Breve descrizione del principio della batteria

Nelle batterie chimiche, la conversione diretta dell'energia chimica in energia elettrica è il risultato di reazioni chimiche spontanee come l'ossidazione e la riduzione all'interno della batteria, che avvengono su due elettrodi. Il materiale attivo dell'elettrodo negativo è composto da un agente riducente con un potenziale relativamente negativo e stabile nell'elettrolita, come metalli attivi come zinco, cadmio, piombo e idrogeno o idrocarburi. Il materiale attivo dell'elettrodo positivo è composto da ossidanti con potenziale positivo e stabili nell'elettrolita, come ossidi metallici come biossido di manganese, biossido di piombo, ossido di nichel, ossigeno o aria, alogeni e loro sali, acidi contenenti ossigeno e loro sali, ecc. Gli elettroliti sono materiali con buona conduttività ionica, come soluzioni acquose di acidi, basi, sali, soluzioni non acquose organiche o inorganiche, sali fusi o elettroliti solidi. Quando il circuito esterno è scollegato, nonostante vi sia una differenza di potenziale (tensione a circuito aperto) tra i due poli, non circola corrente e l'energia chimica immagazzinata nella batteria non viene convertita in energia elettrica. Quando il circuito esterno è chiuso, la corrente scorre attraverso il circuito esterno a causa della differenza di potenziale tra i due elettrodi. Allo stesso tempo, all'interno della batteria, a causa dell'assenza di elettroni liberi nell'elettrolita, il trasferimento di carica è inevitabilmente accompagnato da reazioni di ossidazione o riduzione all'interfaccia tra i due materiali attivi e l'elettrolita, nonché dalla migrazione di reagenti e prodotti di reazione. Il trasferimento di carica negli elettroliti si basa anche sulla migrazione degli ioni. Pertanto, i normali processi di carica e trasferimento di sostanze all'interno della batteria sono condizioni necessarie per garantire la normale produzione di energia elettrica. Durante la carica, la direzione di carica e di trasferimento di massa all'interno della batteria è esattamente opposta a quella di scarica; La reazione dell'elettrodo deve essere reversibile per garantire il normale svolgimento dei processi di trasferimento inverso di massa e carica. Pertanto, le reazioni reversibili degli elettrodi sono una condizione necessaria per costruire una batteria.
G è l'incremento di energia libera della reazione di Gibbs (joule); F è la costante di Faraday=96500 libreria=26,8 ampere-ora; N è il numero equivalente di reazioni della batteria. Questa è la relazione termodinamica fondamentale tra la forza elettromotrice della batteria e la reazione della batteria, nonché l'equazione termodinamica di base per calcolare l'efficienza di conversione dell'energia della batteria. Infatti, quando la corrente scorre attraverso un elettrodo, il potenziale dell'elettrodo si discosta dal potenziale dell'elettrodo di equilibrio termodinamico e questo fenomeno è chiamato polarizzazione. Maggiore è la densità di corrente (la corrente che passa attraverso l'area dell'elettrodo unitario), più grave è la polarizzazione. Il fenomeno della polarizzazione è uno dei motivi importanti della perdita di energia nelle batterie.