Mundo ng baterya - bahagi 1

Ang 2019 Nobel Prize sa Chemistry ay iginawad para sa pagbuo ng disenyo ng mga lithium-ion na baterya. Hindi tulad ng ilan sa iba pang mga hatol ng Komite ng Nobel, ang isang ito ay hindi nagulat - sa kabaligtaran. Ang mga bateryang Lithium-ion ay nagpapagana ng mga smartphone, laptop, portable power tool at kahit na mga de-kuryenteng sasakyan. Tatlong siyentipiko, sina John Goodenough, Stanley Whittingham at Akira Yoshino, ang nararapat na tumanggap ng mga diploma, gintong medalya at 9 milyong SEK para sa pamamahagi. 

Maaari mong basahin ang higit pa tungkol sa katwiran para sa award sa isang nakaraang isyu ng aming chemistry cycle - at ang artikulo mismo ay nagtapos sa anunsyo ng isang mas detalyadong pagtatanghal ng isyu ng mga cell at baterya. Oras na para tuparin ang iyong pangako.

Una, isang maikling paliwanag ng mga kamalian sa pagbibigay ng pangalan.

Link ito ang tanging circuit na bumubuo ng boltahe.

Baterya binubuo ng mga cell na konektado nang tama. Ang layunin ay upang taasan ang boltahe, kapasidad (enerhiya na maaaring makuha mula sa system), o pareho.

nagtitipon ito ay isang cell o baterya na maaaring i-recharge kapag ito ay naubos. Hindi lahat ng chip ay may mga katangiang ito - marami ang disposable. Sa pang-araw-araw na pananalita, ang unang dalawang termino ay kadalasang ginagamit nang palitan (ito rin ang magiging kaso sa artikulo), ngunit dapat magkaroon ng kamalayan sa pagkakaiba sa pagitan ng mga ito (1).

1. Baterya na binubuo ng mga cell.

Ang mga baterya ay hindi naimbento sa mga huling dekada, mayroon silang mas mahabang kasaysayan. Maaaring narinig mo na ang tungkol sa karanasan Galvaniego i Volts sa pagliko ng ika-XNUMX at ika-XNUMX na siglo, na minarkahan ang simula ng paggamit ng electric current sa pisika at kimika. Gayunpaman, ang kasaysayan ng baterya ay nagsimula kahit na mas maaga. Matagal na ang nakalipas…

... mahabang panahon sa Baghdad

Noong 1936 isang German archaeologist Wilhelm Koenig natagpuan ang isang sisidlan ng earthenware malapit sa Baghdad na itinayo noong ika-XNUMX siglo BC. Ang nahanap ay tila hindi karaniwan, dahil ang sibilisasyon sa Euphrates at Tigris ay umunlad sa loob ng libu-libong taon.

Gayunpaman, ang mga nilalaman ng sisidlan ay mahiwaga: isang kalawang na rolyo ng tansong sheet, isang baras na bakal, at mga labi ng natural na dagta. Naguguluhan si Koenig sa layunin ng artifact hanggang sa maalala niya ang pagbisita sa Alley of Jewellers sa Baghdad. Ang mga katulad na disenyo ay ginamit ng mga lokal na manggagawa upang takpan ang mga produktong tanso na may mahahalagang metal. Ang ideya na ito ay isang sinaunang baterya ay hindi nakakumbinsi sa iba pang mga arkeologo na walang ebidensya ng kuryente ang nakaligtas sa oras na iyon.

Kaya (iyan ang tawag sa paghahanap) ito ba ay isang tunay na bagay o isang fairy tale mula sa 1001 gabi? Hayaang magpasya ang eksperimento.

Kakailanganin mo ang: tansong plato, bakal na pako at suka (tandaan na ang lahat ng mga materyales na ito ay kilala at malawak na magagamit noong unang panahon). Palitan ang dagta upang mai-seal ang sisidlan at palitan ito ng plasticine bilang pagkakabukod.

Gawin ang eksperimento sa isang beaker o prasko, bagaman ang paggamit ng isang plorera ng earthenware ay magbibigay sa pagsubok ng isang tunay na lasa. Gamit ang papel de liha, linisin ang mga ibabaw ng metal mula sa plaka at ikabit ang mga wire sa mga ito.

I-roll ang tansong plato sa isang roll at ilagay ito sa sisidlan, at ipasok ang pako sa roll. Gamit ang plasticine, ayusin ang plato at ang pako upang hindi sila magkadikit (2). Ibuhos ang suka (tinatayang 5% na solusyon) sa sisidlan at, gamit ang isang multimeter, sukatin ang boltahe sa pagitan ng mga dulo ng mga wire na konektado sa copper plate at ang bakal na kuko. Itakda ang instrumento upang sukatin ang kasalukuyang DC. Alin sa mga pole ang "plus" at alin ang "minus" ng pinagmumulan ng boltahe?

