Svijet baterija - 1. dio

Nobelova nagrada za kemiju 2019. dodijeljena je za razvoj dizajna litij-ionskih baterija. Za razliku od nekih drugih presuda Nobelovog odbora, ova nije iznenadila – naprotiv. Litij-ionske baterije napajaju pametne telefone, prijenosna računala, prijenosne električne alate, pa čak i električne automobile. Trojica znanstvenika, John Goodenough, Stanley Whittingham i Akira Yoshino, zasluženo su dobili diplome, zlatne medalje i 9 milijuna švedskih kruna za distribuciju. 

Više o obrazloženju dodjele možete pročitati u prošlom broju našeg ciklusa kemije – a sam članak završio je najavom detaljnijeg prikaza problematike ćelija i baterija. Vrijeme je da održite obećanje.

Prvo, kratko objašnjenje netočnosti u imenovanju.

Link ovo je jedini krug koji stvara napon.

baterija sastoji se od pravilno povezanih ćelija. Cilj je povećati napon, kapacitet (energiju koja se može crpiti iz sustava) ili oboje.

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

1. Baterije koje se sastoje od ćelija.

Baterije nisu izumljene zadnjih desetljeća, one imaju puno dužu povijest. Možda ste već čuli za to iskustvo Galvaniego i volti na prijelazu iz XNUMX. u XNUMX. stoljeće, što je označilo početak korištenja električne struje u fizici i kemiji. Međutim, povijest baterije započela je još ranije. Bilo je to davno …

... dugo vremena u Bagdadu

1936. njemački arheolog Wilhelm Koenig pronašao zemljanu posudu u blizini Bagdada koja datira iz XNUMX. st. pr. Kr.. Nalaz se nije činio neobičnim, s obzirom da je civilizacija na Eufratu i Tigrisu cvjetala tisućama godina.

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

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

Trebat će vam: bakrena ploča, željezni čavao i ocat (napomenimo da su svi ti materijali bili poznati i široko dostupni u antici). Zamijenite smolu kako biste zatvorili posudu i zamijenite je plastelinom kao izolacijom.

Provedite eksperiment u čaši ili tikvici, iako će korištenje zemljane vaze dati testu autentičan okus. Pomoću brusnog papira očistite metalne površine od naslaga i na njih pričvrstite žice.

Bakrenu ploču zarolajte u rolu i stavite je u posudu, a čavao utaknite u rolu. Plastelinom popravite ploču i nokat tako da se ne dodiruju (2). U posudu ulijte ocat (cca 5% otopinu) i multimetrom izmjerite napon između krajeva žica spojenih na bakrenu ploču i željeznog čavala. Postavite instrument za mjerenje istosmjerne struje. Koji od polova je "plus", a koji "minus" izvora napona?

2. Skica moderne kopije baterije iz Bagdada.

Mjerač pokazuje 0,5-0,7 V, znači Bagdad baterija radi! Imajte na umu da je pozitivni pol sustava bakar, a negativni pol željezo (mjerilo pokazuje pozitivnu vrijednost napona samo u jednoj opciji spajanja žica na stezaljke). Je li moguće dobiti struju iz izgrađene kopije za koristan rad? Da, ali napravi još neke modele i poveži ih u seriju da povećaš napon. LED diodi treba oko 3 volta - ako dobijete toliko iz svoje baterije, LED će zasvijetliti.

Bagdadska baterija je više puta testirana na sposobnost napajanja male opreme. Sličan eksperiment prije nekoliko godina proveli su i 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, je li avantura čovječanstva s električnom energijom započela prije više od 2 godine? Da i ne. Da, jer već tada je bilo moguće dizajnirati napajanja. Ne, jer izum nije postao široko rasprostranjen - nitko ga nije trebao tada i još mnogo stoljeća.

Veza? Jednostavno je!

Temeljito očistite površine metalnih ploča ili žica, aluminija, željeza itd. U sočno voće (što će olakšati protok struje) umetnite uzorke dvaju različitih metala tako da se ne dodiruju. Spojite stezaljke multimetra na krajeve žica koje strše 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 bakrene elektrode).

