Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Щелочная батарея
Щелочная батарея 5.jpg
Сравнение размеров щелочных батарей (слева направо): C , AA , AAA , N , PP3 (9 вольт) .
Скорость саморазряда<0,3% / месяц
Долговечность во времени5–10 лет
Номинальное напряжение ячейки1,5 В

Щелочные батареи (МЭК Код: L) является типом первичной батареи , который получает энергию от реакции между металлическим цинком и диоксидом марганца .

По сравнению с угольно-цинковыми батареями типа элементов Лекланше или хлористого цинка щелочные батареи имеют более высокую плотность энергии и более длительный срок хранения , но при этом обеспечивают такое же напряжение.

Щелочная батарея получила свое название, потому что она имеет щелочной электролит гидроксида калия вместо кислотного электролита хлорида аммония или хлорида цинка, как у 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 произведено 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. [1] [2] [3] [4] [5] Щелочные батареи содержат цинк и диоксид марганца (санитарный код 1), которые могут быть токсичными в более высоких концентрациях. Однако по сравнению с другими типами батарей токсичность щелочных батарей умеренная. [6]

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

История [ править ]

Смотрите также: История батареи
Никель-железные батареи Томаса Эдисона использовали электролит гидроксида калия, произведенный между 1972 и 1975 годами под маркой Exide , первоначально разработанный в 1901 году Томасом Эдисоном.

Батареи с щелочным (а не кислотным) электролитом были впервые разработаны Вальдемаром Юнгнером в 1899 году и, работая независимо, Томасом Эдисоном в 1901 году. Современные сухие щелочные батареи, использующие химию цинк / диоксид марганца, были изобретены канадским инженером Льюисом Урри в 1950 - х годов в Канаде уже до того , как начал работать на Union Carbide «s Eveready батареи разделения в Кливленде, штат Огайо , опираясь на ранние работы Эдисона. [7] [8] 9 октября 1957 г. Урри, Карл Кордеши PA Marsal подали патент США (2 960 558) на щелочную батарею. Он был предоставлен в 1960 году и был передан Union Carbide Corporation. [9]

Цинковый электрод щелочных батарей, представленный в конце 1960-х годов (как и повсеместно распространенные тогда углеродно-цинковые элементы), имел поверхностную пленку из ртутной амальгамы . Его цель состояла в том, чтобы контролировать электролитическое действие на участках примесей, что сокращало срок годности и способствовало утечке. Поскольку сокращение содержания ртути было предписано различными законодательными органами, возникла необходимость в значительном улучшении чистоты и консистенции цинка. [10]

Химия [ править ]

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

Разделите щелочную батарею.

Половинные реакции:

Zn (s) + 2OH - (водн.) → ZnO (s) + H 2 O (l) + 2e - [E окисление ° = +1,28 В]
2MnO 2 ( тв. ) + H 2 O (л) + 2e - → Mn 2 O 3 (т.) + 2OH - (водн.) [E восстановление ° = +0,15 В]

Общая реакция:

Zn (s) + 2MnO 2 (s) ⇌ ZnO (s) + Mn 2 O 3 (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. [11]

Емкость [ править ]

Несколько размеров ячеек для пуговиц и монет. Некоторые из них щелочные, а другие - оксид серебра . Две 9-вольтовые батареи были добавлены для сравнения размеров. Увеличьте, чтобы увидеть маркировку кода размера.

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

Емкость щелочной батареи сильно зависит от нагрузки. А.А. -sized щелочные батареи может иметь эффективную емкость 3000  мАч при низкой утечкой, но при нагрузке 1 ампера , который является общим для цифровых камер, емкость может быть всего лишь 700 мАч. Напряжение аккумулятора постоянно снижается во время использования, поэтому общая полезная емкость зависит от напряжения отключения приложения. В отличие от ячеек Лекланше, щелочные элементы 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 [ править ]

Номинальное напряжение свежего щелочного элемента, установленное стандартами производителя, составляет 1,5 В. Однако эффективное напряжение при нулевой нагрузке неразряженной щелочной батареи варьируется от 1,50 до 1,65 В, в зависимости от чистоты используемого диоксида марганца и содержание 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. Полностью разряженный элемент все еще будет иметь остаточное напряжение в диапазоне от 0,8 до 1,0 В. ряд ячеек (три новые щелочные батареи, соединенные последовательно, будут способны генерировать от 4,5 до 5,0 В). [10]

Зависимость напряжения батареи AA от емкости при нулевой нагрузке и нагрузке 330 мВт [12]
Емкость100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%
Нулевая нагрузка1,59 В1,44 В1,38 В1,34 В1,32 В1,30 В1,28 В1,26 В1,23 В1,20 В1,10 В
330 мВт1,49 В1,35 В1,27 В1,20 В1,16 В1,12 В1,10 В1,08 В1,04 В0,98 В0,62 В

Текущий [ править ]

Величина электрического тока , которую может подавать щелочная батарея, примерно пропорциональна ее физическому размеру. Это результат уменьшения внутреннего сопротивления по мере увеличения площади внутренней поверхности ячейки. Практическое 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 передавать больше тока. Приложения, требующие силы тока в несколько ампер, такие как мощные фонарики и портативные стереосистемы, потребуют элементов размера D, чтобы выдерживать повышенную нагрузку.

