Первичная батарея или первичный элемент — это батарея ( гальванический элемент ), которая предназначена 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. По мере использования первичного элемента химические реакции в батарее расходуют химические вещества, которые генерируют энергию; когда они заканчиваются, батарея перестает вырабатывать электричество. Напротив, во вторичном элементе реакцию можно обратить вспять, пропустив ток в элемент с помощью зарядного устройства для батареи, чтобы перезарядить его, восстановив химические реагенты. Первичные элементы производятся в диапазоне стандартных размеров для питания небольших бытовых приборов, таких как фонарики и портативные радиоприемники.
Первичные батареи составляют около 90% рынка батарей стоимостью 50 миллиардов долларов, но вторичные батареи набирают долю рынка. Около 15 миллиардов первичных батарей выбрасываются по всему миру каждый год, практически все они оказываются на свалках. Из-за содержащихся в них токсичных тяжелых металлов и сильных кислот и щелочей батареи 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 их малым содержанием энергии первичные батареи считаются расточительной, экологически небезопасной технологией. В основном из-за увеличения продаж беспроводных устройств и беспроводных инструментов , которые не могут экономически эффективно питаться от первичных батарей и поставляются со встроенными перезаряжаемыми батареями, отрасль вторичных батарей демонстрирует высокие темпы роста и медленно заменяет первичные батареи в высококачественных продуктах.
В начале двадцать первого века первичные элементы начали терять долю рынка в пользу вторичных элементов, поскольку относительная стоимость последних снизилась. Потребности в энергии для фонариков были снижены за счет перехода от ламп накаливания к светодиодам . [5]
Оставшийся рынок испытал возросшую конкуренцию со стороны версий с частной или немаркированной маркой. Доля рынка двух ведущих производителей США, Energizer и Duracell, снизилась до 37% в 2012 году. Наряду с Rayovac, эти три пытаются перевести потребителей с цинк-углеродных на более дорогие, долговечные щелочные батареи . [5]
Западные производители аккумуляторов перенесли производство за границу и больше не выпускают цинк-угольные аккумуляторы в Соединенных Штатах. [5]
Китай стал крупнейшим рынком аккумуляторов, спрос на который, как ожидается, будет расти быстрее, чем где-либо еще, и также перешел на щелочные элементы. В других развивающихся странах одноразовые батареи должны конкурировать с дешевыми заводными, ветряными и перезаряжаемыми устройствами, которые получили распространение. [5]
Вторичные элементы ( аккумуляторные батареи ) в целом более экономичны в использовании, чем первичные элементы. Их изначально более высокая стоимость и стоимость покупки зарядной системы могут быть распределены на многие циклы использования (от 100 до 1000 циклов); например, в ручных электроинструментах было бы очень дорого заменять первичный аккумулятор высокой емкости каждые несколько часов использования.
Первичные элементы не предназначены для подзарядки между производством и использованием, поэтому их химия должна иметь гораздо более низкую скорость саморазряда, чем старые типы вторичных элементов; но они утратили это преимущество с появлением перезаряжаемых вторичных элементов с очень низкой скоростью саморазряда , таких как элементы NiMH с низким саморазрядом, которые удерживают достаточный заряд достаточно долго, чтобы продаваться как предварительно заряженные. [6] [7]
Обычные типы вторичных элементов (а именно NiMH и Li-ion) из-за их гораздо более низкого внутреннего сопротивления не испытывают больших потерь емкости, как щелочные, цинково-угольные и цинково-хлоридные («тяжелые» или «сверхтяжелые») при высоком потреблении тока. [8]
Резервные батареи достигают очень длительного срока хранения (порядка 10 лет и более) без потери емкости, путем физического разделения компонентов батареи и их сборки только во время использования. Такие конструкции дороги, но встречаются в таких приложениях, как боеприпасы , которые могут храниться годами перед использованием.
Основным фактором, сокращающим срок службы первичных ячеек, является их поляризация во время использования. Это означает, что водород накапливается на катоде и снижает эффективность ячейки. Чтобы уменьшить эффекты поляризации в коммерческих ячейках и продлить их срок службы, используется химическая деполяризация; то есть в ячейку добавляется окислитель , чтобы окислить водород до воды. Диоксид марганца используется в ячейке Лекланше и цинк-угольной ячейке , а азотная кислота используется в ячейке Бунзена и ячейке Гроува .
Были предприняты попытки сделать простые ячейки самодеполяризующимися, сделав поверхность медной пластины шероховатой, чтобы облегчить отделение пузырьков водорода, но они не увенчались успехом. Электрохимическая деполяризация заменяет водород на металл, такой как медь (например, ячейка Даниэля ) или серебро (например, ячейка на основе оксида серебра ), так называемые.
Клемма батареи ( электрод ), которая создает положительную полярность напряжения ( углеродный электрод в сухой ячейке), называется катодом , а электрод с отрицательной полярностью ( цинковый в сухой ячейке) 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 их напряжением. Анод — это клемма, через которую обычный ток (положительный заряд) входит в ячейку из внешней цепи, в то время как катод — это клемма, через которую обычный ток покидает ячейку и течет во внешнюю цепь. Поскольку батарея является источником питания, который обеспечивает напряжение, которое заставляет ток проходить через внешнюю цепь, напряжение на катоде должно быть выше напряжения на аноде, создавая электрическое поле, направленное от катода к аноду, чтобы заставить положительный заряд выйти из катода через сопротивление внешней цепи.
Внутри ячейки анод — это электрод, где происходит химическое окисление , поскольку он отдает электроны, которые вытекают из него во внешнюю цепь. Катод — это электрод, где происходит химическое восстановление , поскольку он принимает электроны из цепи.
За пределами ячейки используется другая терминология. Поскольку анод отдает положительный заряд электролиту (тем самым оставаясь с избытком электронов, которые он отдаст цепи), он становится отрицательно заряженным и, следовательно, подключается к клемме, обозначенной "−" снаружи ячейки. Катод, тем временем, отдает отрицательный заряд электролиту, поэтому он становится положительно заряженным (что позволяет ему принимать электроны из цепи) и, следовательно, подключается к клемме, обозначенной "+" снаружи ячейки. [10]
Старые учебники иногда содержат различную терминологию, которая может вызвать путаницу у современных читателей. Например, учебник 1911 года Айртона и Мазера [11] описывает электроды как «положительную пластину» и «отрицательную пластину».
энергия батареи в 50 раз превышает загрязнение окружающей среды.
