Основная батарея
или Первичная батарея первичный элемент — это батарея ( гальванический элемент ), предназначенная для однократного использования и выбрасывания, и она не подлежит перезарядке в отличие от вторичного элемента ( перезаряжаемой батареи ). Как правило, электрохимическая реакция, происходящая в элементе, необратима, что делает элемент неперезаряжаемым. Поскольку используется первичный элемент, химические реакции в батарее расходуют химические вещества, генерирующие энергию; когда они заканчиваются, батарея перестает вырабатывать электричество. Напротив, во вторичной ячейке реакцию можно обратить вспять, подав в ячейку ток с помощью зарядного устройства для ее подзарядки, регенерируя химические реагенты. Первичные элементы изготавливаются различных стандартных размеров для питания небольших бытовых приборов, таких как фонарики и портативные радиоприемники.
Первичные батареи составляют около 90% рынка аккумуляторов стоимостью 50 миллиардов долларов, но доля рынка вторичных батарей увеличивается. Ежегодно во всем мире выбрасывается около 15 миллиардов первичных батарей, практически все они оказываются на свалках. Из-за содержащихся в них токсичных тяжелых металлов , сильных кислот и щелочей аккумуляторы являются опасными отходами . Большинство муниципалитетов классифицируют их как таковые и требуют отдельной утилизации. Энергия, необходимая для производства батареи, примерно в 50 раз превышает энергию, которую она содержит. [1] [2] [3] [4] Из-за высокого содержания загрязняющих веществ по сравнению с низким энергопотреблением первичные батареи считаются расточительной и экологически вредной технологией. В основном из-за увеличения продаж беспроводных устройств и беспроводных инструментов , которые не могут экономично питаться от первичных батарей и поставляются со встроенными перезаряжаемыми батареями, индустрия вторичных батарей имеет высокие темпы роста и постепенно заменяет первичные батареи в продуктах высокого класса.
Тенденция использования
[ редактировать ]В начале двадцать первого века первичные элементы начали терять долю рынка в пользу вторичных элементов, поскольку относительная стоимость последних снизилась. Потребность в мощности фонарика была снижена за счет перехода от ламп накаливания к светодиодам . [5]
На оставшемся рынке возросла конкуренция со стороны версий под частной торговой маркой или без нее. Рыночная доля двух ведущих производителей США, Energizer и Duracell, снизилась до 37% в 2012 году. Вместе с Rayovac эти трое пытаются перевести потребителей с углеродно-цинковых батарей на более дорогие и долговечные щелочные батареи . [5]
Западные производители аккумуляторов перенесли производство за границу и больше не производят углеродно-цинковые аккумуляторы в США. [5]
Китай стал крупнейшим рынком аккумуляторов, причем спрос, по прогнозам, будет расти быстрее, чем где-либо еще, а также перешел на щелочные элементы. В других развивающихся странах одноразовые батарейки должны конкурировать с дешевыми заводными, ветровыми и перезаряжаемыми устройствами, которые получили широкое распространение. [5]
Сравнение первичных и вторичных ячеек
[ редактировать ]Вторичные элементы ( перезаряжаемые батареи ) обычно более экономичны в использовании, чем первичные элементы. Их изначально более высокая стоимость и стоимость приобретения системы зарядки могут быть распределены на многие циклы использования (от 100 до 1000 циклов); например, в ручных электроинструментах замена основного аккумуляторного блока большой емкости каждые несколько часов использования будет очень дорогостоящей.
Первичные элементы не предназначены для подзарядки между производством и использованием, поэтому химический состав батарей должен иметь гораздо более низкую скорость саморазряда, чем у старых типов вторичных элементов; но они утратили это преимущество с разработкой перезаряжаемых вторичных элементов с очень низкой скоростью саморазряда , таких как NiMH элементы с низким саморазрядом, которые удерживают достаточный заряд в течение достаточно долгого времени, чтобы их можно было продавать как предварительно заряженные. [6] [7]
Распространенные типы вторичных элементов (а именно NiMH и литий-ионные) из-за их гораздо более низкого внутреннего сопротивления не испытывают такой большой потери емкости, как щелочные, цинк-углеродные и хлорид цинка («сверхмощные» или «сверхтяжелые»). с большим потреблением тока. [8]
Резервные батареи обеспечивают очень длительный срок хранения (порядка 10 лет и более) без потери емкости за счет физического разделения компонентов батареи и их сборки только во время использования. Такие конструкции дороги, но их можно найти в таких приложениях, как боеприпасы , которые могут храниться годами перед использованием.
