Цинк-углерод батарея является сухим элементом первичной батареей , которая обеспечивает прямой электрический ток от электрохимической реакции между цинком и диоксидом марганца (MnO 2 ). Он создает напряжение около 1,5 В между цинковым анодом , который обычно реализуется как контейнер для батареи, и угольным стержнем положительной полярности, катодом , который собирает ток от электрода из диоксида марганца, что дало элементу название. .
В аккумуляторах общего назначения в качестве электролита может использоваться водная паста хлорида аммония (NH 4 CL), возможно, смешанная с некоторым раствором хлорида цинка . В моделях для тяжелых условий эксплуатации используется паста, в основном состоящая из хлорида цинка (ZnCl 2 ).
Цинк-угольные батареи были первыми коммерческими сухими батареями, разработанными на основе технологии мокрого элемента Лекланше . Они сделали возможными фонарики и другие портативные устройства, потому что батарея работает в любой ориентации. Они по-прежнему используются в устройствах с низким энергопотреблением или в устройствах с прерывистым режимом работы, таких как пульты дистанционного управления , фонарики, часы или транзисторные радиоприемники . Цинк-углеродные сухие элементы представляют собой первичные элементы одноразового использования .
История
К 1876 году влажная ячейка Лекланше была изготовлена из сжатого блока диоксида марганца. В 1886 году Карл Гасснер запатентовал «сухую» версию, используя цинковую чашку в качестве анода и пасту из гипса (а позже и пшеничной муки) для желирования электролита и его иммобилизации. [ необходима цитата ]
В 1898 году Конрад Хьюберт использовал потребительские батареи, произведенные WH Lawrence, для питания своего первого фонарика , и впоследствии они образовали компанию Eveready Battery Company . В 1900 году Гасснер продемонстрировал сухие элементы для портативного освещения на Всемирной выставке в Париже . Постоянно улучшались стабильность и емкость цинк-углеродных элементов на протяжении 20-го века; к концу века мощности увеличились в четыре раза по сравнению с эквивалентом 1910 года. [1] Усовершенствования включают использование более чистых сортов диоксида марганца, лучшего уплотнения и более чистого цинка для отрицательного электрода. Хлоридно-цинковые элементы (обычно продаваемые как батареи для тяжелых условий эксплуатации) используют пасту, в основном состоящую из хлорида цинка, что обеспечивает более длительный срок службы и более стабильное выходное напряжение по сравнению с электролитом из хлорида аммония. [ необходима цитата ]
Побочные реакции из-за примесей в цинковом аноде увеличивают саморазряд и коррозию элемента. Раньше цинк был покрыт ртутью (Hg), чтобы образовать амальгаму , защищающую его. Учитывая, что это представляет опасность для окружающей среды, в современных производственных батареях ртуть больше не используется. Производители теперь должны использовать более очищенный цинк для предотвращения местного воздействия и саморазряда. [1]
По состоянию на 2011 г.[Обновить]цинк-угольные батареи составляют 20% всех портативных батарей в Соединенном Королевстве и 18% в ЕС [2] [3] [4] [5]
Строительство
Контейнер цинк-угольного сухого элемента представляет собой цинковую банку (анод). Банка содержит слой водной пасты NH 4 Cl или ZnCl 2, пропитывающий бумажный слой, который отделяет цинковую банку от смеси порошкообразного углерода (обычно графитового порошка) и оксида марганца (IV) ( MnO 2 ), который упакован вокруг угольный стержень. Углерод является единственным практичным проводящим материалом, потому что каждый обычный металл в положительном электроде в солевом электролите быстро корродирует . [ необходима цитата ]
Ранние типы и недорогие ячейки используют сепаратор, состоящий из слоя крахмала или муки . В современных ячейках используется слой бумаги с крахмальным покрытием, который тоньше и позволяет использовать больше диоксида марганца. Первоначально ячейки были заделаны слоем асфальта, чтобы предотвратить высыхание электролита; в последнее время применяется термопластичный герметик для шайб. Угольный стержень слегка пористый, что позволяет улетучиваться накопившемуся газообразному водороду , сохраняя водный электролит. Соотношение диоксида марганца и углеродного порошка в катодной пасте влияет на характеристики элемента: большее количество углеродного порошка снижает внутреннее сопротивление , а большее количество диоксида марганца улучшает накопительную способность. [1]
Плоские элементы предназначены для сборки в батареи с более высоким напряжением, примерно до 450 вольт. Плоские элементы уложены друг на друга, и вся сборка покрыта воском для предотвращения испарения электролита . Электроны текут от анода к катоду через провод присоединенного устройства. [6]
Химические реакции
В сухом цинк-углеродном элементе внешний цинковый контейнер является отрицательно заряженным выводом.
Электролит хлористый аммиак
Цинк окисляются с помощью носителя заряда , хлорид - анион (Cl - ) в ZnCl 2 , через следующие полуреакции :
Анод (реакция окисления, помечена -)
- Zn + 2 Cl - → ZnCl 2 + 2 e -
Катод (реакция восстановления, помечена +)
- 2 MnO 2 + 2 NH 4 Cl + H 2 O + 2 e - → Mn 2 O 3 + 2 NH 4 OH + 2 Cl -
Возможны и другие побочные реакции, но общую реакцию в цинк-углеродной ячейке можно представить как
- Zn + 2 MnO 2 + 2 NH 4 Cl + H 2 O → ZnCl 2 + Mn 2 O 3 + 2 NH 4 OH
Электролит хлористый цинк
Если хлорид цинка заменить хлоридом аммония в качестве электролита, анодная реакция останется прежней:
- Zn + 2 Cl - → ZnCl 2 + 2 e -
и катодная реакция дает гидроксид цинка и диоксид марганца .
