Активные элементы батарей и ячеек

Как работает батарея

Гальванические процессы

В простых терминах, батарея может быть описана как электронный насос.

Внутренние химические реакции в батарее между электролитом и металлов отрицательного электрода образуют свободные электроны, каждый из которых имеет отрицательный заряд; отрицательная клемма батареи – анод.

Химическая реакция между электролитом и положительным электродом приводит к образованию положительных ионов (атомов с недостатком электронов с отрицательным зарядом) на положительной клемме – катоде батареи.

Электрическое «давление» или потенциал между положительной и отрицательной клеммой называется напряжением или электродвижущей силой (ЭДС).

Различные металлы имеют различное родство с электронами (электроотрицательность). Когда два различных металла (или сплава) вступают во взаимоействие непосредственно или через проводящую среду, появляется возможность для электронов проходить от металла с меньшей отрицательностью, который становится положительно заряженным, к металлу с большей отрицательностью, который становится отрицательно заряженным. Разность потенциалов между металлами будет увеличиваться до тех пор, пока не наступит равновесие в переносе электронов между металлами. С этого момента напряжение становится равновесным (уравновешенным), потому что наблюдается баланс между возможностью двух металлов получать и отдавать электроны.

Батарея или гальванический элемент хранит энергию в химической форме в активных материалах и может преобразовывать её в электрическую по необходимости через окисление и восстановление.

Каждая гальваническая энергетическая ячейка состоит по меньшей мере из трёх, иногда из четырёх компонентов:

Анод

Анод или отрицательный электрод является восстановительным электродом. Он направляет электроны во внешнюю цепь и окисляется во время разрядной реакции. Обычно он представляет собой металл или сплав, но иногда используется и водород. Анодным процессом является окисление металла для образования ионов.

Катод

Катод или положительный электрод является окислительным электродом. Он принимает электроды из внешней цепи и возвращает их в электрохимическую реакцию. Обычно он представляет собой оксид металла или сульфид, но используется так же и кислород. Катодным процессом являтся восстановление окислительного агента.

Электролит

Электролит является проводником ионов, который обеспечивает промежуточный перенос заряженных ионов внутри ячейки между анодом и катодом. Электролит обычно является растворителем, содержащим химические компоненты, обеспечивающие ионную проводимость. К тому же, он не должен проводить электроны для предотвращения саморазряда ячейки.

Металлические ионы являются атомами металла, потерявшими электроны, из-за чего они являются положительно заряженными. Частицы, потерявшие электроны, называются катионами и во время разряда движутся через электролит к катоду. Анионами называются атомы или частицы с избытом электронов, что делает их отрицательно заряженными, из-за чего они и движутся к аноду.

Сепаратор

Сепаратор представляет собой электрический разделитель положительного и отрицательного электродов.

Разрядный процесс

Когда батарея полностью заряжена, на аноде присутствует избыток электронов, сообщающий ему отрицательный заряд. Недостаток их на катоде, сообщающий ему положительный заряд, в результате чего наблюдается разность потенциалов на выводах ячейки.

Когда цепь замыкается, избыток электронов течёт от отрицательно заряженного анода, который теряет свой заряд, к положительно заряженному катоду, который принимает их, нейтрализуя свой положительный заряд. Этот процесс снижает разность потенциалов в ячейке до нуля. Цепь дополняется потоком положительных ионов в электролите от анода к катоду.

Поскольу электроны отрицательно заряжены, электрический ток течёт в противоположном направлении от катода (положительной клеммы) к аноду (отрицательной клемме).

Анодом является электрод, через который электроны вытекают из поляризованного электрического устройства (или электрод через который втекает электрический ток).

Двухэлектролитная система

Принципы работы гальванической ячейки могут быть продемонстрированы на примере работы ячейки Даниэля – двухэлектролитной системы.

