Kalibutan sa baterya - bahin 1

Ang 2019 Nobel Prize sa Chemistry gihatagan alang sa pagpalambo sa disenyo sa lithium-ion nga mga baterya. Dili sama sa uban nga mga hukom sa Komite sa Nobel, kini nga usa wala katingad-an - sukwahi. Lithium-ion batteries powers smartphones, laptops, portable power tools ug bisan electric cars. Tulo ka mga siyentista, si John Goodenough, Stanley Whittingham ug Akira Yoshino, angayan nga nakadawat og mga diploma, bulawan nga medalya ug 9 milyon nga SEK alang sa pag-apod-apod. 

Mahimo nimong mabasa ang dugang bahin sa katarungan alang sa award sa miaging isyu sa among chemistry cycle - ug ang artikulo mismo natapos sa pagpahibalo sa usa ka mas detalyado nga presentasyon sa isyu sa mga selula ug mga baterya. Panahon na nga tumanon ang imong saad.

Una, usa ka mubo nga katin-awan sa mga dili tukma nga pagngalan.

link kini lamang ang sirkito nga nagpatunghag boltahe.

Baterya naglangkob sa husto nga konektado nga mga selula. Ang tumong mao ang pagdugang sa boltahe, kapasidad (enerhiya nga makuha gikan sa sistema), o pareho.

baterya kini usa ka cell o baterya nga mahimong ma-recharge kung mahurot na. Dili tanan nga chip adunay kini nga mga kabtangan - daghan ang magamit. Sa adlaw-adlaw nga sinultihan, ang unang duha ka termino sagad gigamit nga binayloay (mao usab kini ang kaso sa artikulo), apan kinahanglan nga mahibal-an sa usa ang kalainan tali kanila (1).

1. Baterya nga naglangkob sa mga selula.

Ang mga baterya wala maimbento sa miaging mga dekada, kini adunay mas taas nga kasaysayan. Tingali nakadungog ka na bahin sa kasinatian Galvaniego i Mga boltahe sa pagsugod sa ika-XNUMX ug ika-XNUMX nga siglo, nga nagtimaan sa pagsugod sa paggamit sa kuryente sa pisika ug chemistry. Bisan pa, ang kasaysayan sa baterya nagsugod bisan sa sayo pa. Kadto dugay na ang milabay…

... dugay sa Baghdad

Niadtong 1936 usa ka Aleman nga arkeologo Wilhelm Koenig nakit-an ang usa ka sudlanan nga kulonon duol sa Baghdad nga nagsugod kaniadtong ika-XNUMX nga siglo BC. Ang nakit-an ingon dili talagsaon, tungod kay ang sibilisasyon sa Euprates ug Tigris milambo sa liboan ka tuig.

Apan, misteryoso ang sulod sa sudlanan: usa ka rusted roll nga tumbaga nga palid, puthaw nga baras, ug mga salin sa natural nga resin. Nalibog si Koenig sa katuyoan sa artifact hangtod nga nahinumdom siya sa pagbisita sa Alley of Jewellers sa Baghdad. Ang susamang mga disenyo gigamit sa lokal nga mga artesano sa pagtabon sa mga produkto nga tumbaga sa bililhong mga metal. Ang ideya nga kini usa ka karaan nga baterya wala makapakombinsir sa ubang mga arkeologo nga walay ebidensya sa elektrisidad nga nakalahutay niadtong panahona.

Busa (mao kana ang gitawag sa pagpangita) tinuod ba kini nga butang o usa ka fairy tale gikan sa 1001 ka gabii? Tugoti ang eksperimento nga magdesisyon.

Kinahanglan nimo: tumbaga nga plato, puthaw nga lansang ug suka (timan-i nga kining tanan nga mga materyales nahibal-an ug kaylap nga magamit sa karaan). Ilisan ang resin aron ma-seal ang sudlanan ug pulihan kini og plasticine isip insulasyon.

Buhata ang eksperimento sa usa ka beaker o flask, bisan kung ang paggamit sa usa ka plorera nga kulonon maghatag sa pagsulay sa usa ka tinuod nga lami. Gamit ang sandpaper, limpyohi ang metal nga mga ibabaw gikan sa plake ug itaod ang mga alambre niini.

Paligira ang plato nga tumbaga ngadto sa usa ka linukot ug ibutang kini sa sudlanan, ug isulod ang lansang sa linukot. Gamit ang plasticine, ayoha ang plato ug ang lansang aron dili sila magtandog sa usag usa (2). Ibubo ang suka (gibana-bana nga 5% nga solusyon) ngadto sa sudlanan ug, gamit ang multimeter, sukda ang boltahe tali sa mga tumoy sa mga alambre nga konektado sa copper plate ug sa puthaw nga lansang. Ibutang ang instrumento sa pagsukod sa DC current. Asa sa mga poste ang "plus" ug hain ang "minus" sa tinubdan sa boltahe?

