Из чего сделана батарейка и как он работает, какие бывают типы батарей. Какая емкость и сколько энергии дает она. Приводится основная информация о неперезаряжаемых гальванических элементах.
Как известно электричество – это явление, тесно связанное с электрическими зарядами. Благодаря движущимся электронам можно передавать электричество и снабжать им различные устройства. Положительные и отрицательные заряды испытывают в своем присутствии естественную силу притяжения. Правда в случае одиночных элементов эта сила ничтожна. Но если собрать и разделить большое количество таких зарядов, результатом будет очень большая сила притяжения, способная смещать заряды и выделять значительную энергию.
Накопленные заряды сильно притягиваются друг к другу – благодаря разности потенциалов. Собрать большое количество зарядов и расположить их таким образом, чтобы они взаимодействовали друг с другом с определенной силой, – непростая задача. Само по себе это требует энергии. Её количество легко измерить, потому что везде, где накапливается электричество, есть разность потенциалов. Эта разница, называемая электрическим напряжением, отражает как собранную энергию, так и силу с которой заряды «касаются друг друга».
Отрицательные заряды притягиваются более высоким потенциалом, а положительные – более низким. Если бы выпустили все заряды сразу (при условии что напряжение достаточно высокое), это имело бы эффект, подобный удару молнии. Красиво, но недолго. Оба кластера зарядов бросятся навстречу друг другу, сталкиваясь и тратя всю накопленную энергию за доли секунды.
А если попытаемся контролировать этот процесс: создать узкую щель, через которую может пройти только часть зарядов. Не выпускать столько электроэнергии за один раз, но дозируя ее небольшими порциями, обеспечить таким образом питание небольшого устройства на гораздо более длительное время.
Ограничивая поток контролируем количество передаваемой энергии. Таким образом, производство и контроль передачи электроэнергии включает в себя две вещи:
- Получение большого количества зарядов и создание потенциальной разницы между ними.
- Дозирование накопленной энергии в нужное время, благодаря контролю потока зарядов.
Давайте посмотрим, как справиться с вышеуказанными проблемами на практике. Основные заряженные частицы – это протоны и электроны. Протоны (положительный заряд) – это относительно тяжелые элементы, спрятанные внутри атомного ядра. Добраться до них крайне сложно, и нужно много сил, чтобы убедить их делать то, что хотим. С другой стороны, электроны, вращающиеся вокруг этого ядра (отрицательный заряд), легкие, подвижные и часто слабо привязаны к атому. Отрыв такого электрона от ядра не проблема в некоторых элементах, и можем это сделать даже дома. Сила трения при расчесывании волос или трении кусочком меха о стекло заставляет электроны прыгать с одного предмета на другой. В результате один объект получает избыток электронов и становится отрицательно заряженным.
После удаления электрона атом становится катионом – положительно заряженной частицей, в которой протонов больше, чем электронов. Использование силы трения имеет два основных недостатка. Во-первых, накопленный таким образом заряд небольшой, во-вторых, эффект зарядки длится недолго. Подобно тому, как легко заряжаем объекты трением, воздух вокруг них, бомбардируя их своими частицами, использует ту же силу для разряда накопленного заряда.
Физики еще не нашли удовлетворительного способа хранения электричества. Умеют хранить его с помощью конденсаторов (ионисторов), но этого количества не достаточно по сравнению с потребностями электрических устройств. Единственный выход из этой ситуации – использовать другую форму энергии, которую намного проще хранить, а затем преобразовывать в электричество.
Химическая энергия
Самый распространенный тип хранимой энергии в природе – химическая энергия. Прекрасным примером здесь является такое сырье, как уголь и древесина. Благодаря реакции горения можем преобразовывать химическую энергию, хранящуюся в сырье, в свет и тепло. В свою очередь, химическая энергия пищи питает тела, а химическая энергия бензина питает автомобили. Значит химическая энергия также будет питать наши телефоны? Да, благодаря окислительно-восстановительной реакции.
