Le monde de la batterie - partie 1
Le prix Nobel de chimie 2019 a été décerné pour le développement de la conception de batteries lithium-ion. Contrairement à certains des autres verdicts du Comité Nobel, celui-ci n'a pas surpris, bien au contraire. Les batteries lithium-ion alimentent les smartphones, les ordinateurs portables, les outils électriques portables et même les voitures électriques. Trois scientifiques, John Goodenough, Stanley Whittingham et Akira Yoshino, ont reçu à juste titre des diplômes, des médailles d'or et 9 millions de SEK pour la distribution.
Vous pouvez en savoir plus sur la justification de ce prix dans un précédent numéro de notre cycle de chimie - et l'article lui-même s'est terminé par l'annonce d'une présentation plus détaillée de la question des piles et batteries. Il est temps de tenir votre promesse.
Tout d'abord, une brève explication des inexactitudes de dénomination.
Lien c'est le seul circuit qui génère de la tension.
Batterie se compose de cellules correctement connectées. L'objectif est d'augmenter la tension, la capacité (l'énergie qui peut être tirée du système) ou les deux.
accumulateur c'est une pile ou une batterie qui peut être rechargée lorsqu'elle est épuisée. Toutes les puces n'ont pas ces propriétés - beaucoup sont jetables. Dans le langage courant, les deux premiers termes sont souvent utilisés de manière interchangeable (ce sera également le cas dans l'article), mais il faut être conscient de la différence entre eux (1).
1. Batteries constituées de cellules.
Les batteries n'ont pas été inventées au cours des dernières décennies, elles ont une histoire beaucoup plus longue. Vous avez peut-être déjà entendu parler de l'expérience Galvaniego i Volt au tournant des XNUMXe et XNUMXe siècles, qui marquent le début de l'utilisation du courant électrique en physique et en chimie. Cependant, l'histoire de la batterie a commencé encore plus tôt. C'était il y a très longtemps …
... longtemps à Bagdad
En 1936, un archéologue allemand Guillaume Koenig a trouvé un récipient en terre cuite près de Bagdad datant du IIIe siècle avant J.-C. La découverte ne semblait pas inhabituelle, étant donné que la civilisation de l'Euphrate et du Tigre a prospéré pendant des milliers d'années.
Cependant, le contenu du récipient était mystérieux : un rouleau de tôle de cuivre rouillé, une tige de fer et des restes de résine naturelle. Koenig était perplexe sur le but de l'artefact jusqu'à ce qu'il se souvienne d'avoir visité l'allée des bijoutiers à Bagdad. Des conceptions similaires ont été utilisées par les artisans locaux pour recouvrir les produits en cuivre de métaux précieux. L'idée qu'il s'agissait d'une ancienne batterie n'a pas convaincu les autres archéologues qu'aucune preuve d'électricité n'avait survécu à cette époque.
Alors (c'est comme ça que la trouvaille s'appelait) est-ce une vraie chose ou un conte de fées des 1001 nuits ? Laissez l'expérience décider.
Vous aurez besoin de: plaque de cuivre, clou de fer et vinaigre (à noter que tous ces matériaux étaient connus et largement disponibles dans l'antiquité). Remplacez la résine pour sceller le récipient et remplacez-la par de la pâte à modeler comme isolant.
Faites l'expérience dans un bécher ou une fiole, bien que l'utilisation d'un vase en terre donne au test une saveur authentique. À l'aide de papier de verre, nettoyez les surfaces métalliques de la plaque et fixez-y des fils.
Roulez la plaque de cuivre en un rouleau et placez-la dans le récipient, puis insérez le clou dans le rouleau. À l'aide de pâte à modeler, fixez la plaque et le clou afin qu'ils ne se touchent pas (2). Versez du vinaigre (solution à environ 5%) dans le récipient et, à l'aide d'un multimètre, mesurez la tension entre les extrémités des fils connectés à la plaque de cuivre et le clou de fer. Réglez l'instrument pour mesurer le courant continu. Lequel des pôles est le "plus" et lequel est le "moins" de la source de tension ?
2. Esquisse d'une copie moderne de la batterie de Bagdad.
Le compteur indique 0,5-0,7 V, donc la batterie de Bagdad fonctionne ! Veuillez noter que le pôle positif du système est en cuivre et que le pôle négatif est en fer (le compteur affiche une valeur de tension positive dans une seule option pour connecter les fils aux bornes). Est-il possible d'obtenir de l'électricité à partir de la copie construite pour un travail utile? Oui, mais fabriquez d'autres modèles et connectez-les en série pour augmenter la tension. La LED a besoin d'environ 3 volts - si vous obtenez autant de votre batterie, la LED s'allumera.
La batterie de Bagdad a été testée à plusieurs reprises pour sa capacité à alimenter des équipements de petite taille. Une expérience similaire a été menée il y a quelques années par les auteurs du programme culte MythBusters. Mythbusters (vous souvenez-vous encore d'Adam et Jamie ?) est également arrivé à la conclusion que la structure pourrait servir d'ancienne batterie.
Alors, l'aventure de l'humanité avec l'électricité a-t-elle commencé il y a plus de 2 ans ? Oui et non. Oui, car même alors, il était possible de concevoir des alimentations. Non, car l'invention ne s'est pas généralisée - personne n'en avait besoin alors et pendant de nombreux siècles à venir.
Lien? C'est simple!
Nettoyez soigneusement les surfaces des plaques ou fils métalliques, aluminium, fer, etc. Insérez des échantillons de deux métaux différents dans un fruit juteux (ce qui facilitera la circulation de l'électricité) afin qu'ils ne se touchent pas. Connectez les pinces multimètre aux extrémités des fils qui sortent du fruit et lisez la tension entre eux. Changez les types de métaux utilisés (ainsi que les fruits) et continuez d'essayer (3).