2. Sketch ng modernong kopya ng baterya mula sa Baghdad.

Ang metro ay nagpapakita ng 0,5-0,7 V, kaya gumagana ang baterya ng Baghdad! Pakitandaan na ang positibong poste ng system ay tanso, at ang negatibong poste ay bakal (ang meter ay nagpapakita ng positibong halaga ng boltahe sa isang opsyon lamang para sa pagkonekta ng mga wire sa mga terminal). Posible bang makakuha ng kuryente mula sa built copy para sa kapaki-pakinabang na trabaho? Oo, ngunit gumawa ng ilang higit pang mga modelo at ikonekta ang mga ito sa serye upang mapataas ang boltahe. Ang LED ay nangangailangan ng humigit-kumulang 3 volts - kung marami kang makukuha mula sa iyong baterya, ang LED ay sisindi.

Ang baterya ng Baghdad ay paulit-ulit na sinubukan para sa kakayahan nitong magpagana ng maliliit na kagamitan. Ang isang katulad na eksperimento ay isinagawa ilang taon na ang nakalilipas ng mga may-akda ng programa ng kulto na MythBusters. Ang mga mythbusters (naaalala mo pa ba sina Adam at Jamie?) ay dumating din sa konklusyon na ang istraktura ay maaaring magsilbi bilang isang sinaunang baterya.

Kaya nagsimula ang pakikipagsapalaran ng sangkatauhan sa kuryente mahigit 2 taon na ang nakalipas? Oo at hindi. Oo, dahil kahit noon ay posible na magdisenyo ng mga suplay ng kuryente. Hindi, dahil ang imbensyon ay hindi naging laganap - walang nangangailangan nito noon at sa maraming siglo na darating.

Koneksyon? Ito ay simple!

Linisin nang lubusan ang mga ibabaw ng mga metal plate o wire, aluminyo, bakal, atbp. Magpasok ng mga sample ng dalawang magkaibang metal sa isang makatas na prutas (na magpapadali sa daloy ng kuryente) upang hindi sila magkadikit. Ikonekta ang mga multimeter clamp sa mga dulo ng mga wire na lumalabas sa prutas, at basahin ang boltahe sa pagitan ng mga ito. Baguhin ang mga uri ng metal na ginamit (pati na rin ang mga prutas) at patuloy na subukan (3).

3. Fruit cell (aluminyo at tanso electrodes).

Sa lahat ng kaso, nilikha ang mga link. Ang mga halaga ng mga sinusukat na boltahe ay nag-iiba depende sa mga metal at prutas na kinuha para sa eksperimento. Ang pagsasama-sama ng mga cell ng prutas sa isang baterya ay magbibigay-daan sa iyo na gamitin ito upang paganahin ang maliliit na elektronikong kagamitan (sa kasong ito, nangangailangan ito ng isang maliit na halaga ng kasalukuyang, na maaari mong makuha mula sa iyong disenyo).

Ikonekta ang mga dulo ng mga wire na lumalabas sa mga matinding prutas sa mga wire, at ang mga ito naman, sa mga dulo ng LED. Sa sandaling ikonekta mo ang mga pole ng baterya sa kaukulang "terminal" ng diode at ang boltahe ay lumampas sa isang tiyak na threshold, ang diode ay sisindi (ang mga diode ng iba't ibang kulay ay may ibang paunang boltahe, ngunit mga 3 volts ay dapat sapat ).

Ang isang pantay na kaakit-akit na mapagkukunan ng kuryente ay isang elektronikong relo - maaari itong gumana sa isang "baterya ng prutas" sa loob ng mahabang panahon (bagaman marami ang nakasalalay sa modelo ng relo).

Ang mga gulay ay hindi mas mababa sa mga prutas at nagbibigay-daan din sa iyo na bumuo ng baterya mula sa mga ito. Dahil? Kumuha ng ilang atsara at isang naaangkop na dami ng tanso at aluminyo na mga sheet o wire (maaari mong palitan ang mga ito ng mga bakal na pako, ngunit makakakuha ka ng mas mababang boltahe mula sa isang link). Mag-ipon ng baterya at kapag ginamit mo ito para paganahin ang integrated circuit mula sa music box, kakanta ang cucumber choir!

Bakit pipino? Nagtalo si Konstantin Ildefons Galchinsky na: "Kung ang pipino ay hindi kumanta at sa anumang oras, malamang na hindi niya makita sa pamamagitan ng kalooban ng langit." Nagagawa pala ng isang chemist ang mga bagay na kahit ang mga makata ay hindi pinangarap.

