Trouver des moyens informatifs et intuitifs pour expliquer aux écoliers le fonctionnement des batteries lithium-ion

par L'équipe HPQ

Les jeux de tour comme le Jenga peuvent être utilisés pour expliquer aux écoliers le fonctionnement des batteries au lithium-ion, répondant ainsi à un besoin éducatif de mieux comprendre une source d'énergie devenue vitale pour la vie quotidienne.

Si les batteries lithium-ion sont abondantes dans un grand nombre de nos appareils électroniques, des smartphones aux véhicules électriques, les ressources disponibles pour apprendre aux enfants comment elles fonctionnent et pourquoi elles sont importantes sont limitées.

Une équipe de l'école de chimie de l'université de Birmingham a conçu un outil pédagogique qui utilise le jeu de la tour Jenga pour expliquer les processus à l'œuvre à l'intérieur des cellules de la batterie et l'électrochimie qui se cache derrière. Leur méthode est publiée dans le Journal of Chemical Education.

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Les éléments de base de la technologie des batteries : utilisation de jeux de blocs de tours modifiés pour expliquer et aider à la compréhension des batteries li-ion rechargeables.

Une batterie Li-ion rechargeable se compose d'un oxyde et d'une électrode en graphite. Elles sont généralement construites en couches séparées par un électrolyte. Lorsque la batterie est chargée, les ions lithium passent de l'électrode en graphite à l'électrode en oxyde via l'électrolyte. Les collecteurs de courant, sur lesquels les électrodes sont revêtues, permettent aux électrons de se déplacer via un circuit externe, fournissant ainsi de l'énergie.

En utilisant les couches de blocs, les enfants peuvent se faire une idée de la façon dont la pile est construite et de l'interaction entre les différents composants. Le Jenga de la batterie peut montrer le fonctionnement de la batterie et ses principales caractéristiques. L'intercalation, ou la chimie en couches, de la charge et de la décharge de ce type de batterie peut être facilement visualisée. En retirant quelques blocs vierges de l'électrode en graphite (ces blocs représentent l'espace vide entre les couches de graphite), un élève peut déplacer les blocs Li-ion de l'électrode en oxyde à l'électrode en graphite. Le processus inverse se produira lors de la décharge.

La simplicité de cette démonstration fournit une base pour expliquer la chimie complexe et les réactions d'oxydoréduction. L'importance et la sécurité du taux de charge pour différentes applications peuvent également être démontrées lorsque les étudiants retirent les blocs de lithium-ion des électrodes d'oxyde à des taux variables. Une charge plus rapide entraîne invariablement l'effondrement de la structure du Jenga.

Le jeu des blocs de la tour peut également démontrer comment la performance de la batterie diminue au fil de l'utilisation en montrant comment les blocs se déplacent légèrement lorsque les blocs de lithium sont retirés et réinsérés.

La chercheuse Elizabeth Driscoll explique : "Les démonstrations pratiques sont connues pour être un moyen utile de soutenir l'apprentissage - les enseignants utilisent souvent des citrons ou des pommes de terre pour expliquer les piles non rechargeables classiques, par exemple. Mais nous savons que l'électrochimie est un domaine délicat pour les enseignants, ce qui conduit souvent à des idées fausses chez les élèves. Nous avons voulu concevoir une activité pratique qui permettrait d'aborder ce problème et d'expliquer ce type de piles rechargeables".

En introduisant des ensembles de blocs de tours avec des couleurs très contrastées et des textures différentes, l'équipe a également pu concevoir des outils pédagogiques qui seraient plus inclusifs pour les étudiants aveugles ou malvoyants.

Les activités ont été testées auprès de plusieurs écoles visitées au cours de l'année dernière, notamment lors de la conférence de démonstration Top of the Bench de la Royal Society of Chemistry, avec des réactions positives de la part des enseignants et des élèves. Les décors ont également fait leur apparition lors d'événements publics dans des musées, du musée scientifique Thinktank de Birmingham au musée scientifique de Manchester et à la Royal Institution de Londres.

La prochaine étape pour l'équipe consistera à rendre l'activité largement accessible à un plus grand nombre d'élèves et à apporter un soutien aux éducateurs sur ces sujets. Le financement de la Faraday Institution et de la Royal Society of Chemistry a déjà permis de fournir 100 petits ensembles de Jenga à une école secondaire de Birmingham.

Des ensembles de salles de classe tactiles seront également fournis au service de soutien sensoriel de New College Worcester et Bolton. Les éducateurs intéressés par la production de leurs propres ensembles peuvent accéder aux instructions complètes via l'article en libre accès dans le Journal of Chemical Education.


Cet article a été publié à l'origine par l'Université de Birmingham.
Le titre et le contenu peuvent avoir été modifiés pour des raisons de style et de longueur.

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