وصف موجز لمبدأ البطارية

في البطاريات الكيميائية، يكون التحويل المباشر للطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية نتيجة تفاعلات كيميائية عفوية مثل الأكسدة والاختزال داخل البطارية، والتي تحدث على قطبين كهربائيين. تتكون المادة النشطة للقطب السالب من عامل اختزال ذو إمكانات سلبية نسبيًا ومستقر في المنحل بالكهرباء، مثل المعادن النشطة مثل الزنك والكادميوم والرصاص والهيدروجين أو الهيدروكربونات. تتكون المادة الفعالة للقطب الموجب من مواد مؤكسدة ذات جهد موجب ومستقرة في الإلكتروليت، مثل أكاسيد المعادن مثل ثاني أكسيد المنغنيز، وثاني أكسيد الرصاص، وأكسيد النيكل، والأكسجين أو الهواء، والهالوجينات وأملاحها، والأحماض المحتوية على الأكسجين وأملاحها، إلخ. الإلكتروليتات هي مواد ذات موصلية أيونية جيدة، مثل المحاليل المائية للأحماض أو القواعد أو الأملاح أو المحاليل غير المائية العضوية أو غير العضوية أو الأملاح المنصهرة أو الصلبة الشوارد. عند فصل الدائرة الخارجية، على الرغم من وجود فرق جهد (جهد الدائرة المفتوحة) بين القطبين، لا يوجد تيار، ولا يتم تحويل الطاقة الكيميائية المخزنة في البطارية إلى طاقة كهربائية. عندما تكون الدائرة الخارجية مغلقة، يتدفق التيار عبر الدائرة الخارجية بسبب فرق الجهد بين القطبين. وفي الوقت نفسه، داخل البطارية، وبسبب عدم وجود إلكترونات حرة في المنحل بالكهرباء، فإن نقل الشحنة يكون مصحوبًا حتمًا بتفاعلات أكسدة أو اختزال عند السطح البيني بين المادتين النشطتين والإلكتروليت، بالإضافة إلى هجرة المواد المتفاعلة ومنتجات التفاعل. يعتمد نقل الشحنة في الإلكتروليتات أيضًا على هجرة الأيونات. ولذلك فإن عمليات الشحن العادية ونقل المواد داخل البطارية تعتبر من الشروط الضرورية لضمان الخرج الطبيعي للطاقة الكهربائية. أثناء الشحن، يكون اتجاه الشحن ونقل الكتلة داخل البطارية معاكسًا تمامًا لاتجاه التفريغ؛ يجب أن يكون تفاعل القطب قابلاً للعكس من أجل ضمان التقدم الطبيعي لعمليات نقل الكتلة والشحنة العكسية. لذلك، تعد تفاعلات القطب الكهربائي العكسي شرطًا ضروريًا لبناء البطارية.
G هي زيادة الطاقة الحرة لتفاعل جيبس ​​(جول)؛ F هو ثابت فاراداي=96500 مكتبة=26.8 أمبير ساعة؛ N هو العدد المكافئ لتفاعلات البطارية. هذه هي العلاقة الديناميكية الحرارية الأساسية بين القوة الدافعة الكهربائية للبطارية وتفاعل البطارية، وكذلك المعادلة الديناميكية الحرارية الأساسية لحساب كفاءة تحويل طاقة البطارية. في الواقع، عندما يتدفق التيار عبر قطب كهربائي، فإن جهد القطب ينحرف عن جهد قطب التوازن الديناميكي الحراري، وتسمى هذه الظاهرة بالاستقطاب. كلما زادت كثافة التيار (التيار الذي يمر عبر وحدة مساحة القطب)، كلما زاد الاستقطاب. تعتبر ظاهرة الاستقطاب من الأسباب المهمة لفقد الطاقة في البطاريات.