2. Sketch sa modernong kopya sa baterya gikan sa Baghdad.

Ang metro nagpakita sa 0,5-0,7 V, mao nga ang Baghdad nga baterya nagtrabaho! Palihug timan-i nga ang positibo nga poste sa sistema mao ang tumbaga, ug ang negatibo nga poste puthaw (ang metro nagpakita sa usa ka positibo nga boltahe nga bili sa usa lamang ka kapilian alang sa pagkonektar sa mga wire ngadto sa mga terminal). Makahimo ba ang elektrisidad gikan sa gitukod nga kopya alang sa mapuslanon nga trabaho? Oo, apan paghimo og pipila pa nga mga modelo ug ikonektar kini sa serye aron madugangan ang boltahe. Ang LED nanginahanglan mga 3 volts - kung makuha nimo kana gikan sa imong baterya, ang LED mosiga.

Ang baterya sa Baghdad balik-balik nga gisulayan alang sa abilidad niini sa pagpaandar sa gagmay nga mga kagamitan. Ang susamang eksperimento gihimo pipila ka tuig na ang milabay sa mga tagsulat sa programa sa kulto nga MythBusters. Ang mga mythbusters (nahinumdom ka pa ba ni Adan ug Jamie?) Nakahinapos usab nga ang istruktura mahimong magsilbing usa ka karaan nga baterya.

Mao nga nagsugod ba ang adventure sa tawo sa elektrisidad kapin sa 2 ka tuig ang milabay? Oo ug dili. Oo, tungod kay bisan pa kaniadto posible ang pagdesinyo sa mga suplay sa kuryente. Dili, tungod kay ang imbensyon wala kaylap - walay usa nga nagkinahanglan niini kaniadto ug sa daghang mga siglo nga moabut.

Koneksyon? Yano ra!

Hinloi pag-ayo ang mga ibabaw sa metal nga mga palid o mga alambre, aluminum, puthaw, ug uban pa. Isulod ang mga sample sa duha ka lain-laing mga metal ngadto sa usa ka juicy nga prutas (nga makapasayon ​​​​sa pag-agos sa elektrisidad) aron dili sila magtandog sa usag usa. Ikonektar ang mga multimeter clamp sa mga tumoy sa mga alambre nga migawas sa prutas, ug basaha ang boltahe tali kanila. Usba ang mga klase sa metal nga gigamit (ingon man ang mga prutas) ug padayon sa pagsulay (3).

3. Fruit cell (aluminyo ug tumbaga electrodes).

Sa tanan nga mga kaso gihimo ang mga link. Ang mga kantidad sa gisukod nga mga boltahe magkalainlain depende sa mga metal ug prutas nga gikuha alang sa eksperimento. Ang paghiusa sa mga selyula sa prutas ngadto sa usa ka baterya magtugot kanimo sa paggamit niini sa gahum sa gagmay nga mga elektronik nga ekipo (sa kini nga kaso, kini nagkinahanglan og gamay nga kantidad sa kasamtangan, nga imong makuha gikan sa imong disenyo).

Ikonektar ang mga tumoy sa mga alambre nga mipilit gikan sa grabeng mga prutas ngadto sa mga alambre, ug kini, sa baylo, ngadto sa mga tumoy sa LED. Sa diha nga imong gikonektar ang mga poste sa baterya sa katugbang nga "terminal" sa diode ug ang boltahe milapas sa usa ka piho nga threshold, ang diode modan-ag (ang mga diode nga lain-laing mga kolor adunay lain nga inisyal nga boltahe, apan mga 3 volts kinahanglan nga igo. ).

Ang parehas nga madanihon nga gigikanan sa kuryente mao ang usa ka elektronik nga relo - mahimo kini nga molihok sa usa ka "baterya sa prutas" sa dugay nga panahon (bisan kung daghan ang nagdepende sa modelo sa relo).

Ang mga utanon sa bisan unsang paagi dili ubos sa mga prutas ug gitugotan ka usab nga magtukod usa ka baterya gikan niini. Kay? Pagkuha og pipila ka mga atsara ug usa ka tukma nga gidaghanon sa tumbaga ug aluminum nga mga palid o mga alambre (mahimo nimong ilisan kini og mga lansang nga puthaw, apan makakuha ka og mas ubos nga boltahe gikan sa usa ka link). Pagtapok og baterya ug kung gamiton nimo kini sa pagpaandar sa integrated circuit gikan sa music box, ang cucumber choir mokanta!

Nganong pepino? Konstantin Ildefons Galchinsky nangatarungan nga: "Kon ang pepino dili mokanta ug sa bisan unsa nga panahon, siya tingali dili makakita pinaagi sa kabubut-on sa langit." Kini nahimo nga ang usa ka chemist makahimo sa mga butang nga bisan ang mga magbabalak wala magdamgo.