3. Cellule de fruits (électrodes en aluminium et cuivre).
Dans tous les cas, des liens ont été créés. Les valeurs des tensions mesurées diffèrent selon les métaux et les fruits prélevés pour l'expérience. Combiner des cellules de fruits dans une batterie vous permettra de l'utiliser pour alimenter de petits équipements électroniques (dans ce cas, cela nécessite une petite quantité de courant, que vous pouvez obtenir à partir de votre conception).
Connectez les extrémités des fils sortant des fruits extrêmes aux fils, et ceux-ci, à leur tour, aux extrémités de la LED. Dès que vous avez connecté les pôles de la batterie aux "bornes" correspondantes de la diode et que la tension a dépassé un certain seuil, la diode s'allume (des diodes de couleurs différentes ont une tension initiale différente, mais environ 3 volts devraient suffire ).
Une source d'alimentation tout aussi attrayante est une montre électronique - elle peut fonctionner sur une «batterie de fruits» pendant une longue période (bien que cela dépende beaucoup du modèle de la montre).
Les légumes ne sont en aucun cas inférieurs aux fruits et vous permettent également d'en faire une batterie. Comme? Prenez quelques cornichons et une quantité appropriée de feuilles ou de fils de cuivre et d'aluminium (vous pouvez les remplacer par des clous en acier, mais vous obtiendrez une tension plus faible à partir d'un seul lien). Assemblez la batterie et lorsque vous l'utiliserez pour alimenter le circuit intégré de la boîte à musique, le chœur de concombre chantera !
Pourquoi les concombres ? Konstantin Ildefons Galchinsky a fait valoir que: "Si le concombre ne chante pas et à tout moment, il ne peut probablement pas voir par la volonté du ciel." Il s'avère qu'un chimiste peut faire des choses dont même les poètes n'ont pas rêvé.
Batterie Bivakov
En cas d'urgence, vous pouvez concevoir vous-même une batterie et l'utiliser pour alimenter une LED. Certes, la lumière sera faible, mais c'est mieux que rien.
De quoi aurez-vous besoin ? Une diode, bien sûr, et en plus, un moule à glaçons, du fil de cuivre, des clous ou des vis en acier (les métaux doivent avoir leurs surfaces nettoyées pour faciliter la circulation de l'électricité). Coupez le fil en morceaux et enveloppez la tête de la vis ou du clou avec une extrémité du fragment. Réalisez ainsi plusieurs agencements acier-cuivre (8-10 devraient suffire).
Versez de la terre humide dans les cavités du moule (vous pouvez également saupoudrer d'eau salée, ce qui réduira la résistance électrique). Insérez maintenant votre structure dans la cavité : la vis ou le clou doit passer dans un trou, et le fil de cuivre dans l'autre. Placez les suivants de manière à ce qu'il y ait de l'acier dans la même cavité avec du cuivre (les métaux ne pourraient pas entrer en contact les uns avec les autres). L'ensemble forme une série : acier-cuivre-acier-cuivre, etc. Disposez les éléments de manière à ce que la première et la dernière cavités (les seules contenant des métaux individuels) soient côte à côte.
Voici le point culminant.
Insérez une jambe de la diode dans le premier évidement de la rangée et l'autre jambe dans la dernière. Est-ce que ça brille ?
Si oui, félicitations (4) ! Sinon, recherchez les erreurs. Une diode LED, contrairement à une ampoule classique, doit avoir une connexion de polarité (savez-vous quel métal est le « plus » et quel est le « moins » de la pile ?). Il suffit d'insérer les jambes dans le sens opposé au sol. Les autres causes de panne sont une tension trop basse (minimum 3 volts), un circuit ouvert ou un court-circuit.
4. "Batterie de terre" en fonctionnement.
Dans le premier cas, augmentez le nombre de composants. Dans le second, vérifiez la connexion entre les métaux (scellez également le sol autour d'eux). Dans le troisième cas, assurez-vous que les extrémités du cuivre et de l'acier ne se touchent pas sous terre et que le sol ou le mortier avec lequel vous l'avez mouillé ne relie pas les fosses adjacentes.
L'expérience de la "pile terrestre" est intéressante et prouve que l'électricité peut être obtenue à partir de presque rien. Même si vous n'êtes pas obligé d'utiliser une structure construite, vous pouvez toujours impressionner les vacanciers avec vos compétences de type MacGyver (probablement uniquement mémorisées par les techniciens supérieurs) ou votre maître de la survie.
Comment fonctionnent les cellules ?
Un métal (électrode) immergé dans une solution conductrice (électrolyte) en est chargé. La quantité minimale de cations passe en solution, tandis que les électrons restent dans le métal. Le nombre d'ions en solution et le nombre d'électrons en excès dans le métal dépendent du type de métal, de la solution, de la température et de nombreux autres facteurs. Si deux métaux différents sont immergés dans un électrolyte, une tension apparaîtra entre eux en raison du nombre différent d'électrons. Lors de la connexion des électrodes avec un fil, les électrons d'un métal avec un grand nombre d'entre eux (électrode négative, c'est-à-dire anode de cellule) commenceront à s'écouler dans un métal avec un plus petit nombre d'entre eux (électrode positive - cathode). Bien entendu, lors du fonctionnement de la cellule, un équilibre doit être maintenu : les cations métalliques de l'anode passent en solution, et les électrons délivrés à la cathode réagissent avec les ions environnants. L'ensemble du circuit est fermé par un électrolyte qui assure le transport des ions. L'énergie des électrons traversant un conducteur peut être utilisée pour un travail utile.
