배터리 세계 - 부품 1

2019년 노벨 화학상은 리튬 이온 배터리 설계 개발에 수여되었습니다. 노벨위원회의 다른 평결과는 달리, 이것은 놀라운 일이 아니었습니다. 오히려 그 반대였습니다. 리튬 이온 배터리는 스마트폰, 노트북, 휴대용 전동 공구 및 전기 자동차에 전원을 공급합니다. 9명의 과학자 John Goodenough, Stanley Whittingham, Akira Yoshino는 학위, 금메달, XNUMX만 SEK의 분배금을 받았습니다. 

화학 주기의 이전 호에서 수상 이유에 대해 자세히 읽을 수 있으며 기사 자체는 셀 및 배터리 문제에 대한 보다 자세한 발표 발표로 끝났습니다. 약속을 지켜야 할 때입니다.

먼저, 명명 부정확성에 대한 간략한 설명입니다.

링크 이것은 전압을 생성하는 유일한 회로입니다.

배터리 올바르게 연결된 셀로 구성됩니다. 목표는 전압, 커패시턴스(시스템에서 끌어올 수 있는 에너지) 또는 둘 다 증가시키는 것입니다.

축 압기 고갈되었을 때 재충전할 수 있는 셀 또는 배터리입니다. 모든 칩이 이러한 특성을 갖는 것은 아닙니다. 많은 칩이 일회용입니다. 일상적인 연설에서 처음 두 용어는 종종 같은 의미로 사용되지만(이 기사에서도 마찬가지임) 두 용어의 차이점을 알고 있어야 합니다(1).

1. 셀로 구성된 배터리.

배터리는 지난 수십 년 동안 발명되지 않았으며 훨씬 더 긴 역사를 가지고 있습니다. 경험에 대해 이미 들었을 수도 있습니다. 갈바니에고 i 볼트 물리학과 화학에서 전류 사용의 시작을 알린 XNUMX 세기와 XNUMX 세기 초. 그러나 배터리의 역사는 훨씬 더 일찍 시작되었습니다. 아주 오래 전이었습니다 …

... 바그다드에서 오랜 시간

1936년 독일 고고학자 빌헬름 코닉 바그다드 근처에서 기원전 XNUMX세기로 거슬러 올라가는 토기를 발견했는데, 유프라테스 강과 티그리스 강에서 수천 년 동안 문명이 번성했던 점을 감안하면 이 발견은 이례적인 일이 아닙니다.

그러나 용기의 내용물은 불가사의했습니다. 녹슨 동판 두루마리, 쇠막대기, 천연 수지 잔해였습니다. Koenig는 바그다드의 보석상 골목을 방문한 것을 기억할 때까지 유물의 목적에 대해 의아해했습니다. 구리 제품을 귀금속으로 덮기 위해 현지 장인이 비슷한 디자인을 사용했습니다. 그것이 고대 배터리라는 생각은 다른 고고학자들에게 그 당시 전기의 증거가 남아 있지 않다는 것을 확신시키지 못했습니다.

그래서 (그것이 발견이라고 불린 것입니다) 이것은 진짜입니까 아니면 1001 박의 동화입니까? 실험이 결정하게 하십시오.

필요할 것이예요: 동판, 쇠못, 식초(이러한 모든 재료는 고대에 알려져 있고 널리 사용 가능했음에 유의하십시오). 용기를 밀봉하기 위해 수지를 교체하고 단열재로 플라스틱으로 교체하십시오.

비이커나 플라스크에서 실험을 하십시오. 토기 꽃병을 사용하면 테스트에 진정한 풍미를 줄 수 있습니다. 사포를 사용하여 플라크에서 금속 표면을 청소하고 와이어를 부착하십시오.

