โลกแบตเตอรี่ - ตอนที่ 1

รางวัลโนเบลสาขาเคมีประจำปี 2019 ได้รับรางวัลจากการพัฒนาการออกแบบแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน คำตัดสินนี้แตกต่างจากคำตัดสินอื่นๆ ของคณะกรรมการโนเบล คำตัดสินนี้ไม่แปลกใจเลย ตรงกันข้ามเลย แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนให้พลังงานแก่สมาร์ทโฟน แล็ปท็อป เครื่องมือไฟฟ้าแบบพกพา และแม้แต่รถยนต์ไฟฟ้า นักวิทยาศาสตร์สามคน ได้แก่ John Goodenough, Stanley Whittingham และ Akira Yoshino สมควรได้รับประกาศนียบัตร เหรียญทอง และเงินจำนวน 9 ล้านโครนสวีเดนสำหรับการแจกจ่าย 

คุณสามารถอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับเหตุผลในการรับรางวัลได้ในฉบับก่อนหน้าของวัฏจักรเคมีของเรา และบทความนี้ก็จบลงด้วยการประกาศการนำเสนอรายละเอียดเพิ่มเติมเกี่ยวกับปัญหาเซลล์และแบตเตอรี่ ถึงเวลาที่จะรักษาสัญญาของคุณ

อันดับแรก คำอธิบายสั้น ๆ เกี่ยวกับความไม่ถูกต้องในการตั้งชื่อ

ลิงค์ นี่เป็นวงจรเดียวที่สร้างแรงดันไฟฟ้า

แบตเตอรี่ ประกอบด้วยเซลล์ที่เชื่อมต่ออย่างถูกต้อง เป้าหมายคือเพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้า ความจุ (พลังงานที่สามารถดึงออกจากระบบได้) หรือทั้งสองอย่าง

аккумулятор เป็นเซลล์หรือแบตเตอรี่ที่สามารถชาร์จใหม่ได้เมื่อแบตเตอรี่หมด ไม่ใช่ทุกชิปที่มีคุณสมบัติเหล่านี้ - หลายชิปใช้แล้วทิ้ง ในการพูดในชีวิตประจำวัน คำศัพท์สองคำแรกมักใช้แทนกันได้ (ซึ่งจะเป็นกรณีนี้ในบทความด้วย) แต่เราต้องตระหนักถึงความแตกต่างระหว่างคำทั้งสองนี้ (1)

1. แบตเตอรี่ประกอบด้วยเซลล์

แบตเตอรี่ไม่ได้ถูกประดิษฐ์ขึ้นในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา แต่มีประวัติยาวนานกว่ามาก คุณอาจเคยได้ยินเกี่ยวกับประสบการณ์นี้แล้ว กัลวาเนียโก i โวลต์ ในช่วงเปลี่ยนศตวรรษที่ XNUMX และ XNUMX ซึ่งเป็นจุดเริ่มต้นของการใช้กระแสไฟฟ้าในฟิสิกส์และเคมี อย่างไรก็ตาม ประวัติของแบตเตอรี่เริ่มต้นขึ้นก่อนหน้านี้ เมื่อนานมาแล้ว…

... เป็นเวลานานในแบกแดด

ในปี 1936 นักโบราณคดีชาวเยอรมัน Wilhelm Koenig พบภาชนะดินเผาใกล้กรุงแบกแดดซึ่งมีอายุย้อนไปถึงศตวรรษที่ XNUMX ก่อนคริสตกาล การค้นพบนี้ไม่ได้ดูผิดปกติเนื่องจากอารยธรรมบนยูเฟรตีส์และไทกริสเฟื่องฟูเป็นเวลาหลายพันปี

อย่างไรก็ตาม สิ่งที่บรรจุอยู่ในภาชนะนั้นดูลึกลับ: แผ่นทองแดงที่ขึ้นสนิม แท่งเหล็ก และเศษเรซินธรรมชาติ Koenig งงกับจุดประสงค์ของสิ่งประดิษฐ์นี้จนกระทั่งเขาจำได้ว่าไปเยี่ยมชม Alley of Jewellers ในกรุงแบกแดด ช่างฝีมือในท้องถิ่นใช้การออกแบบที่คล้ายกันเพื่อปกปิดผลิตภัณฑ์ทองแดงด้วยโลหะมีค่า ความคิดที่ว่ามันเป็นแบตเตอรี่โบราณไม่ได้โน้มน้าวนักโบราณคดีคนอื่น ๆ ว่าไม่มีหลักฐานว่ามีกระแสไฟฟ้าอยู่ในขณะนั้น

