как работает батарейка

[avva]

Где-то год назад я понял, что не вполне понимаю, как работают батарейки и аккумуляторы. Попытался разобраться. Прочитал десяток-два популярных объяснений на разных образовательных сайтах, и пришел к выводу, что они часто объясняют только половину процесса, и создают ложное впечатление. Опросил друзей и знакомых и пришел к выводу, что у них, как и у меня, было это ложное впечатление. Написал следующий текст в качестве попытки его исправить и объяснить себе лучше. Поправки и уточнения от физиков, химиков, инженеров итд. принимаются с благодарностью.

1. У батарейки есть два электрода, положительный и отрицательный. На отрицательном электроде происходит химическая реакция, производящая свободные электроны. На положительном электроде происходит химическая реакция, поглощающая свободные электроны. Для разных видов батареек используют разные реакции.

2. Вместе с тем обе реакции нейтральны по отношению к заряду. Та, которая производит электроны, балансирует это тем, что также производит катионы (положительно заряженные ионы, т.е. атомы с недостающими электронами) или поглощает анионы (атомы с лишними электронами). Та, которая поглощает электроны, либо производит анионы, либо поглощает катионы.

3. Ионы (положительные катионы или отрицательные анионы), которые участвуют в этих реакциях, приходят из/уходят в электролит. Электролит - это жидкое или сухое вещество, окружающее оба электрода и заполняющее все батарейку. У разных видов батареек электролит состоит из разных соединений. Главное для электролита - следующие его свойства: 1) его молекулы очень легко расщепляются в "суп" из катионов/анионов; 2) свободные электроны не могут легко в нем передвигаться; 3) катионы/анионы, наоборот, могут в нем легко передвигаться (иногда только один из видов, иногда только в одном направлении). Реакции на электродах происходят на границе электрода и электролита.

4. Из-за разного устройства электронной оболочки разных элементов - это сильное упрощение - у каждой из двух химических реакций есть свой электрический потенциал (т.е. энергия, которая освобождается/потребляется при каждой реакции). Эти потенциалы противоположны по знаку, но они неодинаковы, и разница между ними определяет напряжение батарейки, т.е. насколько сильно она "хочет" толкать электроны. Количество самого материала для реакции не влияет на напряжение, а только на емкость батарейки.

5. Когда цепь между полюсами батарейки не замкнута, реакции на электродах не протекают (точнее, протекают очень медленно). Почему? Даже очень маленький избыток разряда создает очень мощную электростатическую силу (закон Кулона), стремящуюся его сбалансировать. Например, возьмем реакцию, которая берет отрицательные ионы из электролита и производит свободные электроны. Свободные электроны остаются на электроде, им некуда уйти (электролит не пропускает их). Даже крохотный избыток электронов на электроде и дефицит отрицательных ионов в электролите создает электростатические силы (между ними и соседними атомами в электроде/электролите), которые не дают реакции продолжаться.

6. Когда цепь замкнута, электроны текут по цепи от отрицательного электрода к положительному, и одновременно ионы текут внутри электролита, поддерживая нейтральность заряда. Внешняя цепь переносит такой-то заряд от отрицательного электрода к положительному и одновременно поток ионов внутри электролита (либо положительных в том же направлении, либо отрицательных в обратном, иногда и то и другое) переносит ровно тот же заряд в обратном направлении. Без этого потока ионов через электролит, т.е. без тока *внутри* батарейки, ничего бы не работало.

7. В дополнение к тому, что электролит сам по себе плохо пропускает электроны, внутри батарейки обычно есть "сепаратор" - пористая ткань или пластик, пропитанные электролитом. Сепаратор пропускает сквозь себя электролит, так что ионы могут проходить, но еще более затрудняет проход свободных электронов.

8. В конце концов у реакций кончается исходный материал (например, металл полностью превращается в оксид) и батарейка перестает работать. Иногда реакции так подобраны, что положительные/отрицательные ионы в них на двух электродах симметричны, и тогда электролит не разрушается со временем. В других типах батареек сам электролит тоже ухудшается со временем.

9. Если это не просто батарейка, а аккумулятор, то происходит следующее. Когда он разряжается, электроны двигаются по внешней цепи, а положительные ионы двигаются внутри электролита, и потом они соединяются заново (в другой реакции и в другое соединение) на противоположном электроде. Когда аккумулятор заряжает, внешний потенциал, который больше потенциала самого аккумулятора и действует в обратном направлении, заставляет реакции происходит в обратном направлении, и все происходит "наоборот", как будто время пустили назад: второе соединение расщепляется на электроны и позитивные ионы, позитивные ионы движутся сквозь электролит, электроны по внешней цепи, и они соединяются опять в то, что было в самом начале.

