Анод, катод, положительный и отрицательный: основы химии батарей

04 мая 2020г.

В последнее время были совершены важные открытия в области аккумуляторных батарей (иногда называемых вторичными элементами), и большую часть этой работы можно отнести к разработке электромобилей. Эта работа помогла получить Нобелевскую химическую премию 2019 года за разработку литий-ионных аккумуляторов. Следовательно, термины «анод», «катод», «положительный» и «отрицательный» приобрели все большую важность.

В статьях о новых батарейных электродах и станциях циклирования батарей часто используются названия анод и катод без указания того, разряжается ли батарея или заряжается. Термины анод, катод, положительный и отрицательный не являются синонимами, их иногда можно спутать, что может привести к ошибкам.

Цель этой статьи - прояснить и четко определить эти разные термины.

Реакции окисления и восстановления

Реакция окисления является электрохимической реакцией, которая производит электроны. Электрохимическая реакция, которая происходит на отрицательном элементе цинкового электрода никель-цинковой батареи во время разряда:
 

Zn + 4OH- → Zn (OH) 2-4 + 2e-
 

реакция окисления. Окисление - это потеря электронов.

Реакция восстановления - это электрохимическая реакция, которая потребляет электроны. Электрохимическая реакция, происходящая на положительной стороне литий-ионного аккумулятора во время разряда:
 

LixCoO2 + XLI++ Xe- → LiCoO2
 

является реакцией восстановления. Сокращение - это выигрыш электронов.

Анод, катод

  • Анод - это электрод, в котором происходит реакция окисления. Потенциал анода, через который протекает ток, выше его равновесного потенциала: Ea (I)> EI = 0 (рис. 1).
  • Катод - это электрод, в котором происходит реакция восстановления. Потенциал катода, через который протекает ток, ниже его равновесного потенциала: Ec (I) < EI = 0 (рис. 1).

anode cathode fig 1

Рис.1: (EI≠0−EI=0) I > 0

Положительные и отрицательные электроды

Два электрода батареи или аккумулятора имеют разные потенциалы. Электрод с более высоким потенциалом упоминается как положительный, электрод с более низким потенциалом упоминается как отрицательный. Электродвижущая сила, эдс в V батареи - это разность потенциалов положительного и отрицательного электродов, когда батарея не работает.

Исследуя батарею

Разряд батареи

Во время разряда напряжение элемента U, разность между положительным и отрицательным, уменьшается (рис. 2, 3).

  • Потенциал положительного электрода E+I≠0 становится меньше его значения в состоянии покоя E+I = 0 : E+I≠0  → положительный электрод является катодом.
  • Потенциал отрицательного электрода E-I≠0 становится больше его значения в состоянии покоя E-I=0 : E-I>0 > E-I=0 → отрицательный электрод является анодом.

batteries basics fig 2

Рис. 2: Разряд и заряд батареи: слева - потенциальное изменение положительного и отрицательного электродов; справа - изменение напряжения батареи

Зарядка аккумулятора

Во время зарядки напряжение элемента U, разность между положительным и отрицательным, увеличивается (рис. 2, 3).

  • Потенциал положительного электрода E+I≠0 становится больше его значения в состоянии покоя E+I=0 : E+I>0 > E+I=0 → положительный электрод является анодом.
  • Потенциал отрицательного электрода E-I≠0 становится меньше его значения в состоянии покоя E-I=0 : E-I<0  < E-I=0 → отрицательный электрод является катодом.

anode cathode fig 3

Рис. 3: Разрядка / зарядка вторичной батареи, представленной в виде электрохимической ячейки, с электронами и направлением тока.

Вывод

При обычном использовании перезаряжаемой батареи потенциал положительного электрода как при разряде, так и при перезарядке остается больше, чем потенциал отрицательного электрода. С другой стороны, роль каждого электрода переключается во время цикла разрядки / зарядки.

  • Во время разряда положительным является катод, отрицательным является анод.
  • Во время заряда положительным является анод, отрицательным является катод. 

Тексты, описывающие аккумуляторные аноды или катоды, безусловно, косвенно рассматривают случай разряда, что является неполным предсталением о процессах, происходящих внутри вторичного элемента.

Поделиться в соцсетях:

Связаться с нами

Если у Вас остались вопросы или вы хотите заказать
продукцию, просто заполните форму ниже

Неверный ввод
Неверный ввод
Неверный ввод
Неверный ввод
Неверный ввод
  • г. Минск, 220 073, ул. Скрыганова, 14,
    помещение номер 23

  • +7 (969) 077-72-72 (WhatsApp)

  • +375 (17) 270-07-81

  • +375 (29) 626-19-06

  • info@ilpa-tech.ru

  • Связаться с нами