Jump to content

Щелочная батарея

Щелочная батарея
Сравнение размеров щелочных батареек (слева направо): C , AA , AAA , N , PP3 (9 В) .
Скорость саморазряда <0,3%/месяц
Долговечность во времени 5–10 лет
Номинальное напряжение ячейки 1.5 V

Щелочная батарея (код IEC: L) — это тип первичной батареи , в которой электролит (чаще всего гидроксид калия ) имеет значение pH выше 7. Обычно эти батареи получают энергию в результате реакции между металлическим цинком и диоксидом марганца .

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

Щелочная батарея получила свое название потому, что в ней используется щелочной электролит гидроксида калия (KOH) вместо кислого электролита хлорида аммония (NH 4 Cl) или хлорида цинка (ZnCl 2 ), как в цинк-угольных батареях. В других аккумуляторных системах также используются щелочные электролиты, но в качестве электродов используются другие активные материалы.

Щелочные батареи составляют 80% производимых батарей в США и более 10 миллиардов отдельных единиц, производимых по всему миру. В Японии на щелочные батареи приходится 46% всех продаж первичных батарей. В Швейцарии на щелочные батареи приходится 68%, в Великобритании 60% и в ЕС 47% всех продаж батарей, включая вторичные типы. [1] [2] [3] [4] [5] Щелочные батарейки содержат цинк (Zn) и диоксид марганца (MnO 2 ) (код здоровья 1), который является кумулятивным нейротоксином и может быть токсичным 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 портативные медиаплееры , цифровые фотоаппараты , игрушки, фонарики и радиоприемники .

Томаса Эдисона Никель-железные батареи , выпускаемые под брендом Exide , первоначально разработанные Томасом Эдисоном в 1901 году, используют электролит гидроксида калия.

Батареи со щелочным (а не кислотным) электролитом были впервые разработаны Вальдемаром Юнгнером в 1899 году и, работавшим независимо, Томасом Эдисоном в 1901 году. Современная сухая щелочная батарея, использующая химию диоксида цинка и марганца , была изобретена канадским инженером Льюисом Урри. в 1950-х годах в Канаде, прежде чем он начал работать в Union Carbide компании подразделении Eveready Battery в Кливленде, штат Огайо , опираясь на более раннюю работу Эдисона. [7] [8] 9 октября 1957 года Урри, Карл Кордеш и П.А. Марсал подали заявку на патент США (2 960 558) на щелочную батарею. Он был предоставлен в 1960 году и передан Union Carbide Corporation. [9]

Когда в конце 1960-х годов были представлены щелочные батареи, их цинковые электроды (как и вездесущие тогда угольно-цинковые элементы) имели поверхностную пленку из ртути амальгамы . Его целью было контролировать электролитическое воздействие на примеси в цинке; что нежелательное электролитическое действие может сократить срок хранения и способствовать утечке . Когда различные законодательные органы потребовали снижения содержания ртути, возникла необходимость значительно улучшить чистоту и консистенцию цинка. [10]

В щелочной батарее отрицательный электрод представляет собой цинк , а положительный электрод — диоксид марганца (MnO 2 ). Щелочной MnO электролит гидроксида калия (КОН) в ходе реакции не расходуется (он регенерируется), при разряде расходуются только цинк и . 2 Концентрация щелочного электролита гидроксида калия остается постоянной, так как в нем содержатся равные количества ОН. анионы потребляются и производятся в двух полуреакциях, происходящих на электродах .

Две полуреакции:

  • Анод (реакция окисления), отрицательно заряженный электрод, поскольку принимает электрону от восстановителя в ячейке:
    Zn(s) + 2OH ( водный раствор ) → ZnO(s) + H 2 O(l) + 2 e                      (E° ox = +1,28 В )
  • Катод (реакция восстановления), положительно заряженный электрод, поскольку дает e к окислителю в ячейке:
    2MnO2 ( л (т) + 2H2O ) + → 2MnO(OH)(ы) + 2OH (вода)          [11]

Общая реакция (сумма анодных и катодных реакций):

Zn(s) + 2MnO 2 (s) ↔ ZnO(s) + Mn 2 O 3 (s)                            ( ячейка = E° ox + E° red = номинально +1,5 В )
Несколько размеров ячеек для пуговиц и монет. Некоторые из них являются щелочными, а другие представляют собой оксид серебра . две батареи 9 В. Для сравнения размеров были добавлены Увеличьте, чтобы увидеть маркировку кода размера.

