Первичная батарея или первичный элемент — это батарея ( гальванический элемент ), которая предназначена для однократного использования и выбрасывания, а не для перезарядки электричеством и повторного использования, как вторичный элемент ( перезаряжаемая батарея ). 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.
В начале двадцать первого века первичные элементы начали терять долю рынка в пользу вторичных элементов, поскольку относительная стоимость последних снизилась. Потребность в мощности фонаря 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]
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.
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 в ячейку добавляется окислитель 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.
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 обратная терминология, используемая 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 обычный 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 электролиту положительный заряд (таким образом, оставаясь с избытком электронов, которые он отдает цепи), он становится отрицательно заряженным и поэтому 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, в учебнике Айртона и Мэзера 1911 года [11] электроды описываются как «положительная пластина» и «отрицательная пластина».
энергия батареи в 50 раз загрязняет окружающую среду.
