Batteriewelt - Teil 1

Der Nobelpreis für Chemie 2019 wurde für die Entwicklung des Designs von Lithium-Ionen-Batterien verliehen. Im Gegensatz zu einigen anderen Urteilen des Nobelkomitees war dieses nicht überraschend – ganz im Gegenteil. Lithium-Ionen-Akkus versorgen Smartphones, Laptops, tragbare Elektrowerkzeuge und sogar Elektroautos mit Strom. Drei Wissenschaftler, John Goodenough, Stanley Whittingham und Akira Yoshino, erhielten verdientermaßen Diplome, Goldmedaillen und 9 Millionen SEK zur Verteilung. 

Mehr zur Begründung der Auszeichnung können Sie in der vorherigen Ausgabe unseres Chemiezyklus nachlesen – und der Artikel selbst endete mit der Ankündigung einer ausführlicheren Darstellung des Themas Zellen und Batterien. Es ist Zeit, Ihr Versprechen zu halten.

Zunächst eine kurze Erläuterung der Namensungenauigkeiten.

Link Dies ist der einzige Stromkreis, der Spannung erzeugt.

Batterie besteht aus korrekt verbundenen Zellen. Das Ziel besteht darin, die Spannung, die Kapazität (die Energie, die dem System entnommen werden kann) oder beides zu erhöhen.

Akkumulator Dabei handelt es sich um eine Zelle oder Batterie, die wieder aufgeladen werden kann, wenn sie leer ist. Nicht jeder Chip verfügt über diese Eigenschaften – viele sind Einwegchips. In der Alltagssprache werden die ersten beiden Begriffe häufig synonym verwendet (dies wird auch in diesem Artikel der Fall sein), man muss sich jedoch des Unterschieds zwischen ihnen bewusst sein (1).

1. Batterien bestehend aus Zellen.

Batterien wurden nicht erst in den letzten Jahrzehnten erfunden, sie haben eine viel längere Geschichte. Möglicherweise haben Sie bereits von der Erfahrung gehört Galvaniego i Volt an der Wende vom XNUMX. zum XNUMX. Jahrhundert und markierte den Beginn der Verwendung von elektrischem Strom in der Physik und Chemie. Die Geschichte der Batterie begann jedoch noch früher. Es war vor langer Zeit …

...lange Zeit in Bagdad

1936 ein deutscher Archäologe Wilhelm König fanden in der Nähe von Bagdad ein Tongefäß aus dem XNUMX. Jahrhundert v. Chr. Der Fund schien nicht ungewöhnlich, wenn man bedenkt, dass die Zivilisation an Euphrat und Tigris über Jahrtausende hinweg blühte.

Der Inhalt des Gefäßes war jedoch rätselhaft: eine verrostete Kupferblechrolle, ein Eisenstab und Reste von Naturharz. Koenig rätselte über den Zweck des Artefakts, bis ihm ein Besuch in der Jewelers Alley in Bagdad einfiel. Lokale Handwerker verwendeten ähnliche Designs, um Kupferprodukte mit Edelmetallen zu beschichten. Die Idee, dass es sich um eine antike Batterie handelte, überzeugte andere Archäologen nicht, da es zu dieser Zeit keine Hinweise auf Elektrizität gab.

Handelt es sich also (so hieß der Fund) um ein echtes Ding oder um ein Märchen aus 1001 Nacht? Lassen Sie das Experiment entscheiden.

Sie benötigen: Kupferplatte, Eisennagel und Essig (beachten Sie, dass alle diese Materialien in der Antike bekannt und weit verbreitet waren). Ersetzen Sie das Harz, um das Gefäß abzudichten, und ersetzen Sie es durch Plastilin als Isolierung.

Führen Sie das Experiment in einem Becherglas oder einer Flasche durch, obwohl die Verwendung einer Tonvase dem Test einen authentischen Geschmack verleiht. Reinigen Sie die Metalloberflächen mit Schleifpapier von Ablagerungen und befestigen Sie die Drähte daran.

Rollen Sie die Kupferplatte auf, legen Sie sie in das Gefäß und stecken Sie den Nagel in die Rolle. Fixieren Sie Platte und Nagel mit Plastilin so, dass sie sich nicht berühren (2). Gießen Sie Essig (ca. 5 %ige Lösung) in das Gefäß und messen Sie mit einem Multimeter die Spannung zwischen den Enden der Drähte, die mit der Kupferplatte und dem Eisennagel verbunden sind. Richten Sie das Messgerät für die Messung von Gleichstrom ein. Welcher Pol ist „Plus“ und welcher „Minus“ der Spannungsquelle?