P.S. Главное, что я во всем этом не понимал, и что по-моему обычно не объясняют в научно-популярных статьях и что не понимают "чайники" типа меня, это роль электролита как проводника ионов, точно балансирующих по заряду поток электронов по внешней цепи. Когда я прошу образованных людей, но не физиков-химиков-инженеров, объяснить мне на пальцах, как работает батарейка, обычно это звучит примерно так: "из-за химических реакций один полюс батарейки заряжен отрицательно, другой положительно, но между полюсами изолирующий материал и поэтому разница зарядов остается, пока не замкнут цепь, и тогда электроны будут течь из-за этой разницы зарядов". Я примерно так тоже это представлял, пока не попытался лучше понять.

Comments

[muh2.livejournal.com]

Я сомневаюсь, что сепаратор не столько мешает проходу электроном, склько позволяет уменьшить зазор междо катодом и анодом. Иногда вырастающие на катоде/аноде кристаллы таки протыкают сепаратор и тогда - ка-бум. Галакси.

[toi-samyi.livejournal.com]

точно

сепаратор разделяет разные электролиты

[freedom_of_sea.livejournal.com]

иногда элемент состоит из разных электролитов

[randomisator.livejournal.com]

По п.7: Основная задача сепаратора - исключить прямой контакт анода с катодом, который привёл бы к короткому замыканию. В батарейке всё упаковано очень плотно, так что объем, занимаемый свободным электролитом намного меньше объема, занимаемого электродами. Примерно так:

[alaev.livejournal.com]

"The owner of this website (batteryuniversity.com) does not allow hotlinking to that resource (/_img/content/pack1(1).jpg)".

[ulrith.livejournal.com]

А разве электроны существуют как частицы? Это же волны, и притом вероятностные...

[alaev.livejournal.com]

Вроде и остальные частицы тоже волны? Если кто-то стукнет Обаму дубинкой, чтобы чужие пилотки не натягивал, оный Обама может смело считать, что на него обрушился поток вероятностных волн.

[aka-mik.livejournal.com]

Расскажите это производителям флеш-памяти, они электроны уже чуть не поштучно считают

[(Anonymous)]

Одно другому не мешает.

[dims12.livejournal.com]

Разве электролит не участвует в реакции? По-моему, он и есть главный игрок, ведь реакция происходит электролит+электрод. И как могли физики говорить, что между полюсами изолирующий материал? Они должны знать, что через любую батарейку течёт ток, у неё есть внутреннее сопротивление и т.д.

[avva.livejournal.com]

Изолятор - это мое слово, и ошибочный термин. Я пытался сказать, что электролит проводит ионный ток, но через него плохо проходят свободные электроны (иначе батарейка бы немедленно разрядилась). Я не знаю, почему это так (почему электролит не проводит электроны).

P.S. Отредактировал текст, убрал слово "изолятор".

[utnapishti.livejournal.com]

А почему аккумулятор в конце концов перестаёт работать?

[randomisator.livejournal.com]

Есть море причин, которые можно в целом обозвать словом "побочные реакции". Для самых популярных на сегодня литий-ионных аккумуляторов это либо деградация катодного материала, либо нарастание всякого непроводящего по литию говна на аноде.

[(Anonymous)]

Я ни разу не спец в батареях, но по моему пониманию, одна из причин - реакция может зайти слишком далеко.

Грубо говоря, каждый из электродов (или хотя бы один из них) существуют в виде "смеси" двух материалов, и проходящая химическая реакция превращает один из материалов в другой. (NB: я говорю о двух формах вещества в пределах одного электрода, а не об очевидном факте, что два электрода -это два разных вещества). Для нормальной работы может быть важна однородность реакции, превращающей один из материалов в другой (следствием которй являются и механическая/структурная стабильность, и высокая скорость превращения, и однородность токов, а значит низкое внутреннее сопротивления и отсутствие нагрева).

Если первый материал полностью превратится во второй, то обращение реакции может потребовать создания зародышей первого материала - возникнут неоднородности. Еще хуже - возникновение третьего материала. Обычно кристаллическая структура "нужных" двух материалов отличаются незначительно, обычно - заменой узлов, заполненых конкретым элементом (e.g. Li), на вакансии (или наоборот). Близость кристаллических структур может быть критична и для однородности реакции, и для однородной диффузии поступающих из электролита ионов (т.е. диффузия происходит через обмен позиций атома и вакансии). Пока два материала сосуществуют, возможно только превращение первого во второй и наоборот (это называется фиксацией химпотенциала и тесно связано с существованием строго определенной э.д.с.) Если первый материал полностью превратится во второй, то второй может продолжить превращаться в третий, который может иметь существенно иную кристаллическую структуру - что потребует создания и зародышей третьего материала, и, возможно, отдельных путей для дифузии.

