Svet baterij - 1. del

Nobelova nagrada za kemijo 2019 je bila podeljena za razvoj zasnove litij-ionskih baterij. Za razliko od nekaterih drugih sodb Nobelovega odbora ta ni presenetila – ravno nasprotno. Litij-ionske baterije napajajo pametne telefone, prenosnike, prenosna električna orodja in celo električne avtomobile. Trije znanstveniki, John Goodenough, Stanley Whittingham in Akira Yoshino, so zasluženo prejeli diplome, zlate medalje in 9 milijonov SEK za distribucijo. 

Več o utemeljitvi nagrade si lahko preberete v prejšnji številki našega kemijskega ciklusa – sam članek pa se je zaključil z napovedjo podrobnejše predstavitve problematike celic in baterij. Čas je, da izpolnite obljubo.

Najprej kratka razlaga netočnosti poimenovanja.

Povezava to je edino vezje, ki ustvarja napetost.

Baterija sestavljen iz pravilno povezanih celic. Cilj je povečati napetost, kapacitivnost (energijo, ki jo je mogoče črpati iz sistema) ali oboje.

akumulator gre za celico ali baterijo, ki jo je mogoče napolniti, ko je izpraznjena. Vsak čip nima teh lastnosti - mnogi so za enkratno uporabo. V vsakdanjem govoru se prva dva izraza pogosto uporabljata zamenljivo (tako bo tudi v članku), vendar se je treba zavedati razlike med njima (1).

1. Baterije, sestavljene iz celic.

Baterije niso izumili zadnja desetletja, imajo veliko daljšo zgodovino. Morda ste že slišali za izkušnjo Galvaniego i volti na prelomu XNUMX. in XNUMXth stoletja, ki je zaznamoval začetek uporabe električnega toka v fiziki in kemiji. Vendar se je zgodovina baterije začela še prej. To je bilo že dolgo nazaj …

... dolgo v Bagdadu

Leta 1936 nemški arheolog Wilhelm Koenig v bližini Bagdada našli lončeno posodo iz XNUMX. stoletja pr.n.št.. Najdba se ni zdela nenavadna, saj je civilizacija na Evfratu in Tigrisu cvetela tisoče let.

Vsebina posode pa je bila skrivnostna: zarjavel zvitek bakrene pločevine, železna palica in ostanki naravne smole. Koenig se je zmešal nad namenom artefakta, dokler se ni spomnil obiska Aleje draguljarjev v Bagdadu. Podobne modele so lokalni obrtniki uporabljali za prekrivanje bakrenih izdelkov s plemenitimi kovinami. Zamisel, da je šlo za starodavno baterijo, drugih arheologov ni prepričala, da takrat ni preživel noben dokaz elektrike.

Torej (tako se je najdba imenovala) je to prava stvar ali pravljica iz 1001 noči? Naj odloči eksperiment.

Potrebovali boste: bakrena plošča, železni žebelj in kis (upoštevajte, da so bili vsi ti materiali znani in široko dostopni že v antiki). Zamenjajte smolo, da zaprete posodo, in jo zamenjajte s plastelinom kot izolacijo.

Naredite poskus v čaši ali bučki, čeprav bo uporaba lončene vaze dala testu pristen okus. Z brusnim papirjem očistite kovinske površine iz oblog in nanje pritrdite žice.

Bakreno ploščo zvijte v zvitek in jo položite v posodo, v zvitek pa vstavite žebelj. S plastelinom pritrdite ploščo in žebelj tako, da se ne dotikata (2). V posodo nalijte kis (cca. 5% raztopino) in z multimetrom izmerite napetost med konci žic, ki so priključene na bakreno ploščo, in železnim žebeljem. Nastavite instrument za merjenje enosmernega toka. Kateri od polov je "plus" in kateri "minus" vira napetosti?

2. Skica sodobne kopije baterije iz Bagdada.

Merilnik kaže 0,5-0,7 V, torej bagdadska baterija deluje! Upoštevajte, da je pozitivni pol sistema baker, negativni pol pa železo (števec kaže pozitivno vrednost napetosti samo v eni možnosti za priključitev žic na sponke). Ali je mogoče iz zgrajene kopije pridobiti elektriko za koristno delo? Da, ampak naredite še nekaj modelov in jih povežite zaporedno, da povečate napetost. Lučka LED potrebuje približno 3 volte - če dobite toliko iz baterije, bo LED zasvetila.

Bagdadska baterija je bila večkrat preizkušena glede sposobnosti za napajanje majhne opreme. Podoben poskus so pred nekaj leti izvedli avtorji kultnega programa MythBusters. Uničevalci mitov (se še spomnite Adama in Jamieja?) so tudi prišli do zaključka, da bi struktura lahko služila kot starodavna baterija.

Se je torej pustolovščina človeštva z elektriko začela pred več kot dvema letoma? Da in ne. Da, saj je bilo že takrat možno načrtovati napajalnike. Ne, ker izum ni postal razširjen - takrat ga nihče ni potreboval in še več stoletij.

Povezava? To je preprosto!

Temeljito očistite površine kovinskih plošč ali žic, aluminija, železa itd. V sočno sadje (kar bo olajšalo pretok elektrike) vstavite vzorce dveh različnih kovin, da se ne dotikata. Sponke multimetra priključite na konce žic, ki štrlijo iz sadja, in odčitajte napetost med njimi. Spremenite vrste uporabljenih kovin (pa tudi sadje) in še naprej poskušajte (3).

