Svijet baterija - 1. dio

Nobelova nagrada za hemiju 2019. dodijeljena je za razvoj dizajna litijum-jonskih baterija. Za razliku od nekih drugih presuda Nobelovog komiteta, ova nije iznenadila – naprotiv. Litijum-jonske baterije napajaju pametne telefone, laptopove, prenosne električne alate, pa čak i električne automobile. Trojica naučnika, John Goodenough, Stanley Whittingham i Akira Yoshino, zasluženo su dobili diplome, zlatne medalje i 9 miliona švedskih kruna za distribuciju. 

Više o obrazloženju nagrade možete pročitati u prethodnom broju našeg ciklusa hemije - a sam članak je završio najavom detaljnijeg predstavljanja problematike ćelija i baterija. Vrijeme je da održi obećanje.

Prvo, kratko objašnjenje netačnosti u imenovanju.

link ovo je jedino kolo koje stvara napon.

Baterija sastoji se od pravilno povezanih ćelija. Cilj je povećati napon, kapacitivnost (energija koja se može izvući iz sistema) ili oboje.

akumulâtor to je ćelija ili baterija koja se može puniti kada se isprazni. Nema svaki čip ova svojstva - mnogi su za jednokratnu upotrebu. U svakodnevnom govoru se prva dva pojma često koriste naizmjenično (to će biti i slučaj u članku), ali treba biti svjestan razlike između njih (1).

1. Baterije koje se sastoje od ćelija.

Baterije nisu izmišljene poslednjih decenija, one imaju mnogo dužu istoriju. Možda ste već čuli za to iskustvo Galvaniego i Volti na prijelazu iz XNUMX u XNUMX stoljeće, što je označilo početak upotrebe električne struje u fizici i hemiji. Međutim, istorija baterije počela je još ranije. Bilo je to davno…

... dugo vremena u Bagdadu

Godine 1936. njemački arheolog Wilhelm Koenig pronašao zemljanu posudu u blizini Bagdada koja datira iz XNUMX. veka pre nove ere. Nalaz nije delovao neobično, s obzirom da je civilizacija na Eufratu i Tigrisu cvetala hiljadama godina.

Međutim, sadržaj posude bio je misteriozan: zahrđali smotak bakrenog lima, željezna šipka i ostaci prirodne smole. Kenig je bio zbunjen svrhom artefakta sve dok se nije sjetio da je posjetio Aleju draguljara u Bagdadu. Slične dizajne koristili su lokalni majstori za pokrivanje bakrenih proizvoda plemenitim metalima. Ideja da se radi o drevnoj bateriji nije uvjerila druge arheologe da u to vrijeme nisu preživjeli dokazi o elektricitetu.

Dakle (tako se zvao nalaz) da li je ovo prava stvar ili bajka iz 1001 noći? Neka eksperiment odluči.

Trebat će vam: bakrena ploča, željezni ekser i ocat (imajte na umu da su svi ovi materijali bili poznati i široko dostupni u antici). Zamijenite smolu da zatvorite posudu i zamijenite je plastelinom kao izolacijom.

Uradite eksperiment u čaši ili tikvici, iako će korištenje zemljane vaze dati testu autentičan okus. Koristeći brusni papir, očistite metalne površine od naslaga i na njih pričvrstite žice.

Bakarnu ploču umotajte u rolnu i stavite u posudu, a ekser ubacite u rolnu. Plastelinom popravite ploču i nokat tako da se ne dodiruju (2). U posudu sipajte sirće (cca. 5% rastvor) i multimetrom izmjerite napon između krajeva žica spojenih na bakarnu ploču i željeznog eksera. Podesite instrument da meri jednosmernu struju. Koji od polova je "plus", a koji "minus" izvora napona?

2. Skica moderne kopije baterije iz Bagdada.

Merač pokazuje 0,5-0,7 V, znači baterija Bagdada radi! Imajte na umu da je pozitivni pol sistema bakar, a negativni pol željezo (metar pokazuje pozitivnu vrijednost napona samo u jednoj opciji za spajanje žica na terminale). Može li se električna energija proizvesti iz izgrađene kopije za koristan rad? Da, ali napravite još nekoliko modela i povežite ih u seriju kako biste povećali napon. LED dioda treba oko 3 volta - ako dobijete toliko od baterije, LED će se upaliti.

Bagdadska baterija je više puta testirana na sposobnost napajanja male opreme. Sličan eksperiment prije nekoliko godina izveli su autori kultnog programa MythBusters. Razbijači mitova (sjećate li se još Adama i Jamieja?) također su došli do zaključka da bi struktura mogla poslužiti kao drevna baterija.

Dakle, da li je ljudska avantura sa strujom počela prije više od 2 godine? Da i ne. Da, jer je već tada bilo moguće dizajnirati izvore napajanja. Ne, jer izum nije postao široko rasprostranjen - nikome nije bio potreban tada i tokom mnogih narednih stoljeća.

Veza? To je jednostavno!

Temeljno očistite površine metalnih ploča ili žica, aluminija, željeza itd. U sočno voće umetnite uzorke dva različita metala (koji će olakšati protok struje) tako da se ne dodiruju. Spojite stezaljke multimetra na krajeve žica koje vire iz voća i očitajte napon između njih. Promijenite vrste metala koji se koriste (kao i voće) i nastavite pokušavati (3).