Окисление и восстановление
Поток зарядов необходим для питания электрических устройств. Окислительно-восстановительный потенциал – это тип химической реакции, которая делает возможным этот поток. В нем есть два основных явления:
- Атомы первого элемента окисляются, отдавая тем самым свои электроны.
- Атомы второго элемента легко принимают электроны и восстанавливаются.
Объединение как электронно-дефицитных, так и избыточных материалов выглядит отличным способом обеспечить стабильный поток заряда. Естественно, не все элементы одинаково легко окисляются или восстанавливаются. Наиболее часто используются металлы (такие как литий, цинк, медь, свинец) и их соединения. Металлы настолько благоприятны для окислительно-восстановительных реакций, что могут подвергаться им даже в естественных условиях, что широко известно как явление коррозии.
Электролит
Конечно, о самопроизвольной коррозии металла не может быть и речи. Чтобы получить электричество, нужно контролировать весь процесс переноса электронов. Это делается путем погружения металла в специальный раствор, называемый электролитом. Это может быть соль, кислота или любое другое соединение, которое при растворении распадается на положительные и отрицательные ионы. Отрицательные ионы – это атомы с избыточным количеством электронов (анионов), тогда как положительные атомы страдают от недостатка (катионы). Химики также обнаружили что металлы, скорее всего будут реагировать с электролитами, которые уже содержат их собственные ионы. Например цинк охотно окисляется в электролите, который уже содержит катионы цинка. Давайте посмотрим, что на самом деле происходит с металлом, погруженным в электролит, на двух примерах:
Окисление цинка
Если электролит называемый сульфатом цинка растворяется в воде, он распадается на положительные ионы цинка и отрицательные ионы сульфата. Когда помещаем в такой раствор цинковую пластину, она начинает окисляться, или проще говоря растворяться. Атомы цинка будут пытаться превратиться в положительные ионы, чтобы присоединиться к другим ионам цинка в растворе. Преобразование атома в ион стоит того – атом цинка должен оставить после себя два электрона.
Оставление электронов на пластине и уход положительного иона в раствор вызывает дисбаланс заряда. На пластине начинает накапливаться отрицательный заряд, и в растворе становится все больше и больше положительных ионов. Эта ситуация постепенно препятствует проникновению в раствор других ионов. Концентрация положительных зарядов настолько высока, что последующие атомы не могут проникнуть через нее. Через некоторое время установится равновесие, и пока каким-то образом не разрядим накопленные заряды, дальнейшее окисление будет невозможно.
Накопление электронов на пластине и катионов в растворе останавливает дальнейшее окисление. Пластина, на которой мы таким образом собрали отрицательный заряд, называется отрицательным электродом (анодом), а погруженный в электролит электрод образует полуячейку.
Восстановление меди
Растворение сульфата меди в воде приведет к получению раствора, наполненного положительными ионами меди и отрицательными ионами сульфата. Помещая медную пластину в такой раствор, вызываем массовый выброс меди из раствора, технически известный как восстановление. Ионы меди начнут оседать на пластине, используя все свободные электроны на ней.
На пластине начнет накапливаться положительный заряд, а в растворе – отрицательный. Положительным ионам меди будет все труднее приближаться к пластине, и реакция со временем прекратится. Если каким-то образом не уравновесим нагрузки, дальнейшее снижение будет невозможно.
Отсутствие свободных электронов на пластине и накопление анионов в растворе препятствуют дальнейшему восстановлению. Пластина, на которой таким образом собрали положительный заряд, называется положительным электродом (катодом), а погруженный в электролит электрод образует полуячейку.
Гальванический элемент
Сопоставляя два таких полуэлемента вместе – создаем гальванический элемент. Реакции окисления и восстановления останавливаются в какой-то момент, устанавливая потенциал каждого электрода (один отрицательный, а другой положительный). Таким образом, между электродами возникает разность потенциалов.
