Saoghal bataraidh - pàirt 1

Chaidh an Duais Nobel ann an Ceimigeachd 2019 a thoirt seachad airson a bhith a’ leasachadh dealbhadh bataraidhean lithium-ion. Eu-coltach ri cuid de na co-dhùnaidhean eile aig Comataidh Nobel, cha do chuir am fear seo iongnadh air - a chaochladh. Bidh bataraidhean lithium-ion a’ toirt cumhachd do fhònaichean sgairteil, coimpiutairean-uchd, innealan cumhachd so-ghiùlain agus eadhon càraichean dealain. Tha triùir luchd-saidheans, John Goodenough, Stanley Whittingham agus Akira Yoshino, airidh air dioplòmaichean, buinn òir agus 9 millean SEK airson an sgaoileadh. 

Faodaidh tu barrachd a leughadh mun fheallsanachd airson an duais ann an iris roimhe seo den chearcall ceimigeachd againn - agus thàinig an artaigil fhèin gu crìch nuair a chaidh taisbeanadh nas mionaidiche ainmeachadh air cùis cheallan is bataraidhean. Tha an t-àm ann do ghealladh a chumail.

An toiseach, mìneachadh goirid air na mearachdan ainmeachadh.

cheangal is e seo an aon chuairt a tha a’ gineadh bholtadh.

Bataraidh air a dhèanamh suas de cheallan ceangailte gu ceart. Is e an t-amas bholtachd àrdachadh, capacitance (lùth a ghabhas a tharraing bhon t-siostam), no an dà chuid.

аккумулятор is e cealla no bataraidh a th’ ann a ghabhas ath-lìonadh nuair a bhios e crìonadh. Chan eil na feartan sin aig a h-uile chip - tha mòran dhiubh cuidhteasach. Ann an cainnt làitheil, bidh a 'chiad dà theirm gu tric air an cleachdadh gu h-eadar-mhalairteach (bidh seo cuideachd fìor san artaigil), ach feumaidh aon a bhith mothachail air an eadar-dhealachadh eatarra (1).

1. Bataraidhean anns a bheil ceallan.

Cha deach bataraidhean a chruthachadh airson na deicheadan mu dheireadh, tha eachdraidh fada nas fhaide aca. Is dòcha gu bheil thu air cluinntinn mun eòlas mu thràth Galvaniego i Bholta aig toiseach an XNUMXth agus XNUMXth linntean, a chomharraich toiseach cleachdadh sruth dealain ann am fiosaig agus ceimigeachd. Ach, thòisich eachdraidh a 'bhataraidh eadhon na bu tràithe. Bha sin o chionn fhada…

... ùine fhada ann am Bagdad

Ann an 1936 arc-eòlaiche Gearmailteach Wilhelm Koenig lorgadh soitheach crèadha faisg air Baghdad a' dol air ais chun XNUMXmh linn RC.

Ach, bha susbaint an t-soithich dìomhair: rolla meirgeach de dhuilleag copair, slat iarainn, agus na tha air fhàgail de roisinn nàdarra. Chuir Koenig dragh air adhbhar an artifact gus an do chuimhnich e air tadhal air Alley of Jewelers ann am Baghdad. Chleachd luchd-ciùird ionadail dealbhadh coltach ris gus stuthan copair a chòmhdach le meatailtean luachmhor. Cha tug am beachd gur e seann bhataraidh a bh’ ann air arc-eòlaichean eile nach robh fianais sam bith ann air dealan aig an àm.

Mar sin (is e sin an t-ainm a bh’ air an lorg) an e fìor rud neo sgeulachd sìthiche a tha seo bho 1001 oidhche? Leig leis an deuchainn co-dhùnadh.

Feumaidh tu: truinnsear copair, ìnean iarainn agus fìon-dhearcan (thoir an aire gu robh na stuthan sin uile aithnichte agus rim faighinn gu farsaing san t-seann aimsir). Cuir a-steach an roisinn gus an soitheach a ròn agus cuir plasticine na àite mar insulation.

Dèan an deuchainn ann am bior no ann am flasg, ged a bheir cleachdadh vase crèadhadaireachd blas dearbhte don deuchainn. A 'cleachdadh pàipear-gainmhich, glan uachdar meatailt bhon chlàr agus ceangail uèirichean riutha.

Rol a’ phlàta copair a-steach do rolla agus cuir a-steach e san t-soitheach, agus cuir a-steach an t-ingne a-steach don rolla. A 'cleachdadh plasticine, socraich a' phlàta agus an t-ingne gus nach bi iad a 'ceangal ri chèile (2). Thoir fìon-dhearcan (timcheall air fuasgladh 5%) a-steach don t-soitheach agus, a ’cleachdadh multimeter, tomhas an bholtadh eadar cinn nan uèirichean ceangailte ris a’ phlàta copair agus an t-ingne iarainn. Suidhich an ionnstramaid gus sruth DC a thomhas. Dè de na pòlaichean a tha am "plus" agus dè an "as lugha" de thùs bholtaids?

2. Sgeidse de leth-bhreac ùr-nodha den bhataraidh à Baghdad.

Tha am meatair a’ sealltainn 0,5-0,7 V, agus mar sin tha bataraidh Baghdad ag obair! Thoir an aire gur e copar pòla dearbhach an t-siostaim, agus is e iarann ​​​​a th’ anns a’ phòla àicheil (tha am meatair a’ sealltainn luach bholtachd dearbhach ann an aon roghainn airson uèirichean a cheangal ri cinn-uidhe). An urrainnear dealan a chruthachadh bho leth-bhreac togte airson obair fheumail? Tha, ach dèan beagan a bharrachd mhodalan agus ceangail iad ann an sreath gus an bholtadh àrdachadh. Feumaidh an LED timcheall air 3 volts - ma gheibh thu an uiread sin bhon bhataraidh agad, lasaidh an LED suas.

Chaidh bataraidh Baghdad a dhearbhadh a-rithist airson a chomas cumhachd a thoirt do uidheamachd beag. Chaidh deuchainn coltach ris a dhèanamh o chionn grunn bhliadhnaichean le ùghdaran a ’phrògram cult MythBusters. Thàinig Mythbusters (a bheil cuimhne agad fhathast air Adhamh agus Jamie?) cuideachd chun cho-dhùnadh gum faodadh an structar a bhith na sheann bataraidh.

Mar sin an do thòisich cuairt-dànachd mac an duine le dealan o chionn 2 bhliadhna? Tha agus chan eil. Bha, oir eadhon an uairsin bha e comasach solar cumhachd a dhealbhadh. Chan e, a chionn 's nach robh an innleachd air fàs farsaing - cha robh feum aig duine air an uairsin agus airson iomadh linn ri teachd.

Ceangal? Tha e sìmplidh!

Glan gu mionaideach uachdar lannan meatailt no uèirichean, alùmanum, iarann, msaa. Cuir a-steach sampaill de dhà mheatailt eadar-dhealaichte a-steach do mheasan sùghach (a bheir comas do shruth an dealain) gus nach suathadh iad ri chèile. Ceangail na clamps multimeter gu cinn nan uèirichean a 'cumail a-mach às na measan, agus leugh an bholtadh eatarra. Atharraich na seòrsaichean de mheatailtean a thathar a 'cleachdadh (a bharrachd air measan) agus cùm a' feuchainn (3).

3. Cell mheasan (alùmanum agus copar electrodes).

Anns a h-uile cùis chaidh ceanglaichean a chruthachadh. Tha luachan nan bholtachd tomhais eadar-dhealaichte a rèir na meatailtean agus na measan a chaidh a ghabhail airson an deuchainn. Le bhith a 'ceangal cheallan measan ann am bataraidh leigidh sin dhut a chleachdadh gus cumhachd a thoirt do uidheamachd dealanach beag (anns a' chùis seo, feumaidh e beagan de shruth, a gheibh thu bhon dealbhadh agad).

Ceangail cinn nan uèirichean a 'cumail a-mach às na fìor mheasan gu na uèirichean, agus iad sin, an uair sin, gu cinn an LED. Cho luath ‘s a tha thu air na pòlaichean bataraidh a cheangal ris na“ terminals ”co-fhreagarrach den diode agus gu bheil an bholtachd air a dhol thairis air ìre sònraichte, bidh an diode a’ lasadh suas (tha bholtadh tùsail eadar-dhealaichte aig diodes de dhiofar dhathan, ach bu chòir gum biodh timcheall air 3 bholt gu leòr ).

Is e uaireadair dealanach a th’ ann an stòr cumhachd a cheart cho tarraingeach - faodaidh e obrachadh air “bataraidh mheasan” airson ùine mhòr (ged a tha tòrr an urra ri modail an uaireadair).

Chan eil glasraich ann an dòigh sam bith nas ìsle na measan agus leigidh iad leat bataraidh a thogail bhuapa. Air sgàth? Gabh beagan picil agus tomhas iomchaidh de dhuilleagan no uèirichean copair is alùmanum (faodaidh tu ìnean stàilinn a chuir nan àite, ach gheibh thu bholtadh nas ìsle bho aon cheangal). Cruinnich bataraidh agus nuair a chleachdas tu e gus cumhachd a thoirt don chuairt aonaichte bhon bhogsa ciùil, bidh an còisir cucumair a’ seinn!

Carson a tha cucumbers ann? Bha Konstantin Ildefons Galchinsky ag argamaid: "Mura seinn an cucumar agus aig àm sam bith, is dòcha nach fhaic e le toil nèimh." Tha e a 'tionndadh a-mach gum faod ceimigear rudan a dhèanamh nach robh eadhon bàird air bruadar.

Bataraidh bivouac

Ann an èiginn, faodaidh tu bataraidh a dhealbhadh leat fhèin agus a chleachdadh gus cumhachd a thoirt do LED. Fìor, bidh an solas aotrom, ach tha e nas fheàrr na gin.

