Технологии

Почему одна батарейка садится навсегда, а другую можно перезаряжать тысячи раз

Фото iStock

Автор

Иван Лавренов

Опубликовано

29 марта 2023

Опубликовано

29 марта 2023

Дрожащими руками вы достаете смартфон в минус 30, чтобы вызвать такси. Не успели вбить адрес, как экран гаснет и телефон больше не включается. «Как это так, — подумали вы. Ведь он был заряжен на 50%». Вот если бы мобильный мог работать от щелочной батарейки бабушкиного телевизионного пульта, а не от литий-ионного аккумулятора, то проблем с вызовом такси удалось бы избежать. Почему? Все дело в крошечных носителях электрического заряда.

Аккумулятор мобильника и щелочная батарейка в пульте относятся к устройствам, преобразующим химическую энергию в электрическую. Главные действующие лица в этом преобразовании — окислитель и восстановитель.

Окислителями называют атомы, ионы или молекулы, которые при любом удобном случае жадно отбирают электроны у других атомов — восстановителей. Они, как щедрые благодетели, раздают свои электронные богатства окислителю в ходе химической реакции. Пока батарея не питает устройство, окислитель и восстановитель «ждут» на плюсе и минусе батарейки — ее контактах. Когда устройство начинает работать, запускается химическая реакция, и на контактах батареи возникает разность потенциалов (напряжение) — источник энергии для вашего гаджета.

Как устроен самый популярный аккумулятор в мире

В литий-ионном аккумуляторе восстановителем служит соединение лития с графитом (LiC6), а окислителем — оксид кобальта (CoO2). Атомы лития избавляются от своих электронов и оставляют их на отрицательном контакте аккумулятора, превращаясь в ионы Li+. По проводящей заряды жидкости (электролиту) они перетекают к положительному контакту и накапливаются на нем.

Когда вы смотрите видео, пишете сообщение или другими способами снижаете заряд батареи, в ней протекают окислительно-восстановительные реакции

Обмен ионами длится, пока положительный контакт не зарядится настолько сильно, что начнет отталкивать одноименные заряды Li+, — это происходит при напряжении на батарее около 3,7 вольта. Когда контакты соединяются друг с другом через гаджет, заряды на них уменьшаются, и поток ионов лития возобновляется. Но когда восстановитель отдаст все электроны, движение опять прекратится, и смартфон попросит зарядку.

Как только вы подключаете гаджет к розетке или переносному источнику питания, напряжение на аккумуляторе взлетает до четырех с небольшим вольт, и все процессы в нем обращаются вспять. Стремясь избавиться от «усилившегося» положительного заряда, контакт «+» начинает выгонять из себя полученные недавно ионы лития. Они возвращаются на отрицательный контакт и вновь становятся частью восстановителя LiC6, готового жертвовать электроны. Так электрическая энергия из розетки превращается в химическую, которую можно «взять с собой».

Литий-ионные аккумуляторы не вечны: спустя много циклов они выходят из строя. Из-за многократных перемещений лития по электродам контактов они расширяются и сжимаются, со временем трескаются и перестают пропускать ток. На положительно заряженном электроде накапливается слой частиц, мешающий оттоку электронов.

Чем одноразовая батарейка отличается от перезаряжаемого аккумулятора

В одноразовой щелочной батарейке окислителем служит диоксид марганца (MnO2), а щедрым восстановителем — цинк (Zn). Окислитель и восстановитель также взаимодействуют через «благотворительный фонд»-электролит: заряд переносят гидроксид-ионы (OH-), которые вместе с металлами образуют щелочи. Это отразилось в названии типа таких батареек.

Гидроксид-ионы присоединяются к цинку, забирают его электроны и передают их проходящему сквозь батарейку стальному стержню. Так на одном из контактов образуется отрицательный заряд. На противоположном контакте работает любитель чужих электронов — оксид марганца. Он забирает электроны из стального корпуса батарейки, заряжая его положительно. Попутно в электролите образуется новая порция отрицательно заряженных ионов OH- для последующего окисления цинка.

Первую батарейку в виде колоды цинковых и медных пластин изобрел Алессандро Вольта

Когда весь цинк окислится или весь диоксид марганца восстановится до оксида, батарейка сядет навсегда. Если попробовать зарядить ее от внешнего источника тока, вода в составе щелочного электролита начнет распадаться на водород и кислород, которые тут же улетучатся или даже разорвут батарейку изнутри.

Как температура влияет на аккумулятор в вашем смартфоне

Ионы «плавают» в электролите не так свободно, как электроны в металле. Прокладывать дорогу через жидкость им помогает температура: чем она выше, тем «энергичнее» и быстрее молекулы. С падением температуры вязкость жидкости возрастает, и ионы в ней «вязнут». Тепло «размораживает» движение ионов, и они тратят меньше энергии на преодоление электролита. Вот почему внезапно «севший» на морозе смартфон в квартире может включиться без подзарядки и показать 50%, которые вы увидели перед выключением гаджета на улице.

Если заряд мобильника «растаял» при жаре, воскресить батарею не получится. При температуре аккумулятора выше 60 градусов его составляющие вступают в «нештатные» необратимые реакции друг с другом, и батарея портится навсегда.

1
Haha
Haha
0
0
Love
Love
0
0
1