ดังนั้น (นั่นคือสิ่งที่เรียกว่าการค้นพบ) ว่านี่คือเรื่องจริงหรือเทพนิยายจาก 1001 คืน? ให้การทดลองตัดสินใจ

คุณจะต้อง: แผ่นทองแดง ตะปูเหล็ก และน้ำส้มสายชู (โปรดทราบว่าวัสดุเหล่านี้เป็นที่รู้จักและหาได้ทั่วไปในสมัยโบราณ) เปลี่ยนเรซินเพื่อปิดผนึกภาชนะและแทนที่ด้วยดินน้ำมันเป็นฉนวน

ทำการทดลองในบีกเกอร์หรือขวด แม้ว่าการใช้แจกันดินเผาจะทำให้การทดสอบมีรสชาติที่แท้จริง ใช้กระดาษทรายทำความสะอาดพื้นผิวโลหะจากคราบจุลินทรีย์และต่อสายไฟเข้ากับพวกมัน

ม้วนแผ่นทองแดงเป็นม้วนแล้ววางลงในภาชนะแล้วสอดตะปูเข้าไปในม้วน ใช้ดินน้ำมันยึดแผ่นและเล็บเพื่อไม่ให้สัมผัสกัน (2) เทน้ำส้มสายชู (สารละลายประมาณ 5%) ลงในภาชนะ และใช้มัลติมิเตอร์วัดแรงดันไฟฟ้าระหว่างปลายสายไฟที่เชื่อมต่อกับแผ่นทองแดงและตะปูเหล็ก ตั้งค่าเครื่องมือวัดกระแสไฟตรง ขั้วใดเป็น "บวก" และ "ลบ" ของแหล่งกำเนิดแรงดันไฟฟ้าคืออะไร

2. ร่างสำเนาแบตเตอรี่สมัยใหม่จากแบกแดด

มิเตอร์แสดง 0,5-0,7 V ดังนั้นแบตเตอรี่แบกแดดจึงทำงาน! โปรดทราบว่าขั้วบวกของระบบคือทองแดง และขั้วลบคือเหล็ก (มิเตอร์จะแสดงค่าแรงดันบวกในตัวเลือกเดียวสำหรับการต่อสายไฟเข้ากับขั้วต่อ) เป็นไปได้ไหมที่จะรับกระแสไฟฟ้าจากสำเนาที่สร้างขึ้นเพื่องานที่มีประโยชน์? ใช่ แต่สร้างโมเดลเพิ่มเติมและเชื่อมต่อเป็นอนุกรมเพื่อเพิ่มแรงดันไฟฟ้า ไฟ LED ต้องการไฟประมาณ 3 โวลต์ - หากคุณใช้แบตเตอรี่มากขนาดนั้น ไฟ LED จะสว่างขึ้น

แบตเตอรี่ของแบกแดดได้รับการทดสอบซ้ำแล้วซ้ำเล่าถึงความสามารถในการจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์ขนาดเล็ก การทดลองที่คล้ายกันนี้ดำเนินการเมื่อหลายปีก่อนโดยผู้เขียนโปรแกรมลัทธิ MythBusters Mythbusters (คุณยังจำอดัมและเจมี่ได้หรือไม่) ยังได้ข้อสรุปว่าโครงสร้างนี้สามารถใช้เป็นแบตเตอรี่โบราณได้

การผจญภัยของมนุษยชาติกับไฟฟ้าเริ่มต้นขึ้นเมื่อ 2 ปีก่อนหรือไม่? ใช่และไม่. ใช่ เพราะถึงอย่างนั้นก็เป็นไปได้ที่จะออกแบบแหล่งจ่ายไฟ ไม่ เนื่องจากการประดิษฐ์ไม่แพร่หลาย - ไม่มีใครต้องการมันและอีกหลายร้อยปีข้างหน้า

การเชื่อมต่อ? มันง่าย!