Двухэлектролитная первичная ячейка известна примерно с 1836 года, когда она была изобретена для преодоления проблем поляризации. Батарея состоит из двух полуячеек, в которых происходят химические реакции. Каждый электрод погружён в отдельный электролит, с которым и реагирует. Электродный потенциал, как положительного, так и отрицательного электрода, является напряжением, образуемым одним электродом. Электролиты разделены друг от друга соляным мостом или пористой мембраной, которая является нейтральной и не принимает участия в реакциях. С помощью процесса осмоса она позволяет соляным ионам проходить, но блокирует прохождение металлических ионов.

Эта двухэлектролитная схема позволяет реализовать множество новых возможностей и улучшила контроль над химическим процессом.

Несмотря на сложностью, эта ячейка позволяет значительно продлить срок службы ячеек и конструировать их в оптимальной комбинации электролита/электрода для каждой стороны в отдельности.

Такие ячейки используются в качестве основы для поточных батарей, в которых электролит прокачивается через батарею, обеспечивая ей неограниченную ёмкость.

Цинк является очень популярным анодным материалов и химические реакции приводят к его растворению в электролите.

Ячейка Даниэля при своей работе растворяет цинк и осаждает медь.

Окислительно-восстановительные реакции и полуячейки

Простая электролитная ячейка может быть представлена в виде двух полуячеек. Она может быть представлена в виде частного случая ячейки Даниэля с двумя одинаковыми электролитами.

Модель ячейки в виде двух полуячеек используется электрохимиками и конструкторами ячеек для определения электродного потенциала и характеристик химических реакций внутри ячейки. Восстановление имеет место в одной половине ячейки, а окисление – в другой. В батарее обе реакции идут одновременно и общая реакция называется окислительно-восстановительной.

Напряжение ячейки, или электродвижущая сила (ЭДС), во внешней цепи образуется из разности стандартных электродных потенциалов реакций в двух полуячейках при нормальных условиях. В реальных условиях это значение будет отличаться. Уравнение Нернста определяет реальное напряжение химической ячейки по отношению к стандартному электродному потенциалу, принимая во внимание температуру и концентрацию реагентов. ЭДС ячейки будет снижаться вместе со снижением концентрации активных материалов до тех пор, пока они не будут полностью израсходованы.

Первичные ячейки (батарейки)

В первичных ячейках электрохимическая реакция не является обратимой. Во время разряда химические компоненты преобразуются в продукты и освобождают электрическую энергию до тех пор, пока не будут полностью израсходованы. Такие ячейки используются однократно.

Вторичные ячейки (аккумуляторы)

Во вторичных ячейках электрохимическая реакция является обратимой и первоначальные химические компоненты могут быть восстановлены с помощью приложения электрического потенциала к электродам с подачей энергии в ячейку. Эти ячейки могут быть разряжены и заряжены много раз.

Процесс зарядки

Зарядное устройство забирает электроны с катода, оставляя его с положительным зарядом, и направляет их на анод, сообщая ему отрицательный заряд. Энергия, направляемая в ячейку, преобразует активные химические компоненты обратно к их начальному состоянию.

Выбор активных компонентов

Напряжение и ток, генерируемые ячейкой, напрямую зависят от типов используемых материалов для электродов и электролита.

Склонность одного металла или сплава отдавать или получать электроны по отношению к другому материалу называется электродным потенциалом. Сила окислительного или восстановительного агента характеризуется его стандартным электродным потенциалом (электроотрицательностью). Сплав с положительным электродным потенциалом используется для анодов, а с отрицательным электродным потенциалом – для катодов. Более высокая разница между электродными потенциалами анода и катода приводит к большей ЭДС ячейки и большему количеству энергии, которое она может выдать.

Периодическая таблица химических элеметов

Анодный и катодный материалы выбираются исходя из их свойств в качестве окисляющих или восстанавливающих агентов. Относительная способностью окислять или восстанавливать указывается окрашенной стрелкой в периодической таблице ниже. Более сильные восстановительные элементы сгруппированы слева, более сильные окислительные элементы – справа.