Как работают батарейки и аккумуляторы?

Где бы вы ни были и куда бы ни пошли, вы, так или иначе, столкнетесь с батарейками или аккумуляторами. Попробуйте представить мир, в котором бы все электроприборы питались от розеток – никаких телефонов, фонариков, ноутбуков, автомобилей и прочих уже привычных благ цивилизации. Аккумуляторы повсюду: от мобильных телефонов до космических кораблей. О том, как работают эти портативные источники энергии, из чего они сделаны, и какие мифы о них правдивы, а какие – нет, мы попытаемся разобраться в этой статье.

Первые батарейки

Считается, что примитивными батарейками пользовались еще арабы во времена до нашей эры. В результате раскопок под Багдадом археологи нашли глиняные кувшины, в которых находились железные стержни в медной оболочке. Протестировав находки в лаборатории, ученые пришли к выводу, что кувшины были наполнены кислотной жидкостью, скорее всего, вином или уксусом. Для каких целей использовались подобные устройства не совсем понятно, т.к. представление об электричестве возникло спустя практически два тысячелетия, но факт остается фактом: батарейками пользовались еще до Рождества Христова.

Однако первые современные батарейки появились в 1800 году благодаря итальянскому ученому Алессандро Вольте, который получил непрерывный электрический ток, поместив цинковые и медные пластины в кислоту. Это изобретение получило название Вольтов столб, а единица измерения напряжения получила название в честь его создателя. С тех пор появились новые виды батареек с усовершенствованной конструкцией и улучшенным коэффициентом полезного действия, но принцип их работы существенно не изменился: при подключении батарейки к устройству в ней происходит электрохимическая реакция и вырабатывается электричество.

По типу электрохимической реакции различают два типа химических источников питания:
1. Гальванические элементы (батарейки). Они отличаются необратимой реакцией при выработке электроэнергии, поэтому их нельзя перезарядить. Попытка перезарядить батарейку может привести к утечке щелочи или другого вещества, в зависимости от батарейки.
2. Аккумуляторы. Они отличаются обратимостью реакций при выработке электричества, поэтому их можно перезарядить. Аккумуляторы могут не только, как батарейки, преобразовывать химическую энергию в электрическую, но и наоборот.

Как работают батарейки

Главными компонентами батарейки, из которых она состоит на 90 %, являются электролит и два электрода: анод, подключенный к отрицательному полюсу (-) и катод, подключенный к положительному полюсу (+). Если подключить батарейку к электрической цепи, в ней начнут происходить окислительно-восстановительные процессы. Взаимодействуя с электролитом, материал анода начнет окисляться и выделять отрицательно заряженные частицы – электроны, – которые и образуют электрический ток. Во время работы батарейки в аноде (-) вырабатывается избыточное количество электронов, и единственным выходом для них является перемещение к положительному полюсу. Взаимодействуя с материалом катода, электроны нейтрализуются в результате реакции восстановления. Именно избыток электронов в отрицательном полюсе и их нехватка в положительном полюсе приводит к постоянному перераспределению электронов между полюсами и создает электрическое напряжение. Окислительно-восстановительные процессы протекают в батарейке постоянно, пока она подключена к электрической цепи, изменяя изначальный состав материалов анода и катода: образуются второстепенные элементы, которые препятствуют движению электронов. Это приводит батарейку в негодность.

Аккумуляторы

Аккумуляторы отличаются от батареек обратимостью химических процессов, проще говоря, возможностью перезарядки. В электрической цепи аккумулятор работает так же, как и батарейка: в аноде образуются электроны, которые перемещаются в катод, образуя электрическое напряжение. Когда материал анода истощается, электроны прекращают вырабатываться и аккумулятор садится. Вот здесь и кроется главное преимущество аккумуляторы: в отличие от батарейки, анод можно восстановить, пропустив через аккумулятор электрический ток. Естественно, это не значит, что аккумуляторы будут работать вечно, ведь материал анода в любом случае будет постепенно истощаться, но на сотню перезарядок обычного аккумулятора зачастую хватает.

В зависимости от материалов, используемых в качестве анода и катода, выделяют разные типы батареек. Каждый тип отличается производительностью, сроком эксплуатации, ценой и вредностью. К сожалению, не существует идеальных батареек, которые бы удовлетворяли пользователей всеми параметрами. О типах батареек и аккумуляторов, их преимуществах и недостатках читайте далее.