Il mondo delle batterie - parte 1

Il Premio Nobel per la Chimica 2019 è stato assegnato per lo sviluppo della progettazione di batterie agli ioni di litio. A differenza di altri verdetti del Comitato per il Nobel, questo non ha sorpreso, anzi. Le batterie agli ioni di litio alimentano smartphone, laptop, utensili elettrici portatili e persino auto elettriche. Tre scienziati, John Goodenough, Stanley Whittingham e Akira Yoshino, hanno meritatamente ricevuto diplomi, medaglie d'oro e 9 milioni di corone svedesi per la distribuzione. 

Puoi leggere di più sulla motivazione del premio in un numero precedente del nostro ciclo di chimica - e l'articolo stesso si è concluso con l'annuncio di una presentazione più dettagliata del problema delle celle e delle batterie. È tempo di mantenere la tua promessa.

Innanzitutto, una breve spiegazione delle imprecisioni di denominazione.

Collegamento questo è l'unico circuito che genera tensione.

batteria è costituito da celle correttamente collegate. L'obiettivo è aumentare la tensione, la capacità (energia che può essere prelevata dal sistema) o entrambe.

аккумулятор è una cella o una batteria che può essere ricaricata quando è esaurita. Non tutti i chip hanno queste proprietà: molti sono usa e getta. Nel linguaggio di tutti i giorni, i primi due termini sono spesso usati in modo intercambiabile (questo sarà anche il caso nell'articolo), ma bisogna essere consapevoli della differenza tra loro (1).

1. Batterie composte da celle.

Le batterie non sono state inventate negli ultimi decenni, hanno una storia molto più lunga. Potresti aver già sentito parlare dell'esperienza Galvaniego i Volt a cavallo tra il XIX e il XIX secolo, che segnò l'inizio dell'uso della corrente elettrica in fisica e chimica. Tuttavia, la storia della batteria è iniziata anche prima. Questo è stato molto tempo fa …

... molto tempo a Baghdad

Nel 1936 un archeologo tedesco Guglielmo Koenig trovato un vaso di terracotta vicino a Baghdad risalente al XNUMX° secolo aC Il ritrovamento non sembrava insolito, dato che la civiltà sull'Eufrate e sul Tigri fiorì per migliaia di anni.

Tuttavia, il contenuto della nave era misterioso: un rotolo arrugginito di lastra di rame, un'asta di ferro e resti di resina naturale. Koenig rimase perplesso sullo scopo del manufatto finché non ricordò di aver visitato il Vicolo dei gioiellieri a Baghdad. Disegni simili venivano usati dagli artigiani locali per rivestire i prodotti in rame con metalli preziosi. L'idea che si trattasse di un'antica batteria non convinse altri archeologi del fatto che all'epoca non fosse sopravvissuta alcuna prova di elettricità.

Quindi (così si chiamava la scoperta) è una cosa reale o una fiaba di 1001 notti? Lascia che l'esperimento decida.

Avrai bisogno: lastra di rame, chiodo di ferro e aceto (si noti che tutti questi materiali erano conosciuti e ampiamente disponibili nell'antichità). Sostituire la resina per sigillare la nave e sostituirla con plastilina come isolante.

Fai l'esperimento in un becher o in una fiaschetta, anche se l'uso di un vaso di terracotta darà al test un sapore autentico. Usando carta vetrata, pulire le superfici metalliche dalla placca e attaccare i fili ad esse.

Arrotolare la lastra di rame in un rotolo e posizionarlo nel recipiente e inserire l'unghia nel rotolo. Usando la plastilina, fissa la placca e l'unghia in modo che non si tocchino (2). Versare l'aceto (soluzione al 5% circa) nel recipiente e, utilizzando un multimetro, misurare la tensione tra le estremità dei fili collegati alla piastra di rame e il chiodo di ferro. Impostare lo strumento per misurare la corrente CC. Quale dei poli è il "più" e quale è il "meno" della sorgente di tensione?

2. Schizzo di una copia moderna della batteria di Baghdad.

Il misuratore mostra 0,5-0,7 V, quindi la batteria di Baghdad funziona! Si noti che il polo positivo del sistema è in rame e il polo negativo è in ferro (il misuratore mostra un valore di tensione positivo in una sola opzione per collegare i cavi ai terminali). È possibile ottenere elettricità dalla copia costruita per un lavoro utile? Sì, ma crea altri modelli e collegali in serie per aumentare la tensione. Il LED ha bisogno di circa 3 volt: se ottieni così tanto dalla batteria, il LED si accenderà.

La batteria di Baghdad è stata ripetutamente testata per la sua capacità di alimentare apparecchiature di piccole dimensioni. Un esperimento simile è stato condotto diversi anni fa dagli autori del programma cult MythBusters. Mythbusters (ricordi ancora Adam e Jamie?) giunsero anche alla conclusione che la struttura potesse fungere da antica batteria.

Quindi l'avventura dell'umanità con l'elettricità è iniziata più di 2 anni fa? Sì e no. Sì, perché già allora era possibile progettare alimentatori. No, perché l'invenzione non si diffuse: nessuno ne aveva bisogno allora e per molti secoli a venire.

Connessione? È semplice!

Pulire accuratamente le superfici di lamiere o fili metallici, alluminio, ferro, ecc. Inserire campioni di due metalli diversi in un frutto succoso (che faciliterà il flusso di elettricità) in modo che non si tocchino. Collega i morsetti del multimetro alle estremità dei fili che sporgono dal frutto e leggi la tensione tra di loro. Cambia i tipi di metalli usati (così come i frutti) e continua a provare (3).

