แบตเตอรี่ทำงานอย่างไร?

แบตเตอรี่มีอยู่ทั่วไป โลกสมัยใหม่ขึ้นอยู่กับแหล่งพลังงานแบบพกพาเหล่านี้ซึ่งพบได้ในทุกสิ่งตั้งแต่อุปกรณ์มือถือไปจนถึงเครื่องช่วยฟังไปจนถึงรถยนต์

แต่ถึงแม้จะมีความชุกในชีวิตประจำวันของผู้คน แต่แบตเตอรี่ก็มักจะมองข้าม ลองคิดดูสิ: คุณรู้หรือไม่ว่าแบตเตอรี่ทำงานอย่างไร? คุณช่วยอธิบายให้คนอื่นฟังได้ไหม

นี่คือบทสรุปของวิทยาศาสตร์ที่อยู่เบื้องหลังแหล่งพลังงานเปิดเครื่องสมาร์ทโฟนรถยนต์ไฟฟ้าเครื่องกระตุ้นหัวใจและอื่น ๆ อีกมากมาย -แบบทดสอบ: รถยนต์ไฟฟ้ากับก๊าซ-

กายวิภาคของแบตเตอรี่

แบตเตอรี่ส่วนใหญ่มีสามส่วนพื้นฐาน: อิเล็กโทรดอิเล็กโทรไลต์และตัวคั่นตาม Ann Marie Sastry ผู้ร่วมก่อตั้งและซีอีโอของSakti3การเริ่มต้นเทคโนโลยีแบตเตอรี่ที่ใช้ในรัฐมิชิแกน

มีอิเล็กโทรดสองตัวในทุกแบตเตอรี่ ทั้งสองทำจากวัสดุนำไฟฟ้า แต่ให้บริการบทบาทที่แตกต่างกัน อิเล็กโทรดหนึ่งที่รู้จักกันในชื่อแคโทดเชื่อมต่อกับปลายบวกของแบตเตอรี่และเป็นที่ที่ใบกระแสไฟฟ้า (หรืออิเล็กตรอนเข้าสู่แบตเตอรี่ในระหว่างการคายประจุซึ่งเป็นเมื่อใช้แบตเตอรี่เพื่อจ่ายพลังงานบางอย่าง อิเล็กโทรดอื่น ๆ ที่เรียกว่าขั้วบวกเชื่อมต่อกับปลายลบของแบตเตอรี่และเป็นที่ที่กระแสไฟฟ้าเข้าสู่ (หรืออิเล็กตรอนออก) แบตเตอรี่ในระหว่างการคายประจุ

ระหว่างขั้วไฟฟ้าเหล่านี้รวมถึงภายในเป็นอิเล็กโทรไลต์ นี่คือสารของเหลวหรือเจลเหมือนที่มีอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าหรือไอออน ไอออนรวมกับวัสดุที่ประกอบขึ้นเป็นขั้วไฟฟ้าสร้างปฏิกิริยาทางเคมีที่อนุญาตให้แบตเตอรี่สร้างกระแสไฟฟ้า -ข้างในดูว่าแบตเตอรี่ทำงานอย่างไร (อินโฟกราฟิก)-

ส่วนสุดท้ายของแบตเตอรี่ตัวคั่นนั้นค่อนข้างตรงไปตรงมา บทบาทของตัวคั่นคือการทำให้ขั้วบวกและแคโทดแยกออกจากกันภายในแบตเตอรี่ หากไม่มีตัวคั่นอิเล็กโทรดทั้งสองจะสัมผัสซึ่งจะสร้างวงจรลัดวงจรและป้องกันไม่ให้แบตเตอรี่ทำงานอย่างถูกต้อง Sastry อธิบาย