Bivouac nga baterya

Sa usa ka emerhensya, mahimo nimong idisenyo ang usa ka baterya sa imong kaugalingon ug gamiton kini sa pagpaandar sa usa ka LED. Tinuod, ang kahayag modulom, apan kini mas maayo kay sa wala.

Unsay imong gikinahanglan? Usa ka diode, siyempre, apan usa usab ka tray nga ice cube, copper wire, ug steel nails o screws (ang mga metal kinahanglan nga limpyohan ang ilang mga ibabaw aron mapadali ang pag-agos sa elektrisidad). Guntinga ang wire ngadto sa mga piraso ug iputos ang ulo sa screw o lansang sa usa ka tumoy sa tipik. Paghimo og daghang mga layout nga puthaw-tumbaga niining paagiha (kinahanglan nga igo na ang 8-10).

Ibubo ang basa nga yuta ngadto sa mga recesses sa agup-op (mahimo nimong ibubo ang asin nga tubig, nga makapakunhod sa electrical resistance). Karon isulud ang imong istruktura sa lungag: ang tornilyo o lansang kinahanglan moadto sa usa ka lungag, ug ang tumbaga nga wire sa pikas. Ibutang ang sunod aron adunay puthaw sa samang lungag nga adunay tumbaga (ang mga metal dili makontak sa usag usa). Ang tibuok nag-umol sa usa ka serye: steel-copper-steel-copper, ug uban pa. Arrange ang mga elemento sa paagi nga ang una ug katapusan nga mga lungag (ang mga lamang nga adunay mga indibidwal nga mga metal) nahimutang sunod sa usag usa.

Ania na ang climax.

Isulod ang usa ka paa sa diode ngadto sa unang recess sa laray ug ang laing paa sa kataposan. Nagsidlak ba kini?

Kon mao, pahalipay (4)! Kung dili, pangitaa ang mga sayup. Ang usa ka LED diode, dili sama sa usa ka naandan nga bombilya, kinahanglan adunay polarity sa koneksyon (nahibal-an ba nimo kung unsang metal ang "plus" ug diin ang "minus" sa baterya?). Igo na nga isulod ang mga bitiis sa direksyon nga atbang sa yuta. Ang ubang mga hinungdan sa pagkapakyas kay ubos kaayo ang boltahe (minimum 3 volts), open circuit o short circuit niini.

4. "Baterya sa yuta" sa operasyon.

Sa una nga kaso, dugangi ang gidaghanon sa mga sangkap. Sa ikaduha, susiha ang koneksyon tali sa mga metal (isira usab ang yuta sa ilang palibot). Sa ikatulo nga kaso, siguroha nga ang mga tumoy sa tumbaga ug asero dili magtandog sa usag usa sa ilawom sa yuta ug nga ang yuta o lusong nga imong gibasa niini dili magkonektar sa kasikbit nga mga gahong.

Ang eksperimento sa "baterya sa yuta" makapaikag ug nagpamatuod nga ang elektrisidad makuha gikan sa halos wala. Bisan kung dili nimo kinahanglan nga mogamit usa ka gitukod nga istruktura, mahimo nimong mapabilib kanunay ang mga nagkamping sa imong kahanas nga sama sa MacGyver (tingali nahinumduman lamang sa mga senior technician) o master survivalist.

Sa unsang paagi molihok ang mga selula?

Usa ka metal (electrode) nga gituslob sa usa ka conductive solution (electrolyte) ang gikarga gikan niini. Ang minimum nga gidaghanon sa mga cation moadto sa solusyon, samtang ang mga electron nagpabilin sa metal. Pila ka mga ion ang anaa sa solusyon ug pila ka sobra nga mga electron ang anaa sa metal nagdepende sa matang sa metal, solusyon, temperatura, ug uban pang mga hinungdan. Kung ang duha ka lain-laing mga metal naunlod sa usa ka electrolyte, usa ka boltahe ang motumaw tali kanila tungod sa lainlaing gidaghanon sa mga electron. Kung nagkonektar sa mga electrodes sa usa ka wire, ang mga electron gikan sa usa ka metal nga adunay daghang gidaghanon niini (negatibo nga electrode, i.e. cell anode) magsugod sa pagdagayday sa usa ka metal nga adunay gamay nga gidaghanon niini (positibo nga electrode - cathode). Siyempre, sa panahon sa operasyon sa selula, ang usa ka balanse kinahanglan nga mamentinar: ang mga metal nga kation gikan sa anode moadto sa solusyon, ug ang mga electron nga gipadala ngadto sa cathode motubag sa naglibot nga mga ion. Ang tibuok sirkito gisirhan sa usa ka electrolyte nga naghatag ug ion nga transportasyon. Ang kusog sa mga electron nga nagdagayday sa usa ka konduktor mahimong magamit alang sa mapuslanon nga trabaho.