Как работает батарея?

Приглядываясь к батарее, мы можем заметить, что она имеет два полюса - один положительный, обозначенный "+", другой отрицательный - обозначенный "-". В случае типичных цилиндрических батарей, таких как R6/AA или R14/C (используемых, например, для питания фонарей или игрушек) полюсами являются концы батареи. В автомобильных аккумуляторах полюсами являются тяжелые свинцовые клеммы.

На отрицательном полюсе батареи собираются электроны. Если мы соединим проводом отрицательный полюс с положительным, электроны будут перемещаться так быстро, как это возможно, с отрицательного полюса на положительный - батарея разрядится очень быстро (дополнительно, мы не рекомендуем такие эксперименты из-за связанных с ними опасностей - никогда не замыкайте батареи таким образом "на короткое время"!). В нормальных условиях к батарее мы подключаем проводом какое-то нагрузочное устройство - лампочку, моторчик или электронную схему, такую как радио.

Внутри батареи происходит реакция, производящая свободные электроны. Скорость, с которой в результате этой реакции высвобождаются электроны (внутреннее сопротивление - сопротивление - батареи) ограничивает, разумеется, количество электронов, которые могут пройти между полюсами. Электроны должны проходить из батареи через провод и нагрузку, от отрицательного к положительному полюсу, чтобы происходила химическая реакция, которая высвободит их еще больше. По этой причине мы можем оставить неиспользуемую батарею на полке, например, на год, после чего продолжать использовать ее без каких-либо проблем - пока электроны не проходят от отрицательного к положительному полюсу, химическая реакция не происходит. В момент, когда полюса будут соединены, реакция начинается.

Химические реакции в батареях

Одной из самых простых батарей является цинково-углеродная батарея. Наблюдая за происходящими в ее внутренностях реакциями, мы можем легче понять общую принцип работы всех батарей. Представим себе, что у нас есть банка серной кислоты (H2SO4). Если мы поместим в нее цинковый стержень, едкая кислота немедленно начнет его растворять. Мы увидим пузырьки водорода, собирающиеся на поверхности цинка, и как стержень, так и кислота начнут нагреваться.
Вот что происходит:

• молекулы кислоты распадаются на три иона: два иона H+ и один ион SO4--
• атомы цинка на поверхности стержня теряют два электрона (2e-) и становятся ионами Zn++
• ионы Zn++ соединяются с ионами SO4--, образуя ZnSO4, который растворяется в кислоте
• электроны из атомов цинка соединяются с ионами H+ и образуют молекулы H2 (газообразного водорода)

Когда мы теперь поместим в кислоту углеродный стержень, кислота ничего с ним не сделает. Однако, если мы соединим проводом цинковый стержень с углеродным, произойдут две вещи:

• электроны начнут перемещаться вдоль провода и соединяться с водородом на углеродном стержне, из которого теперь также начнут выделяться пузырьки водорода
• выделение тепла значительно уменьшится; используя электричество, текущее сейчас по проводу, мы могли бы, например, запитать лампочку - и измерить возникшее напряжение и ток, протекающий через провод - часть тепловой энергии была преобразована в движение электронов.

Электроны "прилагают усилия" для перехода к углеродному стержню, потому что им там "легче" соединяться с водородом. Так сконструированная ячейка имеет характерное напряжение - 0,76V (вольт). В конечном итоге, цинковый стержень полностью растворится, или иссякнут ионы водорода в кислоте - и батарея перестанет работать.
По тому же принципу работают батареи, которые мы знаем. Они различаются типами используемых металлов и электролитов, однако все они работают благодаря одному и тому же явлению - электронам, текущим от одного полюса к другому. В зависимости от использованных компонентов, изменяется также характерное напряжение такой батареи. Проследим это на примере типичного свинцово-кислотного аккумулятора автомобиля:

• аккумулятор содержит одну пластину, выполненную из свинца, и другую - из диоксида свинца, обе погружены в электролит из сильно концентрированной серной кислоты
• свинец соединяется с SO4, образуя PbSO4 и один свободный электрон
• диоксид свинца, ионы водорода и ионы SO4, а также электроны с свинцовой пластины, образуют PbSO4 и воду на пластине из диоксида свинца по мере течения времени, обе пластины покрываются PbSO4, а вода смешивается с кислотой; характерное напряжение составляет около 2V - таким образом, соединяя последовательно 6 ячеек, мы получаем батарею ячеек с напряжением 12V