[(Anonymous)]

Многе из этого можно понять и совершенно ничего не зная, кроме самой базовой физики (заряд сохраняется, одноимеенные заряды отталкиваются, разноименные притягиваются, ток — это поток электронов, и т.п.) Ну кроме сепаратора разве что. Это уже чисто инженерная штука. Давайте попробуем.

Мы знаем, что при замыкании полюсов баатарейки проводочком по нему начинает течь ток. Это значит, что на одном полюсе по сравнению с другим есть избыток электронов (отрицательный заряд). Откуда он там берется, не так важно сейчас.

Если бы этот избыток не поддерживался постоянно, то он довольно быстро кончился бы. Поддерживать его можно, только транспортируя электроны, попавшие на положительный полюс, обратно к отрицательному. Транспортировка эта может происходить в составе нейтральных атомов или отрицательно заряженных ионов. В первом случае для бааланса зарядов необходимо, чтобы был поток положительно заряженных ионов в обратном направлении.

То есть возможны два варианта. Либо нейтральный атом отдает электрон и мигрирует к другому электроду, где получает свой электрон обратно. Либо нейтральный атом отдает электрон и зависает, а у положительного электрода нейтральный атом получает электрон и мигрирует к отрицательному, где они оба и рекомбинируют.

Понятно, что я тут описал вечный двигатель и нужно на все это движение откуда-то брать энергию. Откуда она берется? Например, сначала атомы металла находятся в электроде в виде свободного металла (одна энергия), а после отдачи электрона и цикла рекомбинации переходят в электролит в составе соли (другая энергия), или что-нибудь в таком же роде.

Как-то так.

[alaev.livejournal.com]

У меня со школы в голове осталась мутноватая картинка, что на одном полюcе батарейки электроны вырабатываются, а на другом потребляются. Поэтому первое представление: в первом полюсе идёт какая-то реакция с выделением лишних электронов. Почему бы и нет? А положительные ионы пусть где-нибудь там складируются в тёмном уголке, пока батарейка не кончится.

Видимо, эта картинка плоха тем, что заряд положительных ионов скоро станет весьма мощными и батарейку порвёт. Однако ничего очевидного в этом нет.

[lyuden.livejournal.com]

Может я чего то путаю, но в школе вроде проходят закон киргофа для замкнутой цепи. И там достаточно очевидно что внутри батарейки идет ток в обратную сторону тому току который идет по внешней цепи.

Хотя конечно по воспоминиям это было для меня АГА моментом.

[(Anonymous)]

Закон Кирхгофа, конечно, хороший, но попробуйте заменить батарейку суперконденсатором. Никакого тока внутри него нет и быть не может. А работает, зараза.

[(Anonymous)]

Ток внутри батарейки идет в том же направлении что и во внешней цепи. Только во внешней цепи движутся электроны (против направления номинального тока), а внутри батарейки движутся положительные ионы (в обратном направлении, по току). Ток, понимаемый как движение положительных зарядов, и там и там течет в одном направлении, по кругу. В законе Кирхгофа для напряжений (не для токов) - там да, батарея со знаком минус.

[ugputu.livejournal.com]

Спасибо.

[reeshkov.livejournal.com]

Допустим внутре батарейки ионы бегають, а снаружи - эляктроны, как тогда объяснить эффект памяти в аккумуляторах? 😮

[randomisator.livejournal.com]

А там посередине сидит активный материал, который как раз и занимается тем, что жрёт с одной стороны электроны, а с другой - ионы. И вот он, собака такая, всёёёёёё помнит!

вот серьёзно

[toi-samyi.livejournal.com]

некоторые каменты просто потрясают
вы что, химию в школе не учили? математика у вас была, физика была, а химию отменили?

они же Багрут сдавали

[(Anonymous)]

Там знание библейских мифов обязательно, а физики-химии - нет. И всё всех устраивает.

[occuserpens.livejournal.com]

Batteries (https://en.wikipedia.org/wiki/Battery_(electricity)) convert chemical energy directly to electrical energy. A battery consists of some number of voltaic cells. Each cell consists of two half-cells connected in series by a conductive electrolyte containing anions and cations. One half-cell includes electrolyte and the negative electrode, the electrode to which anions (negatively charged ions) migrate; the other half-cell includes electrolyte and the positive electrode to which cations (positively charged ions) migrate. Redox reactions power the battery. Cations are reduced (electrons are added) at the cathode during charging, while anions are oxidized (electrons are removed) at the anode during charging.[14] During discharge, the process is reversed. The electrodes do not touch each other, but are electrically connected by the electrolyte. Some cells use different electrolytes for each half-cell. A separator allows ions to flow between half-cells, but prevents mixing of the electrolytes.

[(Anonymous)]

До сих пор нет ссылки на Шкробиуса! ЖЖ можно хоронить (опять).

[akss.livejournal.com]

точно