Batteriebetrieb, Lade- und Entladeprozesse Missverständnisse

Es gibt keine grundlegende physikalische Unterscheidung, wie elektrochemische Energiespeichersysteme (EES) den Lade-Entlade-Prozess in Bezug auf "Ladungen" handhaben. Hier ist ein Übersichtsartikel , der das gesamte Spektrum von EES erklärt, von gewöhnlichen Kondensatoren (sie speichern Energie in einem einfachen elektrischen Feld zwischen zwei getrennten Metallelektroden) über Doppelschichtkondensatoren (auch bekannt als „Superkondensatoren“) bis hin zu „Pseudokondensatoren“. , die in wiederaufladbaren Batterien enden, die Ladungen ansammeln, indem sie Elektronen-Protonen zu chemischen Verbindungen verbinden, und zurück.

Hier ist eine Veranschaulichung eines nahezu kontinuierlichen Spektrums möglicher Konstruktionen, die etwas unterschiedliche Methoden verwenden, um "Elektron-Proton" -Ladungsunterschiede zu speichern:

Es könnte schwierig sein, dieses ziemlich fortgeschrittene Gebiet der Technik und Studien in „Batterien für Dummies“-Begriffe zu vereinfachen.

Nachdem ich diesen Link gelesen hatte, fand ich auf einer Website, die sich unter anderem mit Missverständnissen in Bezug auf Elektrizität befasst, eine Erklärung, die mir den Weg wies, meine Missverständnisse zu lösen. Diese Seite wurde in dieser stark positiv bewerteten Antwort empfohlen , daher gehe ich davon aus, dass es sich um eine vertrauenswürdige Quelle handelt. Ich werde unten einige Fragmente zu meiner Frage wiedergeben.

BATTERIEN SPEICHERN LADUNG, UND DIESE LADUNG FLIESST IN KABELN? NEIN.

Das Wort "Ladung" hat mehr als eine Bedeutung, und die Bedeutungen widersprechen sich. Die "Ladung" in einer Batterie ist Energie (chemische Energie) , während die "Ladung", die in Drähten fließt, Teil der Materie ist, es sind Elektronenteilchen. Und diese Drähte sind, obwohl sie voll geladen sind, neutral und ungeladen! Der Begriff "Ladung" bezieht sich auf verschiedene Dinge: auf Nettoladung, auf Mengen geladener Teilchen und auf "Energieladungen". Wenn Sie beim Unterrichten des Wortes „Anklage“ nicht sehr vorsichtig sind, verbreiten Sie möglicherweise Missverständnisse.

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Eine andere: Wenn Sie eine Batterie "laden", erzeugen Sie einen elektrischen Strom im Elektrolyten, und diese Bewegung elektrischer Ladungen verursacht chemische Reaktionen auf den Oberflächen der Batterieplatten. Chemischer "Treibstoff" sammelt sich an, aber Ladung nicht : Die Ladungen fließen in (oder aus) den Oberflächen der Platten und sammeln sich dort nicht an. (Der Weg für elektrischen Strom führt durch die Batterie. Durch und wieder heraus.) Eine "Ladung" chemischer Energie wird in der Batterie gespeichert, elektrische Ladung jedoch nicht. Und wenn eine Batterie „entladen“ wird, treibt ihr chemischer Brennstoff einen Prozess an, der Ladung durch die Batterie pumpt. Beim Entladen wird der Kraftstoff der Batterie irgendwann erschöpft sein,

So kann man sich den Vorgang vorstellen: Eine Batterie ist wie eine federgetriebene Wasserpumpe zum Aufziehen . Schicken Sie Wasser rückwärts durch diese Pumpe, und Sie ziehen die interne Feder auf. Stellen Sie dann einen Weg zwischen dem Einlass und dem Auslass der Pumpe bereit, und der Federmotor pumpt das Wasser im Kreis. Aber denken Sie jetzt einen Moment nach: Das Wasser ist die Ladung, aber unsere Aufziehpumpe speichert kein Wasser!Wenn wir unsere Aufziehpumpe "aufladen", schicken wir die Ladung (Wasser) durch die Pumpe, und diese speichert Energie, indem sie die Feder aufzieht. Dasselbe gilt für eine Batterie: Um eine Batterie zu "laden", senden wir elektrische Ladungen durch die Batterie und wieder heraus. Dadurch speichern die Chemikalien auf den Batterieplatten Energie, genau wie das Aufziehen der Feder in unserer federbetriebenen Wasserpumpe. Sehen Sie, wie "Laden" und "Gebühren" ein schreckliches Durcheinander von Missverständnissen verursachen können? Wenn dieses Durcheinander in die K-12-Lehrbücher gelangt und Pädagogen anfangen, es Kindern beizubringen, glauben die Kinder am Ende, dass Elektrizität viel zu kompliziert ist, als dass sie sie verstehen könnten. Doch die Schuld liegt nicht bei den Schülern!!!!