ทำความสะอาดพื้นผิวของแผ่นโลหะหรือสายไฟ อะลูมิเนียม เหล็ก ฯลฯ อย่างทั่วถึง ใส่ตัวอย่างโลหะสองชนิดที่แตกต่างกันลงในผลไม้ฉ่ำ (ซึ่งจะช่วยอำนวยความสะดวกในการไหลของกระแสไฟฟ้า) เพื่อไม่ให้สัมผัสกัน เชื่อมต่อแคลมป์มัลติมิเตอร์กับปลายสายไฟที่ยื่นออกมาจากผลไม้ และอ่านค่าแรงดันระหว่างพวกมัน เปลี่ยนประเภทของโลหะที่ใช้ (เช่นเดียวกับผลไม้) และพยายามต่อไป (3)

3. เซลล์ผลไม้ (อิเล็กโทรดอลูมิเนียมและทองแดง)

ลิงก์ถูกสร้างขึ้นในทุกกรณี ค่าของแรงดันไฟฟ้าที่วัดได้จะแตกต่างกันไปตามโลหะและผลไม้ที่ทำการทดลอง การรวมเซลล์ผลไม้เข้ากับแบตเตอรี่จะทำให้คุณสามารถใช้เซลล์ดังกล่าวเพื่อจ่ายไฟให้กับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็ก (ในกรณีนี้ ต้องใช้กระแสไฟฟ้าเพียงเล็กน้อย ซึ่งคุณจะได้รับจากการออกแบบของคุณ)

เชื่อมต่อปลายสายไฟที่ยื่นออกมาจากผลไม้สุดขั้วกับสายไฟ และในที่สุดก็ถึงปลาย LED ทันทีที่คุณเชื่อมต่อขั้วแบตเตอรี่กับ "ขั้ว" ที่สอดคล้องกันของไดโอดและแรงดันไฟฟ้าเกินเกณฑ์ที่กำหนด ไดโอดจะสว่างขึ้น (ไดโอดที่มีสีต่างกันจะมีแรงดันเริ่มต้นต่างกัน แต่ประมาณ 3 โวลต์น่าจะเพียงพอ ).

แหล่งพลังงานที่น่าดึงดูดไม่แพ้กันคือนาฬิกาอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งใช้งานได้กับ "แบตเตอรี่ผลไม้" เป็นเวลานาน (แม้ว่าจะมีหลายอย่างขึ้นอยู่กับรุ่นของนาฬิกา)

ผักไม่ได้ด้อยไปกว่าผลไม้และยังช่วยให้คุณสร้างแบตเตอรี่ได้ เพราะ? ใช้ผักดองสองสามอันและแผ่นหรือลวดทองแดงและอลูมิเนียมในปริมาณที่เหมาะสม (คุณสามารถแทนที่สิ่งเหล่านี้ด้วยตะปูเหล็ก แต่คุณจะได้แรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่าจากลิงค์เดียว) ประกอบแบตเตอรี่และเมื่อคุณใช้เพื่อจ่ายไฟให้กับวงจรรวมจากกล่องดนตรี คณะนักร้องประสานเสียงแตงกวาจะร้องเพลง!

ทำไมต้องแตงกวา? Konstantin Ildefons Galchinsky แย้งว่า: "ถ้าแตงกวาไม่ร้องเพลงและในเวลาใด ๆ เขาอาจจะไม่เห็นด้วยความประสงค์ของสวรรค์" ปรากฎว่านักเคมีสามารถทำสิ่งที่แม้แต่กวีไม่เคยฝันถึง

แบตเตอรี่บีวาคอฟ

ในกรณีฉุกเฉิน คุณสามารถออกแบบแบตเตอรี่ด้วยตัวเองและใช้เพื่อจ่ายไฟให้กับ LED จริงอยู่แสงจะสลัว แต่ก็ยังดีกว่าไม่มีเลย

คุณจะต้องการอะไร? แน่นอน ไดโอด และนอกจากนี้ แม่พิมพ์น้ำแข็ง ลวดทองแดง และตะปูหรือสกรูเหล็ก (โลหะควรทำความสะอาดพื้นผิวเพื่อให้กระแสไฟไหลผ่าน) ตัดลวดเป็นชิ้น ๆ แล้วพันหัวสกรูหรือตะปูด้วยปลายด้านหนึ่ง ทำโครงร่างเหล็กและทองแดงหลาย ๆ แบบนี้ (8-10 ก็พอ)

เทดินชื้นลงในช่องในแม่พิมพ์ (คุณสามารถเติมน้ำเกลือซึ่งจะช่วยลดความต้านทานไฟฟ้า) ตอนนี้ใส่โครงสร้างของคุณเข้าไปในโพรง: สกรูหรือตะปูควรเข้าไปในรูหนึ่ง และลวดทองแดงเข้าไปในรูอีกรูหนึ่ง วางต่อไปเพื่อให้มีเหล็กอยู่ในโพรงเดียวกันกับทองแดง (โลหะไม่สามารถสัมผัสกันได้) ทั้งรูปแบบชุด: เหล็ก-ทองแดง-เหล็ก-ทองแดง ฯลฯ จัดองค์ประกอบในลักษณะที่ฟันผุแรกและสุดท้าย (อันเดียวที่มีโลหะแต่ละ) อยู่ติดกัน

มาถึงจุดไคลแม็กซ์

ใส่ขาข้างหนึ่งของไดโอดในช่องแรกในแถวและอีกขาหนึ่งลงในช่องสุดท้าย มันส่องแสง?