3. Cella a frutto (elettrodi in alluminio e rame).

In tutti i casi sono stati creati collegamenti. I valori delle tensioni misurate differiscono a seconda dei metalli e dei frutti prelevati per l'esperimento. La combinazione di celle di frutta in una batteria ti consentirà di utilizzarla per alimentare piccole apparecchiature elettroniche (in questo caso richiede una piccola quantità di corrente, che puoi ottenere dal tuo progetto).

Collega le estremità dei fili che sporgono dai frutti estremi ai fili e questi, a loro volta, alle estremità del LED. Non appena avrai collegato i poli della batteria ai corrispondenti "terminali" del diodo e la tensione avrà superato una certa soglia, il diodo si accenderà (diodi di diverso colore hanno una tensione iniziale diversa, ma dovrebbero bastare circa 3 volt ).

Una fonte di alimentazione altrettanto interessante è un orologio elettronico: può funzionare a lungo con una "batteria alla frutta" (sebbene molto dipenda dal modello dell'orologio).

Le verdure non sono in alcun modo inferiori alla frutta e ti consentono anche di costruirne una batteria. Come? Prendi alcuni sottaceti e una quantità adeguata di fogli o fili di rame e alluminio (puoi sostituirli con chiodi d'acciaio, ma otterrai una tensione inferiore da un singolo collegamento). Assembla una batteria e quando la usi per alimentare il circuito integrato dal carillon, il coro di cetrioli canterà!

Perché i cetrioli? Konstantin Ildefons Galchinsky ha affermato che: "Se il cetriolo non canta e in qualsiasi momento, probabilmente non può vedere per volontà del cielo". Si scopre che un chimico può fare cose che nemmeno i poeti hanno sognato.

Batteria da bivacco

In caso di emergenza, puoi progettare tu stesso una batteria e usarla per alimentare un LED. È vero, la luce sarà fioca, ma è meglio di niente.

Di cosa avrai bisogno? Un diodo, ovviamente, e in aggiunta uno stampo per cubetti di ghiaccio, filo di rame e chiodi o viti d'acciaio (le superfici dei metalli dovrebbero essere pulite per facilitare il flusso di elettricità). Tagliare il filo a pezzi e avvolgere la testa della vite o del chiodo con un'estremità del frammento. Crea diversi layout acciaio-rame in questo modo (8-10 dovrebbero essere sufficienti).

Versa il terreno umido nelle rientranze dello stampo (puoi anche cospargere di acqua salata, che ridurrà la resistenza elettrica). Ora inserisci la tua struttura nella cavità: la vite o il chiodo dovrebbero entrare in un foro e il filo di rame nell'altro. Posiziona i successivi in ​​modo che ci sia l'acciaio nella stessa cavità con il rame (i metalli non potrebbero entrare in contatto tra loro). Il tutto forma una serie: acciaio-rame-acciaio-rame, ecc. Disporre gli elementi in modo tale che la prima e l'ultima cavità (le uniche contenenti singoli metalli) si trovino una accanto all'altra.

Ecco che arriva il culmine.

Inserire una gamba del diodo nella prima rientranza della fila e l'altra gamba nell'ultima. Brilla?

Se è così, congratulazioni (4)! In caso contrario, cerca gli errori. Un diodo LED, a differenza di una lampadina convenzionale, deve avere una polarità di connessione (sai quale metallo è il “più” e quale è il “meno” della batteria?). Basta inserire le gambe nella direzione opposta al suolo. Altre cause di guasto sono la tensione troppo bassa (minimo 3 volt), il circuito aperto o il cortocircuito al suo interno.

4. "Batteria a terra" in funzione.

Nel primo caso, aumentare il numero di componenti. Nella seconda, controlla il collegamento tra i metalli (sigilla anche il terreno attorno ad essi). Nel terzo caso, assicurati che le estremità di rame e acciaio non si tocchino nel sottosuolo e che il terreno o la malta con cui lo hai bagnato non colleghi fosse adiacenti.

L'esperimento con la "batteria terrestre" è interessante e dimostra che l'elettricità può essere ottenuta quasi dal nulla. Anche se non devi utilizzare una struttura costruita, puoi sempre impressionare i vacanzieri con le tue abilità simili a MacGyver (probabilmente ricordate solo da tecnici senior) o maestro della sopravvivenza.

Come funzionano le cellule?

Da esso viene caricato un metallo (elettrodo) immerso in una soluzione conduttiva (elettrolita). La quantità minima di cationi va in soluzione, mentre gli elettroni rimangono nel metallo. Quanti ioni ci sono in soluzione e quanti elettroni in eccesso ci sono nel metallo dipende dal tipo di metallo, dalla soluzione, dalla temperatura e da molti altri fattori. Se due metalli diversi sono immersi in un elettrolita, tra loro si creerà una tensione a causa del diverso numero di elettroni. Quando si collegano gli elettrodi con un filo, gli elettroni di un metallo con un numero elevato di essi (elettrodo negativo, ad es. anodo della cella) inizieranno a fluire in un metallo con un numero inferiore di essi (elettrodo positivo - catodo). Naturalmente, durante il funzionamento della cella, è necessario mantenere un equilibrio: i cationi metallici dall'anodo vanno in soluzione e gli elettroni consegnati al catodo reagiscono con gli ioni circostanti. L'intero circuito è chiuso da un elettrolita che fornisce il trasporto di ioni. L'energia degli elettroni che fluiscono attraverso un conduttore può essere utilizzata per un lavoro utile.