Используя химическую энергию, удалось получить электрическое напряжение. Создавая правильный путь между двумя потенциалами, заставим заряды течь между ними:
Соединяя электроды, анод избавляется от лишних электронов, которые препятствуют окислению, и новые электроны поступают на медную пластину, что позволяет восстанавливать дополнительные катионы меди. Теоретически окислительно-восстановительная реакция должна начаться снова, но через некоторое время возникнет другая проблема: поток электронов разряжает потенциал пластины, но потенциал, созданный в электролите, по-прежнему препятствует и в конечном итоге останавливает дальнейшую окислительно-восстановительную реакцию.
Ионная проводимость
Потенциал, создаваемый в электролитах, блокирует дальнейшую инфильтрацию цинка и утечку меди. Чтобы окислительно-восстановительная реакция продолжалась, полученный заряд должен быть несколько уравновешен, это можно сделать тремя способами.
Обе емкости с электролитом могут быть соединены с так называемым с электролитическим ключом (в смысле источником). Он заполнен ионами, которые проникают в оба электролита, восстанавливая баланс заряда. Например водный раствор соли. Анионы хлора, содержащиеся в нем, будут притягиваться к электролиту, где положительный потенциал будет увеличиваться. С другой стороны, катионы натрия будут проникать в электролит с отрицательным потенциалом.
Электролитический источник поставляет ионы, необходимые для балансировки зарядов в электролитах. Если у обоих электролитов есть общая черта, такая как наличие отрицательных ионов сульфата, они могут быть соединены с помощью специального барьера, который пропускает поток сульфата, но блокирует цинк и медь.
Подходящий барьер позволяет проходить сульфатным ионам, блокируя катионы цинка и меди. Благодаря соответствующему подбору электродов можно использовать обычный электролит.
Поток ионов в электролите необходим для дальнейшего протекания окислительно-восстановительной реакции, и какой из методов мы выберем, зависит от типа ячейки, способа ее изготовления и ее назначения.
Напряжение ячейки
Теперь, когда решили проблему с потоками электронов и ионов, и создали автономную окислительно-восстановительную реакцию, пришло время перейти к точным цифрам. Если напряжение напрямую переводится в доступную энергию, давайте проверим, какую разность потенциалов можем получить от такой ячейки.
Электроды изготавливаются из различных материалов и химических соединений. Чтобы определить потенциал электрода, начните с проверки его нормального потенциала. В случае металлических электродов можем прочитать это по ряду напряжений металлов.
Нормальный потенциал – это потенциал, который будет создан на электроде после того, как в электролит будет погружен. Металлы с низким потенциалом очень хорошо окисляются, а металлы с высоким потенциалом легко восстанавливаются.
Благодаря таблице знаем относительный потенциал, который возникнет на данном электроде во время реакции окисления и восстановления. Чтобы рассчитать напряжение между двумя электродами, просуммируйте значения нормальных потенциалов без знаков минус. В данном примере с цинково-медным электродом получаем:
0,76 В + 0,34 В = 1,1 В
Не так уж много. У элементов, которые подвергаются окислительно-восстановительным реакциям, к сожалению есть свои пределы. Их достаточно для производства часовых батареек на 1,5 В или популярных АА, но сделать одну ячейку на 9 или 12 В труднее.
Батарея
Слово «батарея» стало настолько популярным, что допустимо обозначать отдельные первичные элементы как таковые. Но для правильного определения батареи необходимо, чтобы несколько ячеек были соединены друг с другом (чаще всего последовательно, то есть одна за другой, как радиаторы отопления в квартирах).
Соединяя ячейки последовательно, суммируем их напряжения. Подключение ячеек позволяет значительно увеличить доступное напряжение. Общее напряжение равно сумме напряжений каждой ячейки. В приведенном случае:
1,1 В + 1,1 В = 2,2 В
Если более высокое напряжение означает больше энергии, почему батареи по-прежнему производятся с напряжением 1,5 В или 3 В? Обратите внимание, что соединение нескольких ячеек вместе значительно влияет на вес и размер батареи. Иногда разница в напряжении в один или два вольта не стоит двойного веса батареи. И лучше ограничить потребность устройства в энергии и заставить его работать на более низком напряжении, сосредоточившись на сроке службы элементов.
