Batterijwereld - deel 1

De Nobelprijs voor de Scheikunde 2019 werd toegekend voor de ontwikkeling van het ontwerp van lithium-ionbatterijen. In tegenstelling tot sommige andere uitspraken van het Nobelcomité was deze niet verrassend, integendeel. Lithium-ionbatterijen voeden smartphones, laptops, draagbaar elektrisch gereedschap en zelfs elektrische auto's. Drie wetenschappers, John Goodenough, Stanley Whittingham en Akira Yoshino, ontvingen terecht diploma's, gouden medailles en 9 miljoen SEK om uit te delen. 

U kunt meer lezen over de reden voor de prijs in het vorige nummer van onze chemische cyclus - en het artikel zelf eindigde met de aankondiging van een meer gedetailleerde presentatie van de kwestie van cellen en batterijen. Het is tijd om je belofte na te komen.

Eerst een korte uitleg van de onjuistheden in de naamgeving.

Link dit is het enige circuit dat spanning genereert.

batterij bestaat uit correct verbonden cellen. Het doel is om de spanning, de capaciteit (de energie die uit het systeem kan worden gehaald) of beide te verhogen.

аккумулятор het is een cel of batterij die kan worden opgeladen als deze leeg is. Niet elke chip heeft deze eigenschappen; veel ervan zijn wegwerpbaar. In het alledaagse spraakgebruik worden de eerste twee termen vaak door elkaar gebruikt (dit zal ook in dit artikel het geval zijn), maar men moet zich bewust zijn van het verschil ertussen (1).

1. Batterijen bestaande uit cellen.

Batterijen zijn niet de afgelopen decennia uitgevonden; ze hebben een veel langere geschiedenis. Misschien heb je al van de ervaring gehoord Galvaniego i Volt aan het begin van de XNUMXe en XNUMXe eeuw, wat het begin markeerde van het gebruik van elektrische stroom in de natuurkunde en scheikunde. De geschiedenis van de batterij begon echter nog eerder. Het was lang geleden …

...lange tijd in Bagdad

In 1936, een Duitse archeoloog Wilhelm Koenig vond een kleivat in de buurt van Bagdad dat dateert uit de XNUMXe eeuw voor Christus. De vondst leek niet ongebruikelijk, aangezien de beschaving aan de Eufraat en de Tigris duizenden jaren lang bloeide.

De inhoud van het vat was echter mysterieus: een verroeste rol koperplaat, een ijzeren staaf en de resten van natuurlijke hars. Koenig vroeg zich af wat het doel van het artefact was, totdat hij zich een bezoek aan Jewelers Alley in Bagdad herinnerde. Lokale ambachtslieden gebruikten soortgelijke ontwerpen om koperen producten met edele metalen te bekleden. Het idee dat het een oude batterij was, heeft andere archeologen niet overtuigd, aangezien er destijds geen bewijs van elektriciteit bestaat.

Dus (zo werd de vondst genoemd) is het echt of een sprookje uit de 1001 nacht? Laat het experiment beslissen.

Je hebt nodig: koperen plaat, ijzeren spijker en azijn (merk op dat al deze materialen in de oudheid bekend waren en overal verkrijgbaar waren). Vervang de hars om het vat af te dichten en vervang deze door plasticine als isolatie.

Voer het experiment uit in een bekerglas of kolf, hoewel het gebruik van een kleivaas de test een authentieke smaak zal geven. Gebruik schuurpapier om de metalen oppervlakken te reinigen van afzettingen en bevestig de draden eraan.

Rol de koperen plaat op, plaats deze in het vat en steek de spijker in de rol. Bevestig de plaat en de spijker met plasticine zodat ze elkaar niet raken (2). Giet azijn (ongeveer 5% oplossing) in het vat en gebruik een multimeter om de spanning te meten tussen de uiteinden van de draden die zijn aangesloten op de koperen plaat en de ijzeren spijker. Stel de meter in om gelijkstroom te meten. Welke pool is de “plus” en welke is de “min” van de spanningsbron?

2. Schets van een moderne kopie van een batterij uit Bagdad.

De meter geeft 0,5-0,7 V aan, dus de Bagdad batterij werkt! Houd er rekening mee dat de positieve pool van het systeem van koper is en de negatieve pool van ijzer (de meter geeft een positieve spanningswaarde weer in slechts één optie voor het aansluiten van draden op terminals). Kan uit een gebouwd exemplaar stroom worden opgewekt voor nuttig werk? Ja, maar maak wat meer modellen en sluit ze in serie aan om de spanning te verhogen. De led heeft ongeveer 3 volt nodig - als je zoveel uit je batterij haalt, gaat de led branden.

De batterij van Bagdad is herhaaldelijk getest op zijn vermogen om kleine apparatuur van stroom te voorzien. De auteurs van het cultprogramma “MythBusters” voerden enkele jaren geleden een soortgelijk experiment uit. Mythbusters (herinner je je Adam en Jamie nog?) concludeerden ook dat het bouwwerk zou kunnen dienen als een oude batterij.

Dus begon het avontuur van de mensheid met elektriciteit meer dan 2 jaar geleden? Ja en nee. Ja, want ook toen was het mogelijk om voedingen te ontwerpen. Nee, want de uitvinding werd niet wijdverbreid - niemand had het toen en vele eeuwen daarna nodig.

Verbinding? Het is makkelijk!

Reinig grondig de oppervlakken van metalen platen of draden, aluminium, ijzer, enz. Steek monsters van twee verschillende metalen in de sappige vrucht (wat de stroom van elektriciteit zal vergemakkelijken), zodat ze elkaar niet raken. Sluit de multimeterklemmen aan op de uiteinden van de draden die uit het fruit steken en lees de spanning daartussen af. Varieer met de soorten metalen die je gebruikt (en met de vruchten) en blijf proberen (3).

