Принцип работы аккумуляторной батареи

Батарея состоит из нескольких элементов. Каждая ячейка содержит положительный вывод, или катод, и отрицательный вывод, или анод.

Когда нагрузка помещается между клеммами элемента, образуется проводящий мост, который инициирует химические реакции внутри элемента. Эти реакции приводят к образованию электронов в материале анода и удалению электронов из материала катода. В результате на выводах элемента создается потенциал, и электроны с анода проходят через нагрузку (выполняя работу) и попадают на катод.

Типичная ячейка поддерживает около 1,5 В на своих клеммах и способна подавать определенную величину тока, которая зависит от размера и химического состава ячейки.

Если требуется большее напряжение или мощность, несколько ячеек можно объединить в последовательную или параллельную конфигурацию.

На рисунке 2 показано несколько вариантов размещения ячеек.

Элементы питания изготавливаются из различных химических ингредиентов. Использование определенного набора ингредиентов имеет практические последствия для общей производительности батареи.

Например, некоторые элементы предназначены для обеспечения высоких напряжений холостого хода, в то время как другие предназначены для обеспечения больших токовых мощностей.

Некоторые типы элементов предназначены для слаботочных, прерывистых применений, в то время как другие предназначены для сильноточных, непрерывных применений.

Некоторые элементы предназначены для импульсных применений, где требуется большой всплеск тока в течение короткого периода времени. У некоторых ячеек хороший срок службы, у других — плохой.

Батареи, предназначенные для одноразового использования, такие как углерод-цинковые и щелочные батареи, называются первичными батареями. Батареи, которые можно заряжать несколько раз, такие как никель-кадмиевые и свинцово-кислотные батареи, называются вторичными батареями.

Принцип работы батареи

Ячейка преобразует химическую энергию в электрическую, проходя через так называемые окислительно-восстановительные реакции (реакции, которые включают обмен электронами).

Три основных компонента, используемых для инициирования этих реакций, включают два химически разнородных металла (положительный и отрицательный электроды) и электролит (обычно жидкий или пастообразный материал, содержащий свободно плавающие ионы).

Ниже рассказывается о том, как работает простая свинцово-кислотная батарея.

Для свинцово-кислотного элемента питания характерно следующее:

• один из электродов изготовлен из чистого свинца Pb;
• другой электрод изготовлен из оксида свинца PbO₂;
• электролит изготовлен из раствора серной кислоты:

  H₂O + H₂SO₄ → 3H⁺ + (SO₄)²⁻ + OH⁻.

Реакции

• Катод:

  PbO₂ + SO₄^-2 → PbSO₄ + O₂^-2

• Анод:

  Pb + SO₄^-2 →PbSO₄ + электроны

• Электролит:

  H₂SO₄ → H₂O

Когда два химически разнородных электрода помещаются в раствор серной кислоты, электроды реагируют с кислотой (ионы SO₄^-2, H⁺). В результате чего электрод из чистого свинца медленно превращается в кристаллы PbSO₄. Во время этой реакции внутри свинцового электрода высвобождаются два электрона. Теперь, если вы осмотрите свинцово-оксидный электрод на рисунке 3, вы также увидите, что он тоже превращается в кристаллы PbSO₄. Однако вместо того, чтобы высвобождать электроны во время своего превращения, он высвобождает ионы O₂^-2. Эти ионы просачиваются в раствор электролита и соединяются с ионами водорода, образуя H₂O (воду).

Если поместить нагрузочный элемент (скажем, лампочку) между электродами, электроны будут течь от богатого электронами свинцового электрода через нить накала лампочки к электроду из оксида свинца с дефицитом электронов.