มันทำงานอย่างไร

หากต้องการจินตนาการว่าแบตเตอรี่ทำงานได้อย่างไรให้นึกภาพตัวเองใส่แบตเตอรี่อัลคาไลน์เช่น AAS สองเท่าลงในไฟฉาย เมื่อคุณใส่แบตเตอรี่เหล่านั้นลงในไฟฉายแล้วเปิดเครื่องสิ่งที่คุณทำจริง ๆ คือการทำวงจรให้เสร็จ พลังงานเคมีที่เก็บไว้ในแบตเตอรี่จะแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้าซึ่งเดินทางออกจากแบตเตอรี่และเข้าไปในฐานของหลอดไฟฉายทำให้แสงสว่างขึ้น จากนั้นกระแสไฟฟ้าจะกลับเข้าสู่แบตเตอรี่อีกครั้ง แต่ในตอนท้ายของที่มันออกมาในตอนแรก

ทุกส่วนของแบตเตอรี่ทำงานร่วมกันเพื่อให้ไฟฉายสว่างขึ้น อิเล็กโทรดในแบตเตอรี่ประกอบด้วยอะตอมของวัสดุที่นำไปใช้บางอย่าง ตัวอย่างเช่นในแบตเตอรี่อัลคาไลน์ขั้วบวกมักทำจากสังกะสีและแมงกานีสไดออกไซด์ทำหน้าที่เป็นแคโทด และอิเล็กโทรไลต์ระหว่างและภายในขั้วไฟฟ้าเหล่านั้นมีไอออน เมื่อไอออนเหล่านี้พบกับอะตอมของอิเล็กโทรดบางอย่างแน่นอนปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าเกิดขึ้นระหว่างไอออนและอะตอมของอิเล็กโทรด

ชุดของปฏิกิริยาทางเคมีที่เกิดขึ้นในอิเล็กโทรดเรียกว่าปฏิกิริยาการลดออกซิเดชัน (รีดอกซ์) ในแบตเตอรี่แคโทดเรียกว่าสารออกซิไดซ์เพราะยอมรับอิเล็กตรอนจากขั้วบวก ขั้วบวกเป็นที่รู้จักกันในชื่อตัวแทนลดเพราะมันสูญเสียอิเล็กตรอน

ในที่สุดปฏิกิริยาเหล่านี้ส่งผลให้เกิดการไหลของไอออนระหว่างขั้วบวกและแคโทดรวมถึงการปลดปล่อยอิเล็กตรอนจากอะตอมของอิเล็กโทรด Sastry กล่าว

อิเล็กตรอนฟรีเหล่านี้รวมตัวกันภายในขั้วบวก (ด้านล่างส่วนแบนของแบตเตอรี่อัลคาไลน์) เป็นผลให้ขั้วไฟฟ้าทั้งสองมีประจุแตกต่างกัน: ขั้วบวกกลายเป็นประจุลบเมื่ออิเล็กตรอนถูกปล่อยออกมาและแคโทดจะถูกชาร์จในเชิงบวกเป็นอิเล็กตรอน (ซึ่งมีประจุลบ) ความแตกต่างของการชาร์จนี้ทำให้อิเล็กตรอนต้องการย้ายไปยังแคโทดที่มีประจุบวก อย่างไรก็ตามพวกเขาไม่มีวิธีที่จะไปที่นั่นภายในแบตเตอรี่เพราะตัวคั่นป้องกันไม่ให้พวกเขาทำเช่นนั้น

เมื่อคุณสะบัดสวิตช์บนไฟฉายของคุณการเปลี่ยนแปลงทั้งหมด ตอนนี้อิเล็กตรอนมีเส้นทางไปยังแคโทด แต่ก่อนอื่นพวกเขาต้องผ่านฐานของคุณหลอดไฟของไฟฉาย- วงจรเสร็จสมบูรณ์เมื่อกระแสไฟฟ้าเข้าสู่แบตเตอรี่ผ่านด้านบนของแบตเตอรี่ที่แคโทด

ชาร์จใหม่ได้และไม่สามารถเก็บรักษาได้

สำหรับแบตเตอรี่หลักเช่นในไฟฉายปฏิกิริยาที่เติมเชื้อเพลิงแบตเตอรี่จะหยุดเกิดขึ้นในที่สุดซึ่งหมายความว่าอิเล็กตรอนที่ให้การชาร์จของแบตเตอรี่จะไม่สร้างกระแสไฟฟ้าอีกต่อไป เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้นแบตเตอรี่จะถูกปล่อยออกมาหรือ "ตาย"Sastry กล่าว

คุณต้องทิ้งแบตเตอรี่ดังกล่าวเนื่องจากกระบวนการทางเคมีไฟฟ้าที่ทำให้แบตเตอรี่ผลิตพลังงานไม่สามารถย้อนกลับได้ อย่างไรก็ตามกระบวนการทางเคมีไฟฟ้าที่เกิดขึ้นภายในทุติยภูมิหรือแบบชาร์จได้สามารถย้อนกลับได้โดยให้พลังงานไฟฟ้าแก่แบตเตอรี่ ตัวอย่างเช่นสิ่งนี้จะเกิดขึ้นเมื่อคุณเสียบแบตเตอรี่โทรศัพท์มือถือของคุณเข้ากับเครื่องชาร์จที่เชื่อมต่อกับแหล่งพลังงาน

แบตเตอรี่ทุติยภูมิที่พบมากที่สุดในปัจจุบันคือแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (Li-ion) ซึ่งใช้จ่ายอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ผู้บริโภคส่วนใหญ่ โดยทั่วไปแล้วแบตเตอรี่เหล่านี้จะมีขั้วบวกคาร์บอนแคโทดที่ทำจากลิเธียมโคบอลต์ไดออกไซด์และอิเล็กโทรไลต์ที่มีเกลือลิเธียมในตัวทำละลายอินทรีย์ แบตเตอรี่แบบชาร์จได้อื่น ๆ ได้แก่ นิกเกิลแคดเมียม (NICD) และแบตเตอรี่นิกเกิล-โลหะไฮไดรด์ (NIMH) ซึ่งสามารถใช้ในสิ่งต่าง ๆ เช่นรถยนต์ไฟฟ้าและเครื่องมือไฟฟ้าไร้สาย แบตเตอรี่ตะกั่วกรด (PB-กรด) มักใช้กับรถยนต์และยานพาหนะอื่น ๆ สำหรับการเริ่มต้นแสงและการจุดระเบิด

แบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ทั้งหมดเหล่านี้ทำงานภายใต้หลักการเดียวกัน Sastry กล่าวว่า: เมื่อคุณเสียบแบตเตอรี่เข้ากับแหล่งพลังงานการไหลของอิเล็กตรอนเปลี่ยนทิศทางและขั้วบวกและแคโทดจะถูกส่งกลับไปยังสถานะเดิม -10 อันดับแรกของเทคโนโลยีก่อกวน-

ศัพท์แสงแบตเตอรี่

แม้ว่าแบตเตอรี่ทั้งหมดจะทำงานในลักษณะเดียวกันมากหรือน้อย แต่แบตเตอรี่ชนิดต่าง ๆ ก็มีคุณสมบัติที่แตกต่างกัน นี่คือคำสองสามคำที่เกิดขึ้นบ่อยครั้งในการอภิปรายของแบตเตอรี่:

แรงดันไฟฟ้า: เมื่อพูดถึงแบตเตอรี่แรงดันไฟฟ้า - หรือที่เรียกว่าแรงดันไฟฟ้าของเซลล์เล็กน้อย - อธิบายปริมาณของแรงไฟฟ้าหรือความดันซึ่งอิเล็กตรอนอิสระเคลื่อนที่จากปลายบวกของแบตเตอรี่ไปยังปลายลบ Sastry อธิบาย ในแบตเตอรี่แรงดันไฟฟ้าต่ำกระแสจะเคลื่อนที่ช้ากว่า (โดยมีแรงไฟฟ้าน้อยกว่า) ออกจากแบตเตอรี่มากกว่าในแบตเตอรี่ที่มีแรงดันไฟฟ้าสูงกว่า (แรงไฟฟ้ามากขึ้น) แบตเตอรี่ในไฟฉายมักจะมีแรงดันไฟฟ้า 1.5 โวลต์ อย่างไรก็ตามหากไฟฉายใช้แบตเตอรี่สองก้อนในซีรีส์แบตเตอรี่หรือเซลล์เหล่านี้มีแรงดันไฟฟ้ารวม 3 โวลต์

