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.

[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:

[ulrith.livejournal.com]

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

[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.

[alaev.livejournal.com]

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

[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

[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.

[randomisator.livejournal.com]

Упс... А если вот эту?

[onfall.livejournal.com]

Не изолятор, по-русски (ну не по-русски на самом деле) это называется диэлектрик, он пропускает, но не всех :) А в целом, вполне корректное описание.

[alaev.livejournal.com]

Эту я вижу, спасибо.

[randomisator.livejournal.com]

Если совсем на пальцах, то для электронной проводимости нужна возможность для электрона прыгать с атома на атом через взаимодействующие орбитали. В металле этих орбиталей дофига, полупустых и доступных по энергии, поэтому электроны бегают как хотят. В органике (а заодно и в банальном графите) работают длинные цепочки сопряженных кратных связей. А вот во всяких обычных жидкостях, начиная с банальной воды, каждая молекула сама по себе, электроны к ней жестко привязаны и прыгнуть на соседнюю молекулу неспособны.

[(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.

[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.

[avva.livejournal.com]

Ух ты!

[(Anonymous)]

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

[ugputu.livejournal.com]

Спасибо.

[larisaka.livejournal.com]

Мерси

[lyuden.livejournal.com]

А зачем именно суперконденсатор. И чем в данном случае он отличается от просто конденсатора. Плюс насколько я понимаю Законы Кирхгофа для стационарных состояний цепи. В случае постоянного тока и конденсатора стационарного состояния не будет. А в случае переменного тока батарейку не очень то и воткнешь

[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.

[randomisator.livejournal.com]

Чтобы стало очевиднее: одна молния переносит заряд до 350 Кл. Полная разрядка аккумулятора например седьмого айфона соответствует переносу 7000 Кл. Столько ионов ни один темный уголок не выдержит)

[(Anonymous)]

Супер, чтобы понагляднее было. Емкость суперконденсатора сравнима по порядку величины с емкостью батарейки. Положим, меньше в 10 раз при одинаковых физических размерах. То есть можно взять батарейку и суперконденсатор, подключить к совершенно одинаковым цепям, и они будут работать совершенно одинаково и кончатся одновременно.

И что? А вот что: если считать происходящее в одной цепи нестационарным процессом, придется и вторую цепь обозвать нестационарной, токи-то в них текут совершенно одинаковые, как функция времени. А закон Кирхгофа в одной цепи действует, а в другой нет. Непорядок!

[(Anonymous)]

Это правильно на самом деле, что ничего очевидного в этом нет. Потому что есть конденсаторы, которые работают по другому принципу (см. ветку про суперконденсаторы). Но в случае с батарейкой это верно, негде там ионы складировать.