3. Sadna celica (aluminijeve in bakrene elektrode).

V vseh primerih so bile ustvarjene povezave. Vrednosti izmerjenih napetosti se razlikujejo glede na kovine in plodove, vzete za poskus. Kombinacija sadnih celic v baterijo vam bo omogočila, da jo uporabite za napajanje majhne elektronske opreme (v tem primeru zahteva majhno količino toka, ki ga lahko dobite iz svoje zasnove).

Povežite konce žic, ki štrlijo iz skrajnih plodov, na žice, te pa na konce LED. Takoj ko priključite pole akumulatorja na ustrezne "sponke" diode in napetost preseže določen prag, bo dioda zasvetila (diode različnih barv imajo različno začetno napetost, vendar bi morale biti približno 3 volti dovolj ).

Enako privlačen vir energije je elektronska ura - lahko dolgo časa deluje na "sadno baterijo" (čeprav je veliko odvisno od modela ure).

Zelenjava nikakor ni slabša od sadja in vam omogoča, da iz njih zgradite baterijo. kot? Vzemite nekaj kislih kumaric in ustrezno količino bakrene in aluminijaste pločevine ali žic (te lahko zamenjate z jeklenimi žeblji, vendar boste dobili nižjo napetost iz enega samega linka). Sestavite baterijo in ko jo boste uporabili za napajanje integriranega vezja iz glasbene skrinjice, bo zapel kumarski zbor!

Zakaj kumare? Konstantin Ildefons Galchinsky je trdil, da: "Če kumara ne poje in kadar koli, verjetno ne more videti po volji nebes." Izkazalo se je, da lahko kemik počne stvari, o katerih se niti pesniki niso sanjali.

Bivak baterija

V nujnih primerih lahko sami oblikujete baterijo in jo uporabite za napajanje LED. Res je, da bo svetloba šibka, vendar je bolje kot nič.

Kaj boste potrebovali? Dioda, seveda, in poleg tega kalup za ledene kocke, bakrena žica in jekleni žeblji ali vijaki (kovinam je treba očistiti površine, da se olajša pretok električne energije). Žico razrežite na koščke in z enim koncem fragmenta ovijte glavo vijaka ali žeblja. Na ta način naredite več jekleno-bakrenih postavitev (dovolj bi moralo biti 8-10).

V vdolbine v kalupu nalijte vlažno zemljo (lahko dodatno poškropite s slano vodo, kar bo zmanjšalo električni upor). Zdaj vstavite svojo strukturo v votlino: vijak ali žebelj naj gre v eno luknjo, bakrena žica pa v drugo. Naslednje postavite tako, da je jeklo v isti votlini z bakrom (kovine med seboj ne bi mogle priti v stik). Celota tvori niz: jeklo-baker-jeklo-baker itd. Elemente razporedite tako, da prva in zadnja votlina (edina vsebujeta posamezne kovine) ležita ena ob drugi.

Tukaj prihaja vrhunec.

En krak diode vstavite v prvo vdolbino v vrsti, drugi krak pa v zadnjo. Se sveti?

Če je tako, čestitke (4)! Če ne, poiščite napake. LED dioda mora za razliko od običajne žarnice imeti polarnost (ali veste, katera kovina je "plus" in katera "minus" baterije?). Dovolj je, da noge vstavite v nasprotni smeri od tal. Drugi vzroki okvare so prenizka napetost (najmanj 3 volte), odprt tokokrog ali kratek stik v njem.

4. Deluje "zemeljska baterija".

V prvem primeru povečajte število komponent. V drugem preverite povezavo med kovinami (tudi zatesnite zemljo okoli njih). V tretjem primeru pazite, da se konca bakra in jekla ne dotikata drug drugega pod zemljo in da zemlja ali malta, s katero ste jo omočili, ne povezuje sosednjih jam.

Poskus z »zemeljsko baterijo« je zanimiv in dokazuje, da je elektriko mogoče pridobiti skoraj iz nič. Tudi če vam ni treba uporabljati zgrajene strukture, lahko kampiste vedno navdušite s svojimi spretnostmi, podobnimi MacGyverju (verjetno se jih spomnijo samo višji tehniki) ali mojstrskim preživetjem.

Kako delujejo celice?

Iz njega se naelektri kovina (elektroda), potopljena v prevodno raztopino (elektrolit). Najmanjša količina kationov gre v raztopino, medtem ko elektroni ostanejo v kovini. Koliko ionov je v raztopini in koliko presežnih elektronov je v kovini, je odvisno od vrste kovine, raztopine, temperature in številnih drugih dejavnikov. Če dve različni kovini potopimo v elektrolit, bo med njima nastala napetost zaradi različnega števila elektronov. Pri povezovanju elektrod z žico bodo začeli elektroni iz kovine z velikim številom (negativna elektroda, tj. celična anoda) pretekati v kovino z manjšim številom (pozitivna elektroda - katoda). Seveda je treba med delovanjem celice vzdrževati ravnovesje: kovinski kationi iz anode gredo v raztopino, elektroni, dostavljeni na katodo, pa reagirajo z okoliškimi ioni. Celoten tokokrog je sklenjen z elektrolitom, ki zagotavlja transport ionov. Energijo elektronov, ki tečejo skozi prevodnik, lahko uporabimo za koristno delo.