Як працюють батареї та чому вони виходять з ладу

Світ, як ніколи раніше, працює на батареях. Багато речей, що ми використовуємо щодня – від годинника до автомобіля та телефона, на якому ви читаєте це зараз – живляться цими невеликими контейнерами для зберігання електроенергії, і часто це здається буденним.

Аж поки не трапляється найгірше: батарея розряджається. Адже, незважаючи на досконалий дизайн і тривалу роботу, кожна батарея має обмежений термін служби. Щоб зрозуміти, чому це відбувається, потрібно трохи розібратися, як взагалі працюють батареї.

Як працюють батареї?

У загальних рисах, ми всі знаємо, для чого потрібні батареї: вони забезпечують електроенергію за вимогою, щоб можна було користуватися телефонами або іншими пристроями. Але як вони це роблять?

Насправді батарея – це не просто циліндр, наповнений електрикою. «Ви не можете зберігати електрику напряму, але можете зберігати електричну енергію в хімічних речовинах всередині батареї», пояснював Антуан Аланор, професор матеріалознавства та інженерії у MIT.

Незалежно від типу батареї, принцип завжди той самий: хімічна реакція переміщує заряджені частинки від одного терміналу – анода – до іншого, що називається катодом. Наприклад, у літій-іонних батареях (які використовують у смартфонах чи електромобілях) катод зазвичай виготовлений з літієвих сполук, а анод – з графіту. У лужних батареях катод виготовляється з діоксиду марганцю, а анод – з цинку.

Під час підключення батареї до кола електрони рухаються по зовнішніх проводах, створюючи електричний заряд, тоді як іони проходять через електроліт, розділяючи анод і катод.

Чому батареї перестають працювати?

Для лужних батарей причина їхньої несправності досить проста: коли закінчуються хімічні реактиви (наприклад, цинк повністю зреагував з діоксидом марганцю), батарея стає «пласкою». Після цього хімічні реакції припиняються – і батарея більше не функціонує.

Температура також впливає на термін служби батареї: при низьких температурах реакції сповільнюються, що знижує вироблення струму. При надто високих температурах літій-іонні батареї можуть перегріватися і входити в стан «теплового розгону», що може призвести до пожежі.

Батареї також втрачають заряд швидше, якщо в них є витік, що скорочує кількість реагентів. Крім того, низький заряд батареї призводить до швидшої втрати заряду через падіння напруги.

Що з перезаряджуваними батареями?

У випадку перезаряджуваних батарей хімічна реакція може бути звернена назад. Коли електрони рухаються від катода до анода, батарея заряджається, а при зворотному русі – розряджається.

Незважаючи на це, перезаряджувані батареї з часом втрачають продуктивність через поступові зміни хімічної структури.

Останнє, але не менш важливе: батареї потрібно правильно утилізувати, оскільки вони можуть містити шкідливі метали, такі як ртуть або свинець, які можуть становити загрозу для здоров’я та навколишнього середовища.