Dunia baterai - bagian 1

Hadiah Nobel Kimia 2019 diberikan untuk pengembangan desain baterai lithium-ion. Tidak seperti beberapa putusan lain dari Komite Nobel, yang satu ini tidak mengejutkan - justru sebaliknya. Baterai lithium-ion memberi daya pada ponsel cerdas, laptop, perkakas listrik portabel, dan bahkan mobil listrik. Tiga ilmuwan, John Goodenough, Stanley Whittingham dan Akira Yoshino, pantas menerima diploma, medali emas, dan 9 juta SEK untuk dibagikan. 

Anda dapat membaca lebih lanjut tentang alasan penghargaan dalam edisi sebelumnya dari siklus kimia kami - dan artikel itu sendiri berakhir dengan pengumuman presentasi yang lebih rinci tentang masalah sel dan baterai. Saatnya menepati janjimu.

Pertama, penjelasan singkat tentang ketidakakuratan penamaan.

Link ini adalah satu-satunya sirkuit yang menghasilkan tegangan.

Baterai terdiri dari sel-sel yang terhubung dengan benar. Tujuannya adalah untuk meningkatkan tegangan, kapasitansi (energi yang dapat diambil dari sistem), atau keduanya.

akumulator itu adalah sel atau baterai yang dapat diisi ulang ketika habis. Tidak setiap chip memiliki sifat ini - banyak yang sekali pakai. Dalam percakapan sehari-hari, dua istilah pertama sering digunakan secara bergantian (ini juga akan terjadi dalam artikel), tetapi kita harus menyadari perbedaan di antara keduanya (1).

1. Baterai terdiri dari sel.

Baterai belum ditemukan selama beberapa dekade terakhir, mereka memiliki sejarah yang jauh lebih lama. Anda mungkin sudah pernah mendengar tentang pengalaman tersebut Galvaniego i volt pada pergantian abad XNUMX dan XNUMX, yang menandai dimulainya penggunaan arus listrik dalam fisika dan kimia. Namun, sejarah baterai dimulai lebih awal. Itu sudah lama sekali…

... lama di Bagdad

Pada tahun 1936 seorang arkeolog Jerman Wilhelm Koenig menemukan sebuah bejana tembikar di dekat Bagdad yang berasal dari abad ke-XNUMX SM. Temuan itu tampaknya tidak aneh, mengingat peradaban di Efrat dan Tigris berkembang selama ribuan tahun.

Namun, isi kapal itu misterius: gulungan lembaran tembaga berkarat, batang besi, dan sisa-sisa resin alami. Koenig bingung tentang tujuan artefak itu sampai dia ingat mengunjungi Alley of Jewellers di Baghdad. Desain serupa digunakan oleh pengrajin lokal untuk menutupi produk tembaga dengan logam mulia. Gagasan bahwa itu adalah baterai kuno tidak meyakinkan para arkeolog lain bahwa tidak ada bukti listrik yang bertahan pada waktu itu.

Jadi (itulah yang disebut penemuan itu) apakah ini nyata atau dongeng dari 1001 malam? Biarkan eksperimen yang memutuskan.

Anda akan membutuhkan: pelat tembaga, paku besi dan cuka (perhatikan bahwa semua bahan ini dikenal dan tersedia secara luas di zaman kuno). Ganti resin untuk menutup wadah dan ganti dengan plastisin sebagai insulasi.

Lakukan percobaan dalam gelas kimia atau labu, meskipun menggunakan vas gerabah akan memberikan rasa yang otentik pada tes. Menggunakan amplas, bersihkan permukaan logam dari plak dan pasang kabel ke sana.

Gulung pelat tembaga menjadi gulungan dan letakkan di wadah, dan masukkan paku ke gulungan. Dengan menggunakan plastisin, kencangkan pelat dan paku agar tidak saling bersentuhan (2). Tuang cuka (larutan kira-kira 5%) ke dalam bejana dan, dengan menggunakan multimeter, ukur tegangan antara ujung kabel yang terhubung ke pelat tembaga dan paku besi. Atur instrumen untuk mengukur arus DC. Kutub mana yang merupakan "plus" dan mana yang merupakan "minus" dari sumber tegangan?