2. Skizze einer modernen Kopie einer Batterie aus Bagdad.

Das Messgerät zeigt 0,5-0,7 V an, die Bagdad-Batterie funktioniert also! Bitte beachten Sie, dass der positive Pol des Systems aus Kupfer und der negative Pol aus Eisen besteht (das Messgerät zeigt nur bei einer Option zum Anschließen von Drähten an Klemmen einen positiven Spannungswert an). Ist es möglich, Strom aus der gebauten Kopie für nützliche Arbeiten zu bekommen? Ja, aber stellen Sie einige weitere Modelle her und schalten Sie sie in Reihe, um die Spannung zu erhöhen. Die LED benötigt etwa 3 Volt - wenn Sie so viel aus Ihrer Batterie herausholen, leuchtet die LED.

Die Bagdad-Batterie wurde wiederholt auf ihre Fähigkeit getestet, kleine Geräte mit Strom zu versorgen. Ein ähnliches Experiment führten die Autoren der Kultsendung „MythBusters“ vor einigen Jahren durch. Mythbusters (erinnern Sie sich noch an Adam und Jamie?) kamen außerdem zu dem Schluss, dass die Struktur als antike Batterie dienen könnte.

Begann also das Abenteuer der Menschheit mit Elektrizität vor über 2 Jahren? Ja und nein. Ja, denn schon damals war es möglich, Netzteile zu entwerfen. Nein, denn die Erfindung fand keine weite Verbreitung – niemand brauchte sie damals und für viele Jahrhunderte danach.

Verbindung? Das ist einfach!

Reinigen Sie die Oberflächen von Metallplatten oder -drähten, Aluminium, Eisen usw. gründlich. Führen Sie Proben zweier verschiedener Metalle in die saftige Frucht ein (was den Stromfluss erleichtert), sodass sie sich nicht berühren. Verbinden Sie die Multimeterklemmen mit den Enden der Drähte, die aus der Frucht herausragen, und lesen Sie die Spannung zwischen ihnen ab. Variieren Sie die Arten der verwendeten Metalle (sowie die Früchte) und probieren Sie es weiter (3).

3. Fruchtzelle (Aluminium- und Kupferelektroden).

In allen Fällen wurden Links erstellt. Die gemessenen Spannungen variieren je nach den für das Experiment verwendeten Metallen und Früchten. Durch die Kombination von Fruchtzellen zu einer Batterie können Sie damit kleine elektronische Geräte mit Strom versorgen (in diesem Fall ist ein kleiner Strom erforderlich, den Sie aus Ihrem Design erhalten können).

Verbinden Sie die Enden der Drähte, die aus den äußersten Früchten herausragen, mit den Drähten und diese wiederum mit den Enden der LED. Sobald Sie die Batteriepole mit den entsprechenden „Anschlüssen“ der Diode verbunden haben und die Spannung einen bestimmten Schwellenwert überschritten hat, leuchtet die Diode auf (verschiedenfarbige Dioden haben unterschiedliche Startspannungen, etwa 3 Volt sollten jedoch ausreichen).

Eine ebenso attraktive Energiequelle ist eine elektronische Uhr – sie kann lange Zeit mit einer „Fruchtbatterie“ betrieben werden (obwohl vieles vom Modell der Uhr abhängt).

Gemüse steht Früchten in nichts nach und ermöglicht auch den Aufbau einer Batterie daraus. Als? Nehmen Sie einige Essiggurken und eine angemessene Menge Kupfer- und Aluminiumbleche oder -drähte (Stahlnägel können diese ersetzen, aber Sie erhalten über eine Verbindung eine geringere Spannung). Bauen Sie die Batterie zusammen und wenn Sie damit den integrierten Schaltkreis über die Spieluhr mit Strom versorgen, wird der Gurkenchor singen!

Warum Gurken? Konstantin Ildefons Galchinsky argumentierte: „Wenn eine Gurke zu keiner Zeit singt, kann sie nach dem Willen des Himmels wahrscheinlich nicht sehen.“ Es stellt sich heraus, dass ein Chemiker Dinge tun kann, von denen selbst Dichter nie geträumt hätten.

Biwakbatterie

Im Notfall können Sie eine eigene Batterie bauen und damit die LED mit Strom versorgen. Das Licht wird zwar schwach sein, aber es ist besser als kein Licht.

