Как работают аккумуляторы и батарейки
Батарейки и аккумуляторы превращают энергию химических процессов в электрическую. В аккумуляторе зарядка позволяет вернуть систему в состояние, пригодное для нового разряда, а обычная одноразовая батарейка для этого не предназначена.
1Энергия без розетки
Карманный фонарик светит в лесу, часы продолжают идти в ящике, а телефон работает вдали от дома. Во всех этих случаях электричество приходит из небольшого химического источника. Он позволяет перенести запас энергии туда, где нет провода от электросети.
Внутри находится не готовый ток, который постепенно вытекает наружу. Запас связан с состоянием веществ. Когда подключён прибор и замкнута цепь, химические процессы поддерживают движение электрических зарядов, а прибор получает энергию.
В обиходе словом «батарейка» называют и отдельный элемент, и компактный источник из нескольких элементов. Технически батарея может объединять элементы, соединённые определённым способом. Принцип работы от этого не меняется, но меняются напряжение и доступный запас энергии.
Главное различие между обычной батарейкой и аккумулятором связано с повторным использованием. Одноразовый источник расходует доступный химический запас, а устройство аккумулятора рассчитано на его многократное восстановление при зарядке.
2Что происходит внутри
Основные части электрохимического элемента — два электрода и электролит. Электроды участвуют в связанных между собой реакциях. Электролит позволяет переносить заряд внутри элемента с помощью ионов — частиц, имеющих электрический заряд.
При разряде на одном электроде образуются электроны, доступные внешней цепи, а на другом они участвуют в реакции. Если соединить выводы через прибор, электроны движутся по проводникам. Внутри элемента перенос заряда обеспечивается главным образом движением ионов в электролите.
Разделитель, или сепаратор, не даёт электродам напрямую соприкоснуться. Он при этом допускает необходимый перенос ионов. Без разделения внутреннее замыкание могло бы нарушить нормальную работу источника.
Напряжение связано с различием электрохимических свойств электродов. Разные сочетания веществ дают разные рабочие характеристики. Поэтому два внешне похожих элемента не обязательно подходят одному и тому же устройству.
Ток появляется в рабочей цепи, когда существует путь для движения зарядов. Его величина зависит и от источника, и от подключённой нагрузки. Фонарик и мощный электродвигатель предъявляют к батарее разные требования, даже если рассчитаны на одинаковое напряжение.
3Что меняет зарядка
Зарядное устройство подводит энергию извне и направляет процессы в аккумуляторе в сторону восстановления заряженного состояния. Это не простое наполнение пустой коробки электронами. Меняется расположение частиц и химическое состояние материалов.
В распространённом литийионном аккумуляторе ионы лития перемещаются между материалами электродов. Во время зарядки и разряда направления переноса различаются. Электроны идут по внешнему пути, а ионы обеспечивают соответствующее перемещение заряда внутри.
Не всякую химическую систему можно безопасно заряжать снова. Материалы одноразовой батарейки и её конструкция не рассчитаны на обычный повторный цикл. Внешнее сходство с аккумулятором или подходящий размер этого не меняют.
Зарядкой управляют с учётом типа источника. Для разных химических систем нужны разные режимы, а в устройствах с литийионными аккумуляторами важную роль играет электронная защита. Она контролирует условия работы, но не превращает повреждённый элемент в исправный.
| Вид | Повторная зарядка | Обычное применение |
|---|---|---|
| Щелочная батарейка | Не предусмотрена | Пульты, часы, небольшие приборы |
| Никель-металлгидридный аккумулятор | Предусмотрена | Устройства со сменными элементами |
| Литийионный аккумулятор | Предусмотрена | Переносная электроника, электрический транспорт |
| Свинцовый аккумулятор | Предусмотрена | Пусковые и резервные системы питания |
4Ёмкость и запас энергии
Надпись о ёмкости часто выражена в ампер-часах или миллиампер-часах. Она описывает количество электрического заряда, которое источник может отдать при определённых условиях. Это важная характеристика, но она не равна запасу энергии сама по себе.
Для приблизительной оценки энергии нужно учитывать и напряжение. У двух аккумуляторов с одинаковой ёмкостью, но разным напряжением запас энергии может заметно отличаться. Энергию часто указывают в ватт-часах, что удобнее для такого сравнения.
Даже запас энергии не даёт готового ответа о времени работы. Прибор с ярким экраном расходует больше, чем тот же прибор в ожидании. Потери при преобразовании напряжения и условия эксплуатации тоже влияют на результат.
Показатель заряда на экране обычно получают расчётом. Электроника использует измерения и модель поведения аккумулятора, поскольку напрямую увидеть его химический запас нельзя. По этой причине показание иногда меняется неравномерно или уточняется в процессе работы.
5Почему источник стареет
Повторные циклы не возвращают аккумулятор в исходное состояние совершенно точно. Внутри постепенно происходят побочные процессы, изменяются материалы и сопротивление. Со временем доступная ёмкость уменьшается, а часть энергии сильнее рассеивается в виде тепла.
Старение идёт и без активного использования. Его скорость зависит от химического состава, температуры и состояния заряда при хранении. Поэтому число циклов не описывает срок службы полностью, а одинаковые по возрасту аккумуляторы могут вести себя по-разному.
Температура влияет и на работу здесь и сейчас. В холоде некоторые процессы замедляются, поэтому источник может временно отдавать меньше энергии. Возвращение к обычной температуре способно улучшить работу, но не устраняет уже произошедший износ.
Нагрев тоже имеет значение: он ускоряет нежелательные изменения, а при неисправности может стать признаком опасного состояния. Точные допустимые условия зависят от устройства. Универсальное правило о хранении или зарядке всех аккумуляторов одинаковым способом было бы неверным.
6Корпус тоже часть системы
Оболочка удерживает материалы и защищает внутреннее устройство. Контакты, уплотнения и защитная электроника выполняют свои задачи, хотя обычно остаются незаметными. Повреждение корпуса способно нарушить работу всего источника, а не только испортить внешний вид.
Вздутие, протечка и необычный нагрев требуют прекращения обычного использования и обращения к правилам производителя. Попытки вскрыть, нагреть или переделать элемент не относятся к безопасному бытовому обслуживанию. Одноразовые батарейки не заряжают как аккумуляторы.
После окончания службы источники питания передают в предназначенные для них пункты сбора. Способ приёма зависит от местной системы и состояния элемента. Это позволяет отдельно обращаться с химическими материалами и извлекать часть полезных компонентов.
Небольшой источник питания объединяет химию, электричество и инженерную защиту. Понимание этого устройства объясняет сразу несколько привычных вещей: зачем нужна зарядка, почему батарея со временем слабеет и почему размер корпуса не определяет её возможности.