Μπορεί να έχετε ήδη ακούσει για την εμπειρία Γκαλβανιέγκο i Βολτ στο γύρισμα του XNUMXου και XNUMXου αιώνα, σηματοδοτώντας την αρχή της χρήσης ηλεκτρικού ρεύματος στη φυσική και τη χημεία. Ωστόσο, η ιστορία της μπαταρίας ξεκίνησε ακόμη νωρίτερα. Ήταν πολύ καιρό πριν …

...πολύ καιρό στη Βαγδάτη

Το 1936, Γερμανός αρχαιολόγος Wilhelm Koenig βρήκε ένα πήλινο δοχείο κοντά στη Βαγδάτη που χρονολογείται από τον XNUMXο αιώνα π.Χ.. Το εύρημα δεν φαινόταν ασυνήθιστο, δεδομένου ότι ο πολιτισμός στον Ευφράτη και τον Τίγρη άκμασε για χιλιάδες χρόνια.

Ωστόσο, το περιεχόμενο του αγγείου ήταν μυστηριώδες: ένα σκουριασμένο ρολό από φύλλο χαλκού, μια σιδερένια ράβδος και τα υπολείμματα φυσικής ρητίνης. Ο Koenig μπερδεύτηκε για τον σκοπό του αντικειμένου μέχρι που θυμήθηκε μια επίσκεψη στο Jewelers Alley στη Βαγδάτη. Οι ντόπιοι τεχνίτες χρησιμοποιούσαν παρόμοια σχέδια για να επικαλύπτουν προϊόντα χαλκού με πολύτιμα μέταλλα. Η ιδέα ότι επρόκειτο για μια αρχαία μπαταρία δεν έχει πείσει άλλους αρχαιολόγους, καθώς δεν σώζονται στοιχεία για ηλεκτρισμό εκείνη την εποχή.

Λοιπόν (έτσι ονομάστηκε το εύρημα) είναι πραγματικό πράγμα ή παραμύθι από τις 1001 νύχτες; Αφήστε το πείραμα να αποφασίσει.

Θα χρειαστείτε: χάλκινη πλάκα, σιδερένιο καρφί και ξύδι (σημειώστε ότι όλα αυτά τα υλικά ήταν γνωστά και ευρέως διαθέσιμα στην αρχαιότητα). Αντικαταστήστε τη ρητίνη για να σφραγίσετε το δοχείο και αντικαταστήστε την με πλαστελίνη ως μόνωση.

Διεξάγετε το πείραμα σε ποτήρι ζέσεως ή φιάλη, αν και η χρήση πήλινου αγγείου θα δώσει στη δοκιμή αυθεντική γεύση. Χρησιμοποιώντας γυαλόχαρτο, καθαρίστε τις μεταλλικές επιφάνειες από επικαθίσεις και συνδέστε τα καλώδια σε αυτές.

Τυλίξτε το χάλκινο πιάτο και τοποθετήστε το στο δοχείο και εισάγετε το καρφί μέσα στο ρολό. Χρησιμοποιώντας πλαστελίνη, στερεώστε την πλάκα και το καρφί έτσι ώστε να μην ακουμπούν μεταξύ τους (2). Ρίξτε ξύδι (περίπου 5% διάλυμα) στο δοχείο και χρησιμοποιήστε ένα πολύμετρο για να μετρήσετε την τάση μεταξύ των άκρων των συρμάτων που συνδέονται με τη χάλκινη πλάκα και το σιδερένιο καρφί. Ρυθμίστε το μετρητή για τη μέτρηση του ρεύματος συνεχούς ρεύματος. Ποιος πόλος είναι το «συν» και ποιο το «μείον» της πηγής τάσης;

2. Σκίτσο σύγχρονου αντιγράφου μπαταρίας από τη Βαγδάτη.