U svim slučajevima stvorene su veze. Vrijednosti izmjerenih napona razlikuju se ovisno o metalima i plodovima uzetim za pokus. Kombiniranje voćnih ćelija u bateriju omogućit će vam da je koristite za napajanje male elektroničke opreme (u ovom slučaju zahtijeva malu količinu struje koju možete dobiti iz svog dizajna).

Spojite krajeve žica koje strše iz ekstremnih plodova na žice, a ove zauzvrat na krajeve LED-a. Čim spojite polove baterije na odgovarajuće "terminale" diode i napon pređe određeni prag, dioda će zasvijetliti (diode različitih boja imaju drugačiji početni napon, ali bi trebalo biti dovoljno oko 3 volta ).

Jednako atraktivan izvor napajanja je i elektronički sat - može dugo raditi na "voćnoj bateriji" (iako puno ovisi o modelu sata).

Povrće ni na koji način nije inferiorno od voća i također vam omogućuje da od njih napravite bateriju. Jer? Uzmite nekoliko kiselih krastavaca i odgovarajuću količinu bakrenih i aluminijskih limova ili žica (možete ih zamijeniti čeličnim čavlima, ali dobit ćete niži napon iz jedne veze). Sastavite bateriju i kada njome napajate integrirani krug iz glazbene kutije, zapjevat će zbor krastavaca!

Zašto krastavci? Konstantin Ildefons Galchinsky je tvrdio da: "Ako krastavac ne pjeva i u bilo koje vrijeme, vjerojatno ne može vidjeti voljom neba." Ispada da kemičar može učiniti stvari o kojima ni pjesnici nisu sanjali.

Bivakov baterija

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

Što će vam trebati? Dioda, naravno, i uz to kalup za kockice leda, bakrena žica i čelični čavli ili vijci (metali treba očistiti površine kako bi se olakšao protok struje). Izrežite žicu na komade i omotajte glavu vijka ili čavala s jednim krajem fragmenta. Napravite nekoliko čelično-bakrenih rasporeda na ovaj način (8-10 bi trebalo biti dovoljno).

U udubljenja u kalupu ulijte vlažnu zemlju (možete dodatno uliti slanu vodu, što će smanjiti električni otpor). Sada umetnite svoju strukturu u šupljinu: vijak ili čavao trebaju ući u jednu rupu, a bakrena žica u drugu. Sljedeće postavite tako da u istoj šupljini s bakrom bude čelik (metali ne bi mogli doći u dodir jedan s drugim). Cjelina čini niz: čelik-bakar-čelik-bakar itd. Rasporedite elemente tako da prva i posljednja šupljina (jedina koja sadrži pojedine metale) leže jedna do druge.

Ovdje dolazi vrhunac.

Jednu nogu diode umetnite u prvu udubinu u nizu, a drugu nogu u posljednju. Sjaji li?

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

4. "Baterija za uzemljenje" u radu.

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

Zanimljiv je pokus sa "zemljanom baterijom" koji dokazuje da se električna energija može dobiti gotovo iz ničega. 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 stanice rade?

Iz njega se nabije metal (elektroda) uronjen u vodljivu otopinu (elektrolit). Minimalna količina kationa odlazi u otopinu, dok elektroni ostaju u metalu. Koliko je iona u otopini i koliko je viška elektrona u metalu ovisi o vrsti metala, otopini, temperaturi i mnogim drugim čimbenicima. Ako se dva različita metala urone u elektrolit, između njih će se pojaviti napon zbog različitog broja elektrona. Pri spajanju elektroda žicom, elektroni iz metala s velikim brojem (negativna elektroda, tj. stanična anoda) počet će teći u metal s manjim brojem (pozitivna elektroda - katoda). Naravno, tijekom rada ćelije mora se održavati ravnoteža: metalni kationi iz anode idu u otopinu, a elektroni dostavljeni katodi reagiraju s okolnim ionima. Cijeli krug je zatvoren elektrolitom koji osigurava transport iona. Energija elektrona koji teče kroz vodič može se iskoristiti za koristan rad.