3. Fruitcel (aluminium- en koperelektroden).

In alle gevallen zijn er koppelingen gemaakt. De gemeten spanningen variëren afhankelijk van de metalen en vruchten die voor het experiment zijn genomen. Door fruitcellen in een batterij te combineren, kunt u deze gebruiken om kleine elektronische apparatuur van stroom te voorzien (in dit geval is een kleine stroomsterkte vereist, die u uit uw ontwerp kunt halen).

Verbind de uiteinden van de draden die uit de buitenste vruchten steken met de draden, en deze op hun beurt met de uiteinden van de LED. Zodra je de accupolen hebt aangesloten op de corresponderende "terminals" van de diode en de spanning een bepaalde drempel heeft overschreden, zal de diode oplichten (diodes met verschillende kleuren hebben verschillende startspanningen, maar ongeveer 3 volt zou voldoende moeten zijn).

Een even aantrekkelijke energiebron is een elektronisch horloge - het kan lange tijd op een "fruitbatterij" werken (hoewel veel afhangt van het model van het horloge).

Groenten doen op geen enkele manier onder voor fruit en je kunt er ook een batterij van maken. Omdat? Neem wat augurken en een passende hoeveelheid koperen en aluminium platen of draden (stalen spijkers kunnen hiervoor worden vervangen, maar je krijgt een lagere spanning van één link). Monteer de batterij en als je deze gebruikt om het geïntegreerde circuit van de muziekdoos van stroom te voorzien, zal het komkommerkoor zingen!

Waarom komkommers? Konstantin Ildefons Galchinsky betoogde: "Als een komkommer op geen enkel moment zingt, kan hij waarschijnlijk niet zien door de wil van de hemel." Het blijkt dat een scheikundige dingen kan doen waar zelfs dichters nooit van hadden gedroomd.

Bivak batterij

In geval van nood kunt u uw eigen batterij bouwen en deze gebruiken om de LED van stroom te voorzien. Het is waar dat het licht zwak zal zijn, maar het is beter dan geen licht.

Wat heb je nodig? Natuurlijk een diode, maar ook een bakje voor ijsblokjes, koperdraad en stalen spijkers of schroeven (metalen moeten een schoon oppervlak hebben om de stroom van elektriciteit te vergemakkelijken). Knip de draad in stukken en wikkel het ene uiteinde van het fragment rond de kop van een schroef of spijker. Maak op deze manier verschillende staal-koper-lay-outs (8-10 zou voldoende moeten zijn).

Vul de uitsparingen in de mal met vochtige grond (je kunt bovendien zout water toevoegen, waardoor de elektrische weerstand wordt verminderd). Steek nu uw structuur in de holte: de schroef of spijker moet in het ene gat gaan en de koperdraad in het andere. Plaats de volgende zo dat er staal in dezelfde holte zit samen met koper (de metalen kunnen niet met elkaar in contact komen). Het geheel vormt een reeks: staal-koper-staal-koper, enz. Plaats de elementen zo dat de eerste en laatste holte (de enige die individuele metalen bevatten) naast elkaar liggen.

Hier komt het hoogtepunt.

Steek een been van de diode in de eerste uitsparing in de rij en het andere been in de laatste. Schittert het?

Zo ja, gefeliciteerd (4)! Zo niet, zoek dan naar fouten. Een LED-diode moet, in tegenstelling tot een gewone gloeilamp, een aansluitpolariteit hebben (weet jij welk metaal de “plus” en welke de “min” van de batterij is?). Het is voldoende om uw voeten in de tegenovergestelde richting van de grond te plaatsen. Andere oorzaken van uitval zijn een te lage spanning (minimaal 3 volt), open circuit of kortsluiting daarin.

4. “Aardbatterij” in bedrijf.

Verhoog in het eerste geval het aantal componenten. Controleer in de tweede plaats de verbinding tussen de metalen (verdicht ook de grond eromheen). Zorg er in het derde geval voor dat de uiteinden van het koper en staal elkaar ondergronds niet raken en dat de grond of oplossing waarmee u het bevochtigt geen aangrenzende gaten verbindt.

Het experiment met de ‘aardbatterij’ is interessant en bewijst dat elektriciteit praktisch ‘uit het niets’ kan worden verkregen. Zelfs als je geen gebouwde structuur hoeft te gebruiken, kun je altijd indruk maken op de kampeerders met je MacGyver-achtige (waarschijnlijk herinneren alleen oudere technici zich dat) of Survival Master-achtige vaardigheden.

Hoe werken cellen?

Een metaal (elektrode) ondergedompeld in een geleidende oplossing (elektrolyt) wordt daaruit opgeladen. De minimale hoeveelheid kationen gaat in oplossing, terwijl elektronen in het metaal blijven. Hoeveel ionen er in oplossing zijn en hoeveel overtollige elektronen er in het metaal zitten, hangt af van het type metaal, de oplossing, de temperatuur en vele andere factoren. Als twee verschillende metalen worden ondergedompeld in een elektrolyt, ontstaat er een spanning tussen hen door het verschillende aantal elektronen. Bij het verbinden van de elektroden met een draad, zullen elektronen van een metaal met een groot aantal (negatieve elektrode, d.w.z. celanode) in een metaal beginnen te stromen met een kleiner aantal (positieve elektrode - kathode). Natuurlijk moet tijdens de werking van de cel een evenwicht worden gehandhaafd: metaalkationen van de anode gaan in oplossing en de elektronen die aan de kathode worden afgegeven, reageren met de omringende ionen. Het hele circuit is gesloten door een elektrolyt die zorgt voor ionentransport. De energie van elektronen die door een geleider stromen, kan voor nuttig werk worden gebruikt.