Was werden Sie brauchen? Natürlich eine Diode, aber auch eine Eiswürfelschale, Kupferdraht und Stahlnägel oder -schrauben (Metalle müssen eine saubere Oberfläche haben, um den Stromfluss zu erleichtern). Schneiden Sie den Draht in Stücke und wickeln Sie ein Ende des Fragments um den Kopf einer Schraube oder eines Nagels. Erstellen Sie auf diese Weise mehrere Stahl-Kupfer-Layouts (8–10 sollten ausreichen).

Füllen Sie die Aussparungen in der Form mit feuchter Erde (Sie können zusätzlich Salzwasser hinzufügen, was den elektrischen Widerstand verringert). Setzen Sie nun Ihre Struktur in den Hohlraum ein: Die Schraube oder der Nagel sollte in ein Loch passen und der Kupferdraht in das andere. Platzieren Sie die nächsten so, dass sich Stahl und Kupfer im gleichen Hohlraum befinden (die Metalle können nicht miteinander in Kontakt kommen). Das Ganze bildet eine Reihe: Stahl-Kupfer-Stahl-Kupfer usw. Ordnen Sie die Elemente so an, dass der erste und der letzte Hohlraum (der einzige, der einzelne Metalle enthält) nebeneinander liegen.

Hier kommt der Höhepunkt.

Stecken Sie einen Schenkel der Diode in die erste Aussparung der Reihe und den anderen Schenkel in die letzte. Glänzt es?

Wenn ja, herzlichen Glückwunsch (4)! Wenn nicht, suchen Sie nach Fehlern. Eine LED-Diode muss im Gegensatz zu einer normalen Glühbirne eine Anschlusspolarität haben (wissen Sie, welches Metall das „Plus“ und welches das „Minus“ der Batterie ist?). Es reicht aus, die Füße entgegengesetzt zum Boden einzusetzen. Weitere Fehlerursachen sind eine zu niedrige Spannung (mindestens 3 Volt), ein offener Stromkreis oder ein Kurzschluss im Stromkreis.

4. „Erdungsbatterie“ in Betrieb.

Erhöhen Sie im ersten Fall die Anzahl der Komponenten. Überprüfen Sie im zweiten Schritt die Verbindung zwischen den Metallen (verdichten Sie auch den Boden um sie herum). Stellen Sie im dritten Fall sicher, dass sich die Enden von Kupfer und Stahl unter der Erde nicht berühren und dass der Boden oder die Lösung, mit der Sie es benetzen, benachbarte Löcher nicht verbindet.

Das Experiment mit der „Erdbatterie“ ist interessant und beweist, dass Strom praktisch „aus dem Nichts“ gewonnen werden kann. Auch wenn Sie keine gebaute Struktur verwenden müssen, können Sie die Camper immer mit Ihren MacGyver-ähnlichen (wahrscheinlich erinnern sich nur ältere Techniker) oder Survival Master-ähnlichen Fähigkeiten beeindrucken.

Wie funktionieren Zellen?

Ein in eine leitfähige Lösung (Elektrolyt) getauchtes Metall (Elektrode) wird daraus aufgeladen. Die minimale Menge an Kationen geht in Lösung, während Elektronen im Metall verbleiben. Wie viele Ionen in Lösung sind und wie viele überschüssige Elektronen im Metall sind, hängt von der Art des Metalls, der Lösung, der Temperatur und vielen anderen Faktoren ab. Taucht man zwei unterschiedliche Metalle in einen Elektrolyten ein, entsteht zwischen ihnen aufgrund der unterschiedlichen Elektronenzahl eine Spannung. Wenn die Elektroden mit einem Draht verbunden werden, beginnen Elektronen von einem Metall mit einer großen Anzahl von ihnen (negative Elektrode, dh Zellenanode) in ein Metall mit einer geringeren Anzahl von ihnen (positive Elektrode - Kathode) zu fließen. Natürlich muss während des Betriebs der Zelle ein Gleichgewicht aufrechterhalten werden: Metallkationen von der Anode gehen in Lösung und die an die Kathode abgegebenen Elektronen reagieren mit den umgebenden Ionen. Der gesamte Kreislauf wird durch einen Elektrolyten geschlossen, der für den Ionentransport sorgt. Die Energie von Elektronen, die durch einen Leiter fließen, kann für nützliche Arbeit verwendet werden.