Ο μετρητής δείχνει 0,5-0,7 V, άρα η μπαταρία της Βαγδάτης λειτουργεί! Λάβετε υπόψη ότι ο θετικός πόλος του συστήματος είναι χαλκός και ο αρνητικός πόλος είναι σίδηρος (ο μετρητής δείχνει θετική τιμή τάσης μόνο σε μία επιλογή για τη σύνδεση καλωδίων στους ακροδέκτες). Είναι δυνατόν να πάρουμε ρεύμα από το κατασκευασμένο αντίγραφο για χρήσιμη εργασία; Ναι, αλλά φτιάξε μερικά ακόμα μοντέλα και συνδέστε τα σε σειρά για να αυξήσετε την τάση. Η λυχνία LED χρειάζεται περίπου 3 βολτ - αν πάρετε τόσο πολύ από την μπαταρία σας, η λυχνία LED θα ανάψει.

Η μπαταρία της Βαγδάτης έχει ελεγχθεί επανειλημμένα για την ικανότητά της να τροφοδοτεί εξοπλισμό μικρού μεγέθους. Οι συγγραφείς του καλτ προγράμματος "MythBusters" πραγματοποίησαν ένα παρόμοιο πείραμα πριν από αρκετά χρόνια. Οι Mythbusters (θυμάστε ακόμα τον Adam και τον Jamie;) κατέληξαν επίσης στο συμπέρασμα ότι η δομή θα μπορούσε να χρησιμεύσει ως αρχαία μπαταρία.

Άρα ξεκίνησε η περιπέτεια της ανθρωπότητας με τον ηλεκτρισμό πριν από περισσότερα από 2 χρόνια; Ναι και ΟΧΙ. Ναι, γιατί ακόμη και τότε ήταν δυνατό να σχεδιαστούν τροφοδοτικά. Όχι, γιατί η εφεύρεση δεν έγινε ευρέως διαδεδομένη - κανείς δεν τη χρειαζόταν τότε και για πολλούς αιώνες ακόμη.

Σύνδεση? Είναι απλό!

Καθαρίστε σχολαστικά τις επιφάνειες από μεταλλικές πλάκες ή σύρματα, αλουμίνιο, σίδερο κ.λπ. Εισαγάγετε δείγματα δύο διαφορετικών μετάλλων στο ζουμερό φρούτο (που θα διευκολύνει τη ροή του ηλεκτρισμού) ώστε να μην ακουμπούν το ένα το άλλο. Συνδέστε τους σφιγκτήρες του πολύμετρου στα άκρα των καλωδίων που προεξέχουν από το φρούτο και διαβάστε την τάση μεταξύ τους. Διαφοροποιήστε τους τύπους μετάλλων που χρησιμοποιούνται (καθώς και τα φρούτα) και συνεχίστε να προσπαθείτε (3).

3. Κυψέλη φρούτων (ηλεκτρόδια αλουμινίου και χαλκού).

Σε όλες τις περιπτώσεις δημιουργήθηκαν σύνδεσμοι. Οι μετρούμενες τάσεις ποικίλλουν ανάλογα με τα μέταλλα και τα φρούτα που λαμβάνονται για το πείραμα. Ο συνδυασμός κυψελών φρούτων σε μια μπαταρία θα σας επιτρέψει να τη χρησιμοποιήσετε για την τροφοδοσία μικρού ηλεκτρονικού εξοπλισμού (σε αυτήν την περίπτωση, απαιτείται μικρό ρεύμα, το οποίο μπορείτε να πάρετε από το σχέδιό σας).

Συνδέστε τα άκρα των καλωδίων που προεξέχουν από τα εξωτερικά φρούτα στα καλώδια και αυτά, με τη σειρά τους, στα άκρα του LED. Αφού συνδέσετε τους πόλους της μπαταρίας στους αντίστοιχους "τερματικούς ακροδέκτες" της διόδου και η τάση έχει ξεπεράσει ένα ορισμένο όριο, η δίοδος θα ανάψει (οι διαφορετικές χρωματικές δίοδοι έχουν διαφορετικές τάσεις εκκίνησης, αλλά περίπου 3 βολτ θα πρέπει να είναι αρκετά).