Строительство [ править ]

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 находится в тянутом корпусе из нержавеющей стали , который 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 отформованных 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 сильнощелочного 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 в конце срока его службы, используется больше диоксида марганца, чем требуется для реакции со всем цинком. Также обычно добавляют пластиковую прокладку для увеличения сопротивления утечке.

Затем элемент оборачивается алюминиевой фольгой, пластиковой пленкой или, реже, картоном, который действует как последний слой защиты от утечек, а также обеспечивает поверхность, на которой можно печатать логотипы и этикетки.

При описании ячеек 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 [ править ]

Основная статья: перезаряжаемая щелочная батарея

Некоторые щелочные батареи рассчитаны на несколько перезарядок и называются перезаряжаемыми щелочными батареями . Попытки перезарядить стандартные щелочные батареи могут вызвать разрыв или утечку опасных жидкостей, которые вызовут 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. Организация потребителей Великобритании Что? сообщила, что провела испытания двух таких зарядных устройств с щелочными батареями Energizer и обнаружила, что емкость батарей упала в среднем до 10% от первоначального значения с огромными вариациями после двух циклов (не указав, насколько они были разряжены до подзарядки).[13]

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 из-за теоретической второй электронной емкости диоксида марганца. [ требуется уточнение ] [14] [15] Сообщается, что удельная энергия этих аккумуляторных батарей с диоксидом марганца, интеркалированным медью, превышает 160 Втч / л, что является лучшим показателем среди химических элементов на водной основе. [15] Он может обладать плотностью энергии, сопоставимой с литий-ионной (> 250 Втч / л), если использование цинка в батареях будет улучшено. [14]

Утечки [ править ]

Утечка соединения калия внутри щелочной батареи

Щелочные батареи склонны к утечке гидроксида калия , едкого вещества, которое может вызывать раздражение дыхательных путей, глаз и кожи. [примечание 1] Риск этого можно снизить, если не пытаться перезарядить одноразовые щелочные элементы, не смешивать батареи разных типов в одном устройстве, заменять все батареи одновременно, хранить 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 утечек заключается в том, что по мере разряда батарей - либо из-за использования, либо из-за 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 нарушению герметичности.

Как только образовалась утечка из-за коррозии внешней стальной оболочки, гидроксид калия поглощает диоксид углерода из воздуха, образуя перистую кристаллическую структуру карбоната калия, которая со временем растет и распространяется от батареи, следуя по металлическим электродам к печатным платам, где он начинает окисление медных дорожек и других компонентов, что приводит к необратимому повреждению схемы.

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

Удаление [ править ]

С сокращением содержания ртути в 1996 году 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. [16] [17] Существует также проблема упрощения утилизации аккумуляторов, чтобы исключить их все, чтобы наиболее токсичные отходы были отведены из общих потоков отходов.

Утилизация зависит от юрисдикции. Например, в штате Калифорния все батареи считаются опасными отходами при утилизации и запрещено утилизировать батареи вместе с другими бытовыми отходами. [18] В Европе, утилизация аккумуляторов контролируется Директива WEEE и директивы батареи правил, а также такие щелочные батареи не должны быть выброшены в с бытовым мусором. В ЕС большинство магазинов, продающих аккумуляторы, по закону обязаны принимать старые аккумуляторы на переработку.

Переработка [ править ]

Ежегодно использование одноразовых батареек 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. На долю щелочных батарей приходится примерно 80% от общего количества. [ необходима цитата ]

В США только один штат, Калифорния, требует утилизации всех щелочных батарей. В Вермонте также действует программа сбора щелочных батарей в масштабе штата. [19] В других штатах США люди могут приобрести комплекты для утилизации аккумуляторов, используемые для отправки аккумуляторов на переработку. Примерами таких комплектов являются Big Green Box от Retriev Technologies, iRecycleKits [20] Battery Solutions, [21] и контейнеры для утилизации батарей Call2Recycle . [22] 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. [23]

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

В США одна компания под названием Retriev Technologies, Inc. измельчает и отделяет металлы корпуса батарей, марганец и цинк. [24]

См. Также [ править ]

  • История батареи
  • Номенклатура аккумуляторов
  • Льюис Урри
  • Oxyride аккумулятор
  • Аккумуляторная батарея
  • Перезаряжаемая щелочная батарея
  • Зарядка щелочных батарей
  • Список размеров батарей
  • Список типов батарей
  • Утилизация аккумуляторов
  • Держатель батареи
  • Типы батарей
  • Элемент Эдисона-Лаланда (ранняя щелочная первичная батарея)
  • Сравнение типов батарей

