Wie funktioniert eine Batterie (Primärzelle)? [geschlossen]

Es fällt mir schwer, Primärzellen zu verstehen.
Es gibt viele Videos und Erklärungen zu den Reaktionen innerhalb der Batterie, aber Sie müssen einen starken Hintergrund in der Chemie haben, um sie wirklich zu verstehen.
Stattdessen hätte ich gerne eine Beschreibung, die von den chemischen Details abstrahiert und es dennoch schafft, die grundlegenden Funktionsprinzipien zu erklären!
Ich möchte, dass folgende Fragen / Zweifel beantwortet werden:

• Elektronen fließen von einem höheren zu einem niedrigeren Potential. Wenn Sie also eine Batterie kaufen, ist bereits ein elektrisches Feld vorhanden, bevor Sie es an einen Draht anschließen? (Ich nehme an ja)

• Wie wird dieses Feld erstellt? Sind die Elektronen oben und die Protonen unten oder sind nur die Elektronen oben und unten neutral? Wie werden Elektronen an derselben Stelle zusammengehalten, bevor die Batterie an den Draht angeschlossen wird? Was verhindert, dass sie in die Batterie fließen?

• Wie pumpt die Batterie die Elektronen auf? und mit welcher Geschwindigkeit?
  Was bringt es zum Ausbrennen? und nach vielen Zyklen brennt es aus?

Ich weiß, dass es viele Fragen gibt, aber meine Gedanken explodieren. Ich erwarte nicht, dass alles von den Chemikalien abstrahiert wird, aber solange Sie durch Analogien oder intuitive Prinzipien können, würde ich das lieben. Auf jeden Fall muss die Hauptabsicht der Antwort darin bestehen, die aufgeführten Zweifel auszuräumen.

Ist bereits ein elektrisches Feld vorhanden, bevor es an einen Draht angeschlossen wird?

Ja sonst könnte kein Strom durch eine an die Batteriekontakte angeschlossene Last fließen. Das elektrische Feld bringt die Elektronen in Bewegung, und die Bewegung der Elektronen enthält die Energie.

Elektronen sind negativ geladen, so dass am Negativ- oder Kathodenanschluss (-) der Batterie ein Überschuss an Elektronen vorhanden ist. Am positiven oder Anodenanschluss (+) ist eine gleiche, aber positive Ladung (aufgrund fehlender Elektronen) vorhanden.

Beachten Sie, dass die Gesamtladung Null ist , sodass die Menge an überschüssigen Elektronen am (-) Kontakt gleich der Menge ist, die am (+) Kontakt fehlt.

Diese Ladung (Elektronen oder fehlende Elektronen) ist eigentlich unbedeutend , sie enthält nicht viel Energie. Der wesentliche Teil ist, dass, wenn Sie die Kontakte (+) und (-) verbinden, ein Strom entsteht fließen kann, da die Ladungen neutralisieren möchten.

Die in der Batterie herumlaufende Chemie beginnt dann jedoch, ** Ionen * (die ein oder mehrere überschüssige oder fehlende Elektronen haben können) vom (+) Kontakt zum (-) Kontakt zu "bewegen". Dieser Prozess verbraucht bestimmte chemische Substanzen und bildet andere, während Elektronen "frei" gemacht werden und am (-) Kontakt (der Kathode) landen.

Die Elektronen haben im Inneren der Batterie fließen; Sie werden von den Ionen von der Anode (+) zur Kathode (-) transportiert und vervollständigen die Stromschleife. Damit sie so fließen, wird Energie benötigt. Diese Energie stammt aus der chemischen Reaktion in der Batterie.

Wenn keine Last an die Batterie angeschlossen ist, bleiben die Elektronen an der Kathode hängen. Sie sammeln sich dort an, bis eine bestimmte Spannung erreicht ist, wenn die chemische Reaktion (die die Elektronen erzeugt) langsamer wird und stoppt. Die chemische Reaktion stoppt, weil sie die "freien" Elektronen nicht mehr "liefern" kann. Es kann die freien Elektronen nicht mehr liefern, da es mit zunehmendem Potenzial immer mehr Energie benötigt. Sobald ein bestimmtes Potential erreicht ist, stoppt der Prozess. Wenn eine Last angeschlossen ist, verringert sie das Potential (geringfügig), wodurch mehr Elektronen "freigesetzt" werden können, wodurch der Prozess erneut gestartet wird.

