Как работает аккумулятор: химия, ток и циклы заряда изнутри
Аккумулятор работает по принципу обратимой химической реакции: при разряде вещества на электродах окисляются и восстанавливаются, отдавая электроны во внешнюю цепь; при заряде внешний ток запускает те же реакции в обратном направлении. Именно обратимость отличает аккумулятор от обычной батарейки, где реакция идёт только в одну сторону.
Из чего состоит аккумулятор
Любой аккумулятор содержит три обязательных элемента: два электрода (анод и катод) и электролит между ними. Анод при разряде отдаёт электроны, катод их принимает. Электролит проводит ионы, но не пропускает электроны, поэтому электронам приходится идти через внешнюю цепь, совершая полезную работу. В свинцово-кислотных аккумуляторах, которые до сих пор стоят в большинстве автомобилей, электродами служат пластины из свинца и диоксида свинца, а электролитом является раствор серной кислоты концентрацией около 30-35%. В литий-ионных аккумуляторах анод чаще всего графитовый, катод содержит оксиды лития с никелем, марганцем или кобальтом, а электролит органический.
Как происходит разряд и заряд
При разряде свинцово-кислотного аккумулятора свинец на аноде окисляется до сульфата свинца, одновременно диоксид свинца на катоде восстанавливается тоже до сульфата свинца. Серная кислота при этом расходуется, плотность электролита падает. Именно по плотности электролита традиционно судят о степени заряженности таких батарей: полностью заряженный аккумулятор имеет плотность около 1,27-1,28 г/куб.см, разряженный снижается до 1,10-1,15 г/куб.см.
В литий-ионном аккумуляторе при разряде ионы лития движутся из анода через электролит к катоду и встраиваются в его кристаллическую решётку. При заряде процесс идёт обратно: ионы лития покидают катод и возвращаются в графит анода. Напряжение одной литий-ионной ячейки составляет 3,6-3,7 В, что почти втрое больше, чем у свинцовой ячейки (2 В). Поэтому литий-ионный аккумулятор компактнее и легче при той же запасённой энергии.
Почему аккумулятор деградирует
Каждый цикл заряд-разряд сопровождается механическими изменениями в электродах: они немного расширяются и сжимаются. Со временем в кристаллической решётке катода накапливаются дефекты, часть лития оказывается необратимо связана и выбывает из цикла. Параллельно на поверхности графитового анода растёт слой продуктов разложения электролита, он поглощает ионы лития и увеличивает внутреннее сопротивление. Именно поэтому после 500-800 циклов полного заряда-разряда литий-ионный аккумулятор удерживает лишь 80% первоначальной ёмкости. Свинцово-кислотные батареи деградируют иначе: кристаллы сульфата свинца при глубоком разряде укрупняются и хуже растворяются при следующем заряде, что называют сульфатацией пластин.
Температура, ёмкость и практика эксплуатации
Химические реакции в аккумуляторе чувствительны к температуре. При морозе ниже минус 20 градусов вязкость электролита растёт, ионы движутся медленнее, и аккумулятор временно теряет до 30-40% отдаваемой ёмкости. Летний зной, наоборот, ускоряет реакции и ускоряет деградацию: при температуре свыше 45 градусов срок службы литий-ионной ячейки заметно сокращается. Поэтому в электромобилях и промышленных накопителях применяют системы термостабилизации, удерживающие батарею в диапазоне 15-35 градусов. Бытовой совет прост: не разряжать литий-ионный аккумулятор ниже 20% и не заряжать регулярно до 100%, если устройство постоянно подключено к сети, это заметно продлевает ресурс.
