Astăzi imaginează-ți viața fără dispozitive electrice foarte greu. În plus, despre care vorbim nici măcar despre cel mare aparate electrocasnice, ci despre electrocasnice de dimensiuni mici care fac viața mult mai confortabilă. Ceas de perete, telecomenzi, lanternele și multe alte dispozitive mici cu care suntem atât de obișnuiți sunt alimentate de o baterie portabilă. Pentru a le oferi muncă stabilă, ai nevoie doar cumpara baterii reincarcabile. Dar această sursă de energie a apărut nu cu mult timp în urmă!

Istoria bateriei

Primul pas spre apariția unei baterii a fost făcut de un om de știință din Italia, Luigi Galvani, care a studiat reacțiile organismelor vii la diferite influențe. Esența descoperirii sale a fost că un curent trece prin piciorul unei broaște atunci când două fâșii de diferite tipuri metal Omul de știință nu a putut explica ceea ce a văzut, dar rezultatele muncii sale au fost foarte utile unui alt cercetător, Alessandro Volta.

Acest italian a reușit să dezlege esența procesului și a realizat că apariția curentului este facilitată de o reacție chimică care are loc între diferite metale într-un anumit mediu. Prin plasarea unei plăci de zinc și cupru într-o soluție de sare, el a creat prima baterie de celule primare din lume, pe care, după modificare, a numit-o „Pilonul Volta”. Asta a fost în 1800.

Prima baterie a apărut mult mai târziu - în 1859, când francezul Gaston Plante a repetat experimentul colegului său folosind o soluție slabă de acid sulfuric și două plăci de plumb. Particularitatea acestei baterii a fost că necesita reîncărcare de la o sursă DC, iar apoi ea însăși a dat sarcina rezultată pentru a crea electricitate.

Alte date importante din istoria dezvoltării bateriilor

1865 - Omul de știință francez J.L. Leclanche a dezvoltat o celulă mangan-zinc cu soluție salină.

1880 - F. Lalande a îmbunătățit invenția compatriotului său folosind un electrolit îngroșat.

Anii '40 ai secolului XX - au fost dezvoltate elemente argint-zinc.

Anii 50 ai secolului XX - a apărut un element mangan-zinc cu o soluție alcalină, precum și elemente de mercur-zinc.

Anii 60 ai secolului XX - a început producția de baterii zinc-aer.

Anii 70 ai secolului XX – au fost folosite pentru prima dată surse de litiu actual

Probabil că toți folosim baterii. Sunt de neînlocuit și domeniul lor de aplicare este larg - de la un simplu ceas cu alarmă sau lanternă la un magnetofon. Nimănui nu i-ar fi trecut prin cap să afle cum se întâmplă asta asistent de neînlocuit. Acest articol îi va fi dedicat istoriei originii sale.
La sfârșitul secolului al XVII-lea, prima sursă de curent a fost inventată în mod neașteptat. Acest lucru a fost făcut de omul de știință italian L. Galvani. Inițial, scopul experimentului a fost de a afla despre reacțiile animalelor la stimuli locali. Dar când două benzi de metale diferite au fost atașate de masa musculară a piciorului broaștei, omul de știință a descoperit fluxul de curent între ele. Galvani a explicat incorect acest proces, dar acesta a servit drept bază pentru cercetări ulterioare ale unui alt italian, A. Volta. El a dat o definiție clară a invenției. Impulsul pentru apariția curentului este un reactiv de origine chimică, care implică două metale. Simpla invenție a lui Volta a zincului și cuprului, scufundate într-o soluție de sare, a dovedit acest lucru. Acest designși a devenit prototipul bateriei moderne.

În 1859, omul de știință francez Gaston Plante a efectuat un studiu folosind plăci de plumb ca electrozi, iar acidul sulfuric diluat a fost electrolitul. După conectarea elementului la sursa de alimentare, bateria a fost încărcată. După aceasta, dispozitivul a început să genereze electricitate în sine, dând toată energia cheltuită pentru încărcare. Mai mult, acest lucru s-ar putea face de multe ori. Așa a apărut primul baterie cu plumb, care este încă pentru o lungă perioadă de timp va fi folosit în mașini.

Sursa de alimentare îmbunătățită nu seamănă deloc cu invenția lui Volt, dar principiul de funcționare rămâne același. Bateria este formată dintr-un catod cu un anod și un electrolit, care se află între ele. Electricitatea este generată printr-o reacție redox care are loc între electroliți. Ieșirea curentului și alte proprietăți depind de materialele alese în locul anodului și catodului, de electrolit și de designul în sine. Bateriile sunt împărțite în grupuri primare și secundare. Procesele primare sunt caracterizate de acțiuni chimice ireversibile, în timp ce procesele secundare sunt caracterizate de proprietăți reversibile. Este ușor de ghicit că procesele secundare includ binecunoscuta baterie, care poate fi reîncărcată și refolosită. Procesele primare includ bateria. După ce se așează, poate fi doar aruncat.

Sursa de energie chimică, care a fost inventată de francezul Georges Leclanche în 1866, a devenit prototipul „bateriilor uscate” moderne. Manganul și zincul au fost luați ca electrozi alternativi. Electrolitul a fost o soluție salină.

Capacitatea specifică maximă este principala proprietate în crearea unei baterii. Parametrii fiziciși capacitatea sunt determinate de reacțiile chimice care au loc în interior. În centrul poveștii bateriei se află căutarea nanotehnologiei pentru a-și îmbunătăți funcția și utilizare convenabilă, precum și căutarea dezvoltării de dimensiuni mici.

ÎN momentul prezent Există producție de orice componente ale bateriei, până la cele care au fost folosite peste tot în secolul al XIX-lea.

Tipuri și tipuri de baterii.

• Baterii uscate. Compoziția electrolitului este clorură de zinc, amoniac și dioxid de mangan. În loc de catod, se utilizează carbon electrolit și dioxid de mangan. Zincul este folosit în locul anodului.
• Baterii nichel-cadmiu. Acestea includ un anod de nichel și un catod de cadmiu. Astfel de baterii sunt populare în întreaga lume. Ele pot rezista de la cinci sute la o mie de acuzații.
• Baterii cu plumb. Majoritatea bateriilor sunt fabricate din plumb. Folosit pe scară largă în industria auto.
• Baterii litiu-ion. Litiul este un metal chimic cu acțiune rapidă. Este folosit în tehnologia mobilă. Tensiune de ieșire variază de la un volt și jumătate până la aproape trei și jumătate (mai puțin o zecime).
• Polimer de litiu încărcătoare. Elemente similare sunt folosite în computere. Acestea pot stoca cu 22% mai multă încărcare decât versiunea anterioară.
• Baterii cu litiu disulfură de fier. Tensiunea de ieșire este de jumătate de volți. Dezavantajul este că nu pot fi reîncărcate.

Ai avut vreodată dorința de a strica ceva? Nu, nu din motive de huligan, ci doar cu scopul de a afla „ce este înăuntru”? A fost? Astăzi am avut aceeași dorință. Și eu, bineînțeles, voi încerca să-l folosesc definitiv, pregătind un articol despre structura bateriei. Deci, așa cum ar spune un lector liniștit audienței sale, subiectul lecției noastre de astăzi este Sursele chimice primare de curent. Dar nu suntem la o prelegere, așa că nu vom menține un ton oficial, iar împreună cu acest nume vom folosi și termenul de zi cu zi - baterie.

S-ar părea că în era noastră modernă high-tech, un atribut atât de învechit ca o baterie ar fi trebuit să părăsească scena cu mult timp în urmă. La urma urmei, bateria a fost inventată nu ieri, dar nici mai puțin, cu mai bine de două secole în urmă. Cu toate acestea, invenția savantului italian Alessandro Volta nu numai că nu este uitată, ci este și utilizată în mod activ datorită dezvoltării rapide. dispozitive mobile care necesită o sursă de alimentare independentă. Deci, să încercăm să înțelegem puțin despre aceste baterii și, în același timp, să disecăm un cuplu.

Să începem cu designul. Trebuie remarcat faptul că, în ciuda unei istorii lungi și a unei îmbunătățiri constante, nu au existat modificări fundamentale în designul bateriei. Alessandro Volta a introdus prima sursă de curent continuu în 1800 - mai multe perechi de cercuri formate din două metale diferite, interconectate prin bucăți de pânză înmuiate într-o soluție salină de electrolit. Această invenție a fost numită „Coloana Volta”, iar o unitate a fost numită după inventator tensiune electrică- Volt. Acest design de baterie - doi electrozi plasați într-un mediu electrolit - a supraviețuit până în zilele noastre. Cu toate acestea, varietatea de opțiuni pentru electrozi, electroliți și modele utilizate ne oferă varietatea de baterii care există astăzi.

Dintre varietatea de baterii, cele mai populare sunt sarea (cele mai ieftine și mai abundente baterii) și sursele de alimentare alcaline (alcaline). Alte surse de alimentare sunt mult mai puțin frecvente din cauza costului ridicat, a zonelor specifice de utilizare sau a toxicității.

Indiferent de tipurile de baterii și materiale utilizate, procesele care au loc în interiorul bateriei sunt similare. Acestea sunt procese educaționale energie electricaîn timpul unei reacții chimice. Sursa primară de curent, la fel de mulți ani în urmă, include cel puțin trei componente: anod, catod și electrolit. Anodul (de obicei zinc) servește ca sursă de electroni. Electronii formați în timpul reacției de oxidare se deplasează de-a lungul conductorului spre catod. Pe parcurs, ei fac unele lucrări, cum ar fi aprinderea unui bec sau pornirea unui motor electric. La catod, electronii participă la reacția de reducere inversă. Un electrolit este un mediu pentru transferul fluxurilor de ioni formate în timpul unei reacții chimice. Cercul se închide. Toate reacțiile care apar într-o celulă galvanică (spre deosebire de sursele secundare de curent - baterii) sunt ireversibile. Din acest motiv, bateriile nu pot fi încărcate. În timpul acestor reacții, din componentele incluse în baterii se formează noi substanțe, iar electrozii sunt distruși treptat. În același timp, ei spun că bateria este descărcată.

Toate cele de mai sus pot fi confirmate sau infirmate folosind metoda noastră preferată - experimentală. Prin urmare, consider că partea introductivă, ca să zic așa, teoretică, a articolului s-a terminat și îmi propun să trecem la practică, și anume, dezasamblarea unei celule galvanice industriale și vedea ce este înăuntru.

În aceste scopuri, am construit ceva ca un Dremel dintr-un burghiu mic și o rolă de tăiere dintr-un tăietor de faianță. Dar în această situație ar fi posibil să se folosească un fișier simplu.

Să facem o tăietură de-a lungul perimetrului bateriei în zona polului negativ (mă simt ca un chirurg 🙂) R-r-a-z! iar primele componente ale bateriei din fața noastră sunt electrodul negativ, care este și o sursă de electroni.

Să tăiem bateria pe cealaltă parte și vom vedea materialul electrodului pozitiv. Acesta este dioxidul de mangan. „Acceptă” electroni.

Între electrozi există o inserție impregnată cu alcali - electrolit.

Cum am stabilit că există încă alcali acolo? Aveam niște hârtie indicator universal în vechile mele consumabile. Când această inserție a fost atinsă, hârtia a devenit albastră.

Nu este foarte vizibil în fotografie, așa că voi folosi și un indicator de fenolftaleină - într-un mediu alcalin devine o culoare purpurie intensă.

Asta e tot ce are această baterie. După cum putem vedea, toate componentele (anod, catod, electrolit) sunt de fapt prezente în această celulă galvanică. Pentru a exclude faptul că am dat din greșeală de o baterie care se încadrează în mod clar sub „ schema clasica, hai sa mai deschidem una, una mai mare :)

Să ne uităm sub capac...

Totul este la fel: anod, catod, electrolit.

Doar în în acest caz,Întregul corp de zinc al bateriei acționează ca anod.

Mă întreb dacă bateria va funcționa când este dezasamblată? Cu siguranţă! La urma urmei, am salvat totul componentele necesare pentru functionarea celulei galvanice!

Și chiar și în această stare funcționează!!!

De asemenea, ar fi interesant de văzut cum funcționează bateria Krona. Într-adevăr, spre deosebire de majoritatea celulelor galvanice din factorul de formă „deget”, această baterie produce până la 9 volți. Sigur are un alt aparat! Să ne uităm sub pielea ei...

La prima vedere, totul este cu adevărat diferit!

Dar nu! Se pare că această baterie constă pur și simplu din șase celule galvanice mici de un volt și jumătate, cu un design familiar.

Și, în sfârșit, cel mai mic participant la experimentul nostru. Faceți cunoștință cu bateria tip monedă! Să ne uităm la designul său.

Dar aici este același: doi electrozi și un electrolit.

Gata, nu mai sunt baterii în casă, nu mai e nimic de experimentat. 🙂

Așadar, ce concluzii se pot trage din toată auto-indulgența noastră teoretică și practică?

Ei bine, în primul rând, am aflat că bateria a fost inventată cu destul de mult timp în urmă, când nu existau centre științifice mari, nanotehnologie și alte realizări stiinta modernași tehnologie.

În al doilea rând, am stabilit că o celulă galvanică constă în mod necesar din trei componente - anod, catod și electrolit.

Și în al treilea rând, experimentul nostru a arătat că bateria este un dispozitiv destul de nepretențios. Funcționarea sa nu necesită materiale specifice sau condiții speciale.

Toate acestea permit ce? Corect -! Dar acesta este un articol complet diferit.

Urmărește actualizările blogului Laboratorul tău pe rețele

În acest articol, vom aprofunda în interiorul celui mai comun tip de sursă de alimentare de unică folosință - bateriile alcaline (alcaline) mangan-zinc. Bateriile alcaline au apărut undeva la mijlocul secolului trecut și le-au înlocuit destul de repede pe cele cu sare folosite la acea vreme pentru că, deși erau mai scumpe, asigurau o producție de energie aproape cu un ordin de mărime mai mare.

Orice sursă de curent chimic conține trei componente obligatorii - doi electrozi din care este îndepărtată tensiunea și mediu agresiv- electrolit. Pentru a economisi spațiu și pentru a crește simultan suprafața de interacțiune, unul dintre electrozi este de obicei realizat sub formă de pulbere. Într-o baterie alcalină, acesta este anodul - electrodul negativ - făcut din pulbere de zinc. Ca electrolit se folosesc soluții concentrate de alcali de potasiu sau sodiu (KOH, NaOH) cu aditivi ZnO. Uneori rolul electrolitului este îndeplinit de alcalii de litiu - LiOH. Pentru a preveni scurgerea electrolitului, fiind în esență un lichid, din baterie, acesta este îngroșat cu compuși polimerici naturali sau sintetici.

Când anodul reacționează cu alcalii, corpul de zinc se dizolvă treptat în el. La începutul procesului de descărcare, are loc oxidarea zincului cu formarea zincatului ZnO 2 2 - (sau Zn(OH) 4 2 -). După ce soluția de electrolit este saturată cu zincat, începe procesul secundar:

Zn + 2OH- †’ Zn(OH)2 + 2е- (Ulterior, hidroxidul de zinc se descompune în ZnO și H2O)

În acest caz, în apropierea anodului de zinc pulbere se formează o regiune cu un conținut în exces de electroni încărcați negativ. În a doua etapă, echilibrul are loc în mediul electrolitic în procesele de eliberare și absorbție a ionilor OH-, iar alcaliul nu este consumat. Ca urmare a cantității mici de electrolit, care umple doar porii electrozilor și spațiul interelectrod, este suficient pentru foarte muncă îndelungată baterie. Pentru a elimina excesul de încărcare rezultat din zona anodului, un conductor de alamă (6) situat în partea de jos a bateriei este plasat în interior, iar pentru a încetini procesul de coroziune a zincului, se adaugă un inhibitor - un retardator de coroziune - anodului. masa.

1-catod, 2-separator cu electrolit, 3-carcasă, 4-case, 5-conductor, 6-anod, 7-fund, 8-garnitură

Rolul electrodului pozitiv este îndeplinit de dioxid de mangan pulbere MnO 2 amestecat cu pulbere de carbon (pentru creșterea conductibilității electrice), electrolit și agent de îngroșare. Pasta rezultată este presată pe suprafața interioară a carcasei bateriei din oțel nichelat. Când bateria este descărcată, dioxidul de mangan este redus la metahidroxid de mangan - MnOOH. Acest proces este necesar pentru a elimina excesul de ioni OH din electrolit, dar rezultatul său este învelirea treptată a granulelor de dioxid de mangan cu metahidroxid, ceea ce implică încetarea prematură a duratei de viață a bateriei. Pentru a preveni amestecarea pastelor, între ele este așezat un material nețesut subțire impregnat cu electrolit.

Cunoscând principiul funcționării bateriei, puteți înțelege de ce funcționează metoda șamanică de extindere a serviciului lor. Mulți oameni știu secretul că o baterie descărcată poate fi reînviată pentru scurt timp, lovindu-l pe o suprafață tare. În acest caz, granulele de dioxid de mangan se despart și contactul este restabilit. Și există o modalitate și mai barbară - de a străpunge carcasa bateriei cu un cui și de a scufunda carcasa (nu complet) pentru scurt timp în apă. Ca urmare, apa va dilua oarecum electrolitul și îi va fi mai ușor să pătrundă în granulele de mangan.

Ei bine, în cele din urmă, voi observa că numele obișnuit de zi cu zi „baterie” pentru dispozitivul descris mai sus este, în general, incorect. Ar fi mai corect să spunem „celulă galvanică” sau „celula bateriei”. Pentru „baterie electrică”, „ baterie„ este un dispozitiv care este un lanț de elemente conectate în serie. La fel ca în artilerie, o baterie este formată din mai multe echipaje de tunuri, iar o baterie de încălzire este formată din mai multe secțiuni. Cu toate acestea, acest nume a devenit atât de lipit de tot felul de „mici”. deget”, „deget”, etc. „baterii” care s-au contopit cu ele.

Fizica este potrivită pentru toate vârstele

Printre adepţii celebrului anatomist bolognez (citiți despre cercetările lui Luigi Galvani a fost un fizician atent, profesor la Universitatea din Tessin din Italia Alessandro Volta, care a observat un detaliu minor al experimentelor cu „electricitate animală”, căruia Galvani însuși nu a acordat atenție: atunci când firele din metale diferite au fost conectate la broască, contracțiile musculare au devenit mai puternice.

Volta a decis că două metale separate de un corp care conține multă apă, un bun conductor curent electric(o broască, fără îndoială, poate fi clasificată ca un astfel de corp), dă naștere pe al său forta electrica. O presupunere îndrăzneață și neașteptată!

Volta a condus experimentul decisiv... asupra sa. „Plez capătul unei frunze de tablă pe globul ocular, iau o monedă de argint sau o lingură în gură și apoi pun în contact ambele plăci cu ajutorul a două puncte de metal”, a descris Volta experimentul său fizic inițial a fi suficient pentru a obține imediat sau de fiecare dată modul în care se face contactul, pentru a obține aspectul luminii sau a fulgerului trecător în ochi.”

Fulgerări de percepție au luminat gândurile ulterioare ale lui Volta și, în cele din urmă, la 20 martie 1800, într-o scrisoare către Sir Joseph Banks, președintele Societății Regale din Londra, Volta avea să povestească în detaliu despre noua sursă de electricitate pe care a inventat-o: „ ... Am luat câteva zeci de plăci rotunde de cupru, sau chiar mai bine, argintii cu diametrul de aproximativ un inch și același număr de plăci de tablă sau mai bune de zinc. Apoi, dintr-un material poros care poate absorbi și reține multă umezeală (carton, piele), am decupat un număr suficient de cercuri. Am aranjat toate aceste plăci în așa fel încât metalele să fie întotdeauna suprapuse unele peste altele în aceeași ordine și încât fiecare pereche de plăci să fie separată de următoarea printr-un cerc umed de carton sau piele..."

A. Volta în laborator și o fotografie a unuia dintre „stâlpii voltaici” pe care i-a inventat, prima baterie electrochimică din lume.

Bateriile electrochimice, care la început au fost numite „stâlpi voltaici”, și-au început marșul victorios spre glob. Din laboratoarele oamenilor de știință au pătruns acum peste tot, călătorind în cele mai îndepărtate colțuri ale pământului - la urma urmei, radiourile portabile convenabile, casetofonele, televizoarele funcționează în locuri unde nu există familiaritate. priza electrica din rețeaua electrică centrală, datorită bateriilor electrochimice mici și încăpătoare, iar mașinile au pornit, primind un impuls puternic de curent electric de la o baterie electrochimică mare de pornire.

După ce a strâns un număr suficient de monede din diferite aliaje și cercuri de carton, fiecare școlar poate acum să creeze o sursă de curent conform rețetei lui Volta.

În decembrie 1801, Alessandro Volta, după un raport adresat Academiei Franceze de Științe, a primit din mâinile lui Napoleon cel Mare Medalie de Aur, acordată pentru realizări remarcabile în știință. Volta are 56 de ani în acest moment, iar cu soarta lui respinge opinia stabilită că descoperirile în fizică se fac abia înainte de 30 de ani...

Napoleon și-a amintit mereu de Volta, aparent având nu numai un respect profund pentru el, ci și afecțiune din inimă. Când descoperitorul unei noi surse de energie electrică a vrut să părăsească departamentul universitar, Napoleon a spus: „... un general bun trebuie să moară pe câmpul de onoare” - și l-a rugat pe Volta să-i spună că, dacă predarea îi distrage atenția de la munca de cercetare, apoi „...dacă vrea, lasă-l să țină o prelegere pe an.” Volta a rămas la universitate.

Efect termoelectric

Douăzeci de ani mai târziu, a fost inventată o altă sursă de curent - termoelectrică. Sa dovedit că prin încălzirea mâinilor cu căldură, o flacără de lumânare sau lampă cu kerosen Prin lipirea a două fire din metale diferite, puteți „înlătura” un semnal electric vizibil de la celelalte capete libere ale firelor.

Fizicienii au putut explica pe deplin cauza efectului termoelectric abia în anii treizeci ai secolului nostru. Electronii liberi dintr-unul dintre fire se deplasează mai repede la capătul rece sub influența căldurii decât în ​​celălalt! Diferența dintre numărul de electroni face să apară o tensiune electrică între cele două fire. Dacă sunt conectate la un extern circuit electric, apoi un curent electric va curge în el - numărul de electroni din toate părțile circuitului va începe să se egalizeze...

„Nepoții” stâlpilor Volta - baterii moderne comode, mici, ușoare au intrat ferm în viața noastră. Această fată drăguță crede că o jucărie spartă poate fi readusă la viață dacă îi pui o baterie în gură.

Fenomenul descris poate fi comparat cu o cascadă de munte, cu scăderea apei în ecluzele râului, cu funcționarea unei centrale hidroelectrice: am cheltuit energie ridicând apa în sus, dar apa o eliberează pe măsură ce cade în jos.

Odată cu inventarea fiecărei surse noi de curent, oamenii de știință care au studiat electricitatea nu au putut doar să simplifice și să-și îmbunătățească experimente de laborator. Ei au descoperit cu interes că electricitatea misterioasă apare sub influența unor forțe complet diferite, cum ar fi căldura sau reacții chimice încă necunoscute la granița dintre metale și apă în „coloanele voltaice”. Doar pătrunderea în structura materiei, în natura atomică și moleculară a materiei, a făcut posibilă înțelegerea a ceea ce unește aceste fenomene aparent diferite.

Apropo, Volta însuși a numit cu modestie invenția sa „organ electric artificial” și a propus să numească bateriile electrochimice „celule galvanice” în onoarea lui Galvani. Volta a dat un exemplu demn de imitat pentru numeroșii săi descendenți în știință. Și nu de aceea cuvintele sunt încă folosite atât de des: celule galvanice, care au fost de mult scrise fără ghilimele...