Американские учёные определённо любят и смотрят часто YouTube. В недавно опубликованной работе они по полочкам разобрали с научной точки зрения поведение обычных щелочных или алкалиновых батареек, а также сопоставили информацию из широко известного ролика с научными фактами.

Предыстория

Примерно полгода назад в сети появилось видео, на котором наглядно демонстрировалось, как в домашних условиях, не имея под рукой мультиметра, проверить “свежесть” или более наукообразно степень разряда обычных пальчиковых батареек:



Если кратко и не вдаваясь в подробности, то по утверждению автора ролика, такой метод теста батареек основан на разности плотностей материалов у полюсов, которые со временем (саморазряд) или при использовании батарейки приходят к одному среднему значению. В результате чего, как и у любого продолговатого однородного предмета, появляется неустойчивость в вертикальном положении. Поэтому в представленном выше ролике, свежая и полностью заряженная батарейка не должна отскакивать так, как это делает разряженная.

Исследование

Американские учёные из Нью-Джерси совместно со своими коллегами из Нью-Йорка создали специальную установку, высотой 25 см — да просто пластиковая трубка — с помощью которой методично протестировали, как батарейки отскакивают при различной степени разряда (КДПВ и Рис.1). При этом регистрация проводилась сугубо научными методами – с помощью записи звукового эффекта, который сопровождает удар батарейки о поверхность. Как и положено для серьёзного научного исследования, эксперименты провели на трёх различных батарейках (Рис. 1). Также для наглядности процесса можно обратиться к данному видео.


Рисунок 1. Коэффициент отскока в зависимости от израсходованного заряда батарейки. На вставке – фотографии батареек в полёте, наглядно иллюстрирующие научные данные

Таким образом, представленный способ определения “свежести” батарейки работает только до степени разряда примерно в 50%, тогда как при более глубоком разряде отличить полуживую батарейку от мёртвой не представляется возможным по нескольким причинам, также описанным в статье.

Так что же происходит внутри батарейки?
Для этого необходимо обратиться к внутреннему устройству оной и её химии. Итак, подавляющее большинство батареек на сегодняшний день – самые простые алкалиновые или щелочные батарейки, внутри которых существует анод (цинк), катод (диоксид марганца), а также разделяющая их мембрана и щелочной раствор электролита в виде геля (Рис.2). Да, стоит отметить, что до сих пор существуют ещё и солевые батарейки, но как показывает практика срок их службы в 3-4 раза меньше щелочных аналогов.


Рисунок 2. Различные типы батареек и их внутреннее устройство. Источник

С точки зрения же химии, внутри батарейки при разряде протекает несколько реакций: на аноде цинк превращается в оксид цинка, а на катоде диоксид марганца в сложный гидрооксид марганца:
Zn + 4OH^- ---> Zn(OH)₄^2-+ 2e^-
Zn(OH)₄^2- ---> ZnO + H₂O + 2OH^-
MnO₂ + H₂O + e^- ---> MnOOH + OH^-

Конечно, если обратиться к плотностям отдельных компонентов, то окажется, что Zn имеет плотность 7.05 г/см³, оксид цинка — 5.06, а соединения марганца всего лишь около 4-4.4 г/см³. То есть с течением времени (при длительном хранении) или эксплуатации более тяжёлый оксид цинка превращается в более лёгкий оксид. Казалось бы, что всё очевидно…

Однако, основываясь на данных рентгеноструктурного анализа, а также электронной микроскопии, учёные предложили механизм, который мог бы объяснить эффект отскока разряженной батарейки. Согласно ему, при определённой степени разряда батарейки оксид цинка полностью покрывает частицы цинка, находящиеся в геле. Таким образом, происходит замещение воды и самого геля (неупругих материалов, гасящих вибрацию), на сеть частиц оксида цинка (Рис. 3 и 4), твёрдого и упругого материала. Как только такая сеть оказывается сформированной, батарейка начинает отскакивать на постоянную высоту, как на Рисунке 1.


Рисунок 3. Микрофотографии, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии до (слева) и после (справа) полного разряда алкалиновой батарейки. На фотографиях справа отчётливо видны структуры оксида цинка, напоминающие цветы


Рисунок 4. Предложенный авторами работы механизм, объясняющий отскок батарейки при разряде: (a) исходное состояние (частицы цинка в геле-электролите), (b) первичное формирование оксида цинка на поверхности частиц, (с) образование сети оксида цинка, которая соединяет разделяющую мембрану с анодом (на этой стадии батарейка начинает отскакивать), (d) дальнейший разряд и вторичное формирование оксида цинка (выход на постоянную величину отскока)

Несмотря на то, что такой метод “дегустации” батареек позволяет отличить лишь абсолютно свежую батарейку от частично разряженной, сами авторы работы потрясены, насколько «метод отскока» оказался точен по сравнению с научными данными, полученными на вполне себе дорогостоящем оборудовании. Не даром говаривал Эйнштейн, что в научной среде всё должно быть сделано максимально просто, но не упрощённо.

Оригинальная статья опубликована в Journal of Materials Chemistry A в открытом доступе.