Korte beschrijving van het batterijprincipe

Bij chemische batterijen is de directe omzetting van chemische energie in elektrische energie het resultaat van spontane chemische reacties zoals oxidatie en reductie in de batterij, die plaatsvinden op twee elektroden. Het actieve materiaal van de negatieve elektrode bestaat uit een reductiemiddel met een relatief negatieve potentiaal en stabiel in de elektrolyt, zoals actieve metalen zoals zink, cadmium, lood en waterstof of koolwaterstoffen. Het actieve materiaal van de positieve elektrode bestaat uit oxidatiemiddelen met een positief potentieel en stabiel in de elektrolyt, zoals metaaloxiden zoals mangaandioxide, looddioxide, nikkeloxide, zuurstof of lucht, halogenen en hun zouten, zuurstofhoudende zuren en hun zouten, enz. Elektrolyten zijn materialen met een goede ionische geleidbaarheid, zoals waterige oplossingen van zuren, basen, zouten, organische of anorganische niet-waterige oplossingen, gesmolten zouten of vaste elektrolyten. Wanneer het externe circuit is losgekoppeld, is er, hoewel er een potentiaalverschil (open circuit spanning) is tussen de twee polen, geen stroom en wordt de chemische energie die in de batterij is opgeslagen, niet omgezet in elektrische energie. Wanneer het externe circuit gesloten is, vloeit er stroom door het externe circuit vanwege het potentiaalverschil tussen de twee elektroden. Tegelijkertijd gaat de overdracht van lading in de batterij, als gevolg van de afwezigheid van vrije elektronen in de elektrolyt, onvermijdelijk gepaard met oxidatie- of reductiereacties op het grensvlak tussen de twee actieve materialen en de elektrolyt, evenals de migratie van reactanten en reactieproducten. De ladingsoverdracht in elektrolyten is ook afhankelijk van de migratie van ionen. Daarom zijn de normale ladings- en stofoverdrachtsprocessen in de batterij noodzakelijke voorwaarden om de normale output van elektrische energie te garanderen. Tijdens het opladen is de richting van lading en massaoverdracht in de batterij precies tegengesteld aan die van ontlading; De elektrodereactie moet omkeerbaar zijn om de normale voortgang van omgekeerde massa- en ladingsoverdrachtsprocessen te garanderen. Daarom zijn omkeerbare elektrodereacties een noodzakelijke voorwaarde voor het construeren van een batterij.
G is de toename van de vrije energie van de Gibbs-reactie (joule); F is de constante van Faraday=96500 bibliotheek=26,8 ampère-uur; N is het equivalente aantal batterijreacties. Dit is de fundamentele thermodynamische relatie tussen de elektromotorische kracht van de batterij en de reactie van de batterij, en ook de thermodynamische basisvergelijking voor het berekenen van de energieconversie-efficiëntie van batterijen. Wanneer er stroom door een elektrode vloeit, wijkt de elektrodepotentiaal af van de thermodynamische evenwichtselektrodepotentiaal, en dit fenomeen wordt polarisatie genoemd. Hoe hoger de stroomdichtheid (de stroom die door een eenheidselektrodegebied gaat), hoe ernstiger de polarisatie. Het polarisatiefenomeen is een van de belangrijke redenen voor energieverlies in batterijen.