Die Geschwindigkeit der erzeugten Elektronen hängt vom Strom durch die Last ab. Schlagen Sie die Definitionen des elektrischen Stroms, seine Beziehung zur Ladung und die Ladung eines einzelnen Elektrons nach. Dann können Sie berechnen, wie viele Elektronen beispielsweise an einem Strom von 1 Ampere beteiligt sind (1 Ampere entspricht 6,25 × 10 ¹⁸ Elektronen pro Sekunde).

Batterien sollten nicht durchbrennen ; Wenn sie brennen, verwenden Sie sie falsch. Sie sind aufgebraucht oder erschöpft . Das liegt daran, dass die erforderliche chemische Reaktion die darin enthaltenen Chemikalien und dann die Batterie verbraucht und sie durch etwas anderes ersetzt - wie jede chemische Reaktion.

Bei Primärbatterien gibt es keinen Weg zurück. Wenn die benötigten Chemikalien aufgebraucht sind, ist die Batterie unbrauchbar geworden.

Bei wiederaufladbaren Batterien kann der chemische Prozess umgekehrt werden, indem die Elektronen (auf der Rückseite der Ionen) gezwungen werden, in der Batterie in entgegengesetzter Richtung (von Kathode zu Anode) zu fließen.

Wie lange eine Batterie hält, hängt davon ab, wie Sie sie verwenden. In einer Situation, in der die Batterie schnell entladen wird, wird weniger Gesamtenergie verbraucht als in einer Situation, in der die Last einen geringen Strom benötigt. Sehen Sie in den Datenblättern der Batterien nach, um den Unterschied festzustellen. Es kann bis zu einem Faktor 5 Unterschied in der verfügbaren Energie geben!

Beachten Sie, dass ich kein Batterieexperte bin. Wenn meine Argumentation fehlerhaft ist, erwähnen Sie sie bitte in einem Kommentar.

Normalerweise würde ich sagen "ignoriere die Elektronen", während ich versuche, die Elektronik zu verstehen, aber dies ist einer der Fälle, in denen sie tatsächlich wichtig sind.

Ich werde als Beispiel eine Standard- Alkalibatterie verwenden . Chemie:

Zn(s) + 2OH−(aq) → ZnO(s) + H2O(l) + 2e− [Eoxidation° = +1.28 V]
2MnO2(s) + H2O(l) + 2e− → Mn2O3(s) + 2OH−(aq) [Ereduction° = +0.15 V] 

Es gibt drei Elemente. Eine Anode (Zink), die mit dem Minuspol der Batterie verbunden ist; eine Kathode (Manganoxid), die mit dem Batteriepositiv verbunden ist, und ein Elektrolyt (Kaliumhydroxid, das "Alkali" des Namens). Der Elektrolyt in jeder Batterie ist eine Flüssigkeit, die sich zwischen den Elektroden befindet.

"Elektronegativität" ist die Tendenz von Chemikalien, Elektronen anzuziehen oder zu verlieren. Die oberste Reaktion ist sehr daran interessiert, ihre beiden Elektronen abzuwerfen und auf die Anode abzulassen. Dies geschieht so lange, bis sich zwischen der Elektrode und der Lösung ein Feld von ungefähr 1,28 V aufbaut. Zu diesem Zeitpunkt verfügt die Reaktion nicht mehr über genügend Energie, um das Feld zu überwinden und Elektronen auf die Anode zu drücken. Ebenso baut das andere Ende ein kleines Feld auf.

Beachten Sie, dass der Elektrolyt nicht leitend ist, zumindest nicht auf die gleiche Weise wie Metalle. Im Elektrolyten schweben keine Elektronen frei. Es gibt jedoch Ionen, die eine positive (Kalium) oder negative (Hydroxid) Ladung tragen. Die Ionen können sich frei von einer Elektrode zur anderen bewegen.

Wann läuft es aus? Wenn das Zink vollständig zu Zinkoxid oxidiert wurde oder Mangandioxid aufgebraucht ist.

Es gibt bereits gute technische Antworten auf diese Frage, daher füge ich nur einen Vergleich zu einem Wassersystem hinzu.

Betrachten Sie das folgende System mit zwei Wasserbehältern:

Der linke Behälter enthält Wasser mit einem höheren Potential als das (nicht vorhandene) Wasser im rechten Behälter.

Es gibt kein (elektrisches) Feld zwischen den Behältern (oder den Elektroden in der Batterie), aber es gibt eine Potentialdifferenz.