Also, um die Missverständnisse meines Verständnisses zu korrigieren und meine Fragen zu beantworten:

1. Eine Batterie ist ein Gerät, das elektrische Energie in Form von chemischer Energie speichern und diese Energie in Elektrizität umwandeln kann;
2. Wir können auch sagen, dass die Batterie potenzielle chemische Energie speichert ( potenzielle Energie, weil sie nicht verwendet wird, aber für Arbeit verwendet werden kann, und chemische , weil diese Energie in chemischen Verbindungen gespeichert ist );
3. Wir können nicht sagen , dass die Batterie potentielle elektrische Energie speichert . Eine Batterie neigt dazu, die elektrische potentielle Energie an jedem ihrer Anschlüsse aufrechtzuerhalten, aber die in der Batterie gespeicherte Energie stammt nicht aus der Ladungstrennung, sondern aus den Redoxreaktionen (chemische Energie). Vergleichen Sie mit dem Kondensator, dessen Energie aufgrund der Ladungstrennung in seinen Platten in Form von elektrischer potentieller Energie gespeichert wird.
4. Die chemischen Reaktionen , die in einer Batterie stattfinden, finden auch dann statt, wenn sie von einem Stromkreis getrennt ist. Somit haben die Batterien auch dann Spannung, wenn sie nicht verwendet werden oder deren Spannung gemessen wird. (Siehe Erläuterung zu Punkt 4 unten)
5. Eine Batterie hat eine feste Ladungsmenge in sich. Beim Aufladen werden die Elektronen , die in den (+)-Anschluss gelangen, nicht gespeichert. Die gleiche Menge, die in den (+)-Anschluss eintritt, verlässt die Batterie durch den (-)-Anschluss. Hier liegt keine Verletzung des Ladungserhaltungsprinzips vor.
6. Wenn man Dinge sagt wie „Diese Batterie speichert 80 Ah Ladung“ , bedeutet dies, dass 80 Ah (288.000 Coulomb) in die Batterie ein- und aus ihr ausgetreten sind, wenn sie geladen wurde, was die Umkehrung von Redoxreaktionen induziert, und wenn die Batterie an einen Stromkreis angeschlossen ist Es kann bis zu 80 Ah (288.000 Coulomb) Ladung durchlassen . Und diese Einheit (Ah) wird in der Praxis verwendet, weil sie eine Vorstellung davon gibt, wie lange die Batterie hält: Sie gibt an, wie lange eine Batterie mit fester Spannung einen bestimmten Strom liefern kann.

Erläuterung zu Punkt 4:

Einer seiner Anschlüsse – die Anode – kann Elektronen durch eine Oxidationsreaktion „erzeugen“, wodurch die ihn umgebende Umgebung negativ wird, und der andere – die Kathode – kann Elektronen durch eine Reduktionsreaktion „verbrauchen“ , wodurch die ihn umgebende Umgebung positiv wird. Diese Prozesse können (eingeschränkt) auch dann ablaufen, wenn die Batterie von einem Stromkreis getrennt ist und wir somit „immer“ (bis zum Erreichen des Gleichgewichts) eine Ladungstrennung haben , die zu einer elektrischen Potentialdifferenz (Spannung) führt.

Um dies besser zu verstehen, werde ich eine Antwort von Alfred Centauri auf Physics.SE zitieren :

Stellen Sie sich für einen Moment eine Zelle vor, die nicht mit einer Schaltung verbunden ist , dh es gibt keinen Pfad für Strom außerhalb der Zelle.

Die chemischen Reaktionen innerhalb der Zelle entfernen Elektronen von der Kathode und fügen Elektronen zur Anode hinzu. Während die chemischen Reaktionen ablaufen, baut sich daher aufgrund der unterschiedlichen Ladungsdichten ein elektrisches Feld zwischen Anode und Kathode auf .

Es stellt sich heraus, dass dieses elektrische Feld wirkt, um die Geschwindigkeit der chemischen Reaktionen innerhalb der Zelle zu verringern. Irgendwann ist das elektrische Feld stark genug, um die chemischen Reaktionen innerhalb der Zelle effektiv zu stoppen. Die Spannung an den Anschlüssen der Zelle ist aufgrund dieses elektrischen Feldes dann konstant und dies ist die Leerlaufspannung der Zelle.

Wenn ein externer Stromkreis mit der Zelle verbunden ist, fließen Elektronen von der Anode durch den externen Stromkreis und in die Kathode, wodurch der Unterschied in der Ladungsdichte verringert wird, was wiederum das elektrische Feld gerade so weit verringert, dass die chemischen Reaktionen erneut stattfinden können halten den elektrischen Strom durch den Stromkreis aufrecht.

Je größer der externe Strom, desto größer die erforderliche Geschwindigkeit chemischer Reaktionen und desto niedriger die Spannung an den Anschlüssen. Solange der Stromkreis deutlich geringer ist als der maximale Strom, den die chemischen Reaktionen aushalten können, liegt die Spannung an den Batterieanschlüssen nahe der Leerlaufspannung.

Weiterführende Literatur + Referenzen:

• MIT - Wie funktioniert eine Batterie?
• Physik SE - Was hält die Spannung in einer Batterie konstant?
• Verkabelt - Eine Batterie speichert keine Ladung, aber wie funktioniert sie?

• Wissenschaftlicher Hobbyist – „Elektrizität“-Missverständnisse in K-6-Lehrbüchern

• Chemie SE - Positive oder negative Anode/Kathode in elektrolytischen/galvanischen Zellen