ถ้าเป็นเช่นนั้น ขอแสดงความยินดี (4)! ถ้าไม่ ให้มองหาข้อผิดพลาด ไดโอด LED ซึ่งแตกต่างจากหลอดไฟทั่วไป ต้องมีการเชื่อมต่อขั้ว (คุณรู้หรือไม่ว่าโลหะใดเป็น "บวก" และอะไรคือ "ลบ" ของแบตเตอรี่) ก็เพียงพอที่จะสอดขาไปในทิศทางตรงกันข้ามกับพื้น สาเหตุอื่นของความล้มเหลวคือแรงดันไฟฟ้าต่ำเกินไป (ขั้นต่ำ 3 โวลต์) วงจรเปิดหรือไฟฟ้าลัดวงจร

4. "แบตเตอรี่ Earth" กำลังทำงาน

ในกรณีแรกให้เพิ่มจำนวนส่วนประกอบ ในวินาที ให้ตรวจสอบการเชื่อมต่อระหว่างโลหะ ในกรณีที่สาม ตรวจสอบให้แน่ใจว่าปลายทองแดงและเหล็กไม่สัมผัสกันที่ใต้ดิน และดินหรือปูนที่คุณทำให้เปียกนั้นไม่ได้เชื่อมต่อกับหลุมที่อยู่ติดกัน

การทดลองกับ "แบตเตอรี่เอิร์ธ" นั้นน่าสนใจและพิสูจน์ให้เห็นว่าสามารถรับไฟฟ้าได้จากแทบไม่มีอะไรเลย แม้ว่าคุณจะไม่จำเป็นต้องใช้โครงสร้างที่สร้างขึ้น คุณสามารถสร้างความประทับใจให้ผู้พักร้อนด้วยทักษะที่เหมือน MacGyver ของคุณ (อาจจำได้เฉพาะช่างเทคนิคอาวุโส) หรือผู้เชี่ยวชาญด้านการเอาตัวรอด

เซลล์ทำงานอย่างไร?

โลหะ (อิเล็กโทรด) ที่แช่อยู่ในสารละลายนำไฟฟ้า (อิเล็กโทรไลต์) จะถูกชาร์จจากมัน ปริมาณไอออนบวกที่น้อยที่สุดจะเข้าสู่สารละลาย ในขณะที่อิเล็กตรอนยังคงอยู่ในโลหะ จำนวนไอออนในสารละลายและจำนวนอิเล็กตรอนส่วนเกินในโลหะนั้นขึ้นอยู่กับชนิดของโลหะ สารละลาย อุณหภูมิ และปัจจัยอื่นๆ อีกมากมาย หากโลหะสองชนิดต่างแช่อยู่ในอิเล็กโทรไลต์ จะเกิดแรงดันไฟฟ้าระหว่างโลหะทั้งสองเนื่องจากจำนวนอิเล็กตรอนต่างกัน เมื่อเชื่อมต่ออิเล็กโทรดด้วยลวด อิเล็กตรอนจากโลหะที่มีจำนวนมาก (อิเล็กโทรดเชิงลบ เช่น แอโนดของเซลล์) จะเริ่มไหลเข้าสู่โลหะที่มีจำนวนน้อยกว่า (อิเล็กโทรดบวก - แคโทด) แน่นอน ในระหว่างการทำงานของเซลล์ จะต้องรักษาความสมดุล: ไอออนบวกของโลหะจากขั้วบวกจะเข้าสู่สารละลาย และอิเล็กตรอนที่ส่งไปยังแคโทดจะทำปฏิกิริยากับไอออนที่อยู่รอบๆ วงจรทั้งหมดถูกปิดโดยอิเล็กโทรไลต์ที่ให้การขนส่งไอออน พลังงานของอิเล็กตรอนที่ไหลผ่านตัวนำสามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้