Свинцово-кислотный аккумулятор имеет одно очень полезное свойство - происходящая в нем реакция полностью обратима. Если пропустить через аккумулятор ток при соответствующем напряжении, свинец и оксид свинца вновь формируются на пластинах; таким образом, мы можем использовать аккумулятор многократно! В случае цинково-углеродной батареи мы не можем поступить аналогично - нет простого способа вернуть водород обратно в электролит. Современные батареи используют множество химических соединений для получения электрической энергии. Наиболее часто встречающиеся типы батарей:

• цинково-углеродные батареи - настолько популярные, что иногда называемые "обычными"; это наиболее часто используемые батареи, в таких размерах, как R6/AA, R14/C, R20/D; электроды здесь выполнены из цинка и
• угля, с кислотной пастой, помещенной между ними, служащей в качестве электролита
• щелочные батареи - их электроды выполнены из цинка и оксида марганца, с щелочным электролитом
• литиевые батареи - используют литий, йодид лития или йодид свинца; чаще всего используются в фотоаппаратах, поскольку способны поставлять энергию в коротких, больших порциях (необходимых для питания вспышек)
• цинково-воздушные батареи - используются для питания слуховых аппаратов.
• свинцово-кислотные аккумуляторы - используются в автомобилях; электроды выполнены из свинца и оксида свинца, с сильно концентрированной кислотой в качестве электролита
• никель-кадмиевые аккумуляторы (Ni-Cd) - электроды выполнены из гидроксида никеля и кадмия, с гидроксидом калия в качестве электролита
• никель-металлогидридные аккумуляторы (Ni-MH) - быстро заменили никель-кадмиевые аккумуляторы в большинстве применений из-за отсутствия "эффекта памяти", приписываемого аккумуляторам Ni-Cd
• литий-ионные аккумуляторы - с отличным соотношением емкости к весу, чаще всего используются в ноутбуках и мобильных телефонах.

Соединение ячеек / батарей

В предыдущих рассуждениях мы использовали слова "батарея" и "ячейка" взаимозаменяемо. Это соответствует тенденции, существующей в разговорной речи. Однако с технической точки зрения слова "батарея" и "ячейка" имеют совершенно разные значения. Итак, "ячейка" означает одно единственное источник питания, например, такой, как описанная в начале банка с кислотой и два стержня, соединенные проводом (или, например, "пальчиковая" R6/AA). "Батарея", с другой стороны, это набор соединенных ячеек (например, батарея 3R12, состоящая из трех ячеек в одном корпусе, соединенных последовательно). В таком значении мы будем использовать эти два термина в дальнейшем тексте.

В большинстве устройств мы, скорее всего, не используем одну единственную ячейку. Вместо этого мы соединяем несколько - либо последовательно, для получения более высокого напряжения, либо параллельно - для получения более высоких токов. В последовательном соединении мы получаем сумму напряжений соединенных ячеек; в параллельном соединении - сумму токов, получаемых от составных ячеек.



Соединение, как на верхней схеме, называется параллельным. Если предположить, что каждая из ячеек имеет характерное напряжение 1,5V (как типичная одиночная цинково-углеродная или щелочная ячейка), то напряжение на конечных зажимах (указанных стрелками) будет по-прежнему 1,5V, однако полученный ток будет в четыре раза выше, чем тот, который мы получили бы от одной единственной ячейки.

Соединение, как на нижней схеме, называется последовательным. В этом случае суммируются напряжения с отдельных ячеек, давая напряжение 6V между зажимами.

Покупая батарею или ячейку, на упаковке обычно можно прочитать, какое у нее напряжение - иногда также емкость. Например, типичные аккумуляторы, используемые в цифровых камерах, имеют напряжение 1,2V и емкость 2000mAh. Емкость 2000mAh (mAh - это сокращение от миллиампер-часов) означает, что теоретически, такой аккумулятор способен поставлять ток силой 2000mA (2000 миллиампер, то есть 2 ампера) в течение часа, ток силой 1A в течение двух часов, ток силой 100mA в течение 20 часов и т.д. Однако ячейки обычно не ведут себя так линейно. Во-первых, каждая батарея имеет определенное максимальное значение тока, которое она способна предоставить. Таким образом, аккумулятор 500mAh вовсе не сможет предоставить ток силой 30A в течение секунды, потому что нет способа, чтобы происходящие внутри аккумулятора химические реакции предоставили столько электронов за такой короткий промежуток времени. Во-вторых, при больших токах ячейки обычно сильно нагреваются, что тратит много их энергии. В-третьих, многие химические системы, используемые в батареях, работают короче (или дольше!) при очень низких потреблениях тока. Тем не менее, емкость, измеряемая в ампер-часах, дает неплохое представление о том, как долго продержится данная ячейка при определенном потреблении тока в типичных условиях эксплуатации.

Copyright © Baltrade