3. Voćna ćelija (aluminijske i bakarne elektrode).

U svim slučajevima kreirani su linkovi. Vrijednosti izmjerenih napona razlikuju se ovisno o metalima i plodovima uzetim za eksperiment. Kombinovanje voćnih ćelija u bateriju omogućiće vam da je koristite za napajanje male elektronske opreme (u ovom slučaju, potrebna je mala količina struje, koju možete dobiti iz svog dizajna).

Spojite krajeve žica koje vire iz krajnjih plodova sa žicama, a ove zauzvrat na krajeve LED-a. Čim spojite polove baterije na odgovarajuće "terminale" diode i napon pređe određeni prag, dioda će se upaliti (diode različitih boja imaju različit početni napon, ali oko 3 volta bi trebalo biti dovoljno ).

Jednako atraktivan izvor napajanja je i elektronski sat - može dugo vremena raditi na "voćnoj bateriji" (iako mnogo toga ovisi o modelu sata).

Povrće ni na koji način nije inferiorno od voća, a također vam omogućava da od njega napravite bateriju. Jer? Uzmite nekoliko kiselih krastavaca i odgovarajuću količinu bakrenih i aluminijskih limova ili žica (možete ih zamijeniti čeličnim ekserima, ali ćete dobiti manji napon iz jedne veze). Sastavite bateriju i kada je koristite za napajanje integrisanog kola iz muzičke kutije, hor krastavca će zapevati!

Zašto krastavci? Konstantin Ildefons Galčinski je tvrdio da: „Ako krastavac ne peva i u bilo kom trenutku, verovatno neće moći da vidi po volji neba. Ispostavilo se da hemičar može učiniti stvari o kojima ni pjesnici nisu sanjali.

Bivakov baterija

U hitnim slučajevima možete sami dizajnirati bateriju i koristiti je za napajanje LED dioda. Istina, svjetlo će biti prigušeno, ali bolje je nego nikakvo.

Šta će ti trebati? Dioda, naravno, i uz to kalup za kockice leda, bakrena žica i čelični ekseri ili vijci (metali treba očistiti površine da bi se olakšao protok struje). Izrežite žicu na komade i zamotajte glavu vijka ili eksera jednim krajem fragmenta. Napravite nekoliko čelično-bakarnih rasporeda na ovaj način (8-10 bi trebalo biti dovoljno).

Sipajte vlažnu zemlju u udubljenja u kalupu (možete dodatno posuti slanom vodom, što će smanjiti električni otpor). Sada umetnite svoju strukturu u šupljinu: vijak ili ekser treba da uđu u jednu rupu, a bakarna žica u drugu. Sljedeće postavite tako da u istoj šupljini sa bakrom bude čelik (metali ne mogu doći u dodir jedan s drugim). Celina čini niz: čelik-bakar-čelik-bakar, itd. Rasporedite elemente tako da prva i poslednja šupljina (jedina koja sadrži pojedinačne metale) leže jedna do druge.

Evo dolazi vrhunac.

Umetnite jednu nogu diode u prvo udubljenje u nizu, a drugu nogu u posljednju. Da li sija?

Ako jeste, čestitamo (4)! Ako ne, potražite greške. LED dioda, za razliku od obične sijalice, mora imati polaritet (da li znate koji metal je "plus", a koji "minus" baterije?). Dovoljno je ubaciti noge u smjeru suprotnom od tla. Drugi uzroci kvara su prenizak napon (minimalno 3 volta), prekid ili kratki spoj u njemu.

4. "Baterija za uzemljenje" u radu.

U prvom slučaju povećajte broj komponenti. U drugom, provjerite vezu između metala (također zatvorite tlo oko njih). U trećem slučaju pazite da se krajevi bakra i čelika ne dodiruju pod zemljom i da zemlja ili malter kojim ste ga kvasili ne spajaju susjedne jame.

Eksperiment sa "zemljanom baterijom" je zanimljiv i dokazuje da se električna energija može dobiti gotovo ni iz čega. Čak i ako ne morate koristiti izgrađenu strukturu, uvijek možete impresionirati turiste svojim vještinama poput MacGyvera (vjerojatno ih pamte samo stariji tehničari) ili majstorom preživljavanja.

Kako funkcionišu ćelije?

Iz njega se puni metal (elektroda) uronjena u vodljivu otopinu (elektrolit). Minimalna količina kationa odlazi u rastvor, dok elektroni ostaju u metalu. Koliko jona je u rastvoru i koliko je viška elektrona u metalu zavisi od vrste metala, rastvora, temperature i mnogih drugih faktora. Ako su dva različita metala uronjena u elektrolit, između njih će nastati napon zbog različitog broja elektrona. Prilikom spajanja elektroda žicom, elektroni iz metala s velikim brojem njih (negativna elektroda, tj. anoda ćelije) počet će teći u metal s manjim brojem (pozitivna elektroda - katoda). Naravno, tokom rada ćelije mora se održavati ravnoteža: katjoni metala sa anode prelaze u rastvor, a elektroni dostavljeni na katodu reaguju sa okolnim jonima. Cijeli krug je zatvoren elektrolitom koji osigurava transport jona. Energija elektrona koji prolaze kroz provodnik može se koristiti za koristan rad.