Μια εξίσου ελκυστική πηγή ενέργειας είναι ένα ηλεκτρονικό ρολόι - μπορεί να λειτουργήσει με μια "μπαταρία φρούτων" για μεγάλο χρονικό διάστημα (αν και πολλά εξαρτώνται από το μοντέλο του ρολογιού).

Τα λαχανικά δεν είναι σε καμία περίπτωση κατώτερα από τα φρούτα και σας επιτρέπουν επίσης να δημιουργήσετε μια μπαταρία από αυτά. Επειδή? Πάρτε μερικά τουρσιά και μια κατάλληλη ποσότητα φύλλων ή καλωδίων χαλκού και αλουμινίου (μπορούν να αντικατασταθούν με χαλύβδινα καρφιά, αλλά θα έχετε χαμηλότερη τάση από έναν σύνδεσμο). Συναρμολογήστε την μπαταρία και όταν τη χρησιμοποιήσετε για να τροφοδοτήσετε το ολοκληρωμένο κύκλωμα από το μουσικό κουτί, η χορωδία αγγουριού θα τραγουδήσει!

Γιατί αγγούρια; Ο Konstantin Ildefons Galchinsky υποστήριξε ότι: «Αν ένα αγγούρι δεν τραγουδήσει οποιαδήποτε στιγμή, πιθανότατα δεν μπορεί να δει με τη θέληση του ουρανού». Αποδεικνύεται ότι ένας χημικός μπορεί να κάνει πράγματα που ούτε οι ποιητές δεν ονειρεύτηκαν ποτέ.

Μπαταρία Bivouac

Σε περίπτωση έκτακτης ανάγκης, μπορείτε να φτιάξετε τη δική σας μπαταρία και να τη χρησιμοποιήσετε για να τροφοδοτήσετε το LED. Είναι αλήθεια ότι το φως θα είναι αμυδρό, αλλά είναι καλύτερο από το να μην υπάρχει φως.

Τι θα χρειαστείτε; Φυσικά, μια δίοδος, αλλά και μια παγοθήκη, σύρμα χαλκού και ατσάλινα καρφιά ή βίδες (τα μέταλλα πρέπει να έχουν καθαρή επιφάνεια για να διευκολύνεται η ροή του ηλεκτρισμού). Κόψτε το σύρμα σε κομμάτια και τυλίξτε το ένα άκρο του θραύσματος γύρω από το κεφάλι μιας βίδας ή καρφιού. Κάντε αρκετές διατάξεις χάλυβα-χαλκού με αυτόν τον τρόπο (8-10 θα πρέπει να είναι αρκετές).

Γεμίστε τις εσοχές στο καλούπι με υγρό χώμα (μπορείτε επιπλέον να προσθέσετε αλατόνερο, το οποίο θα μειώσει την ηλεκτρική αντίσταση). Τώρα εισάγετε τη δομή σας στην κοιλότητα: η βίδα ή το καρφί πρέπει να μπει στη μία τρύπα και το χάλκινο σύρμα στην άλλη. Τοποθετήστε τα επόμενα έτσι ώστε να υπάρχει ατσάλι στην ίδια κοιλότητα μαζί με τον χαλκό (τα μέταλλα δεν μπορούν να έρθουν σε επαφή μεταξύ τους). Το σύνολο σχηματίζει μια σειρά: χάλυβας-χαλκός-χάλυβας-χαλκός κ.λπ. Τοποθετήστε τα στοιχεία έτσι ώστε η πρώτη και η τελευταία κοιλότητα (οι μόνες που περιέχουν μεμονωμένα μέταλλα) να βρίσκονται το ένα δίπλα στο άλλο.

Εδώ έρχεται η κορύφωση.

