Щелочная батарея

редактировать
Тип батареи
Щелочная батарея
Щелочная батарея 5.jpg Сравнение размеров щелочных батареек (слева направо): C, AA, AAA, N, PP3 (9 В).
Скорость саморазряда<0.3%/month
Срок службы5–10 лет
Номинальное напряжение элемента1,5 В

An щелочная батарея (код IEC: L) - это тип первичной батареи, которая получает энергию от реакции между металлическим цинком и диоксид марганца.

По сравнению с угольно-цинковыми батареями типа элемент Лекланше или хлорид цинка щелочные батареи имеют более высокую удельную энергию и более длительный срок хранения, но при том же напряжении.

Щелочная батарея получила свое название, потому что в ней щелочной электролит гидроксид калия вместо кислого хлорида аммония или цинка. хлоридный электролит угольно-цинковых батарей. В других аккумуляторных системах также используются щелочные электролиты, но для электродов используются другие активные материалы.

Щелочные батареи составляют 80% батарей, производимых в США, и более 10 миллиардов единиц произведенных по всему миру. В Японии щелочные батареи составляют 46% всех продаж первичных батарей. В Швейцарии щелочные батареи составляют 68%, в Великобритании 60% и в ЕС 47% всех продаж батарей, включая вторичные типы. Щелочные батареи содержат цинк и диоксид марганца (коды здоровья 1), которые могут быть токсичными в более высоких концентрациях. Однако по сравнению с другими типами батарей токсичность щелочных батарей умеренная.

Щелочные батареи используются во многих предметах домашнего обихода, таких как MP3-плееры, CD-плееры, цифровые фотоаппараты, игрушки, фонарики и радио.

Содержание

  • 1 История
  • 2 Химия
  • 3 Емкость
  • 4 Напряжение
  • 5 Ток
  • 6 Конструкция
  • 7 Зарядка щелочных батарей
  • 8 Утечки
  • 9 Утилизация
    • 9.1 Утилизация
  • 10 См. Также
  • 11 Примечания
  • 12 Ссылки
  • 13 Внешние ссылки

История

Никель-железные батареи Томаса Эдисона использовали электролит гидроксида калия, произведенный между 1972 и 1975 годами под торговой маркой «Exide », первоначально разработанный в 1901 году компанией Томас Эдисон.

Батареи с щелочным (а не кислотным) электролитом были впервые разработаны Вальдемаром Юнгнером в 1899 году и, работая независимо, Томасом Эдисоном в 1901 году. Современные щелочные сухие аккумулятор, использующий цинк / диоксид марганца c химия была изобретена канадским инженером Льюисом Урри в 1950-х годах в Канаде, еще до того, как он начал работать в Eveready Battery подразделения Union Carbide в Кливленде., Огайо, основываясь на более ранней работе Эдисона. 9 октября 1957 г. Урри, Карл Кордеш и П.А. Марсал подал патент США (2 960 558) на щелочную батарею. Он был предоставлен в 1960 году и был передан Union Carbide Corporation.

Когда цинковый электрод щелочных батарей (как и повсеместно распространенные тогда углеродно-цинковые элементы) был представлен в конце 1960-х годов, имел поверхностную пленку из ртуть амальгама. Его цель состояла в том, чтобы контролировать электролитическое действие на участках примесей, что уменьшало бы срок хранения и способствовало утечке. Поскольку снижение содержания ртути было предписано различными законодательными органами, возникла необходимость в значительном улучшении чистоты и консистенции цинка.

Химия

В щелочной батарее отрицательный электрод цинк, а положительный электрод - диоксид марганца (MnO 2). Щелочной электролит гидроксида калия не участвует в реакции, только цинк и MnO 2 расходуются во время разряда. Щелочной электролит гидроксида калия остается, так как потребляются и производятся равные количества ОН.

Разделение через щелочную батарею.

Полуреакции:

Zn(s) + 2OH (водн.) → ZnO (s) + H 2O(l) + 2e [E окисление ° = +1,28 V]
2MnO 2(s) + H 2O(l) + 2e → Mn 2O3(s) + 2OH (водный) [E восстановление ° = +0,15 В]

Общая реакция:

Zn(s) + 2MnO 2(s) ⇌ ZnO (s) + Mn 2O3(s) [e ° = +1,43 В]

Химическая энергия хранится в основном в металлическом цинке, свободная энергия когезии которого на атом как минимум на 225 кДж / моль выше (менее стабильна), чем у трех оксидов.

Емкость

Несколько размеров кнопок и монетных ячеек. Некоторые из них являются щелочными, а другие - оксидом серебра. Для сравнения были добавлены две батареи 9 В. Увеличьте, чтобы увидеть маркировку кода размера.

Емкость щелочной батареи больше, чем у батареи такого же размера Лекланше или элемента с хлоридом цинка, потому что диоксид марганца чище и плотнее, и меньше места занимают внутренние компоненты, такие как электроды. Щелочная ячейка может обеспечить в три-пять раз большую емкость, чем кислотная ячейка.

