Svet batérie - 1. časť

Nobelova cena za chémiu za rok 2019 bola udelená za vývoj dizajnu lítium-iónových batérií. Na rozdiel od niektorých iných verdiktov Nobelovho výboru tento neprekvapil – práve naopak. Lítium-iónové batérie napájajú smartfóny, notebooky, prenosné elektrické náradie a dokonca aj elektromobily. Traja vedci, John Goodenough, Stanley Whittingham a Akira Yoshino, zaslúžene dostali diplomy, zlaté medaily a 9 miliónov SEK na rozdávanie. 

Viac o zdôvodnení ocenenia sa dočítate v minulom čísle nášho cyklu chémie – a samotný článok končil ohlásením podrobnejšieho predstavenia problematiky článkov a batérií. Je čas dodržať svoj sľub.

Najprv krátke vysvetlenie nepresností v pomenovaní.

Odkaz toto je jediný obvod, ktorý generuje napätie.

batérie pozostáva zo správne spojených buniek. Cieľom je zvýšiť napätie, kapacitu (energiu, ktorú je možné čerpať zo systému), alebo oboje.

batérie je to článok alebo batéria, ktorú je možné dobiť, keď je vybitá. Nie každý čip má tieto vlastnosti – mnohé sú na jedno použitie. V bežnej reči sa prvé dva pojmy často používajú zameniteľne (takto bude aj v článku), treba si však uvedomiť rozdiel medzi nimi (1).

1. Batérie pozostávajúce z článkov.

Batérie neboli vynájdené posledné desaťročia, majú oveľa dlhšiu históriu. Možno ste už o tejto skúsenosti počuli Galvaniego i Volty na prelome XNUMX. a XNUMX storočia, čo znamenalo začiatok používania elektrického prúdu vo fyzike a chémii. História batérie sa však začala ešte skôr. To bolo už dávno…

... dlhý čas v Bagdade

V roku 1936 nemecký archeológ Wilhelm Koenig našli pri Bagdade hlinenú nádobu z XNUMX. storočia pred n. l. Nález sa nezdal nezvyčajný vzhľadom na to, že civilizácia na Eufrate a Tigrise prekvitala tisíce rokov.

Obsah nádoby bol však záhadný: zhrdzavený zvitok medeného plechu, železná tyč a zvyšky prírodnej živice. Koenig si lámal hlavu nad účelom artefaktu, kým si nespomenul, že navštívil Uličku klenotníkov v Bagdade. Podobné vzory používali miestni remeselníci na pokrytie medených výrobkov drahými kovmi. Myšlienka, že ide o starodávnu batériu, nepresvedčila ostatných archeológov, že v tom čase neprežili žiadne dôkazy o elektrine.

Takže (tak sa volal nález) je toto skutočná vec alebo rozprávka z 1001 nocí? Nech rozhodne experiment.

Budete potrebovať: medený plech, železný klinec a ocot (všimnite si, že všetky tieto materiály boli známe a široko dostupné už v staroveku). Vymeňte živicu na utesnenie nádoby a nahraďte ju plastelínou ako izoláciou.

Vykonajte experiment v kadičke alebo banke, hoci použitie kameninovej vázy poskytne testu autentickú chuť. Pomocou brúsneho papiera očistite kovové povrchy od plaku a pripevnite k nim drôty.

Medenú platňu zrolujte do rolky a vložte ju do nádoby a do rolky vložte klinec. Pomocou plastelíny fixujte platničku a necht tak, aby sa navzájom nedotýkali (2). Do nádoby nalejte ocot (cca 5% roztok) a pomocou multimetra zmerajte napätie medzi koncami drôtov pripojených k medenej platni a železným klincom. Nastavte prístroj na meranie jednosmerného prúdu. Ktorý z pólov je „plus“ a ktorý je „mínus“ zdroja napätia?

2. Náčrt modernej kópie batérie z Bagdadu.

Merač ukazuje 0,5-0,7 V, takže bagdadská batéria funguje! Upozorňujeme, že kladný pól systému je medený a záporný pól je železo (glukomer ukazuje kladnú hodnotu napätia len v jednej možnosti pripojenia vodičov ku svorkám). Je možné z postavenej kópie získať elektrinu na užitočnú prácu? Áno, ale urobte ďalšie modely a zapojte ich do série, aby ste zvýšili napätie. LED dióda potrebuje asi 3 volty - ak toľko dostanete z batérie, LED sa rozsvieti.

Bagdadská batéria bola opakovane testovaná na svoju schopnosť napájať malé zariadenia. Podobný experiment pred niekoľkými rokmi uskutočnili aj autori kultového programu MythBusters. Bořiči mýtov (pamätáte si ešte Adama a Jamieho?) tiež prišli na to, že stavba by mohla slúžiť ako prastará batéria.

Začalo sa teda dobrodružstvo ľudstva s elektrinou pred viac ako 2 rokmi? Áno a nie. Áno, pretože už vtedy bolo možné navrhnúť napájacie zdroje. Nie, pretože vynález sa nerozšíril – nikto ho vtedy a po mnoho ďalších storočí nepotreboval.

Spojenie? Je to jednoduché!

Dôkladne očistite povrchy kovových dosiek alebo drôtov, hliníka, železa atď. Do šťavnatého ovocia (ktoré uľahčí prúdenie elektriny) vložte vzorky dvoch rôznych kovov tak, aby sa navzájom nedotýkali. Pripojte multimetrové svorky na konce drôtov vyčnievajúcich z ovocia a odčítajte napätie medzi nimi. Zmeňte druhy používaných kovov (rovnako ako ovocie) a skúšajte ďalej (3).

