Mô tả ngắn gọn về nguyên lý pin

Trong pin hóa học, sự chuyển đổi trực tiếp năng lượng hóa học thành năng lượng điện là kết quả của các phản ứng hóa học tự phát như quá trình oxy hóa và khử bên trong pin, xảy ra trên hai điện cực. Vật liệu hoạt động điện cực âm bao gồm một chất khử có điện thế tương đối âm và ổn định trong chất điện phân, chẳng hạn như các kim loại hoạt động như kẽm, cadmium, chì và hydro hoặc hydrocarbon. Vật liệu hoạt động điện cực dương bao gồm các chất oxy hóa có điện thế dương và ổn định trong chất điện phân, chẳng hạn như các oxit kim loại như mangan dioxide, chì dioxide, oxit niken, oxy hoặc không khí, halogen và muối của chúng, axit chứa oxy và muối của chúng, v.v ... Chất điện phân là những vật liệu có tính dẫn ion tốt, chẳng hạn như dung dịch axit, bazơ, muối, dung dịch không chứa nước hữu cơ hoặc vô cơ, muối nóng chảy hoặc chất điện phân rắn. Khi ngắt mạch ngoài, mặc dù có hiệu điện thế (điện áp hở mạch) giữa hai cực nhưng không có dòng điện và năng lượng hóa học tích trữ trong pin không được chuyển hóa thành năng lượng điện. Khi mạch ngoài đóng, dòng điện chạy qua mạch ngoài do hiệu điện thế giữa hai điện cực. Đồng thời, bên trong pin, do không có các electron tự do trong chất điện phân nên quá trình truyền điện tích chắc chắn đi kèm với các phản ứng oxy hóa hoặc khử ở bề mặt tiếp xúc giữa hai vật liệu hoạt động và chất điện phân, cũng như sự di chuyển của các chất phản ứng và sản phẩm phản ứng. Sự chuyển điện tích trong chất điện phân cũng phụ thuộc vào sự di chuyển của các ion. Vì vậy, quá trình tích điện và truyền chất bình thường bên trong pin là điều kiện cần thiết để đảm bảo năng lượng điện phát ra bình thường. Trong quá trình sạc, hướng sạc và truyền khối bên trong pin hoàn toàn ngược lại với hướng phóng điện; Phản ứng điện cực phải thuận nghịch để đảm bảo tiến trình bình thường của quá trình chuyển khối và điện tích ngược. Vì vậy, phản ứng điện cực thuận nghịch là điều kiện cần thiết để chế tạo pin.
G là mức tăng năng lượng tự do của phản ứng Gibbs (joules); F là thư viện hằng số Faraday=96500=26,8 ampe giờ; N là số lượng phản ứng tương đương của pin. Đây là mối quan hệ nhiệt động cơ bản giữa suất điện động của pin và phản lực của pin, đồng thời cũng là phương trình nhiệt động cơ bản để tính hiệu suất chuyển hóa năng lượng của pin. Trên thực tế, khi dòng điện chạy qua một điện cực, thế điện cực lệch khỏi thế điện cực cân bằng nhiệt động và hiện tượng này được gọi là phân cực. Mật độ dòng điện càng cao (dòng điện đi qua một diện tích điện cực đơn vị) thì sự phân cực càng nghiêm trọng. Hiện tượng phân cực là một trong những nguyên nhân quan trọng gây thất thoát năng lượng ở pin.