Des jeux de type tour comme Jenga peuvent être utilisés pour expliquer aux écoliers comment fonctionnent les batteries lithium-ion, répondre à un besoin pédagogique pour mieux comprendre une source d'énergie devenue vitale au quotidien.

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

Une équipe de la School of Chemistry de l'Université de Birmingham, a conçu un outil pédagogique qui utilise le jeu de blocs de tour Jenga pour expliquer les processus à l'œuvre à l'intérieur des cellules de la batterie et l'électrochimie qui les sous-tend. Leur méthode est publiée dans le Journal de l'éducation chimique .

Une batterie Li-ion rechargeable se compose d'un oxyde et d'une électrode en graphite. Ceux-ci sont généralement construits en couches séparées par un électrolyte. Lorsque la batterie est chargée, les ions lithium se déplacent du graphite vers l'électrode d'oxyde via l'électrolyte. Collectionneurs de courant, sur lesquels les électrodes sont enduites, permettre aux électrons de se déplacer via un circuit externe, fournissant de l'énergie.

En utilisant les couches de blocs, les enfants peuvent avoir une idée de la façon dont la batterie est construite et comment les différents composants interagissent les uns avec les autres. La batterie Jenga peut montrer le fonctionnement de la batterie et les caractéristiques clés. L'intercalation, ou en couches, La chimie de charge et de décharge de ce type de batterie peut être facilement visualisée. En supprimant quelques blocs vierges dans l'électrode de graphite (ces blocs représentent un espace vide entre les couches de graphite), un étudiant peut déplacer les blocs Li-ion de l'électrode d'oxyde à l'électrode de 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 redox. L'importance et la sécurité du taux de charge pour différentes applications peuvent également être démontrées, lorsque les élèves retirent les blocs d'ions lithium des électrodes d'oxyde à des vitesses variables. La charge plus rapide conduit invariablement à l'effondrement de la structure Jenga.

Le jeu de blocs de tour peut également démontrer comment les performances de la batterie diminuent au cours d'une utilisation continue 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 conventionnelles, par exemple. Mais nous savons que l'électrochimie est un domaine délicat pour les enseignants, ce qui conduit souvent à des idées fausses parmi les étudiants. Nous voulions concevoir une activité pratique qui aiderait à résoudre ce problème et à expliquer ce type de batterie rechargeable. »

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

Les activités ont été testées avec plusieurs écoles en visite au cours de la dernière année, y compris :la conférence de démonstration Top of the Bench de la Royal Society of Chemistry, avec des retours positifs de la part des enseignants et des élèves. Les décors ont également fait une apparition lors d'événements publics dans les musées, du musée des sciences ThinkTank à Birmingham au Manchester Science Museum et à la Royal Institution de Londres.

La prochaine étape pour l'équipe sera de permettre à l'activité d'être largement accessible à un plus grand nombre d'étudiants et d'apporter un soutien aux éducateurs sur ces sujets. Un 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 salle de classe tactiles seront également fournis au service de soutien sensoriel du New College Worcester et de Bolton. Les éducateurs intéressés à produire leurs propres ensembles peuvent accéder à des instructions complètes via le document en libre accès dans le Journal de l'éducation chimique .