Заметки [ править ]

  1. ^ Эта щелочь особенно разъедает алюминий, обычный материал для фонарей , который может быть поврежден протеканием щелочных батарей.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Оливетти, Эльза; Джереми Грегори; Рэндольф Кирчайн (февраль 2011 г.). «Влияние жизненного цикла щелочных батарей с акцентом на окончание срока службы - EBPA-EU» (PDF) . Массачусетский технологический институт, лаборатория систем материалов. п. 110. Архивировано из оригинального (PDF) 07.10.2011 . Проверено 29 июля 2014 года .
  2. ^ "Сайт BAJ - Ежемесячная статистика продаж аккумуляторов" . Аккумуляторная ассоциация Японии. Mar 2011 Архивировано из оригинала на 2010-12-06 . Проверено 29 июля 2014 года .
  3. ^ "Absatzzahlen 2008" (PDF) (на немецком языке). Interessenorganisation Batterieentsorgung. Архивировано из оригинального (PDF) 25 марта 2012 года . Проверено 29 июля 2014 года .
  4. ^ Фишер, Карен; Валлен, Эрика; Лаенен, Питер Поль; Коллинз, Майкл (18 октября 2006 г.). «Заключительный отчет по оценке жизненного цикла управления отходами аккумуляторных батарей для публикации» (PDF) . Управление экологическими ресурсами, DEFRA. п. 230. Архивировано из оригинального (PDF) 8 октября 2013 года . Проверено 29 июля 2014 года .
  5. ^ «Статистика батареи EPBA - 2000» . Европейская ассоциация портативных аккумуляторов. 2000. Архивировано из оригинального 21 марта 2012 года . Проверено 29 июля 2014 года .
  6. ^ Влияние на здоровье . Агентство регистрации токсичных веществ и заболеваний (США).
  7. ^ [1]
  8. ^ Бэрд, Габриэль (2011-08-03). «Томас Эдисон дал Лью Урри искру идеи для улучшения щелочных батарей: Greater Cleveland Innovations» . cleveland.com . Проверено 17 ноября 2014 года .
  9. ^ Патент США 2960558 (на английском языке)
  10. ^ a b Редди, Дэвид Линден, Томас Б. (2001). Справочник Линдена по батареям (3-е изд.). Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. С.  10–12 . ISBN 978-0-07-135978-8.
  11. ^ Шмидт-Рор, К. (2018). «Как аккумуляторы накапливают и выделяют энергию: объяснение основ электрохимии» J. Chem. Educ. 95 : 1801-1810. https://dx.doi.org/10.1021/acs.jchemed.8b00479
  12. ↑ SK Loo и Keith Keller (август 2004 г.). «Характеристики разряда одноэлементной батареи при использовании повышающего преобразователя TPS61070» (PDF) . Инструменты Техаса.
  13. ^ Райан Шоу (февраль 2016 г.). «Зарядные устройства - что нужно знать» . Который? . Проверено 20 мая 2019 .
  14. ^ а б Ядав, GG (2017). «Регенерируемый слоистый катод MnO2 с интеркалированной медью для высокоциклируемых энергоемких батарей» . Nature Communications . 8 : 14424. Bibcode : 2017NatCo ... 814424Y . DOI : 10.1038 / ncomms14424 . PMC 5343464 . PMID 28262697 .  
  15. ^ а б Ядав, Гаутам (2017). «Конверсионная щелочная батарея Bi-birnessite / Zn с высокой плотностью энергии, интеркалированной Cu2 +». Журнал Материалы ХИМИИ . 5 (30): 15845. DOI : 10.1039 / C7TA05347A .
  16. ^ Департамент экологических услуг. «Утилизация аккумуляторов» . Город Сан-Диего . Проверено 5 сентября 2012 года .
  17. ^ Сырьевая компания. «Часто задаваемые вопросы» . Архивировано из оригинала 6 октября 2012 года . Проверено 5 сентября 2012 года .
  18. ^ "Батарейки" . Информация о предотвращении образования отходов Обмен ионами из-за графита . Калифорнийский департамент переработки и восстановления ресурсов (CalRecycle) . Проверено 5 сентября 2012 года .
  19. ^ «Уход за батареями, использование и утилизация | Батареи Duracell» .
  20. ^ "Бытовые батареи" .
  21. ^ "Магазин" . 2016-01-19.
  22. ^ "Магазин Call2Recycle | Call2Recycle | США" .
  23. ^ RecycleNation (18 марта 2014 г.). «Как утилизировать щелочные батареи» . RecycleNation . Проверено 9 июня 2018 .
  24. ^ Retriev Technologies. «Щелочной» . Проверено 23 июля 2019 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Данные по безопасности щелочных материалов для щелочных батарей Duracell
  • Щелочные батареи
  • Технические характеристики нейтральных щелочных батарей производителя основаны на стандартах ANSI
  • Обзор стандартов аккумуляторов и тестирования