2. Sketsa salinan modern baterai dari Baghdad.

Meteran menunjukkan 0,5-0,7 V, jadi baterai Bagdad berfungsi! Harap dicatat bahwa kutub positif sistem adalah tembaga, dan kutub negatif adalah besi (meteran menunjukkan nilai voltase positif hanya dalam satu opsi untuk menghubungkan kabel ke terminal). Apakah mungkin mendapatkan listrik dari salinan yang dibuat untuk pekerjaan yang bermanfaat? Ya, tetapi buat beberapa model lagi dan sambungkan secara seri untuk menambah voltase. LED membutuhkan sekitar 3 volt - jika Anda mendapatkan sebanyak itu dari baterai Anda, LED akan menyala.

Baterai Baghdad berulang kali diuji kemampuannya untuk memberi daya pada peralatan berukuran kecil. Eksperimen serupa dilakukan beberapa tahun lalu oleh penulis program kultus MythBusters. Mythbusters (apakah Anda masih ingat Adam dan Jamie?) juga sampai pada kesimpulan bahwa struktur tersebut dapat berfungsi sebagai baterai kuno.

Jadi, apakah petualangan umat manusia dengan listrik dimulai lebih dari 2 tahun yang lalu? Iya dan tidak. Ya, karena itupun dimungkinkan untuk merancang catu daya. Tidak, karena penemuan itu tidak tersebar luas - tidak ada yang membutuhkannya saat itu dan selama berabad-abad yang akan datang.

Koneksi? Itu mudah!

Bersihkan secara menyeluruh permukaan pelat logam atau kabel, aluminium, besi, dll. Masukkan sampel dari dua logam yang berbeda ke dalam buah yang berair (yang akan memperlancar aliran listrik) sehingga tidak saling bersentuhan. Hubungkan klem multimeter ke ujung kabel yang mencuat dari buah, dan baca tegangan di antara mereka. Ubah jenis logam yang digunakan (juga buah-buahan) dan terus mencoba (3).

3. Sel buah (elektroda aluminium dan tembaga).

Dalam semua kasus, tautan dibuat. Nilai tegangan yang diukur berbeda tergantung pada logam dan buah yang diambil untuk percobaan. Menggabungkan sel buah ke dalam baterai akan memungkinkan Anda menggunakannya untuk memberi daya pada peralatan elektronik kecil (dalam hal ini, memerlukan sejumlah kecil arus, yang dapat Anda peroleh dari desain Anda).

Hubungkan ujung kabel yang mencuat dari buah ekstrem ke kabel, dan ini, pada gilirannya, ke ujung LED. Segera setelah Anda menghubungkan kutub baterai ke "terminal" dioda yang sesuai dan tegangan telah melebihi ambang batas tertentu, dioda akan menyala (dioda dengan warna berbeda memiliki tegangan awal yang berbeda, tetapi sekitar 3 volt seharusnya cukup ).

Sumber daya yang sama menariknya adalah jam tangan elektronik - jam ini dapat beroperasi dengan "baterai buah" untuk waktu yang lama (walaupun banyak tergantung pada model jam tangan).

Sayuran sama sekali tidak kalah dengan buah-buahan dan juga memungkinkan Anda membangun baterai darinya. Sebagai? Ambil beberapa acar dan lembaran atau kabel tembaga dan aluminium dalam jumlah yang sesuai (Anda dapat menggantinya dengan paku baja, tetapi Anda akan mendapatkan tegangan yang lebih rendah dari satu tautan). Pasang baterai dan ketika Anda menggunakannya untuk menyalakan sirkuit terpadu dari kotak musik, paduan suara mentimun akan bernyanyi!

Mengapa mentimun? Konstantin Ildefons Galchinsky berpendapat bahwa: "Jika mentimun tidak bernyanyi dan kapan saja, dia mungkin tidak dapat melihat dengan kehendak surga." Ternyata seorang ahli kimia dapat melakukan hal-hal yang bahkan tidak diimpikan oleh penyair.

