หลักการทำงานของแบตเตอรี่: แบตเตอรี่ทำงานอย่างไร

หลักการทำงานของแบตเตอรี่

แบตเตอรี่ทำงานโดยใช้ปฏิกิริยาออกซิเดชันและรีดักชันของอิเล็กโทรไลต์กับโลหะ เมื่อวัสดุโลหะที่แตกต่างกันสองชนิด (เรียกว่าอิเล็กโทรด) ถูกวางไว้ในอิเล็กโทรไลต์ที่เจือจาง ปฏิกิริยาออกซิเดชันและรีดักชันจะเกิดขึ้นที่อิเล็กโทรดตามลำดับ โดยขึ้นอยู่กับความพึงพอใจของอิเล็กตรอนของโลหะของอิเล็กโทรด ผลจากการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน อิเล็กโทรดหนึ่งจะมีประจุลบเรียกว่าแคโทด และเนื่องจากปฏิกิริยารีดักชัน อิเล็กโทรดอีกอันจะมีประจุบวกเรียกว่าแอนโอด

แคโทดเป็นขั้วลบ ในขณะที่แอนโอดเป็นขั้วบวกของแบตเตอรี่ เพื่อเข้าใจหลักการพื้นฐานของแบตเตอรี่อย่างถูกต้อง เราควรมีความรู้พื้นฐานเกี่ยวกับอิเล็กโทรไลต์และความพึงพอใจของอิเล็กตรอน เมื่อโลหะที่แตกต่างกันสองชนิดถูกแช่ในอิเล็กโทรไลต์ จะมีความต่างศักย์ระหว่างโลหะเหล่านี้

พบว่าเมื่อมีสารประกอบบางชนิดถูกเพิ่มลงในน้ำ สารเหล่านี้จะละลายและสร้างไอออนลบและบวก สารประเภทนี้เรียกว่าอิเล็กโทรไลต์ ตัวอย่างที่ได้รับความนิยมของอิเล็กโทรไลต์คือเกลือ สินทรัพย์ และเบส ฯลฯ พลังงานที่ปล่อยออกมาเมื่อมีการยอมรับอิเล็กตรอนโดยอะตอมที่เป็นกลางเรียกว่าความพึงพอใจของอิเล็กตรอน เนื่องจากโครงสร้างอะตอมของวัสดุที่แตกต่างกันความพึงพอใจของอิเล็กตรอนของวัสดุที่แตกต่างกันจะแตกต่างกัน

หากโลหะสองชนิดที่แตกต่างกันถูกแช่ในสารละลายอิเล็กโทรไลต์เดียวกัน หนึ่งในนั้นจะได้รับอิเล็กตรอนและอีกอันจะปล่อยอิเล็กตรอน โลหะใด (หรือสารประกอบโลหะ) ที่จะได้รับอิเล็กตรอนและอันไหนจะเสียอิเล็กตรอน ขึ้นอยู่กับความพึงพอใจของอิเล็กตรอนของโลหะเหล่านั้น โลหะที่มีความพึงพอใจของอิเล็กตรอนต่ำจะได้รับอิเล็กตรอนจากไอออนลบของสารละลายอิเล็กโทรไลต์

ในทางกลับกัน โลหะที่มีความพึงพอใจของอิเล็กตรอนสูงจะปล่อยอิเล็กตรอนและอิเล็กตรอนเหล่านี้จะเข้าไปในสารละลายอิเล็กโทรไลต์และถูกเพิ่มเข้าไปในไอออนบวกของสารละลาย ในลักษณะนี้ โลหะหนึ่งจะได้รับอิเล็กตรอนและอีกอันจะเสียอิเล็กตรอน เป็นผลให้มีความแตกต่างในการเข้มข้นของอิเล็กตรอนระหว่างโลหะสองชนิดนี้

ความแตกต่างในการเข้มข้นของอิเล็กตรอนทำให้เกิดความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างโลหะ ความต่างศักย์ไฟฟ้านี้หรือแรงดันไฟฟ้าสามารถใช้เป็นแหล่งกำเนิดแรงดันในวงจรไฟฟ้าหรือวงจรไฟฟ้าใด ๆ นี่คือหลักการพื้นฐานของแบตเตอรี่และนี่คือการทำงานของแบตเตอรี่

เซลล์แบตเตอรี่ทั้งหมดมีพื้นฐานมาจากหลักการพื้นฐานนี้ ขอหารือรายละเอียดทีละอย่าง ตามที่เราได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ อเลสซานโดร โวลตา ได้พัฒนาเซลล์แบตเตอรี่แรก และเซลล์นี้เป็นที่รู้จักกันว่าเซลล์โวลตาอิคแบบง่าย ประเภทของเซลล์แบบง่ายนี้สามารถสร้างได้ง่ายๆ นำภาชนะมาหนึ่งใบแล้วเติมน้ำกรดกำมะถันเจือจางเป็นอิเล็กโทรไลต์ แล้วใส่แท่งสังกะสีและแท่งทองแดงลงไปในสารละลาย แล้วเชื่อมต่อภายนอกด้วยโหลดไฟฟ้า ตอนนี้เซลล์โวลตาอิคแบบง่ายของคุณเสร็จสมบูรณ์ กระแสไฟฟ้าจะเริ่มไหลผ่านโหลดภายนอก