3. Ovocný článok (hliníkové a medené elektródy).

Vo všetkých prípadoch boli vytvorené prepojenia. Hodnoty nameraných napätí sa líšia v závislosti od kovov a ovocia odobratých pre experiment. Kombinácia ovocných článkov do batérie vám umožní použiť ju na napájanie malých elektronických zariadení (v tomto prípade vyžaduje malé množstvo prúdu, ktorý môžete získať z vášho návrhu).

Pripojte konce drôtov vyčnievajúcich z extrémnych plodov k drôtom a tie zase ku koncom LED. Hneď ako pripojíte póly batérie k príslušným „svorkám“ diódy a napätie prekročí určitú hranicu, dióda sa rozsvieti (diódy rôznych farieb majú iné počiatočné napätie, ale asi 3 volty by mali stačiť ).

Nemenej atraktívnym zdrojom energie sú elektronické hodinky - môžu pracovať na „ovocnú batériu“ po dlhú dobu (aj keď veľa závisí od modelu hodiniek).

Zelenina nie je v žiadnom prípade horšia ako ovocie a tiež vám z nej umožňuje postaviť batériu. Ako? Vezmite niekoľko uhoriek a primerané množstvo medených a hliníkových plechov alebo drôtov (môžete ich nahradiť oceľovými klincami, ale z jedného článku získate nižšie napätie). Zostavte batériu a keď ju použijete na napájanie integrovaného obvodu z hracej skrinky, uhorkový zbor bude spievať!

Prečo uhorky? Konstantin Ildefons Galchinsky tvrdil, že: "Ak uhorka nespieva a kedykoľvek, pravdepodobne nevidí z vôle neba." Ukazuje sa, že chemik dokáže veci, o ktorých sa nesnívalo ani básnikom.

Bivakovská batéria

V núdzi si môžete sami navrhnúť batériu a použiť ju na napájanie LED. Pravda, svetlo bude slabé, ale je to lepšie ako žiadne.

Čo budete potrebovať? Dióda, samozrejme, a okrem toho forma na ľad, medený drôt a oceľové klince alebo skrutky (kovy by mali mať očistené povrchy, aby sa uľahčil tok elektriny). Drôt narežte na kúsky a jedným koncom úlomku zabaľte hlavu skrutky alebo klinca. Týmto spôsobom urobte niekoľko oceľovo-medených rozložení (8-10 by malo stačiť).

Do priehlbín vo forme nasypte vlhkú zeminu (dodatočne môžete naliať slanú vodu, ktorá zníži elektrický odpor). Teraz vložte štruktúru do dutiny: skrutka alebo klinec by mala ísť do jedného otvoru a medený drôt do druhého. Ďalšie umiestnite tak, aby bola oceľ v rovnakej dutine s meďou (kovy sa nemohli navzájom dotýkať). Celok tvorí sériu oceľ-meď-oceľ-meď atď. Prvky usporiadajte tak, aby prvá a posledná dutina (jediná obsahujúca jednotlivé kovy) ležali vedľa seba.

Tu prichádza vrchol.

Vložte jednu nohu diódy do prvej priehlbiny v rade a druhú nohu do poslednej. svieti to?

Ak áno, gratulujeme (4)! Ak nie, hľadajte chyby. LED dióda, na rozdiel od klasickej žiarovky, musí mať zapojenie polarity (viete, ktorý kov je „plus“ a ktorý je „mínus“ batérie?). Nohy stačí vložiť opačným smerom k zemi. Ďalšími príčinami poruchy sú príliš nízke napätie (minimálne 3 volty), otvorený obvod alebo skrat v ňom.

4. "Uzemňovacia batéria" v prevádzke.

V prvom prípade zvýšte počet komponentov. V druhom skontrolujte spojenie medzi kovmi (tiež utesnite zem okolo nich). V treťom prípade dbajte na to, aby sa konce medi a ocele v podzemí navzájom nedotýkali a aby zemina alebo malta, ktorou ste to namočili, nespájali susedné jamy.

Experiment so „zemnou batériou“ je zaujímavý a dokazuje, že elektrina sa dá získať takmer z ničoho. Aj keď nemusíte použiť postavenú konštrukciu, vždy môžete zapôsobiť na dovolenkárov svojimi schopnosťami podobnými MacGyverovi (pravdepodobne si ich pamätajú len starší technici) alebo majstrom prežitia.

Ako bunky fungujú?

Nabíja sa z nej kov (elektróda) ​​ponorený do vodivého roztoku (elektrolytu). Minimálne množstvo katiónov prechádza do roztoku, zatiaľ čo elektróny zostávajú v kove. Koľko iónov je v roztoku a koľko prebytočných elektrónov je v kove závisí od typu kovu, roztoku, teploty a mnohých ďalších faktorov. Ak sú dva rôzne kovy ponorené do elektrolytu, vznikne medzi nimi napätie v dôsledku rozdielneho počtu elektrónov. Pri spájaní elektród drôtom začnú prúdiť elektróny z kovu s veľkým počtom (záporná elektróda, t.j. anóda článku) do kovu s menším počtom (kladná elektróda - katóda). Samozrejme, počas prevádzky článku sa musí udržiavať rovnováha: kovové katióny z anódy prechádzajú do roztoku a elektróny dodávané na katódu reagujú s okolitými iónmi. Celý okruh je uzavretý elektrolytom, ktorý zabezpečuje transport iónov. Energiu elektrónov prúdiacich vodičom možno využiť na užitočnú prácu.