동판을 롤에 말아 용기에 넣고 롤에 못을 박는다. 플라스틱을 사용하여 판과 못이 서로 닿지 않도록 고정합니다(2). 용기에 식초(약 5% 용액)를 붓고 멀티미터를 사용하여 동판에 연결된 전선 끝과 쇠못 사이의 전압을 측정합니다. DC 전류를 측정하도록 기기를 설정합니다. 어느 극이 "플러스"이고 어떤 것이 전압원의 "마이너스"입니까?

2. 바그다드에서 현대식 배터리 사본 스케치.

미터에 0,5-0,7V가 표시되므로 바그다드 배터리가 작동 중입니다! 시스템의 양극은 구리이고 음극은 철입니다. 유용한 작업을 위해 구축된 사본에서 전기를 얻을 수 있습니까? 예, 하지만 더 많은 모델을 만들고 직렬로 연결하여 전압을 높입니다. LED는 약 3볼트가 필요합니다. 배터리에서 그만큼의 전압을 얻으면 LED가 켜집니다.

바그다드 배터리는 소형 장비에 전원을 공급할 수 있는 능력에 대해 반복적으로 테스트되었습니다. 비슷한 실험이 몇 년 전에 컬트 프로그램 MythBusters의 저자에 의해 수행되었습니다. Mythbusters(아직도 Adam과 Jamie를 기억하십니까?)도 이 구조물이 고대 배터리 역할을 할 수 있다는 결론에 도달했습니다.

전기를 사용한 인류의 모험은 2년 전에 시작되었습니까? 예, 아니오. 예, 그때도 전원 공급 장치 설계가 가능했기 때문입니다. 아니요, 발명이 널리 퍼지지 않았기 때문에 당시와 앞으로 수세기 동안 아무도 필요하지 않았습니다.

연결? 간단 해!

금속판이나 전선, 알루미늄, 철 등의 표면을 철저히 청소하십시오. 서로 닿지 않도록 두 가지 다른 금속 샘플을 육즙이 많은 과일(전기 흐름을 용이하게 함)에 삽입합니다. 과일에서 튀어 나온 전선 끝에 멀티 미터 클램프를 연결하고 그 사이의 전압을 읽습니다. 사용하는 금속(및 과일)의 종류를 변경하고 계속 시도하십시오(3).

3. 과일 세포(알루미늄 및 구리 전극).

모든 경우에 링크가 생성되었습니다. 측정된 전압의 값은 실험에 사용된 금속 및 과일에 따라 다릅니다. 과일 세포를 배터리로 결합하면 소형 전자 장비에 전원을 공급하는 데 사용할 수 있습니다(이 경우 설계에서 얻을 수 있는 소량의 전류가 필요함).

익스트림 과일에서 튀어 나온 전선의 끝을 전선에 연결하고 차례로 LED 끝에 연결하십시오. 배터리 극을 다이오드의 해당 "단자"에 연결하고 전압이 특정 임계 값을 초과하면 다이오드가 켜집니다 (다른 색상의 다이오드는 초기 전압이 다르지만 약 3V이면 충분합니다) ).

똑같이 매력적인 전원은 전자 시계입니다. "과일 배터리"로 오랫동안 작동 할 수 있습니다 (시계 모델에 따라 많이 다름).

야채는 결코 과일보다 열등하지 않으며 야채로 배터리를 만들 수도 있습니다. 왜냐하면? 피클 몇 개와 적절한 양의 구리 및 알루미늄 시트 또는 전선을 준비합니다(강철 못으로 대체할 수 있지만 단일 링크에서 더 낮은 전압을 얻을 수 있습니다). 배터리를 조립하고 뮤직 박스에서 집적 회로에 전원을 공급하는 데 사용할 때 오이 합창단이 노래합니다!

왜 오이? Konstantin Ildefons Galchinsky는 "오이가 노래하지 않고 언제든지 하늘의 뜻으로 볼 수 없다면"이라고 주장했습니다. 화학자는 시인조차도 꿈도 꾸지 못한 일을 할 수 있다는 것이 밝혀졌습니다.