Baterai bivak

Dalam keadaan darurat, Anda dapat mendesain baterai sendiri dan menggunakannya untuk menyalakan LED. Benar, cahayanya akan redup, tetapi itu lebih baik daripada tidak sama sekali.

Apa yang akan Anda butuhkan? Dioda, tentu saja, dan sebagai tambahan, cetakan es batu, kawat tembaga, dan paku atau sekrup baja (permukaan logam harus dibersihkan untuk memfasilitasi aliran listrik). Potong kawat menjadi beberapa bagian dan bungkus kepala sekrup atau paku dengan salah satu ujungnya. Buat beberapa tata letak baja-tembaga dengan cara ini (8-10 sudah cukup).

Tuang tanah lembab ke dalam ceruk dalam cetakan (Anda juga bisa menuangkan air garam, yang akan mengurangi hambatan listrik). Sekarang masukkan struktur Anda ke dalam rongga: sekrup atau paku harus masuk ke satu lubang, dan kawat tembaga ke yang lain. Tempatkan yang berikutnya sehingga ada baja di rongga yang sama dengan tembaga (logam tidak dapat bersentuhan satu sama lain). Keseluruhannya membentuk rangkaian: baja-tembaga-baja-tembaga, dll. Atur elemen sedemikian rupa sehingga rongga pertama dan terakhir (satu-satunya yang berisi logam individu) terletak bersebelahan.

Di sinilah klimaksnya.

Masukkan satu kaki dioda ke dalam ceruk pertama di baris dan kaki lainnya ke dalam yang terakhir. Apakah itu bersinar?

Jika ya, selamat (4)! Jika tidak, cari kesalahan. Dioda LED, tidak seperti bola lampu konvensional, harus memiliki koneksi polaritas (tahukah Anda logam mana yang "plus" dan mana yang "minus" dari baterai?). Cukup dengan memasukkan kaki ke arah yang berlawanan dengan tanah. Penyebab kegagalan lainnya adalah tegangan yang terlalu rendah (minimal 3 volt), sirkuit terbuka atau korsleting di dalamnya.

4. "Baterai pembumian" sedang beroperasi.

Dalam kasus pertama, tingkatkan jumlah komponen. Yang kedua, periksa koneksi antara logam (juga segel tanah di sekitarnya). Dalam kasus ketiga, pastikan bahwa ujung tembaga dan baja tidak saling bersentuhan di bawah tanah dan bahwa tanah atau mortar yang Anda basahi tidak menghubungkan lubang yang berdekatan.

Eksperimen dengan "baterai pembumian" itu menarik dan membuktikan bahwa listrik hampir dapat diperoleh dari nol. Bahkan jika Anda tidak harus menggunakan struktur yang dibangun, Anda selalu dapat membuat wisatawan terkesan dengan keterampilan seperti MacGyver Anda (mungkin hanya diingat oleh teknisi senior) atau ahli bertahan hidup.

Bagaimana cara kerja sel?

Logam (elektroda) yang direndam dalam larutan konduktif (elektrolit) dibebankan darinya. Jumlah minimum kation masuk ke dalam larutan, sedangkan elektron tetap berada di logam. Berapa banyak ion dalam larutan dan berapa banyak kelebihan elektron dalam logam tergantung pada jenis logam, larutan, suhu, dan banyak faktor lainnya. Jika dua logam berbeda dicelupkan ke dalam suatu elektrolit, akan timbul tegangan di antara keduanya karena perbedaan jumlah elektron. Saat menghubungkan elektroda dengan kabel, elektron dari logam dengan jumlah yang besar (elektroda negatif, yaitu anoda sel) akan mulai mengalir ke logam dengan jumlah yang lebih kecil (elektroda positif - katoda). Tentu saja, selama pengoperasian sel, keseimbangan harus dijaga: kation logam dari anoda masuk ke dalam larutan, dan elektron yang dikirim ke katoda bereaksi dengan ion di sekitarnya. Seluruh sirkuit ditutup oleh elektrolit yang menyediakan transportasi ion. Energi elektron yang mengalir melalui konduktor dapat digunakan untuk pekerjaan yang berguna.