Εισαγάγετε το ένα σκέλος της διόδου στην πρώτη εσοχή της σειράς και το άλλο σκέλος στην τελευταία. Λάμπει;

Αν ναι, συγχαρητήρια (4)! Εάν όχι, αναζητήστε σφάλματα. Μια δίοδος LED, σε αντίθεση με μια κανονική λάμπα, πρέπει να έχει πολικότητα σύνδεσης (ξέρετε ποιο μέταλλο είναι το "συν" και ποιο το "μείον" της μπαταρίας;). Αρκεί να βάλετε τα πόδια σας προς την αντίθετη κατεύθυνση από το έδαφος. Άλλες αιτίες αστοχίας είναι η πολύ χαμηλή τάση (τουλάχιστον 3 βολτ), το ανοιχτό κύκλωμα ή το βραχυκύκλωμα σε αυτήν.

4. "Μπαταρία γείωσης" σε λειτουργία.

Στην πρώτη περίπτωση, αυξήστε τον αριθμό των εξαρτημάτων. Στο δεύτερο, ελέγξτε τη σύνδεση μεταξύ των μετάλλων (συμπιέστε επίσης το έδαφος γύρω τους). Στην τρίτη περίπτωση, βεβαιωθείτε ότι τα άκρα του χαλκού και του χάλυβα δεν ακουμπούν μεταξύ τους υπόγεια και ότι το χώμα ή το διάλυμα με το οποίο το βρέχετε δεν συνδέει παρακείμενες τρύπες.

Το πείραμα με την «μπαταρία γης» είναι ενδιαφέρον και αποδεικνύει ότι η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να ληφθεί πρακτικά «από το τίποτα». Ακόμα κι αν δεν χρειάζεται να χρησιμοποιήσετε μια ενσωματωμένη δομή, μπορείτε πάντα να εντυπωσιάσετε τους κατασκηνωτές με τις δεξιότητές σας που μοιάζουν με MacGyver (πιθανώς μόνο οι παλαιότεροι τεχνικοί θυμούνται) ή δεξιότητες που μοιάζουν με το Survival Master.

Πώς λειτουργούν τα κύτταρα;

Ένα μέταλλο (ηλεκτρόδιο) βυθισμένο σε ένα αγώγιμο διάλυμα (ηλεκτρολύτη) φορτίζεται από αυτό. Η ελάχιστη ποσότητα κατιόντων πηγαίνει σε διάλυμα, ενώ τα ηλεκτρόνια παραμένουν στο μέταλλο. Το πόσα ιόντα βρίσκονται σε διάλυμα και πόσα πλεονάζοντα ηλεκτρόνια υπάρχουν στο μέταλλο εξαρτάται από τον τύπο του μετάλλου, το διάλυμα, τη θερμοκρασία και πολλούς άλλους παράγοντες. Εάν δύο διαφορετικά μέταλλα βυθιστούν σε έναν ηλεκτρολύτη, θα προκύψει τάση μεταξύ τους λόγω του διαφορετικού αριθμού ηλεκτρονίων. Κατά τη σύνδεση των ηλεκτροδίων με σύρμα, τα ηλεκτρόνια από ένα μέταλλο με μεγάλο αριθμό από αυτά (αρνητικό ηλεκτρόδιο, δηλαδή άνοδος κυψέλης) θα αρχίσουν να ρέουν σε ένα μέταλλο με μικρότερο αριθμό από αυτά (θετικό ηλεκτρόδιο - κάθοδος). Φυσικά, κατά τη λειτουργία του κυττάρου, πρέπει να διατηρείται μια ισορροπία: τα μεταλλικά κατιόντα από την άνοδο πηγαίνουν σε διάλυμα και τα ηλεκτρόνια που παραδίδονται στην κάθοδο αντιδρούν με τα γύρω ιόντα. Ολόκληρο το κύκλωμα κλείνει από έναν ηλεκτρολύτη που παρέχει μεταφορά ιόντων. Η ενέργεια των ηλεκτρονίων που ρέουν μέσω ενός αγωγού μπορεί να χρησιμοποιηθεί για χρήσιμη εργασία.