Ёмкость
Напряжение ячейки – не единственная часть проблемы. Одна из самых больших проблем современных элементов – это их емкость. Так на сколько хватит заряда и что влияет на время его работы?
Энергия батареи в электроустройства подается с помощью электронов. Приобретение этих электронов на цинковом электроде возможно из-за растворения металла в растворе (электролите). Если металл полностью растворится, запас электронов закончится. Поэтому интересуют два вопроса:
- Какой ток потребляем (сколько зарядов в секунду протекает в цепи).
- Как долго сможем потреблять такой большой ток (сколько часов работы пройдет прежде чем израсходуем все заряды и батарея разрядится).
Эти факторы описываются так называемой емкостью батареи, выраженной в ампер-часах (Ач). Если образец батареи имеет емкость 1 Ач, то сможем получить от нее 3600 кулонов заряда, согласно следующему расчету:
На сколько хватит такой нагрузки зависит от того, сколько тока будем потреблять (сколько зарядов в секунду требуется подключенному устройству). Если аккумулятор имеет емкость 1 Ач и устройство потребляет ток 0,5 А, оно проработает 2 часа. При токе потребления 0,1 А этого хватит на 10 часов.
Количество зарядов в батарейке зависит от структуры. Чем больше электроды, тем больше электронов они смогут отдать / получить и тем больше времени потребуется для их работы. Чтобы не ставить в телефоны батарейки размером с кирпич, производители пошли другим путем. Используя материалы с более плотной структурой для изготовления электродов (больше атомов, упакованных в одно и то же пространство), увеличили количество электронов, не влияя на размер самой батареи. Количество ампер-часов, которое можем получить из каждого грамма материала, называется электрохимическим эквивалентом. Вес аккумулятора или батареи так же важен, как и размер, поэтому важно эквивалентное значение также с точки зрения объема.
Но емкости батареи, которую производители ставят на этикетках, нельзя полностью доверять. Они выражают емкость своих продуктов на основе различных критериев, которые они использовали при тестировании ячеек. Кроме того, такие устройства как смартфоны потребляют разный ток в зависимости от использования и рабочей температуры, поэтому теоретическое время автономной работы может значительно отличаться от реального.
Сколько энергии имеют батареи
Емкость батареи – полезная величина, но не надо забывать о нескольких участках напряжения ячейки (разности потенциалов между электродами). Зная напряжение и емкость АКБ, можем вычислить теоретическую энергию элемента, выраженную в ватт-часах (Втч).
Аккумулятор емкостью 20 Ач и напряжением 3 В (энергия, равная 60 Втч) сможет передавать вдвое больше энергии, чем аккумулятор на 20 Ач, 1,5 В (энергия, равная 30 Втч). Теоретически отправляются те же электроны и такое же количество кулонов, но более высокое напряжение увеличивает количество передаваемой энергии.
Напряжение питания электроприборов может выражаться во многих вещах. Проще говоря, оно отвечает за силу, с которой батарея способна «продавить» электроны по цепи. Чем большее сопротивление устройство оказывает электронам, тем больше силы и энергии требуется для поддержания правильного потока зарядов.
Пример – работа аккумуляторной отвертки. Аккумуляторы для отверток от разных производителей могут иметь напряжение 10 В, 12 В или 24 В. Более высокое напряжение аккумулятора не означает, что сможем работать дольше на одной зарядке (это зависит от емкости АКБ), просто более высокое напряжение позволяет производить увеличение оборотов двигателя или улучшение доступной мощности.
Современные батареи прошли долгий технологический путь. По ходу научились заменять жидкие электролиты гелем и сухим порошком, открыли металлические соединения, которые обеспечивают восстановление и окисление с беспрецедентной эффективностью, а сами батареи становятся меньше и способны питать все более совершенные устройства. Вот самые популярные типы современных аккумуляторов по напряжению, емкости и энергии.
В общем теперь вам понятен принцип работы первичных элементов (неперезаряжаемых батарей) и их наиболее важные особенности. А использование, преимущества и недостатки, в том числе конструкция литиевых аккумуляторов, рассмотрены в другом материале.
