Hogyan működik az akkumulátor? Oxidáció, redukció és az elektrolit szerepe

Röviden: az akkumulátor működése két kémiai reakció, egy oxidáció és egy redukció közötti elektroncserén alapul. A lényeg az, hogy a két reakció fizikailag el van választva, így közéjük fogyasztót lehet kapcsolni.

Miért más, mint egy sima kémiai reakció?

Az akkumulátor azzal különbözik más oxidációs és redukciós folyamatoktól, például a rozsdásodástól, hogy a két reakció térben szét van választva. Ha a reakciók elkülönülnek, közéjük terhelés kapcsolható. A két reakció elektrokémiai potenciálkülönbsége felel meg az akkumulátor feszültségének, amely a terhelést hajtja, az elektronok cseréje pedig az áramnak, amely a terhelésen átfolyik.

Az akkumulátor alkatrészei: egy elektróda és egy elektrolit mind a redukciós, mind az oxidációs reakcióhoz; valami, ami az elektronokat a két reakció között átviszi (általában egy-egy vezeték az elektródákon); és valami, ami a töltött ionokat átviszi a két reakció között.

Az elektróda és az elektrolit

Az akkumulátor alapvető tulajdonságait nagyrészt az elektródák és az elektrolit anyaga határozza meg. Az elektróda az a hely, ahol a redoxreakció lényege, az elektronátadás lezajlik. Sok akkumulátorban, például az ólomsavasban és az alkáliban az elektróda nemcsak az elektronátadás helye, hanem a reakcióban is részt vesz. Más rendszerekben, például az üzemanyagcellákban az elektróda anyaga közömbös, csak az elektronátadás helyszíne.

Az elektróda önmagában nem elég, mert a redoxreakcióban több komponens vesz részt. A többi kémiai összetevő az elektrolitban van. Sok gyakorlati akkumulátorban az elektrolit vizes oldat. Fontos, hogy az elektrolitban lévő anyagok mozgékonyak legyenek, hogy eljuthassanak az elektróda azon pontjára, ahol a reakció lezajlik, és az ionok az egyik elektródától a másikig is eljuthassanak.

Merre mennek az elektronok és az ionok?

Az akkumulátor áramát az elektronok egyik elektródáról a másikra való átvitele adja. Kisütéskor az anódon az oxidációs reakció elektronokat termel, a katódon a redukciós reakció felhasználja őket, így az elektronok az anódtól a katód felé áramlanak a külső áramkörben. Egy hagyományos áramkörtől eltérően azonban nem az elektronok az egyedüli töltéshordozók: az elektronok az anódtól a katódig mennek, de nem térnek vissza, az elektromos semlegességet az ionok mozgása tartja fenn az elektrolitban.

Ha a két reakciónak más-más elektrolitja van, sóhíd köti össze a két oldatot. A legtöbb gyakorlati akkumulátorban azonban mindkét elektródához ugyanaz az elektrolit tartozik, és az ionok az elektroliton át mozognak, ezért nincs szükség sóhídra. Ilyenkor viszont szeparátort (elválasztót) tesznek az anód és a katód közé. A szeparátor megakadályozza, hogy az elektródák fizikailag érintkezzenek, mert ha összeérnének, az akkumulátor rövidre záródna: az elektronok közvetlenül átmennének, a külső áramkör és a terhelés kikerülésével.

Mit határoz meg a kémia és mit a kialakítás?

A redoxreakciók határozzák meg az akkumulátor számos alapvető paraméterét. Más fontos jellemzőket, például a kapacitást és a töltési-kisütési viselkedést, a fizikai kialakítás is befolyásolja, például az anyag mennyisége vagy az elektródák geometriája. Az akkumulátor feszültségének alakulása, hatásfoka és az ideálistól való eltérések (önkisülés, kapacitásvesztés) mind a reakciók működésétől és a kialakítástól függnek.

Hová tovább?

A kapacitás fogalmát az akkumulátor kapacitásáról szóló cikkben magyarázzuk, a töltöttségi állapotot és a töltési sebességet a töltöttségről és a C-rátáról szóló írásban. Az alapokról a Mi az erkélynapelem, és hogyan működik? cikk ad áttekintést.