Was wir tun, wenn wir einen Strom aus der Batterie ziehen, ist im Grunde eine Möglichkeit für die Elektronen, von der Seite mit hohem Potential zur Seite mit niedrigem Potential zu fließen.

Wenn wir die beiden Wasserbehälter verbinden, lassen wir Wasser vom Hochpotentialbereich zum Niedrigpotentialbereich fließen und können die Potentialdifferenz nutzen, um zwischen den Behältern zu arbeiten (indem wir ein Wasserrad wie in einer Wassermühle einsetzen).

Die Geschwindigkeit der zwischen den Behältern fließenden Elektronen / Wasser wird durch die Potentialdifferenz sowie den Widerstand des Verbinders zwischen den Behältern bestimmt.

Der Widerstand im Wasserfall wird durch den Rohrdurchmesser sowie die Reibung gegen die Rohrwände bestimmt.

Wenn wir das System erschöpfen, haben die Elektronen / Wasser in beiden Behältern das gleiche Potential und es gibt keinen Fluss mehr zwischen den Behältern.

Hinweis: Diese Art der Analogie funktioniert nicht immer. Wir haben zum Beispiel nicht an den Separator / die Membran gedacht, die das Batteriesystem benötigt.

Ein Kommentar zur Entladung. Batterien werden nicht plötzlich leer und fallen aus. Der Rückgang der verfügbaren Energie ist allmählich. Die Reaktion kann als ähnlich wie Korrosion oder Rost angesehen werden, und die verbrauchten Nebenprodukte früherer chemischer Reaktionen bauen sich auf und behindern zusätzliche Reaktionen, wodurch die Gesamtreaktivität verlangsamt wird.

Wenn sich die chemische Reaktion gegen Ende der Lebensdauer verlangsamt, nimmt die Spannungsdifferenz an den Klemmen ab. Aufgrund der Formel Volt x Ampere = Watt erhöht sich der Stromverbrauch der Batterie, wenn die Spannung abnimmt, um dies zu kompensieren.

Aufgrund der Dicke der Batterieklemmen, der Geräteklemmen und der verfügbaren reaktiven Oberfläche der Anode und der Kathode gibt es eine Stromverbrauchsgrenze. Eine davon schränkt möglicherweise die verfügbare Stromstärke ein, und zu diesem Zeitpunkt fällt die Spannung schnell ab, was zu einem Stromausfall führt, der zu Fehlfunktionen oder zum Ausfall des Geräts führt.

Eine Batterie, die in einer Hochstromanwendung verwendet wird und nach kurzer Zeit leer zu sein scheint, kann bei Wiederverwendung für eine Niedrigstromanwendung normal weiterarbeiten, da die verlangsamte Zellreaktivität bei Stromstärke immer noch eine ausreichend nützliche Hochspannung aufrechterhalten kann Unentschieden ist gering.

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Auch sehr kalte Temperaturen können die verfügbare Spannung beeinflussen, da die chemischen Reaktionen verlangsamt werden. Eine auf -40 ° C gekühlte Fahrzeugbatterie kann die Instrumententafel möglicherweise nur schwach beleuchten und den Anlasser sehr langsam anlassen, da die chemische Reaktionsgeschwindigkeit zu langsam ist, um eine Hochspannungsdifferenz zwischen den Batterieklemmen aufrechtzuerhalten. Fahrzeugbatterien haben jedoch typischerweise eine sehr große und schwammige Oberfläche, was einen hohen Stromverbrauch ermöglicht, selbst wenn die chemische Reaktivität verlangsamt wird.

Stellen Sie sich einen typischen Fahrzeugstarter vor, der für ungefähr 1500 Watt ausgelegt ist:

• Bei normaler Raumtemperatur kann eine voll aufgeladene 6-Zellen-Blei-Säure-Fahrzeugbatterie 13,6 Volt bei 110 Ampere liefern, um 1500 Watt auszugeben.
• Bei -40 ° C kann die verfügbare Spannungsdifferenz einer voll aufgeladenen Batterie bis zu 6 Volt abfallen. Die Stromaufnahme steigt dann um 250 Ampere, um die niedrige Spannung zu kompensieren, die als "Kaltstartverstärker" bei Fahrzeugbatterien bezeichnet wird.

Dies ist auch der Grund, warum Fahrzeugstarterkabel und Batterieklemmen normalerweise sehr dick und schwer sind, um diesen ungewöhnlich großen Strom bei starker Kälte zu leiten.