Емкость щелочной батареи сильно зависит от нагрузки. Щелочная батарея размера AA может иметь эффективную емкость 3000 мАч при низком заряде, но при нагрузке 1 ампер, что является обычным для цифровых фотоаппаратов., емкость может составлять всего 700 мАч. Напряжение батареи постоянно снижается во время использования, поэтому общая полезная емкость зависит от напряжения отключения приложения. В отличие от ячеек Лекланше, щелочные ячейки обеспечивают примерно такую ​​же емкость при периодических или непрерывных легких нагрузках. При большой нагрузке емкость снижается при непрерывном разряде по сравнению с прерывистым разрядом, но это уменьшение меньше, чем для элементов Лекланша.

Напряжение

Номинальное напряжение свежей щелочной батареи, установленное стандартами производителя, составляет 1,5 В. Однако эффективное напряжение нулевой нагрузки неразряженной щелочной батареи варьируется от 1,50 до 1,65. V, в зависимости от чистоты используемого диоксида марганца и содержания оксида цинка в электролите. Среднее напряжение под нагрузкой зависит от уровня разряда и величины потребляемого тока и варьируется от 1,1 до 1,3 В. В полностью разряженном элементе остаточное напряжение по-прежнему будет в диапазоне от 0,8 до 1,0 В. ряд ячеек (три новые щелочные батареи, соединенные последовательно, будут способны генерировать напряжение от 4,5 до 5,0 В).

напряжение батареи AA в зависимости от емкости, при нулевой нагрузке и нагрузке 330 мВт
Емкость100 %90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%
Нулевая нагрузка1,59V1,44 В1,38 В1,34 В1,32 В1,30 В1,28 В1,26 V1,23V1,20V1,10V
330 мВт1,49V1,35V1,27 В1,20 В1,16 В1,12 В1,10 В1,08 В1.04V0.98V0.62V

Ток

Величина тока, которую может выдать щелочная батарея, примерно пропорциональна ее физическому ical размер. Это результат уменьшения внутреннего сопротивления по мере увеличения площади внутренней поверхности ячейки. эмпирическое правило заключается в том, что щелочная батарея AA может выдавать 700 мА без какого-либо значительного нагрева. Ячейки большего размера, такие как ячейки C и D, могут подавать больший ток. Для приложений, требующих силы тока в несколько ампер, таких как мощные фонари и портативные стереосистемы, потребуются элементы размера D, чтобы выдерживать повышенную нагрузку.

Конструкция

Щелочные батареи производятся в стандартных цилиндрических формах, взаимозаменяемых с угольно-цинковыми батареями, и в форме кнопок. Несколько отдельных ячеек могут быть соединены между собой, чтобы сформировать настоящую «батарею», например, те, которые продаются для использования с фонариками и 9-вольтовой транзисторной батареей для радио.

Цилиндрическая ячейка содержится в тянутой емкости из нержавеющей стали, которая является катодным соединением. Смесь положительного электрода представляет собой прессованную пасту из диоксида марганца с добавлением углеродного порошка для повышения проводимости. Пасту можно вдавить в банку или отложить в виде предварительно сформованных колец. Полый центр катода облицован разделителем, который предотвращает контакт материалов электродов и короткое замыкание ячейки. Сепаратор изготовлен из нетканого слоя целлюлозы или синтетического полимера. Сепаратор должен проводить ионы и оставаться стабильным в растворе сильно щелочного электролита.

Отрицательный электрод состоит из дисперсии цинкового порошка в геле, содержащем электролит гидроксида калия. Цинковый порошок обеспечивает большую площадь поверхности для протекания химических реакций по сравнению с металлической банкой. Это снижает внутреннее сопротивление ячейки. Чтобы предотвратить выделение газа в элементе по окончании срока его службы, используется больше диоксида марганца, чем требуется для реакции со всем цинком. Кроме того, пластиковая прокладка обычно добавляется для увеличения сопротивления утечке.

Затем ячейка оборачивается алюминиевой фольгой, пластиковой пленкой или, реже, картоном, который действует как последний слой защиты от протечек, а также обеспечивает поверхность для логотипов и этикеток. можно распечатать.

При описании элементов размера AAA, AA, C, sub-C и D отрицательный электрод подсоединяется к плоскому концу, а положительный вывод - к концу с поднятой кнопкой. В кнопочных ячейках это обычно обратное: цилиндрическая банка с плоским концом является положительной клеммой.

Зарядка щелочных батарей

Некоторые щелочные батареи рассчитаны на многократную перезарядку и описаны как щелочные аккумуляторные батареи. Попытки перезарядить стандартные щелочные батареи могут привести к разрыву или утечке опасных жидкостей, которые могут вызвать коррозию оборудования. Однако сообщается, что стандартные щелочные батареи часто можно перезаряжать несколько раз (обычно не более десяти), хотя и с уменьшенной емкостью после каждой зарядки; зарядные устройства доступны в продаже. Результаты непоследовательны; Организация потребителей сообщила, что она протестировала два таких зарядных устройства с щелочными батареями Energizer и обнаружила, что емкость батарей упала в среднем до 10% от первоначального значения с огромными вариациями после двух циклов (без указания степени разряжения до

В 2017 году Гаутам Дж. Ядав опубликовал статьи, в которых сообщалось, что щелочные батареи, изготовленные путем чередования прослоек с ионами меди, можно заряжать более 6000 циклов благодаря теоретической второй электронной емкости диоксида марганца. Сообщается, что удельная энергия этих аккумуляторных батарей с диоксидом марганца с интеркалированной медью превышает 160 Вт · ч / л, что является лучшим показателем среди химических элементов на водной основе. Он может обладать плотностью энергии, сравнимой с литий-ионной (>250 Вт-ч / л), если использование цинка в батареях улучшится.

