Batteriverden - del 1

Nobelprisen i kemi 2019 blev tildelt for at udvikle designet af lithium-ion-batterier. I modsætning til nogle af de andre domme fra Nobelkomiteen overraskede denne ikke – tværtimod. Lithium-ion-batterier driver smartphones, bærbare computere, bærbare elværktøjer og endda elbiler. Tre videnskabsmænd, John Goodenough, Stanley Whittingham og Akira Yoshino, modtog fortjent diplomer, guldmedaljer og 9 millioner SEK til uddeling. 

Du kan læse mere om begrundelsen for prisen i et tidligere nummer af vores kemicyklus – og selve artiklen sluttede med annonceringen af ​​en mere detaljeret præsentation af spørgsmålet om celler og batterier. Det er tid til at holde dit løfte.

Først en kort forklaring af navngivningsunøjagtighederne.

Link dette er det eneste kredsløb, der genererer spænding.

batteri består af korrekt tilsluttede celler. Målet er at øge spændingen, kapacitansen (energi, der kan trækkes fra systemet), eller begge dele.

batteri det er en celle eller et batteri, der kan genoplades, når det er opbrugt. Ikke alle chip har disse egenskaber - mange er engangs. I daglig tale bruges de to første udtryk ofte i flæng (det vil også være tilfældet i artiklen), men man skal være opmærksom på forskellen på dem (1).

1. Batterier bestående af celler.

Batterier er ikke blevet opfundet i de sidste årtier, de har en meget længere historie. Du har måske allerede hørt om oplevelsen Galvaniego i Volt ved begyndelsen af ​​det XNUMX. og XNUMX. århundrede, som markerede begyndelsen på brugen af ​​elektrisk strøm i fysik og kemi. Batteriets historie begyndte dog endnu tidligere. Det var lang tid siden …

... lang tid i Bagdad

I 1936 en tysk arkæolog Wilhelm Koenig fundet et lerkar nær Bagdad, der dateres tilbage til det XNUMX. århundrede f.Kr.. Fundet virkede ikke usædvanligt, da civilisationen ved Eufrat og Tigris blomstrede i tusinder af år.

Imidlertid var indholdet af karret mystisk: en rusten rulle kobberplade, en jernstang og rester af naturlig harpiks. Koenig undrede sig over formålet med artefakten, indtil han huskede at besøge Juvelerernes Alley i Bagdad. Lignende design blev brugt af lokale håndværkere til at dække kobberprodukter med ædle metaller. Ideen om, at det var et ældgammelt batteri, overbeviste ikke andre arkæologer om, at ingen beviser for elektricitet overlevede på det tidspunkt.

Så (sådan hed fundet) er dette en ægte ting eller et eventyr fra 1001 nætter? Lad eksperimentet bestemme.

Du har brug for: kobberplade, jernsøm og eddike (bemærk, at alle disse materialer var kendte og bredt tilgængelige i antikken). Udskift harpiksen for at forsegle beholderen og udskift den med plasticine som isolering.

Udfør eksperimentet i et bægerglas eller en kolbe, selvom brug af en lertøjsvase vil give testen en autentisk smag. Brug sandpapir til at rense metaloverflader fra plak og fastgør ledninger til dem.

Rul kobberpladen til en rulle og læg den i karret, og sæt sømmet ind i rullen. Fastgør pladen og sømmet ved hjælp af plasticine, så de ikke rører hinanden (2). Hæld eddike (ca. 5% opløsning) i beholderen og mål spændingen mellem enderne af ledningerne forbundet med kobberpladen og jernsømmet ved hjælp af et multimeter. Indstil instrumentet til at måle jævnstrøm. Hvilken af ​​polerne er "plus" og hvilken er "minus" af spændingskilden?

2. Skitse af en moderne kopi af batteriet fra Bagdad.

Måleren viser 0,5-0,7 V, så Bagdad-batteriet virker! Bemærk venligst, at systemets positive pol er kobber, og den negative pol er jern (måleren viser en positiv spændingsværdi i kun én mulighed for tilslutning af ledninger til terminaler). Er det muligt at få strøm fra den byggede kopi til brugbart arbejde? Ja, men lav nogle flere modeller og seriebind dem for at øge spændingen. LED'en skal bruge omkring 3 volt - får du så meget ud af dit batteri, lyser LED'en.

Bagdad-batteriet blev gentagne gange testet for dets evne til at drive mindre udstyr. Et lignende eksperiment blev udført for flere år siden af ​​forfatterne til kultprogrammet MythBusters. Mythbusters (kan du stadig huske Adam og Jamie?) kom også til den konklusion, at strukturen kunne tjene som et gammelt batteri.

Så begyndte menneskehedens eventyr med elektricitet for over 2 år siden? Ja og nej. Ja, for allerede dengang var det muligt at designe strømforsyninger. Nej, for opfindelsen blev ikke udbredt – ingen havde brug for den dengang og i mange århundreder fremover.

Forbindelse? Det er simpelt!

Rengør grundigt overfladerne på metalplader eller ledninger, aluminium, jern osv. Indsæt prøver af to forskellige metaller i en saftig frugt (som vil lette strømmen af ​​elektricitet), så de ikke rører hinanden. Tilslut multimeterklemmerne til enderne af ledningerne, der stikker ud af frugten, og aflæs spændingen mellem dem. Skift de anvendte typer metaller (såvel som frugter) og fortsæt med at prøve (3).