แบตเตอรี่ตะกั่วกรดเช่นเดียวกับที่ใช้ในรถยนต์ที่ไม่มีไฟฟ้าส่วนใหญ่มักจะมีแรงดันไฟฟ้า 2.0 โวลต์ แต่โดยปกติจะมีเซลล์หกเซลล์เหล่านี้เชื่อมต่อเป็นชุดในแบตเตอรี่รถยนต์ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมคุณถึงได้ยินแบตเตอรี่ดังกล่าวเรียกว่าแบตเตอรี่ 12 โวลต์

แบตเตอรี่ Lithium-Cobalt-oxide-แบตเตอรี่ Li-ion ชนิดที่พบมากที่สุดที่พบในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับผู้บริโภค-มีแรงดันไฟฟ้าประมาณ 3.7 โวลต์ Sastry กล่าว

แอมป์: แอมป์หรือแอมป์เป็นการวัดกระแสไฟฟ้าหรือจำนวนอิเล็กตรอนที่ไหลผ่านวงจรภายในกรอบเวลาเฉพาะ

ความจุ: ความจุหรือความจุของเซลล์วัดได้ในแอมป์ชั่วโมงซึ่งเป็นจำนวนชั่วโมงที่แบตเตอรี่สามารถจ่ายกระแสไฟฟ้าจำนวนหนึ่งก่อนที่แรงดันไฟฟ้าจะลดลงต่ำกว่าเกณฑ์ที่กำหนดตามโพสต์โดยแผนกวิศวกรรมไฟฟ้าและคอมพิวเตอร์ของมหาวิทยาลัยไรซ์

แบตเตอรี่อัลคาไลน์ 9 โวลต์-ชนิดที่ใช้ในวิทยุแบบพกพา-ได้รับการจัดอันดับที่ 1 แอมป์ชั่วโมงซึ่งหมายความว่าแบตเตอรี่นี้สามารถจัดหาแอมป์หนึ่งแอมป์ของกระแสอย่างต่อเนื่องเป็นเวลา 1 ชั่วโมงก่อนที่จะถึงเกณฑ์แรงดันไฟฟ้าและถือว่าหมดลง

ความหนาแน่นของพลังงาน: ความหนาแน่นของพลังงานอธิบายปริมาณพลังงานที่แบตเตอรี่สามารถส่งต่อน้ำหนักหน่วย Sastry กล่าว สำหรับยานพาหนะไฟฟ้าความหนาแน่นของพลังงานมีความสำคัญเนื่องจากจะบอกคุณว่ารถสามารถเร่งความเร็วได้เร็วแค่ไหนจาก 0 ถึง 60 ไมล์ต่อชั่วโมง (97 กม./ชม.) Sastry กล่าว วิศวกรพยายามหาวิธีที่จะเกิดขึ้นตลอดเวลาทำแบตเตอรี่ให้เล็กลงโดยไม่ลดความหนาแน่นของพลังงาน

ความหนาแน่นของพลังงาน: ความหนาแน่นของพลังงานอธิบายจำนวนพลังงานที่แบตเตอรี่สามารถส่งมอบหารด้วยปริมาณหรือมวลของแบตเตอรี่ Sastry กล่าว หมายเลขนี้สอดคล้องกับสิ่งต่าง ๆ ที่มีผลกระทบอย่างมากต่อผู้ใช้เช่นระยะเวลาที่คุณต้องไปก่อนชาร์จโทรศัพท์มือถือของคุณหรือคุณสามารถขับรถไฟฟ้าได้ไกลแค่ไหนก่อนที่จะหยุดเสียบเข้า

ติดตาม Elizabeth Palermo @ช่างเทคนิค- ติดตามวิทยาศาสตร์สด@livescience-Facebook-Google+-

ทรัพยากรเพิ่มเติม

• สมาคมมาตรฐาน IEEE:มาตรฐานแบตเตอรี่
• สำนักงานคุ้มครองสิ่งแวดล้อม:การอนุรักษ์ทรัพยากร - แบตเตอรี่
• all-battery.com:แผนภูมิขนาด