Емкость щелочной батареи сильно зависит от нагрузки. Щелочная батарея типоразмера AA может иметь эффективную емкость 3000 мАч при низком энергопотреблении, но при нагрузке в 1 ампер , что является обычным для цифровых камер, емкость может составлять всего 700 мАч . [12] Напряжение аккумулятора постоянно снижается во время использования, поэтому общая полезная емкость зависит от напряжения отключения приложения.

Напряжение

[ редактировать ]

Номинальное напряжение свежей щелочной батареи, установленное стандартами производителя, составляет 1,5 В. напряжение Фактическое нулевой нагрузки новой щелочной батареи колеблется от 1,50 до 1,65 В в зависимости от чистоты используемого диоксида марганца и содержания оксида цинка в электролите. Напряжение, подаваемое на нагрузку, уменьшается по мере увеличения потребляемого тока и по мере разряда элемента. Ячейка считается полностью разряженной, когда напряжение падает примерно до 0,9 В. [13] Ячейки, соединенные последовательно, вырабатывают напряжение, равное сумме напряжений каждой ячейки (например, три ячейки генерируют около 4,5 В, когда они новые).

Зависимость напряжения батареи АА от емкости при нулевой нагрузке и 330 мВт нагрузке [14]
Емкость 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%
Нулевая нагрузка 1.59 1.44 1.38 1.34 1.32 1.30 1.28 1.26 1.23 1.20 1.10
330 мВт 1.49 1.35 1.27 1.20 1.16 1.12 1.10 1.08 1.04 0.98 0.62

Величина электрического тока, которую может выдать щелочная батарея, примерно пропорциональна ее физическому размеру. Это результат уменьшения внутреннего сопротивления по мере увеличения площади внутренней поверхности ячейки. заключается Эмпирическое правило в том, что щелочная батарея типа АА может выдавать ток 700 мА без значительного нагрева. Ячейки большего размера, такие как ячейки C и D, могут выдавать больший ток. Приложения, требующие токов в несколько ампер, например, мощное портативное аудиооборудование, требуют ячеек размера D, чтобы выдерживать повышенную нагрузку.

Для сравнения, литий-ионные и Ni-MH аккумуляторы выдерживать силу тока 2 ампера . стандартного размера AA могут легко [15]

Строительство

[ редактировать ]
Щелочная батарея

Щелочные батареи выпускаются стандартной цилиндрической формы, взаимозаменяемой с угольно-цинковыми батареями, и кнопочной формы. Несколько отдельных ячеек могут быть соединены между собой, образуя настоящую «батарею», например, 9-вольтовую батарею размера PP3 .

Цилиндрическая ячейка содержится в вытянутом корпусе из нержавеющей стали , который является катодным соединением. Смесь положительных электродов представляет собой спрессованную пасту диоксида марганца с добавлением углеродного порошка для повышения проводимости. Пасту можно прессовать в банку или укладывать в виде предварительно отформованных колец. Полый центр катода футерован сепаратором, предотвращающим контакт материалов электрода и короткое замыкание ячейки. Сепаратор изготовлен из нетканого слоя целлюлозы или синтетического полимера. Сепаратор должен проводить ионы и оставаться стабильным в сильнощелочном растворе электролита.

Отрицательный электрод состоит из дисперсии порошка цинка 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 газовыделение элемента в конце его срока службы, используется больше диоксида марганца, чем требуется для реакции со всем цинком. пластиковую прокладку Кроме того, для повышения устойчивости к утечкам обычно добавляют .

Затем элемент оборачивают 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 размеров AAA, AA, C, sub-C и D отрицательный электрод подключается к плоскому концу, а положительная клемма — к концу с приподнятой кнопкой. В кнопочных элементах это обычно происходит наоборот: цилиндрическая часть с плоским концом может быть положительной клеммой.

Подзарядка щелочных батарей

[ редактировать ]

Некоторые щелочные батареи рассчитаны на несколько раз перезарядку и называются перезаряжаемыми щелочными батареями . Попытки перезарядить стандартные щелочные батареи могут привести к их разрыву или утечке опасных жидкостей, вызывающих 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 имеются в продаже. Британская организация потребителей Which? сообщили, что протестировали два таких зарядных устройства с щелочными батареями Energizer и обнаружили, что емкость батареи упала в среднем до 10% от ее первоначального значения, с огромными вариациями, после двух циклов (без указания того, насколько они были разряжены до перезарядки) после их двухкратной перезарядки. [16]

В 2017 году Гаутам Г. Ядав опубликовал статьи, в которых сообщалось, что щелочные батареи, изготовленные путем чередования прослоек с ионами меди, можно перезаряжать в течение более 6000 циклов благодаря теоретической емкости второго электрона диоксида марганца. [ нужны разъяснения ] [17] [18] Сообщается, что плотность энергии этих перезаряжаемых батарей с интеркалированным медью диоксидом марганца превышает 160 Втч/л , что является лучшим показателем среди аккумуляторов на водной основе. [18] Он мог бы обеспечить плотность энергии, сравнимую с литий-ионной (не менее 250 Втч/л ), если бы было улучшено использование цинка в батареях. [17]