3. Frugtcelle (aluminium- og kobberelektroder).

I alle tilfælde blev der oprettet links. Værdierne af de målte spændinger varierer afhængigt af de metaller og frugter, der er taget til eksperimentet. Ved at kombinere frugtceller i et batteri vil du give dig mulighed for at bruge det til at drive lille elektronisk udstyr (i dette tilfælde kræver det en lille mængde strøm, som du kan få fra dit design).

Forbind enderne af ledningerne, der stikker ud af de ekstreme frugter, til ledningerne, og disse igen til enderne af LED'en. Så snart du har tilsluttet batteripolerne til de tilsvarende "terminaler" på dioden og spændingen har overskredet en vis tærskel, vil dioden lyse (dioder i forskellige farver har en anden startspænding, men ca. 3 volt burde være nok ).

En lige så attraktiv strømkilde er et elektronisk ur - det kan fungere på et "frugtbatteri" i lang tid (selvom meget afhænger af urets model).

Grøntsager er på ingen måde dårligere end frugter og giver dig også mulighed for at bygge et batteri ud af dem. Fordi? Tag et par pickles og en passende mængde kobber- og aluminiumsplader eller ledninger (du kan erstatte disse med stålsøm, men du får lavere spænding fra et enkelt led). Saml et batteri, og når du bruger det til at drive det integrerede kredsløb fra spilleboksen, synger agurkekoret!

Hvorfor agurker? Konstantin Ildefons Galchinsky hævdede, at: "Hvis agurken ikke synger og til enhver tid, kan han sandsynligvis ikke se efter himlens vilje." Det viser sig, at en kemiker kan gøre ting, som selv digtere ikke har drømt om.

Bivuak batteri

I en nødsituation kan du selv designe et batteri og bruge det til at drive en LED. Sandt nok vil lyset være svagt, men det er bedre end ingen.

Hvad skal du bruge? En diode, selvfølgelig, men også en isterningbakke, kobbertråd og stålsøm eller skruer (metaller skal have deres overflader renset for at lette strømningen af ​​elektricitet). Skær tråden i stykker og pak hovedet af skruen eller sømmet med den ene ende af fragmentet. Lav flere stål-kobber-layouts på denne måde (8-10 burde være nok).

Hæld fugtig jord i fordybningerne i formen (du kan desuden hælde saltvand, hvilket vil reducere den elektriske modstand). Indsæt nu din struktur i hulrummet: skruen eller sømmet skal gå ind i det ene hul, og kobbertråden i det andet. Placer de næste, så der er stål i samme hulrum med kobber (metaller kunne ikke røre hinanden). Det hele danner en række: stål-kobber-stål-kobber osv. Arranger elementerne således, at de første og sidste hulrum (de eneste, der indeholder enkelte metaller) ligger ved siden af ​​hinanden.

Her kommer klimakset.

Indsæt det ene ben af ​​dioden i den første fordybning i rækken og det andet ben i den sidste. Lyser det?

Hvis ja, tillykke (4)! Hvis ikke, så se efter fejl. En LED-diode skal i modsætning til en konventionel pære have en polaritet (ved du hvilket metal der er "plus" og hvilket er "minus" på batteriet?). Det er nok at indsætte benene i retning modsat jorden. Andre årsager til fejl er for lav spænding (minimum 3 volt), åben kredsløb eller kortslutning i den.

4. "Jordbatteri" i drift.

I det første tilfælde skal du øge antallet af komponenter. I den anden skal du kontrollere forbindelsen mellem metallerne (forsegl også jorden omkring dem). I det tredje tilfælde skal du sørge for, at enderne af kobber og stål ikke rører hinanden under jorden, og at jorden eller mørtelen, som du har fugtet den med, ikke forbinder tilstødende gruber.

Forsøget med "jordbatteriet" er interessant og beviser, at elektricitet kan fås fra næsten ingenting. Selvom du ikke behøver at bruge en bygget struktur, kan du altid imponere campister med dine MacGyver-lignende færdigheder (sandsynligvis kun husket af senior teknikere) eller mester overlevelse.

Hvordan fungerer celler?

Et metal (elektrode) nedsænket i en ledende opløsning (elektrolyt) oplades fra det. Den minimale mængde kationer går i opløsning, mens elektroner forbliver i metallet. Hvor mange ioner der er i opløsning og hvor mange overskydende elektroner der er i metallet afhænger af metaltypen, opløsningen, temperaturen og mange andre faktorer. Hvis to forskellige metaller nedsænkes i en elektrolyt, vil der opstå en spænding mellem dem på grund af det forskellige antal elektroner. Når elektroderne forbindes med en ledning, begynder elektroner fra et metal med et stort antal af dem (negativ elektrode, dvs. celleanode) at strømme ind i et metal med et mindre antal af dem (positiv elektrode - katode). Under driften af ​​cellen skal der naturligvis opretholdes en balance: metalkationer fra anoden går i opløsning, og elektronerne leveret til katoden reagerer med de omgivende ioner. Hele kredsløbet er lukket af en elektrolyt, der sørger for iontransport. Energien fra elektroner, der strømmer gennem en leder, kan bruges til nyttigt arbejde.