야영지 배터리

비상시 배터리를 직접 설계하고 이를 사용하여 LED에 전원을 공급할 수 있습니다. 사실, 빛은 희미하겠지만 없는 것보다는 낫습니다.

무엇이 필요합니까? 물론 다이오드뿐만 아니라 각얼음 트레이, 구리선, 강철 못 또는 나사(금속은 전기 흐름을 원활하게 하기 위해 표면을 청소해야 함)도 있습니다. 와이어를 조각으로 자르고 조각의 한쪽 끝으로 나사 머리 또는 못을 감습니다. 이런 식으로 여러 개의 강철-구리 레이아웃을 만듭니다(8-10이면 충분함).

곰팡이의 홈에 축축한 흙을 붓습니다 (추가로 소금물을 부어 전기 저항을 줄일 수 있습니다). 이제 구조를 공동에 삽입하십시오. 나사 또는 못이 한 구멍에 들어가고 구리선이 다른 구멍에 들어가야 합니다. 구리와 같은 구멍에 강철이 있도록 다음을 배치하십시오 (금속이 서로 접촉 할 수 없음). 전체는 강철-구리-강철-구리 등의 시리즈를 형성합니다. 첫 번째와 마지막 공동(개별 금속을 포함하는 유일한 공동)이 서로 옆에 놓이도록 요소를 배열합니다.

여기에 절정이 온다.

다이오드의 한쪽 다리를 행의 첫 번째 홈에 삽입하고 다른 쪽 다리를 마지막에 삽입합니다. 빛나고 있습니까?

그렇다면 축하합니다(4)! 그렇지 않은 경우 오류를 찾습니다. LED 다이오드는 기존 전구와 달리 연결 극성이 있어야 합니다(배터리의 "플러스" 금속과 "마이너스" 금속을 알고 계십니까?). 지면과 반대 방향으로 다리를 삽입하면 충분합니다. 고장의 다른 원인은 너무 낮은 전압(최소 3볼트), 개방 회로 또는 단락입니다.

4. "지구 배터리" 작동 중.

첫 번째 경우 구성 요소 수를 늘리십시오. 두 번째에서는 금속 사이의 연결을 확인합니다(금속 주변의 접지도 밀봉). 세 번째 경우에는 구리와 강철의 끝이 지하에서 서로 닿지 않고 젖은 흙이나 모르타르가 인접한 구덩이를 연결하지 않는지 확인하십시오.

"지구 배터리"에 대한 실험은 흥미롭고 거의 아무것도 없는 상태에서 전기를 얻을 수 있음을 증명합니다. 건축된 구조물을 사용할 필요가 없더라도 MacGyver와 같은 기술(아마 선임 기술자만 기억할 것임) 또는 마스터 생존자로 캠핑 참가자에게 항상 깊은 인상을 줄 수 있습니다.

세포는 어떻게 작동합니까?

전도성 용액(전해질)에 담긴 금속(전극)이 충전됩니다. 최소량의 양이온은 용액으로 들어가고 전자는 금속에 남아 있습니다. 얼마나 많은 이온이 용액에 있고 얼마나 많은 초과 전자가 금속에 있는지는 금속의 유형, 용액, 온도 및 기타 여러 요인에 따라 다릅니다. 두 개의 서로 다른 금속을 전해질에 담그면 서로 다른 전자 수로 인해 두 금속 사이에 전압이 발생합니다. 전극을 와이어로 연결할 때 많은 수의 금속 (음극, 즉 셀 양극)의 전자가 적은 수의 금속 (양극-음극)으로 흐르기 시작합니다. 물론 셀 작동 중에는 균형이 유지되어야 합니다. 양극의 금속 양이온이 용액으로 이동하고 음극으로 전달된 전자가 주변 이온과 반응합니다. 전체 회로는 이온 수송을 제공하는 전해질에 의해 닫힙니다. 전도체를 통해 흐르는 전자의 에너지는 유용한 작업에 사용될 수 있습니다.