Утечка соединения калия внутри щелочной батареи

Щелочные батарейки склонны к утечке гидроксида калия — едкого вещества, которое может вызвать раздражение дыхательных путей, глаз и кожи. [примечание 1] Риск этого можно снизить, храня батареи в сухом месте при комнатной температуре. Ущерб от утечки можно уменьшить, снимая батареи при хранении устройств. Применение обратного тока (например, путем перезарядки одноразовых элементов или смешивания батарей разных типов или степени заряженности в одном устройстве) может увеличить риск утечки. [ нужна ссылка ]

Все батареи постепенно саморазряжаются (независимо от того, установлены они в устройстве или нет), и разряженные батареи со временем протекают. Чрезвычайно высокие температуры также могут привести к разрыву и утечке батарей (например, в автомобиле летом), а также к сокращению срока годности батареи.

Причина утечек заключается в том, что по мере разрядки батарей – либо в результате использования, либо в результате постепенного саморазряда – химический состав элементов меняется и выделяется некоторое количество газообразного водорода. Это выделение газов увеличивает давление в аккумуляторе. В конце концов, избыточное давление разрывает либо изоляционные уплотнения на конце батареи, либо внешний металлический контейнер, либо и то, и другое. Кроме того, по мере старения батареи ее стальной внешний контейнер может постепенно корродировать или ржаветь, что может еще больше способствовать разрушению защитной оболочки.

Как только из-за коррозии внешней стальной оболочки образовалась утечка, гидроксид калия поглощает углекислый газ из воздуха, образуя рыхлую кристаллическую структуру карбоната калия , которая со временем растет и распространяется от батареи, следуя вдоль металлических электродов 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 батарейного отсека и образовывать пушистый налет снаружи устройства, который разъедает любые предметы, соприкасающиеся с протекающим устройством.

Утилизация

[ редактировать ]

Поскольку с 1996 года щелочные батареи производятся с меньшим содержанием ртути, в некоторых местах щелочные батареи разрешено утилизировать как обычные бытовые отходы. Однако старые щелочные батареи, содержащие ртуть, а также остающиеся во всех батареях (новые и старые) тяжелые металлы и коррозионные химикаты, по-прежнему представляют проблемы при утилизации, особенно на свалках. [19] [20] Существует также проблема упрощения утилизации батарей путем исключения их всех из бытовых отходов, чтобы наиболее токсичные батареи были исключены из общих потоков отходов.

Утилизация зависит от юрисдикции. Например, штат Калифорния считает все выброшенные батареи опасными отходами и запретил их выбрасывание вместе с бытовыми отходами. [21] В Европе утилизация батарей регулируется положениями Директивы WEEE и Директивы 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.

Переработка

[ редактировать ]

Ежегодно использование одноразовых батареек увеличивается на 5–6%. Раньше использованные батареи попадали на свалки, но в 2004 году утилизация щелочных батарей на свалках была запрещена постановлением ЕС. Страны-члены ЕС обязались переработать 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. [ нужна ссылка ]

В США только один штат, Калифорния, требует переработки всех щелочных батарей. В Вермонте также действует программа сбора щелочных батарей по всему штату. [22] В других штатах США частные лица могут приобрести комплекты для переработки аккумуляторов, используемые для отправки аккумуляторов на переработку. Некоторые магазины, такие как IKEA, также собирают щелочные батарейки для переработки. Однако некоторые сетевые магазины, рекламирующие переработку батарей (например, Best Buy ), принимают только аккумуляторные батареи и, как правило, не принимают щелочные батареи. [23]

Для переработки металлы из измельченных щелочных батарей механически отделяются, а черная масса отходов подвергается химической обработке для отделения цинка, диоксида марганца и гидроксида калия.

См. также

[ редактировать ]

Примечания

[ редактировать ]
  1. ^ Эта щелочь особенно агрессивна к алюминию, обычному материалу для фонарей , который может быть поврежден в результате утечки щелочных батарей.
  1. ^ Оливетти, Эльза; Джереми Грегори; Рэндольф Кирчейн (февраль 2011 г.). «Влияние щелочных батарей на жизненный цикл с акцентом на окончание срока службы - EBPA-EU» (PDF) . Массачусетский технологический институт, лаборатория систем материалов. п. 110. Архивировано из оригинала (PDF) 7 октября 2011 года . Проверено 29 июля 2014 г.
  2. ^ «Сайт BAJ — Ежемесячная статистика продаж аккумуляторов» . Японская ассоциация аккумуляторов. Март 2011. Архивировано из оригинала 6 декабря 2010 года . Проверено 29 июля 2014 г.
  3. ^ «Absatzzahlen 2008» (PDF) (на немецком языке). Интерессенорганизация Баттериенторгунг. Архивировано из оригинала (PDF) 25 марта 2012 года . Проверено 29 июля 2014 г.
  4. ^ Фишер, Карен; Валлен, Эрика; Лаэнен, Питер Пол; Коллинз, Майкл (18 октября 2006 г.). «Заключительный отчет об оценке жизненного цикла управления отходами аккумуляторов для публикации» (PDF) . Управление экологическими ресурсами, DEFRA. п. 230. Архивировано из оригинала (PDF) 8 октября 2013 года . Проверено 29 июля 2014 г.
  5. ^ «Статистика аккумуляторов EPBA – 2000» . Европейская ассоциация портативных аккумуляторов. 2000. Архивировано из оригинала 21 марта 2012 года . Проверено 29 июля 2014 г.
  6. ^ Эффекты для здоровья . Агентство по регистрации токсичных веществ и заболеваний (США). Сентябрь 2012.
  7. ^ «Science.ca: Лью Урри» .
  8. ^ Бэрд, Габриэль (3 августа 2011 г.). «Томас Эдисон дал Лью Урри идею создания более совершенных щелочных батарей: большие инновации в Кливленде» . Кливленд.com . Проверено 17 ноября 2014 г.
  9. ^ Патент США 2960558 (на английском языке).
  10. ^ МакКомси, Деннис В. «Глава 8: Цинк-углеродные батареи (системы элементов LeClanché и цинк-хлорид», Linden & Reddy (2002) , стр. 8-3 .
  11. ^ Скарр, Роберт Ф.; Хантер, Джеймс С.; Слезак, Филип Дж. «Глава 10: Щелочные батареи на основе диоксида марганца». В Linden & Reddy (2002) , с. 10-6 .
  12. ^ «... емкость аккумулятора обычно уменьшается с увеличением тока разряда». Линден, Дэвид (2002a). «Глава 3: Факторы, влияющие на производительность аккумулятора». В Linden & Reddy (2002) , с. 3-5 .
  13. ^ Линден, Дэвид (2002b). «Глава 7: Первичные батареи – Введение». В Linden & Reddy (2002) , с. 7-12 .
  14. ^ С.К. Лоо и Кейт Келлер (август 2004 г.). «Характеристики разряда одноэлементной батареи с использованием повышающего преобразователя TPS61070» (PDF) . Техасские инструменты.
  15. ^ «Разрядные испытания щелочных батарей типа АА 100мА на 2А» . PowerStream . Проверено 29 марта 2024 г.
  16. ^ Райан Шоу (февраль 2016 г.). «Зарядные устройства – что нужно знать» . Который? . Проверено 20 мая 2019 г.
  17. ^ Jump up to: а б Ядав, Г.Г. (2017). «Регенерируемый многослойный катод MnO2 с интеркалированной медью для энергоемких батарей с высокой цикличностью» . Природные коммуникации . 8 : 14424. Бибкод : 2017NatCo...814424Y . дои : 10.1038/ncomms14424 . ПМЦ   5343464 . ПМИД   28262697 .
  18. ^ Jump up to: а б Ядав, Гаутам (2017). «Щелочная батарея Bi-бернессит/Zn с интеркалированным бибернесситом Cu2+, основанная на конверсии». Журнал химии материалов А. 5 (30): 15845. doi : 10.1039/C7TA05347A .
  19. ^ Департамент экологической службы. «Утилизация аккумуляторов» . Город Сан-Диего . Проверено 5 сентября 2012 г.
  20. ^ Сырьевая компания. «Часто задаваемые вопросы» . Архивировано из оригинала 6 октября 2012 года . Проверено 5 сентября 2012 г.
  21. ^ «Батареи» . Информация по предотвращению образования отходов Обмен ионов из-за графита . Калифорнийский департамент по переработке и восстановлению ресурсов (CalRecycle) . Проверено 5 сентября 2012 г.
  22. ^ «Уход, использование и утилизация аккумуляторов | Батарейки Duracell» .
  23. ^ RecycleNation (18 марта 2014 г.). «Как утилизировать щелочные батарейки» . RecycleNation . Проверено 9 июня 2018 г.
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: f4f1029b938da466de505d254f2c3f25__1713853980
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/f4/25/f4f1029b938da466de505d254f2c3f25.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Alkaline battery - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)