поляризация
[ редактировать ]Основным фактором, сокращающим срок службы первичных ячеек, является то, что они поляризуются во время использования. Это означает, что водород накапливается на катоде и снижает эффективность ячейки. Чтобы уменьшить влияние поляризации в коммерческих клетках и продлить их жизнь, используется химическая деполяризация; то есть окислитель в ячейку добавляется для окисления водорода до воды. Диоксид марганца используется в ячейке Лекланше и цинк-углеродной ячейке , а азотная кислота используется в ячейке Бунзена и ячейке Гроува .
Были предприняты попытки сделать простые клетки самодеполяризующимися путем придания шероховатости поверхности медной пластины, чтобы облегчить отделение пузырьков водорода, но без особого успеха. Электрохимическая деполяризация заменяет водород на металл, такой как медь (например, ячейка Даниэля ) или серебро (например, ячейка с оксидом серебра ), так называемые.
Терминология
[ редактировать ]Анод и катод
[ редактировать ]Клемма батареи ( электрод ), на которой вырабатывается напряжение положительной полярности ( углеродный электрод в сухом элементе), называется катодом , а электрод с отрицательной полярностью ( цинк в сухом элементе) называется анодом . [9] Это противоположность терминологии, используемой в электролитической ячейке или термоэлектронной вакуумной трубке . Причина в том, что термины анод и катод определяются направлением электрического тока, а не его напряжением. Анод — это клемма, через которую условный ток (положительный заряд) поступает в ячейку из внешней цепи, а катод — это клемма, через которую условный ток покидает ячейку и течет во внешнюю цепь. Поскольку батарея является источником питания, который обеспечивает напряжение, которое пропускает ток через внешнюю цепь, напряжение на катоде должно быть выше, чем напряжение на аноде, создавая электрическое поле, направленное от катода к аноду, чтобы вызвать положительный заряд. из катода через сопротивление внешней цепи.
Внутри ячейки анод является электродом, где происходит химическое окисление , поскольку он отдает электроны, которые вытекают из него во внешнюю цепь. Катод — это электрод, на котором происходит химическое восстановление , поскольку он принимает электроны из цепи.
За пределами клетки используется другая терминология. Поскольку анод отдает положительный заряд электролиту (таким образом, оставаясь с избытком электронов, которые он отдает цепи), он становится отрицательно заряженным и, следовательно, подключается к клемме с маркировкой «-» на внешней стороне элемента. Катод, тем временем, передает отрицательный заряд электролиту, поэтому он становится положительно заряженным (что позволяет ему принимать электроны из цепи) и, следовательно, подключается к клемме с маркировкой «+» на внешней стороне элемента. [10]
Старые учебники иногда содержат разную терминологию, которая может вызвать путаницу у современных читателей. Например, учебник Айртона и Мэзера 1911 года. [11] описывает электроды как «положительную пластину» и «отрицательную пластину».
См. также
[ редактировать ]- История аккумулятора
- Топливный элемент
- Утилизация аккумуляторов
- Список размеров батарей
- Список типов батарей
- Сравнение типов аккумуляторов
- Номенклатура аккумуляторов
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Хилл, Маркита К. (2004). Понимание загрязнения окружающей среды: введение . Издательство Кембриджского университета. стр. 274 . ISBN 0521527260 .
энергия батареи в 50 раз загрязняет окружающую среду.
- ^ Уоттс, Джон (2006). Gcse Edexcel Science . Леттс и Лонсдейл. п. 63. ИСБН 1905129637 .
- ^ Мусорщики (2013). Руководство «Зеленый офис»: Руководство по ответственной практике . Рутледж. п. 96. ИСБН 978-1134197989 .
- ^ Данахер, Кевин; Биггс, Шеннон; Марк, Джейсон (2016). Построение зеленой экономики: истории успеха на низовом уровне . Рутледж. п. 199. ИСБН 978-1317262923 .
- ^ Перейти обратно: а б с д «Батареи: разряжена» . Экономист . 18 января 2014 г. Проверено 10 февраля 2014 г.
- ^ «Энелуп АА 4-Пак» .
- ^ «Исследование саморазряда Eneloop» .
- ^ «Разрядные испытания щелочных батарей типа АА» .
- ^ Денкер, Джон С. (2004). «Как определить анод и катод» . Посмотрите, как это летает . Персональный сайт Денкера . Проверено 8 сентября 2018 г.
- ^ Джон С. Ньюман, Карен Э. Томас-Алиа, Электрохимические системы , Wiley-IEEE, 3-е изд. 2004, ISBN 0-471-47756-7
- ^ МЫ Айртон и Т. Мэзер, Практическое электричество , Cassell and Company, Лондон, 1911, стр. 170.
Внешние ссылки
[ редактировать ]
