Το στοιχείο Daniell είναι ένα είδος μπαταρίας χαλκού-ψευδάργυρου που χρησιμοποιεί ένα πορώδες φράγμα μεταξύ των δύο μετάλλων. Εφευρέθηκε το 1836 από τον Βρετανό χημικό John Frederic Daniell. Κάποτε χρησιμοποιήθηκε ευρέως στην ευρωπαϊκή βιομηχανία τηλεγραφίας, αντικαταστάθηκε στα τέλη του 19ου αιώνα από πιο μοντέρνα σχέδια μπαταριών. Σήμερα, χρησιμοποιείται κυρίως στην τάξη για να δείξει πώς λειτουργούν οι μπαταρίες.
Ο Ιταλός επιστήμονας Alessandro Volta εφηύρε την μπαταρία το 1800. Το σχέδιό του χρησιμοποίησε μια στήλη από εναλλασσόμενους δίσκους ψευδαργύρου και χαλκού, με κορεσμένα σε άλμη κομμάτια χαρτονιού στοιβαγμένα ανάμεσα σε κάθε κομμάτι μετάλλου. Αυτός ο βολταϊκός σωρός χρησιμοποιήθηκε σε πολλά ηλεκτρικά πειράματα, αλλά με λιγότερο από μία ώρα διάρκεια ζωής της μπαταρίας, δεν είχε πραγματικές βιομηχανικές εφαρμογές. Ο Daniell τροποποίησε το σχέδιο της Volta για να δημιουργήσει μια μπαταρία με μεγαλύτερη διάρκεια ζωής, επιτρέποντάς της να χρησιμοποιηθεί στην πράξη.
Η αρχή πίσω από την μπαταρία του Daniell και της Volta είναι η ίδια. Μια υγρή διαλυμένη ουσία που ονομάζεται ηλεκτρολύτης – στο σχέδιο του Volta, η άλμη ανάμεσα στις μεταλλικές πλάκες – αρχίζει να διαλύει τον ψευδάργυρο και τον χαλκό σε θετικά φορτισμένα ιόντα. Καθώς τα ιόντα φεύγουν από το μέταλλο, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια παραμένουν πίσω. Ο ψευδάργυρος διαλύεται πιο γρήγορα από τον χαλκό, πράγμα που σημαίνει ότι ο ψευδάργυρος περιέχει σύντομα περισσότερα ηλεκτρόνια. Αν κάποιος συνδέσει τα δύο κομμάτια μετάλλου με ένα σύρμα, τα ηλεκτρόνια θα μεταναστεύσουν μέσω του σύρματος από τον ψευδάργυρο στον χαλκό, δημιουργώντας ένα ηλεκτρικό ρεύμα.
Εάν ο ψευδάργυρος και ο χαλκός διαλύονται στον ίδιο ηλεκτρολύτη, όπως στον βολταϊκό σωρό, δύο διαδικασίες θα μειώσουν τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας. Εάν αποθηκεύεται χωρίς ηλεκτρισμό, τότε τα ιόντα χαλκού στον ηλεκτρολύτη θα έλκονται στον αρνητικά φορτισμένο ακροδέκτη ψευδάργυρου. Αυτά τα ιόντα θα συζευχθούν στη συνέχεια με τα ηλεκτρόνια στον ψευδάργυρο, εξουδετερώνοντας το φορτίο του. Τελικά, δεν θα υπάρχει άλλος ψευδάργυρος για διάλυση. Αυτή η διαδικασία είναι γνωστή ως μείωση.
Η άλλη διαδικασία εξουδετέρωσης της μπαταρίας συμβαίνει όταν αντλείται ηλεκτρική ενέργεια. Τα ιόντα ψευδαργύρου θα ωθήσουν το υδρογόνο στον ηλεκτρολύτη στον χαλκό, όπου το υδρογόνο συσσωρεύεται στην επιφάνεια και τελικά σταματά τη ροή του ηλεκτρισμού. Αυτή η διαδικασία είναι γνωστή ως πόλωση. Η κυψέλη Daniell σχεδιάστηκε ως απάντηση στα δίδυμα προβλήματα μείωσης και πόλωσης ψευδαργύρου. Επιλύει αυτά τα προβλήματα απομονώνοντας τον ψευδάργυρο και τον χαλκό σε ξεχωριστούς ηλεκτρολύτες.
Για να φτιάξετε ένα κελί Daniell, ένα δοχείο από πήλινο χωρίς υάλωση μπορεί να γεμίσει με θειικό οξύ και ένα κομμάτι ψευδάργυρο να βυθιστεί σε αυτό. Το δοχείο μπορεί στη συνέχεια να τοποθετηθεί μέσα σε ένα χάλκινο δοχείο το οποίο έχει γεμίσει με θειικό χαλκό. Το πήλινο φράγμα κρατά τον ψευδάργυρο και τον χαλκό στις αντίθετες πλευρές. Αυτό εμποδίζει τα ιόντα ψευδαργύρου να στείλουν υδρογόνο στον χαλκό, αποτρέποντας την πόλωση. Διατηρεί επίσης τα ιόντα χαλκού μακριά από τον ψευδάργυρο, εμποδίζοντας τη μείωση του ψευδαργύρου. Ο Daniell αναφέρθηκε στο κελί του ως η σταθερή μπαταρία λόγω της αποτροπής της πόλωσης.
Οι πόροι στο φράγμα επιτρέπουν στα θετικά φορτισμένα θειικά ιόντα να ταξιδέψουν από την πλευρά του χαλκού προς την πλευρά του ψευδαργύρου. Αυτό εξισορροπεί τη ροή των ηλεκτρονίων από τον ψευδάργυρο στον χαλκό όταν ολοκληρωθεί το κύκλωμα. Η ποσότητα του ηλεκτρικού δυναμικού που παράγεται από ένα στοιχείο Daniell ονομάστηκε βολτ. Η τιμή του σύγχρονου βολτ είναι ελαφρώς διαφορετική. ένα στοιχείο Daniell παράγει περίπου 1.1 των σημερινών βολτ και έχει εσωτερική αντίσταση περίπου 2 ohms.