Dè a bhios a dhìth ort? Diode, gu dearbh, ach cuideachd treidhe ciùb deigh, uèir copar, agus tairnnean stàilinn no sgriothan (feumaidh na h-uachdaran aca a bhith air an glanadh gus sruth an dealain a dhèanamh nas fhasa). Gearr an uèir gu pìosan agus paisg ceann an sgriubha no na h-ìnean le aon cheann den chriomag. Dèan grunn dhealbhaidhean copar-stàilinn san dòigh seo (bu chòir 8-10 a bhith gu leòr).

Thoir ùir tais a-steach do na fosadh anns a 'mholltair (faodaidh tu cuideachd uisge salainn a dhòrtadh, a lughdaicheas an aghaidh dealain). A-nis cuir a-steach do structar a-steach don chuas: bu chòir an sgriubha no an t-ingne a dhol a-steach do aon tholl, agus an uèir copar a-steach don fhear eile. Cuir na h-ath fheadhainn gus am bi stàilinn anns an aon chuan le copar (cha b 'urrainn do mheatailtean a dhol an conaltradh ri chèile). Tha an t-sreath gu lèir a 'dèanamh sreath: stàilinn-copair-stàilinn-copair, msaa. Dèan rèiteachadh air na h-eileamaidean ann an dòigh a tha a' chiad agus an tè mu dheireadh (na h-aon fheadhainn anns a bheil meatailtean fa leth) nan laighe ri taobh a chèile.

Seo a’ tighinn am bàrr.

Cuir a-steach aon chas den diode a-steach don chiad fosadh san t-sreath agus an cas eile anns an fhear mu dheireadh. A bheil e a’ deàrrsadh?

Ma tha, meala-naidheachd air (4)! Mura h-eil, coimhead airson mearachdan. Feumaidh ceangal polarity a bhith aig diode LED, eu-coltach ri bulb solais àbhaisteach (a bheil fios agad dè am meatailt a th’ ann am “plus” agus dè am “as lugha” den bhataraidh?). Tha e gu leòr na casan a chuir a-steach air an taobh mu choinneamh na talmhainn. Is e adhbharan fàilligeadh eile bholtachd ro ìosal (3 volts as ìsle), cuairteachadh fosgailte no cuairt ghoirid ann.

4. "Bataraidh talmhainn" ann an gnìomh.

Anns a 'chiad chùis, àrdachadh air an àireamh de phàirtean. Anns an dàrna fear, thoir sùil air a 'cheangal eadar na meatailtean (cuideachd seulaich an talamh timcheall orra). Anns an treas cùis, dèan cinnteach nach bi cinn copair agus stàilinn a 'ceangal a chèile fon talamh agus nach eil an ùir no an mortar leis an do fhliuch thu e a' ceangal slocan faisg air làimh.

Tha an deuchainn le "bataraidh talmhainn" inntinneach agus a 'dearbhadh gum faighear dealan bho cha mhòr rud sam bith. Fiù mura h-eil agad ri structar togte a chleachdadh, faodaidh tu an-còmhnaidh deagh bheachd a thoirt do shaor-làithean leis na sgilean agad mar MacGyver (is dòcha dìreach air an cuimhneachadh le àrd theicneòlaichean) no maighstir mairsinn.

Ciamar a tha ceallan ag obair?

Tha meatailt (electrode) air a bhogadh ann am fuasgladh giùlain (electrolyte) air a ghearradh bhuaithe. Bidh an ìre as lugha de cations a’ dol a-steach gu fuasgladh, fhad ‘s a bhios dealanan fhathast anns a’ mheatailt. Tha cia mheud ian a tha ann am fuasgladh agus cia mheud dealanan a bharrachd a tha sa mheatailt an urra ris an t-seòrsa meatailt, fuasgladh, teòthachd, agus mòran fhactaran eile. Ma tha dà mheatailt eadar-dhealaichte air am bogadh ann an electrolyte, èiridh bholtadh eatarra air sgàth an àireamh eadar-dhealaichte de eleactronan. Nuair a cheanglas tu na dealanan le uèir, tòisichidh dealanan bho mheatailt le àireamh mhòr dhiubh (electrode àicheil, ie anod cealla) a ’sruthadh a-steach do mheatailt le àireamh nas lugha dhiubh (electrode dearbhach - catod). Gu dearbh, rè obrachadh na cealla, feumar cothromachadh a chumail: bidh cations meatailt bhon anod a ’dol a-steach gu fuasgladh, agus bidh na dealanan a thèid a lìbhrigeadh don chatod a’ freagairt leis na h-ian mun cuairt. Tha an cuairteachadh gu lèir dùinte le electrolyte a bheir seachad còmhdhail ion. Faodar lùth nan dealanan a tha a’ sruthadh tro stiùireadair a chleachdadh airson obair fheumail.