Всё о науке за 60 минут

Ключом к пониманию того, почему это происходит, служит усвоение факта, что батарея – это резервуар для энергии, хранящейся в химической форме. Внутри любой батарей есть два разных и обычно твердых химических вещества, соединенных между собой третьим – жидким. В вольтовом столбе ученый использовал твердые медь и цинк, а соединяла их пропитавшая сукно серная кислота. Однако можно взять бесчисленное множество других комбинаций электродов и электролитов. Независимо от того, каким химическим веществам отдано предпочтение, лежащая в основе всего этого электрохимия одна и та же. На одной стороне элемента высвобождаются электроны, которые затем проходят через электропроводную жидкость (электролит) на другую сторону, где накапливаются и компенсируют нехватку электрического заряда. Результат – возникает разность потенциалов и течет ток.

Батарейка устроена умно. Электрохимическая реакция происходит в ней только тогда, когда она подключена к электрической цепи. Если батарейку от нее отключают, реакция тут же прекращается, поскольку без непрерывного тока электроны остаются на своей стороне в электроде. В результате реакция не идет и на другой стороне. Химическая энергия, накопленная в батарее, остается там до тех пор, пока вы не присоедините последнюю к замкнутой электрической цепи. После этого электроны вновь могут перемещаться по цепи, питающей все, что к ней подключено. Так, когда на светофоре загорается зеленый свет, автомобили продолжают свое движение.

Следствием этого расхода электронов является то, что исходные материалы электрода также расходуются. Вот когда один из электродов растворяется, батарея и умирает. Запас электричества, которое она содержала, был отдан и потрачен.

Наиболее распространенным типом одноразовой батарейки в наши дни является щелочная батарея. Вместо цинка, меди и серной кислоты в ней содержится цинковый порошок, двуокись марганца и гидроксид калия. Именно из-за этой, выбранной в качестве электролита сильной щелочи, гидроксида калия, батарейка так называется. По мере прохождения электрохимической реакции в щелочной батарее цинковый порошок превращается в оксид цинка, а диоксид марганца – в триоксид димарганца. Когда бóльшая часть цинка и диоксида марганца претерпевает эти изменения, внутренние ресурсы батарейки истощаются, и она умирает. Но это не означает, что нет пути назад.

Если вы хотите перезарядить батарею, можно попытаться отменить те изменения, которые произошли, и вернуть химические вещества в исходное состояние, восстановив их энергетические ресурсы. Теория, стоящая за этим, до смешного проста. Поскольку все химические реакции обратимы, вам нужно всего лишь прогонять электрический ток через батарею в противоположном направлении, и таким образом все вернется на круги своя. И все же, хотя обычные щелочные батарейки можно заряжать, делать этого не рекомендуется по нескольким причинам. Поскольку оксид цинка превращается обратно в цинк, он может образовывать не порошок, а кристаллы, причем в неправильных местах. Острые кристаллы цинка способны разорвать прокладку между цинком и диоксидом марганца. А если это произойдет, могут иметь место всевозможные новые реакции, и в ходе некоторых из них будет выделяться газообразный водород. Поскольку емкость, в которую заключена батарейка, газонепроницаема, накопление водорода может привести к взрыву, в результате чего содержимое батарейки, включая сильную щелочь гидроксид калия, распылится. Вот почему мы не заряжаем обычные щелочные батарейки.

В перезаряжаемых аккумуляторных батареях нужно использовать более сложную электрохимию, поскольку у них более сложное внутреннее устройство. Их конструкция призвана гарантировать, что при обращении всех прошедших химических реакций вспять все вещества вернутся туда, где они были изначально, чтобы батарейка не повредилась. Но обратный процесс все же не может идти настолько точно. Так что, хотя обратные химические процессы в аккумуляторных батареях не вызывают повреждения последних, они не являются на 100 % эффективными. А значит, и эти источники энергии имеют ограниченный ресурс в виде определенного количества перезарядок.