- 2 MnO 2 + ZnCl 2 + H 2 O + 2 e - → Mn 2 O 3 + Zn (OH) 2 + 2 Cl -
давая общую реакцию
- Zn + 2 MnO 2 + H 2 O → Mn 2 O 3 + Zn (OH) 2
Батарея имеет электродвижущую силу (ЭДС) около 1,5 V . Примерный характер ЭДС связан со сложностью катодной реакции. Анодная (цинковая) реакция сравнительно проста с известным потенциалом. Побочные реакции и истощение активных химикатов увеличивает внутреннее сопротивление батареи, что приводит к падению напряжения на клеммах под нагрузкой.
Хлористый цинк "сверхмощный" элемент
Хлоридно-цинковый элемент, который часто называют сверхмощным , сверхмощным или даже сверхмощным аккумулятором, является усовершенствованием оригинального углеродно-цинкового элемента, использующим более чистые химические вещества и обеспечивающим более длительный срок службы. и более стабильное выходное напряжение по мере его использования и обеспечивающее примерно вдвое больший срок службы по сравнению с цинк-угольными элементами общего назначения или до четырех раз при непрерывном использовании или приложениях с большим стоком. [1] Однако это все еще часть мощности щелочного элемента.
Щелочные батареи [7] обеспечивают в восемь раз больший срок службы по сравнению с угольно-цинковыми батареями [8], особенно при непрерывном использовании или в приложениях с высоким энергопотреблением. [1]
Место хранения
Производители рекомендуют хранить цинк-угольные батареи при комнатной температуре; хранение при более высоких температурах сокращает ожидаемый срок службы . [9] Углеродно-цинковые батареи можно заморозить без повреждений; производители рекомендуют вернуть их к нормальной комнатной температуре перед использованием и избегать образования конденсата на кожухе батареи. К концу 20 века срок хранения цинк-углеродных элементов увеличился в четыре раза по сравнению с ожидаемым сроком службы в 1910 году [1].
Долговечность
Цинк-углеродные элементы имеют короткий срок хранения , так как цинк разрушается хлоридом аммония. Цинковый контейнер становится тоньше по мере использования элемента, потому что металлический цинк окисляется до ионов цинка. Когда цинковый корпус становится достаточно тонким, хлорид цинка начинает вытекать из батареи. Старый сухой элемент не является герметичным и становится очень липким, поскольку паста просачивается через отверстия в цинковом корпусе. Цинковый корпус сухого элемента становится тоньше, даже когда элемент не используется, потому что хлорид аммония внутри аккумулятора вступает в реакцию с цинком. Форма «наизнанку» с угольным колпачком и цинковыми лопатками внутри, хотя и более устойчива к утечкам, не производилась с 1960-х годов. [1]
На этом рисунке показан цинковый контейнер свежих батарей в точках (а) и разряженных батарей в точках (б) и (в). Батарея, показанная на (c), имела полиэтиленовую защитную пленку (в основном удаленную на фотографии), чтобы удерживать оксид цинка внутри корпуса.
Воздействие на окружающую среду
Тысячи тонн угольно-цинковых батарей выбрасываются каждый год во всем мире и часто не перерабатываются.
Утилизация зависит от юрисдикции. Например, в США штат Калифорния рассматривает все батареи как опасные отходы при утилизации и запретил утилизацию батарей вместе с другими бытовыми отходами . [10] В Европе, утилизация аккумуляторов контролируется Директива WEEE и директивы батареи правил, а также такие угольно-цинковых батарей не должны быть выброшены с бытовым мусором. В ЕС большинство магазинов, продающих аккумуляторы, по закону обязаны принимать старые аккумуляторы на переработку .
Смотрите также
- Сравнение типов батарей
- Список размеров батарей
- Список типов батарей
- Photoflash аккумулятор
Рекомендации
- ^ a b c d e f g Линден, Дэвид; Редди, Томас Б. (2002). «8». Справочник аккумуляторов . Макгроу-Хилл. ISBN 978-0-07-135978-8.
- ^ «Ежемесячная статистика продаж аккумуляторов» . Baj.or.jp . MoETI. Май 2020 . Проверено 7 августа 2020 .
- ^ Статистика INOBAT 2008 . Архивировано 25 марта 2012 года в Wayback Machine .
- ^ Управление отходами батареи - 2006 DEFRA.
- ^ Отчет об устойчивом развитии EPBA , 2010.
- ^ https://web.archive.org/web/20200609212007/https://www.explainthatstuff.com/batteries.html
- ^ «Положите заряд в свои сбережения батареи» . Чикаго Трибьюн . 2015-04-29 . Проверено 19 июня 2015 .
- ^ «Батареи хлористого цинка» . Radio Shack . Архивировано 12 февраля 2015 года . Проверено 19 июня 2015 .
- ^ Eveready: Примечания по применению углеродного цинка , стр. 13.
- ^ «Батарейки» . Обмен информацией по предотвращению образования отходов . Калифорнийский департамент переработки и восстановления ресурсов (CalRecycle) . Проверено 5 сентября 2012 года .
Внешние ссылки
- Eveready: Примечания по применению углеродного цинка
- Rayovac: указания по применению в щелочных и тяжелых условиях
- Часто задаваемые вопросы по химическому составу батарей Power Stream
- Конструкция ячеек
- Энергетический плотный цинково-марганцевый силовой агрегат по дешевке, как автомобильный аккумулятор