สังกะสีในน้ำกรดกำมะถันเจือจางจะสละอิเล็กตรอนดังนี้:

ไอออน Zn + + จะผ่านเข้าไปในอิเล็กโทรไลต์ และแต่ละไอออน Zn + + จะทิ้งอิเล็กตรอนสองตัวในแท่ง ผลจากการเกิดปฏิกิริยาออกซิเดชัน ขั้วสังกะสีจะมีประจุลบและทำหน้าที่เป็นแคโทด ดังนั้น ความเข้มข้นของไอออน Zn + + ใกล้แคโทดในอิเล็กโทรไลต์จะเพิ่มขึ้น

ตามคุณสมบัติของอิเล็กโทรไลต์ น้ำกรดกำมะถันเจือจางและน้ำได้แยกออกเป็นไอออนไฮโดรเนียมบวกและไอออนซัลเฟตลบดังนี้:

เนื่องจากความเข้มข้นของไอออน Zn+ + ใกล้แคโทดสูง ไอออน H3O+ จะถูกผลักไปยังขั้วทองแดงและถูกปลดปล่อยโดยการดูดซับอิเล็กตรอนจากอะตอมของแท่งทองแดง ปฏิกิริยาต่อไปนี้เกิดขึ้นที่แอนโอด:

ผลจากการเกิดปฏิกิริยาลดที่ขั้วทองแดง แท่งทองแดงจะมีประจุบวกและทำหน้าที่เป็นแอนโอด

เซลล์แดนเนลล์

เซลล์แดนเนลล์ประกอบด้วยภาชนะทองแดงที่บรรจุสารละลายซัลเฟตทองแดง ภาชนะทองแดงเองทำหน้าที่เป็นขั้วบวก กระป๋องที่มีรูพรุนบรรจุกรดกำมะถันเจือจางถูกวางไว้ในภาชนะทองแดง แท่งสังกะสีที่ผสมกับปรอท แช่ในกรดกำมะถันเจือจาง ทำหน้าที่เป็นขั้วลบ

กรดกำมะถันเจือจางในกระป๋องที่มีรูพรุนทำปฏิกิริยากับสังกะสีและเป็นผลให้เกิดไฮโดรเจน การทำปฏิกิริยาเกิดขึ้นดังนี้:

การเกิด ZnSO4 ในกระป๋องที่มีรูพรุนไม่มีผลกระทบต่อการทำงานของเซลล์จนกว่าจะมีคริสตัลของ ZnSO4 เกิดขึ้น แก๊สไฮโดรเจนผ่านกระป๋องที่มีรูพรุนและทำปฏิกิริยากับสารละลาย CuSO4 ดังนี้:

ทองแดงที่เกิดขึ้นจะสะสมบนภาชนะทองแดง

ประวัติของแบตเตอรี่

ในปี 1936 ช่วงฤดูร้อน ได้ค้นพบหลุมศพโบราณระหว่างการก่อสร้างทางรถไฟสายใหม่ใกล้เมืองแบกแดดในประเทศอิรัก ของที่ค้นพบในหลุมศพนี้มีอายุประมาณ 2000 ปี รวมถึงถ้วยดินเผาที่ปิดด้วยยางเหนียว แท่งเหล็กที่ล้อมรอบด้วยท่อทรงกระบอกที่ทำจากแผ่นทองแดงที่พันรอบถูกยื่นออกมาจากด้านบนที่ปิด

เมื่อผู้ค้นพบเติมของเหลวที่เป็นกรดลงในถ้วยเหล่านี้ พวกเขาพบความต่างศักย์ประมาณ 2 โวลต์ระหว่างเหล็กและทองแดง ถ้วยดินเผาเหล่านี้ถูกสงสัยว่าเป็นเซลล์แบตเตอรี่ที่มีอายุ 2000 ปี พวกเขาตั้งชื่อถ้วยนี้ว่า แบตเตอรี่พาธเทียน

ในปี 1786 ลุยจิ กัลวาณี นักกายวิภาคศาสตร์และนักสรีรวิทยาชาวอิตาลี ได้ประหลาดใจเมื่อเขาสัมผัสขาเหยี่ยวที่ตายแล้วด้วยโลหะสองชนิดที่แตกต่างกัน กล้ามเนื้อของขาเหยี่ยวหดตัว

เขาไม่สามารถเข้าใจสาเหตุที่แท้จริงได้ มิฉะนั้นเขาคงจะเป็นผู้คิดค้นเซลล์แบตเตอรี่คนแรก เขาคิดว่าปฏิกิริยาอาจเกิดจากคุณสมบัติของเนื้อเยื่อ