Аккумулятор состоит из одной или нескольких электрохимических ячеек. В каждой ячейке есть два электрода, электролит между ними и сепаратор, который не даёт электродам соприкоснуться, но пропускает ионы. Токосъёмники, выводы, корпус и защитные устройства соединяют эти активные части в безопасный источник энергии. Точный материал деталей зависит от типа аккумулятора: в автомобильном свинцово-кислотном используются свинцовые пластины и раствор серной кислоты, а в литий-ионном – слоистые материалы электродов и электролит с солями лития.
Ячейка – основа аккумулятора
Люди часто называют батареей любой переносной источник питания. Технически одиночный элемент даёт напряжение одной электрохимической пары, а батарея объединяет несколько элементов. Аккумулятор отличается тем, что его реакции можно в значительной степени обратить внешним током и снова накопить энергию. В быту эти слова смешиваются, но устройство от этого не меняется.
Химическая энергия хранится не в виде готового электричества. При подключении нагрузки на электродах идут реакции: ионы перемещаются внутри ячейки через электролит, а электроны проходят по внешней цепи через лампу, двигатель или электронную схему. Разделение двух путей и создаёт полезный ток. Общий принцип разных источников раскрыт в статье как устроены источники электрического тока.
Для чего нужны электроды
Два электрода участвуют в разных половинах одной реакции. При разряде на отрицательном электроде высвобождаются электроны, а положительный их принимает. Во время зарядки направление процессов меняется. Поэтому названия «анод» и «катод» могут путать: в строгой электрохимии они определяются реакцией, а не постоянным знаком. В разговоре о готовых аккумуляторах понятнее говорить о положительном и отрицательном электродах.
Электрод представляет собой не обязательно сплошную пластину. В литий-ионной ячейке активный порошок наносят тонким слоем на металлический токосъёмник, добавляя связующее и проводящие частицы. Слои сворачивают в рулон или складывают пакетами, чтобы получить большую площадь при небольшом объёме. Чем больше рабочая поверхность, тем легче обеспечить нужный ток, но тем строже требования к равномерности и чистоте производства.
Электролит и сепаратор
Электролит проводит ионы между электродами, но не должен превращаться в удобный прямой путь для электронов. Он бывает жидким, гелеобразным или твёрдым. В свинцово-кислотном аккумуляторе это водный раствор серной кислоты. В большинстве литий-ионных ячеек применяется органическая жидкость с растворённой солью лития. В никель-металлгидридных системах используется щелочной электролит.
Пористый сепаратор похож на очень тонкую изолирующую перегородку. Его поры заполнены электролитом и пропускают ионы, но сам материал не проводит электроны. Если сепаратор порвётся, расплавится или будет пробит металлической частицей, электроды могут замкнуться. Тогда энергия выделится внутри ячейки в виде тепла. Поэтому эта неприметная плёнка относится к главным элементам безопасности.
Токосъёмники, клеммы и корпус
Активный материал должен быть соединён с внешней цепью. Для этого служат токосъёмники: обычно медная и алюминиевая фольга в литий-ионных элементах или решётки из свинцового сплава в автомобильных. От них ток идёт к выводам, а затем к клеммам всего блока.
Корпус удерживает детали, не пропускает электролит и защищает их от влаги, ударов и загрязнения. В крупных батареях имеются клапаны для безопасного сброса избыточного давления. Между отдельными ячейками проходят перемычки. Последовательное соединение повышает напряжение, параллельное увеличивает доступную ёмкость и ток.
Что находится в автомобильном аккумуляторе
Обычная 12-вольтовая стартерная батарея включает шесть последовательно соединённых ячеек примерно по 2 вольта. Внутри каждой находятся решётчатые положительные и отрицательные пластины с активной массой, пористые сепараторы и электролит. Пластины собраны в пакеты, потому что большая площадь помогает кратковременно отдать сильный ток стартеру.
При разряде активные вещества обеих пластин постепенно превращаются в сульфат свинца, а концентрация кислоты уменьшается. Зарядное устройство возвращает систему к исходному состоянию, хотя нежелательные изменения со временем накапливаются. На скорость реакций влияет температура, поэтому полезно знать, как мороз влияет на аккумулятор.
Чем отличается литий-ионный аккумулятор
В литий-ионной ячейке ионы лития переходят между структурами двух электродных материалов. Название не означает, что весь аккумулятор заполнен металлическим литием. Положительный электрод часто содержит сложный оксид или фосфат, отрицательный – графит. Между ними находятся сепаратор и электролит. Цилиндрический корпус, плоский пакет или жёсткая призма лишь задают форму упаковки.
Телефонная батарея и пауэрбанк дополнены электронной защитой. В большом блоке электромобиля работает система управления батареей, или BMS. Она измеряет напряжение и температуру ячеек, ограничивает ток, выравнивает заряд и отключает блок при опасном режиме. Предохранители, контакторы и охлаждение являются частями батарейного блока, хотя не относятся к самой электрохимической ячейке.
Почему состав определяет свойства
Материалы задают напряжение, запас энергии, допустимый ток, срок службы, цену и поведение при повреждении. Свинцово-кислотная система тяжёлая, зато сравнительно недорогая и способна дать высокий пусковой ток. Литий-ионная хранит больше энергии на единицу массы, но требует точного управления. Никель-металлгидридная отличается другими компромиссами и долго применялась в гибридных автомобилях.
История перехода от первых опытов к современным системам описана в материале кто изобрёл аккумулятор. Он входит в раздел «Величайшие изобретения», а развитие автомобильной техники можно пройти по шагам в маршрутах знаний.
Можно ли разобрать аккумулятор дома
Разбирать аккумулятор ради любопытства нельзя. Кислота вызывает ожоги, свинец токсичен, а повреждённая литий-ионная ячейка способна загореться. Даже разряженный блок может сохранить энергию или опасное напряжение. Вздутый, горячий, протекающий либо механически повреждённый аккумулятор не следует заряжать и прокалывать.
Отработанные аккумуляторы сдают в специализированный пункт, а не выбрасывают в обычный мусор. Там металлы и другие материалы могут извлечь контролируемым способом. Итак, видимый корпус скрывает согласованную систему: электроды хранят химический потенциал, электролит переносит ионы, сепаратор предотвращает внутреннее замыкание, токосъёмники выводят ток, а электроника и оболочка удерживают работу в безопасных пределах.
