Kurze Beschreibung des Batterieprinzips

Bei chemischen Batterien ist die direkte Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie das Ergebnis spontaner chemischer Reaktionen wie Oxidation und Reduktion innerhalb der Batterie, die an zwei Elektroden ablaufen. Das aktive Material der negativen Elektrode besteht aus einem Reduktionsmittel mit relativ negativem Potenzial, das im Elektrolyten stabil ist, beispielsweise aktiven Metallen wie Zink, Cadmium, Blei und Wasserstoff oder Kohlenwasserstoffen. Das Aktivmaterial der positiven Elektrode besteht aus Oxidationsmitteln mit positivem Potenzial, die im Elektrolyten stabil sind, wie z. B. Metalloxiden wie Mangandioxid, Bleidioxid, Nickeloxid, Sauerstoff oder Luft, Halogenen und deren Salzen, sauerstoffhaltigen Säuren und deren Salzen, usw. Elektrolyte sind Materialien mit guter Ionenleitfähigkeit, wie etwa wässrige Lösungen von Säuren, Basen, Salzen, organische oder anorganische nichtwässrige Lösungen, geschmolzene Salze oder feste Elektrolyte. Wenn der externe Stromkreis getrennt wird, besteht zwar ein Potentialunterschied (Leerlaufspannung) zwischen den beiden Polen, es fließt jedoch kein Strom und die in der Batterie gespeicherte chemische Energie wird nicht in elektrische Energie umgewandelt. Wenn der externe Stromkreis geschlossen ist, fließt aufgrund der Potentialdifferenz zwischen den beiden Elektroden Strom durch den externen Stromkreis. Gleichzeitig geht die Ladungsübertragung im Inneren der Batterie aufgrund des Fehlens freier Elektronen im Elektrolyten zwangsläufig mit Oxidations- oder Reduktionsreaktionen an der Grenzfläche zwischen den beiden Aktivmaterialien und dem Elektrolyten sowie der Migration von einher Reaktanten und Reaktionsprodukte. Auch die Ladungsübertragung in Elektrolyten beruht auf der Wanderung von Ionen. Daher sind die normalen Ladungs- und Stoffübertragungsprozesse innerhalb der Batterie notwendige Voraussetzungen, um die normale Abgabe elektrischer Energie sicherzustellen. Beim Laden ist die Richtung der Ladung und des Stofftransports innerhalb der Batterie genau entgegengesetzt zur Entladung; Die Elektrodenreaktion muss reversibel sein, um den normalen Ablauf umgekehrter Massen- und Ladungsübertragungsprozesse sicherzustellen. Daher sind reversible Elektrodenreaktionen eine notwendige Voraussetzung für den Aufbau einer Batterie.
G ist das Inkrement der freien Energie der Gibbs-Reaktion (Joule); F ist die Faraday-Konstante=96500 Bibliothek=26.8 Amperestunden; N ist die äquivalente Anzahl von Batteriereaktionen. Dies ist die grundlegende thermodynamische Beziehung zwischen der elektromotorischen Kraft der Batterie und der Batteriereaktion sowie die grundlegende thermodynamische Gleichung zur Berechnung der Energieumwandlungseffizienz der Batterie. Wenn Strom durch eine Elektrode fließt, weicht das Elektrodenpotential tatsächlich vom thermodynamischen Gleichgewichtselektrodenpotential ab, und dieses Phänomen wird Polarisation genannt. Je höher die Stromdichte (der Strom, der durch eine Einheitselektrodenfläche fließt), desto stärker ist die Polarisation. Das Polarisationsphänomen ist einer der Hauptgründe für den Energieverlust in Batterien.