Bruger Jenga til at forklare lithium-ion-batterier

Tower block-spil som Jenga kan bruges til at forklare skolebørn, hvordan lithium-ion-batterier fungerer, opfylder et uddannelsesbehov for bedre at forstå en strømkilde, der er blevet livsvigtig for hverdagen.

Mens lithium-ion-batterier er rigeligt i så mange af vores elektroniske enheder, fra smartphones til elbiler, de tilgængelige ressourcer til at lære børn, hvordan de arbejder, og hvorfor de er vigtige, er begrænsede.

Et team på University of Birminghams School of Chemistry, har udtænkt et pædagogisk værktøj, som bruger tower block-spillet Jenga til at forklare de processer, der arbejder inde i battericellerne og elektrokemien bag dem. Deres metode er offentliggjort i Journal of Chemical Education .

Et genopladeligt Li-ion batteri består af en oxid- og en grafitelektrode. Disse er almindeligvis bygget i lag adskilt med en elektrolyt. Når batteriet er opladet, lithium-ioner bevæger sig fra grafitten til oxidelektroden via elektrolytten. Nuværende samlere, som elektroderne er belagt på, lade elektroner bevæge sig via et eksternt kredsløb, giver strøm.

Ved at bruge lagene af blokke, børn kan få en fornemmelse af, hvordan batteriet er opbygget, og hvordan de forskellige komponenter interagerer med hinanden. Batteriet Jenga kan vise batteridrift og nøglekarakteristika. Interkalationen, eller lagdelt, kemien ved opladning og afladning af denne type batteri kan let visualiseres. Ved at fjerne nogle få tomme blokke i grafitelektroden (disse blokke repræsenterer tomrum mellem lagene af grafit), en elev kan flytte Li-ion-blokkene fra oxidelektroden til grafitelektroden. Den omvendte proces vil ske ved udledning.

Enkelheden af ​​denne demonstration giver et grundlag for at forklare kompleks kemi og redoxreaktioner. Betydningen og sikkerheden af ​​afgiftssatsen for forskellige applikationer kan også vises, når eleverne fjerner lithiumionblokkene fra oxidelektroderne med varierende hastighed. Den hurtigere opladning fører uvægerligt til, at Jenga-strukturen kollapser.

Tower block-spillet kan også demonstrere, hvordan batteriets ydeevne reduceres ved fortsat brug ved at vise, hvordan blokkene bliver lidt forskudt, når lithiumblokkene fjernes og genindsættes.

Forsker Elizabeth Driscoll forklarer:"Hands-on demonstrationer er kendt for at være en nyttig måde at understøtte læring på - lærere bruger ofte citroner eller kartofler til at forklare konventionelle ikke-genopladelige batterier, for eksempel. Men vi ved, at elektrokemi er et vanskeligt område for lærere, hvilket ofte fører til misforståelser blandt eleverne. Vi ønskede at designe en praktisk aktivitet, der ville hjælpe med at løse dette og forklare denne genopladelige type."

Ved at introducere tower block-sæt med stærke kontrastfarver og forskellige teksturer, holdet var også i stand til at udtænke undervisningsværktøjer, der ville være mere inkluderende for elever, der er blinde eller svagsynede.

Aktiviteterne er blevet afprøvet med flere besøgsskoler i løbet af det seneste år, inklusive:Royal Society of Chemistry's Top of the Bench-demonstrationsforelæsning, med positiv feedback fra både lærere og elever. Sættene har også optrådt ved offentlige arrangementer på museer, fra videnskabsmuseet ThinkTank i Birmingham til Manchester Science Museum og Royal Institution i London.

Næste skridt for teamet bliver at gøre det muligt for aktiviteten at være bredt tilgængelig for flere elever og yde støtte til undervisere i disse emner. Finansiering fra Faraday Institution og Royal Society of Chemistry har allerede gjort det muligt at levere 100 små jenga-sæt til en sekundær skole i Birmingham. Taktile klasseværelsessæt vil også blive leveret til New College Worcester og Bolton Sensory Support-service. Undervisere, der er interesseret i at producere deres egne sæt, kan få adgang til de fulde instruktioner via open access-papiret i Journal of Chemical Education .