Щелочная батарея (код МЭК: 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 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 MP3-плееры , проигрыватели компакт-дисков , цифровые фотоаппараты , игрушки, фонарики и радиоприемники .
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 подразделении Eveready Battery компании Union Carbide в Кливленде, штат Огайо , опираясь на более раннюю работу Эдисона. [7] [8] 9 октября 1957 года Урри, Карл Кордеш и П.А. Марсал подали 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 ртутной 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 электролит гидроксида калия (КОН) в ходе реакции не расходуется (он регенерируется), при разряде расходуются только цинк и MnO 2 . Концентрация щелочного электролита гидроксида калия остается постоянной, так как в двух полуреакциях, протекающих на электродах , потребляются и образуются равные количества анионов OH- .
Две полуреакции:
Общая реакция (сумма анодных и катодных реакций):
.png/1280px-Button_cells_and_9v_cells_(3).png)
Емкость щелочной батареи больше, чем у элемента Лекланше такого же размера или элемента с хлоридом цинка, поскольку диоксид марганца чище и плотнее, а внутренние компоненты, такие как электроды, занимают меньше места. Щелочная ячейка может обеспечить в три-пять раз большую емкость, чем кислотная ячейка.
Емкость щелочной батареи сильно зависит от нагрузки. Щелочная батарея типоразмера АА может иметь эффективную емкость3000 мАч при малом стоке, но при нагрузке1 ампер , что является обычным явлением для цифровых камер, емкость может быть всего лишь700 мАч . [12] Напряжение аккумулятора постоянно снижается во время использования, поэтому общая полезная емкость зависит от напряжения отключения приложения.
В отличие от элементов Лекланше, щелочные элементы обеспечивают примерно такую же емкость при периодических или постоянных легких нагрузках. При большой нагрузке емкость снижается при непрерывной разрядке по сравнению с прерывистой разрядкой, но снижение меньше, чем у элементов Leclanche.
Номинальное напряжение свежего щелочного элемента, установленное стандартами производителя, составляет1,5 В . Фактическое напряжение нулевой нагрузки новой щелочной батареи колеблется отОт 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. Аккумулятор считается полностью разряженным, когда напряжение падает примерно до0,9 В. [13] Элементы, соединенные последовательно, вырабатывают напряжение, равное сумме напряжений каждого элемента (например, три элемента генерируют около 4,5 В, когда они новые).
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. Эмпирическое правило заключается в том, что щелочная батарея типа АА может обеспечить700 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 могут выдерживать2 ампера с легкостью для стандартного размера АА. [15]
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. Кроме того, для повышения устойчивости к утечкам обычно добавляют пластиковую прокладку .
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.
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. [ необходимы разъяснения ] [17] [18] Сообщается, что плотность энергии этих аккумуляторных батарей с интеркалированным медью диоксидом марганца превышает160 Втч/л , лучший среди химических веществ на водной основе. [18] Он мог бы иметь плотность энергии, сравнимую с литий-ионной (по крайней мере250 Вт/л ), если бы было улучшено использование цинка в батареях. [17]
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 цитата ]
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 утечка образовалась из-за коррозии внешней стальной оболочки, гидроксид калия поглощает углекислый газ из воздуха, образуя перистистую 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.
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 химические вещества, по-прежнему представляют проблемы с утилизацией, особенно на свалках. [19] [20] Существует также проблема упрощения утилизации батарей путем исключения их всех из бытовых отходов, чтобы наиболее токсичные батареи отвлекались от 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.
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 составляет125 000 тонн в год. Доля щелочных батарей составляет примерно 80% от общего количества. [ нужна цитата ]
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, которые используются 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.