Baterya ng Bivakov

Sa isang emergency, maaari kang mag-disenyo ng baterya at gamitin ito upang paganahin ang isang LED. Totoo, ang ilaw ay magiging madilim, ngunit ito ay mas mahusay kaysa sa wala.

Ano ang kakailanganin mo? Siyempre, isang diode, at bilang karagdagan, isang amag ng ice cube, kawad na tanso, at mga bakal na pako o mga turnilyo (dapat linisin ang mga ibabaw ng mga metal upang mapadali ang daloy ng kuryente). Gupitin ang wire at balutin ang ulo ng tornilyo o pako gamit ang isang dulo ng fragment. Gumawa ng ilang mga layout ng bakal-tanso sa ganitong paraan (8-10 ay dapat sapat).

Ibuhos ang basa-basa na lupa sa mga recesses sa amag (maaari mo ring ibuhos ang tubig na asin, na magbabawas ng electrical resistance). Ngayon ipasok ang iyong istraktura sa lukab: ang tornilyo o kuko ay dapat pumunta sa isang butas, at ang tansong wire sa isa pa. Ilagay ang mga susunod upang mayroong bakal sa parehong lukab na may tanso (ang mga metal ay hindi maaaring makipag-ugnay sa bawat isa). Ang kabuuan ay bumubuo ng isang serye: bakal-tanso-bakal-tanso, atbp. Ayusin ang mga elemento sa paraang ang una at huling mga cavity (ang tanging naglalaman ng mga indibidwal na metal) ay nasa tabi ng bawat isa.

Narito na ang kasukdulan.

Ipasok ang isang binti ng diode sa unang recess sa hilera at ang isa pang binti sa huli. Nagniningning ba?

Kung gayon, binabati kita (4)! Kung hindi, maghanap ng mga error. Ang isang LED diode, hindi tulad ng isang maginoo na bombilya, ay dapat na may koneksyon sa polarity (alam mo ba kung aling metal ang "plus" at alin ang "minus" ng baterya?). Ito ay sapat na upang ipasok ang mga binti sa direksyon na kabaligtaran sa lupa. Ang iba pang mga sanhi ng pagkabigo ay masyadong mababa ang boltahe (minimum na 3 volts), open circuit o short circuit sa loob nito.

4. "Baterya ng lupa" na gumagana.

Sa unang kaso, dagdagan ang bilang ng mga bahagi. Sa pangalawa, suriin ang koneksyon sa pagitan ng mga metal (i-seal din ang lupa sa kanilang paligid). Sa ikatlong kaso, siguraduhin na ang mga dulo ng tanso at bakal ay hindi magkadikit sa ilalim ng lupa at ang lupa o mortar na iyong binasa ay hindi nagdudugtong sa mga katabing hukay.

Ang eksperimento sa "earth battery" ay kawili-wili at nagpapatunay na ang kuryente ay maaaring makuha mula sa halos wala. Kahit na hindi mo kailangang gumamit ng isang binuo na istraktura, maaari mong palaging mapabilib ang mga nagbabakasyon sa iyong mga kasanayang tulad ng MacGyver (marahil naaalala lamang ng mga senior technician) o master of survival.

Paano gumagana ang mga cell?

Ang isang metal (electrode) na nahuhulog sa isang conductive solution (electrolyte) ay sinisingil mula dito. Ang pinakamababang halaga ng mga cation ay napupunta sa solusyon, habang ang mga electron ay nananatili sa metal. Gaano karaming mga ion ang nasa solusyon at kung gaano karaming mga labis na electron ang nasa metal ay depende sa uri ng metal, solusyon, temperatura, at marami pang ibang salik. Kung ang dalawang magkaibang metal ay nahuhulog sa isang electrolyte, isang boltahe ang lalabas sa pagitan nila dahil sa magkaibang bilang ng mga electron. Kapag ikinonekta ang mga electrodes sa isang wire, ang mga electron mula sa isang metal na may malaking bilang ng mga ito (negatibong elektrod, i.e. cell anode) ay magsisimulang dumaloy sa isang metal na may mas maliit na bilang ng mga ito (positibong elektrod - katod). Siyempre, sa panahon ng pagpapatakbo ng cell, ang isang balanse ay dapat mapanatili: ang mga metal na cation mula sa anode ay napupunta sa solusyon, at ang mga electron na inihatid sa katod ay tumutugon sa mga nakapalibot na ions. Ang buong circuit ay sarado sa pamamagitan ng isang electrolyte na nagbibigay ng ion transport. Ang enerhiya ng mga electron na dumadaloy sa isang konduktor ay maaaring gamitin para sa kapaki-pakinabang na gawain.