Утечки

Утечка соединения калия внутри щелочной батареи

Щелочные батареи склонность к утечке гидроксид калия, едкий агент, который может вызывать раздражение дыхательных путей, глаз и кожи. Риск этого можно снизить, не пытаясь перезарядить одноразовые щелочные элементы, не смешивая батареи разных типов в одном устройстве, заменяя все батареи одновременно, храня батареи в сухом месте и при комнатной температуре, и сняв батареи для хранения устройств.

Все батареи постепенно саморазряжаются (независимо от того, установлены они в устройстве или нет), и в конечном итоге разряженные батареи будут протекать. Чрезвычайно высокие температуры также могут привести к разрыву аккумуляторов и утечке (например, в автомобиле летом), а также к сокращению срока хранения аккумулятора.

Причина утечки в том, что по мере разряда батарей - в результате использования или постепенного саморазряда - химический состав элементов изменяется, и образуется некоторое количество газообразного водорода. Это выделение газов увеличивает давление в батарее. В конце концов, избыточное давление приводит к разрыву изолирующих уплотнений на конце батареи, или во внешнем металлическом контейнере, или в обоих случаях. Кроме того, по мере старения батареи ее стальной внешний контейнер может постепенно подвергаться коррозии или ржавчине, что в дальнейшем может способствовать разрушению защитной оболочки.

После образования утечки из-за коррозии внешней стальной оболочки гидроксид калия поглощает двуокись углерода из воздуха с образованием перистой кристаллической структуры карбоната калия, которая со временем разрастается и распространяется от батареи, следуя по металлическим электродам к печатным платам, где начинает окисление медных дорожек и других компонентов, что приводит к необратимому повреждению схемы.

Протекающие кристаллические образования также могут выходить из швов вокруг крышек батарей, образуя пушистый налет снаружи устройства, который разъедает любые предметы, соприкасающиеся с протекающим устройством.

Утилизация

В связи с сокращением содержания ртути в 1996 г. в некоторых местах разрешено утилизировать щелочные батареи как обычные бытовые отходы. Однако старые щелочные батареи с содержанием ртути и остальных тяжелых металлов и коррозионных химикатов во всех батареях (новых и старых) по-прежнему представляют проблемы при утилизации, особенно на свалках. Также существует проблема упрощения утилизации аккумуляторов, чтобы исключить их все, чтобы наиболее токсичные отходы были отведены из общих потоков отходов.

Утилизация зависит от юрисдикции. Например, штат Калифорния рассматривает все батареи как опасные отходы при утилизации и запретил их утилизацию вместе с другими бытовыми отходами. В Европе утилизация батарей регулируется директивами WEEE и Директивой по батареям, поэтому щелочные батареи нельзя выбрасывать вместе с бытовыми отходами. В ЕС большинство магазинов, продающих аккумуляторы, по закону обязаны принимать старые аккумуляторы на переработку.

Утилизация

Использование одноразовых батареек ежегодно увеличивается на 5–6%. В прошлом использованные батареи попадали на свалки, но в 2004 году утилизация щелочных батарей на свалках была запрещена постановлением ЕС. Страны-члены ЕС обязуются утилизировать 50% щелочных батарей к 2016 году. Таким образом, потребность в переработке составляет 125 000 тонн в год. Доля щелочных батарей составляет примерно 80% от общего количества.

В США только один штат, Калифорния, требует, чтобы все щелочные батареи были переработаны. Вермонт также имеет программу сбора щелочных батарей в масштабе штата. В других штатах США люди могут приобрести комплекты для утилизации аккумуляторов, используемые для отправки аккумуляторов на переработку. Примерами таких комплектов являются The Big Green Box от Retriev Technologies, iRecycleKits от Battery Solutions и контейнеры для утилизации аккумуляторов Call2Recycle. Некоторые магазины, такие как IKEA, также собирают щелочные батареи для вторичной переработки. Однако некоторые сетевые магазины, рекламирующие утилизацию батарей (например, Best Buy), принимают только аккумуляторные батареи и, как правило, не принимают щелочные батареи.

Для повторного использования металлы из измельченных щелочных батарей отделяются механически, а отработанная черная масса обрабатывается химически для отделения цинка, диоксида марганца и гидроксида калия.

В США одна компания под названием Retriev Technologies, Inc. измельчает и разделяет металлы корпуса батареи, марганец и цинк.

См. Также

Примечания

Ссылки

Внешние ссылки

На Викискладе есть материалы, связанные с щелочными батареями.
Последняя правка сделана 2021-06-10 23:43:53
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте