Из чего состоит алкалиновая батарейка

Щелочной элемент питания — марганцево-цинковый гальванический элемент питания, в котором в качестве катода используется диоксид марганца, анода — порошкообразный цинк, а в качестве электролита — раствор щёлочи, обычно гидроксида калия.

Содержание

История изобретения [ править | править код ]

Впервые использовать щелочной электролит в химических источниках тока предложили независимо друг от друга Вальдемар Джангнер ( англ. ) в 1899 году и Томас Эдисон в 1901 году [1] [2] . Они использовали щелочной электролит в никель-кадмиевых аккумуляторах.

В марганцево-цинковых элементах питания щелочной электролит впервые применил канадский инженер Льюис Урри (англ.) русск. в середине 1950-х годов, работавший в Union Carb > ( англ. ) , выпускавшей элементы питания под маркой «Eveready». Льюис Урри использовал наработки Томаса Эдисона [3] . В 1960 году Урри вместе с Карлом Кордешем и Полом Маршалом получил патент на конструкцию щелочного элемента [4] .

Характеристики [ править | править код ]

Типичные характеристики щелочного элемента питания [5] [6] :

• ЭДС элемента: 1,5 В;
• Удельная энергия: 65—90 Вт∙ч/кг;
• Удельная мощность: 100—150 кВт/м³;
• Рабочая температура: -30. +55 °С.

Химические процессы [ править | править код ]

На аноде проходят реакции окисления цинка. Вначале образуется гидроксид цинка:

Zn + 2OH − → Zn(OH)₂ + 2e −

Который затем разлагается на оксид цинка и воду.

На катоде, в свою очередь, происходят реакции восстановления оксида марганца (IV) в оксид марганца (III):

В целом, химические процессы внутри элемента при использовании KOH в качестве электролита можно описать следующим уравнением:

Zn + 2KOH + 2MnO₂ + 2e − → 2e − + ZnO + 2KOH + Mn₂O₃

В отличие от солевого элемента, в щелочном электролит в процессе разрядки батареи практически не расходуется, а значит, достаточно малого его количества. Поэтому в щелочном элементе в среднем в 1,5 раза больше диоксида марганца.

Конструкция [ править | править код ]

По конструкции щелочной элемент похож на солевой, но основные части в нём расположены в обратном порядке. Анодная паста (3) в виде цинкового порошка, пропитанного загущённым щелочным электролитом, располагается во внутренней части элемента и имеет отрицательный потенциал, который снимается латунным стержнем (2). От активной массы, диоксида марганца, смешанного с графитом или сажей (5), анодная паста отделена сепаратором (4), также пропитанным электролитом. Положительный вывод, в отличие от солевого элемента, выполнен в виде стального никелированного стакана (1), а отрицательный — в виде стальной тарелки (9). Оболочка (6) изолирована от стакана и предотвращает короткое замыкание, которое может возникнуть при установке нескольких элементов в батарейный отсек. Прокладка (8) воспринимает давление газов, образующихся при работе. Выделение газов в щелочном элементе значительно меньше, чем в солевом, поэтому объём камеры для их сбора тоже меньше. Для предотвращения взрыва батареи при неправильном использовании (например, коротком замыкании), в ней имеется предохранительная мембрана (7). При превышении давления газов происходит разрыв мембраны и разгерметизация элемента — результатом обычно становится течь электролита.

Для увеличения срока хранения в ранних конструкциях элементов производилось амальгамирование цинкового порошка, однако такой способ продления срока хранения элементов делает элементы опасными для использования в быту. Поэтому в современные элементы вводят специальные органические ингибиторы коррозии.

Производство [ править | править код ]

Хранение и эксплуатация [ править | править код ]

Срок хранения щелочного элемента больше, чем у солевого, за счёт герметичной конструкции, также он не столь требователен к условиям хранения.

В отличие от солевых элементов щелочные могут работать при большем разрядном токе. Кроме того, отсутствует эффект «усталости» элемента, когда после работы на большой нагрузке происходит значительное падение напряжения на выводах элемента, и для восстановления его работоспособности требуется определённое время «отдыха». Однако при коротком замыкании или установке в неверной полярности также возможна течь электролита.

Области применения [ править | править код ]

Щелочной элемент имеет то же рабочее напряжение, что и обычный марганцево-цинковый при большей ёмкости, разрядном токе, сроке хранения и рабочем диапазоне температур. Щелочные элементы выпускаются в тех же типоразмерах, что и солевые, и потому могут применяться в тех же приборах, например, в фонарях, электронных игрушках, переносных магнитофонах и т.д. Однако за счёт лучших разрядных характеристик возможно применение их как в устройствах, потребляющих значительный ток (фотовспышки, радиоуправляемые модели), так и в устройствах, потребляющих относительно небольшой ток в течение длительного времени (электронные часы).

Сравнение солевых и щелочных элементов [ править | править код ]

Благодаря такой конструкции, у щелочного элемента есть следующие особенности:

• Отсутствие расхода электролита, а значит меньшее его количество, необходимое для работы
• Анодом является порошкообразный цинк, а не цинковый стакан, поэтому реакция идёт на значительно большей поверхности.
• Меньше газовыделение, благодаря чему элемент можно делать полностью герметичным.

Отсюда можно выделить следующие преимущества и недостатки:

Впервые щелочные батарейки запустили в производство еще в шестидесятых, когда производители начали задумываться над улучшением качества и производительности первичного источника тока. Свое название они получили благодаря электролиту, который состоит из щелочного раствора повышенной концентрации. Для его изготовления чаще всего используют гидроксид калия или же гидроксид натрия. Данный вид батареек еще называют алкалиновыми, так как «Alkaline» в переводе щелочь и так часто маркируются батарейки иностранных производителей.

Главными активными веществами, отвечающими за электрохимическую реакцию алкалинового источника тока являются:

Такие же вещества используются и в изготовление солевых батареек, однако использование щелочного раствора вместо солевого в составе электролита, значительно увеличивает продолжительность работы данного типа батареек.

Напряжение в батарейках разных типов может варьироваться в районе 1,5-12V. При этом алкалиновые батарейки могут быть рассчитаны на разные токи разряда. Самым минимальным током разряда отличаются батарейки дискового типа (их еще называют «таблетки»). Например, если брать элемент питания с корпусом 164, то емкость составит 8 mAh. Если же брать корпус с обозначением PX625A, то ее емкость составит 190 mAh.

Из чего состоят щелочные батарейки

Приступим с описания отрицательного электрода. Он располагается в центре элемента питания и состоит из своеобразной пасты, в которую входят: цинковый порошок, электролит и загуститель. Чтоб предотвратить процессы коррозии, используется высокочастотный цинк с добавками из других металлов (что позволяет производителям больше не использовать в производстве вредную для окружающей среды и здоровья ртуть). Через порошок проходит латунный стержень, который отвечает за токоотвод. За счет порошка увеличивается площадь соприкосновения электролита и электродом, а это способствует снижению внутреннего сопротивления, а также увеличению тока разряда. Всего, на данное вещество приходится 0,02 м2/г удельной поверхности. Если в элементе питания содержится больше вещества отрицательного электрода, то эксплуатационные характеристики батарейки считаются лучше.

Положительный и отрицательный электроды разделяют мембраной пористой структуры, которая пропитывается электролитом. Основная ее функция – предотвратить смешивание паст с противоположными зарядами. Состав электрода с «+» включает в себя: оксид марганца, графит. Он заполняет весь объем, который остается между стальным корпусом элемента питания и мембраной.

Меры предосторожности

Чтобы избежать взрыва при нагреве или скапливание газов, внизу батарейки располагается аварийный клапан, он в случае повышенного напряжения, позволит выйти части электролита наружу, тем самым предотвратив взрыв. Но стоит отметить, что при этом нарушается герметичность и дальнейшее ее использование будет невозможным.

По внешним признакам батарейки и аккумуляторы ничем не отличаются. Они производятся в идентичных корпусах, и многие пытаются подзарядить обычную батарейку в стационарном зарядном устройстве. Но производители настойчиво не рекомендуют этого делать. Так как обычная батарейка нагревается, скапливаются газы и может произойти взрыв.

Положительный полюс элемента питания приходится на корпус батарейки, так называемый стальной стакан. В то же время отрицательный полюс – на стальную тарелку, которая располагается внизу корпуса и соединяется с латунным стержнем.

Перечислим основные преимущества

У щелочной батарейки много неоспоримых достоинств. Среди основных:

• увеличен ток разряда;
• более длительный срок эксплуатации (если сравнивать с солевой);
• Может долго храниться (за год без использования заряд теряете на 10%);
• можно применять при пониженных и высоких температурах;

Среди недостатков щелочных батареек — повышенная стоимость (цена на щелочные батарейки выше, чем на солевые). Благодаря их повышенной емкости, алкалиновые батарейки рекомендуется применять в электроприборах с высоким и средним потребление энергии.

Какие батарейки можно заряжать?

Заряжаемые алкалиновые батарейки (маркируются RAM) – это уже не обычные батарейки, но еще и не аккумуляторы. При покупке они уже заряжены и готовы к использованию, когда аккумуляторы советуют сначала зарядить. Напряжение заряжаемой батарейки 1,5 V. Данный показатель не снижается до окончательного разряда. Если говорить о габаритах АА , то емкость батарейки может достичь 2 ампер-часа. Их можно использовать как альтернативу никель-кадмиевых и никель-магниевых аккумуляторов. Алкалиновые батарейки с возможностью подзарядки могут хранятся несколько лет не разряжаясь. Но цена в два раза больше, чем на обычные щелочные источники тока, при этом ниже стоимости аккумуляторов.

Есть несколько особенностей заряда данного типа батареек:

• Если разряд составляет менее 25%, то батарейку может перезарядить до 1,42 вольта более, чем 100 раз.
• Если разряд составил 25-50%, то перезарядить ее можно будет около 50 раз до 1,32 вольта.
• Если разряд уже более 50%, то перезарядить ее можно будет не более 20 раз.

Заряжаемые алкалиновые батарейки могут вставляться в любые электроприборах, поддерживающих размеры АА, ААА, C,D. Больше всего они подходят для электронных устройств, которые не требуют частой подзарядки (пульты для телевизоров, датчики).

Сегодняшнюю жизнь в мире высоких технологий сложно представить без такой простой вещи, как батарейка. Маленькое приспособление, которое способно давать ток и позволяет пользоваться многими предметами быта.

А тем временем, батарейке уже больше 200 лет. Еще в 19 веке итальянский ученый Вольта изобрел первый элемент, состоящий из анода, катода и солевого электролита. Его именем и стала называться единица измерения напряжения электрического тока. Конечно, в те времена батарейка выглядела иначе, была громоздкой и мало где могла примениться. До наших дней она прошла большой путь и значительно видоизменилась. Кроме того, все батарейки подразделились на 2 подвида: солевые и алкалиновые (щелочные).

Что такое солевая батарейка

Устройство солевой батарейки чрезвычайно простое. Она состоит из цинкового катода, анода – двуокись марганца и электролита – хлорид аммония. Отсюда происходит само название солевая батарейка, поскольку в качестве электролита выступает соль.

Между реагентами расположена специальная прокладка, благодаря ей ингредиенты не смешиваются, но она пропускает электролит. Между электролитом и химическими элементами анода и катода возникает реакция и выделяется электрический ток. После того как ток образовался, он переходит на токосниматели, которые расположены внутри батарейки, а затем на раздельные электроды с разных концов батарейки и в итоге передается электронному устройству.

Напряжение в такой батарейке равно 1,5 В. Стандартные размеры АА (пальчиковая) и ААА (мизинчиковая).

Кроме стандартных размеров, которые встречаются наиболее часто, используются батарейки следующего типа:

• С или LR 14 (похожа на маленький бочонок).
• D или LR 20 (большой бочонок).
• 6F22 «крона» (прямоугольная батарейка чуть меньше спичечного коробка).

Преимущества солевой батарейки:

• Маленький вес.
• Дешевизна.
• Возможно продлить срок службы если дать батарейке «отдохнуть».

• Низкие энергетические показатели.
• Плохо работают при низких температурах.
• Небольшой срок хранения.
• Быстрый саморазряд.
• Плохая герметичность, окисление оболочки.

Солевые батарейки обладают интересной способностью работать еще некоторое время, после того как, казалось бы, уже не могут. Дело в том, что если вытащить батарейку из устройства, к тому же немного потрясти ее или немножко постучать по ней, то можно выровнять комки электролита, который находится внутри и использовать его до конца.

Эти недорогие батарейки с небольшой мощностью подходят для приборов, не требующих высокого токопотребления, например:

1. Детские игрушки.
2. Небольшие фонарики.
3. Пульты телевизоров.
4. Часы.
5. Радиоприемники.

Лидерами в производстве солевых батареек в России являются компании Космос, Энергия, Фотон. Среди мировых производителей на первом месте Sanyo и GP.

Что такое алкалиновая (щелочная) батарейка

Алкалиновая батарейка также состоит из анода – порошкообразный цинк, катода – диоксид марганца и электролита, в качестве которого выступает гидроксид калия, который является щелочью. Следовательно, отсюда идет название и самих батареек. Алкалиновыми батарейки стали называть только потому, что на английский язык щелочь переводится как Alkaline, и на многих батарейках зарубежного производства есть эта надпись.

Принцип работы у алкалиновых батареек такой же, как и у солевых. Химические элементы анода и катода аналогично взаимодействуют посредством электролита, а вырабатываемый ток передается устройствам через токоотводы.

Появились такие батарейки в 1959 году благодаря изысканиям и научным разработкам Льюиса Урри. Напряжение 1,5 В. Стандартные размеры батареек АА и ААА, LR 14, LR 20, 6F22.

Преимущества алкалиновой батарейки:

1. Большая емкость.
2. Хорошо работают при средних нагрузках.
3. Могут работать при низких температурах.
4. Надежная герметизация.
5. Низкий показатель саморазряда.
6. Срок хранения до 7 лет.

• Высокая цена.
• Более тяжелые.
• Когда ресурс выработан, мгновенно «умирают».

Алкалиновые батарейки применяются там, где нужно среднее и высокое токопотребление, например:

1. Мощные фонари.
2. Аудиоплееры.
3. Диктофоны.
4. Фотоаппараты и фотокамеры.
5. Пульты от сигнализации.

Пальма первенства среди фирм производителей таких батареек принадлежит американским компаниям Duracell и Energizer, за ними следуют японские Sony и Toshiba.

Что общего у солевых и алкалиновых батареек

1. Имеют одинаковый стандартный размер.
2. Могут быть использованы в одних и тех же устройствах (но солевые выйдут из строя очень быстро).
3. Одинаковое напряжение.
4. И те и другие батарейки нельзя подзаряжать, это может привести к их взрыву.
5. Оба типа батареек, после использования необходимо правильно утилизировать.

Сегодня все больше стран уделяют внимание утилизации солевых и алкалиновых батареек. Большинство развитых государств создают специальные пункты приема, куда можно отнести использованные элементы, а при покупке новых даже получить скидку.

Чем отличаются

1. Емкость щелочных батареек в 2-4 раза больше чем у солевых.
2. Срок службы солевых батареек в 5 раз меньше алкалиновых.
3. Алкалиновые батарейки в отличие от солевых могут работать в экстремальных температурных условиях.

Ежегодно в мире продается и используется примерно 11 миллиардов батареек. Многие компании, выпускавшие ранее смешанные типы батареек, сворачивают производство солевых. Считается, что их использование в скором времени будет не целесообразно, поскольку прогресс шагает вперед, и технике требуются более мощные аккумуляторы.