Щелочная батарея (код IEC: L) — это тип первичной батареи , в которой электролит (чаще всего гидроксид калия ) имеет значение pH выше 7. Обычно такие батареи получают энергию за счет реакции между металлическим цинком и диоксидом марганца .
По сравнению с цинково-угольными батареями типа Лекланше или цинково-хлоридными батареями щелочные батареи имеют более высокую плотность энергии и более длительный срок хранения , но при этом обеспечивают такое же напряжение.
Щелочная батарея получила свое название потому, что в ней используется щелочной электролит гидроксида калия (KOH) вместо кислотного электролита хлорида аммония ( NH4Cl ) или хлорида цинка (ZnCl2 ) , как в угольно-цинковых батареях. Другие системы батарей также используют щелочные электролиты, но в них используются другие активные материалы для электродов.
Щелочные батареи составляют 80% производимых батарей в США и более 10 миллиардов единиц, произведенных по всему миру. В Японии щелочные батареи составляют 46% всех продаж первичных батарей. В Швейцарии щелочные батареи составляют 68%, в Великобритании 60% и в ЕС 47% всех продаж батарей, включая вторичные типы. [1] [2] [3] [4] [5] Щелочные батареи содержат цинк (Zn) и диоксид марганца (MnO2 ) (коды 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 бытовых приборах, таких как портативные медиаплееры , цифровые камеры , игрушки, фонарики и радиоприемники .
Батареи со щелочным (а не кислотным) электролитом были впервые разработаны Вальдемаром Юнгнером в 1899 году и, работая независимо, Томасом Эдисоном в 1901 году. Современная щелочная сухая батарея, использующая химию цинка/ диоксида 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 , основываясь на более ранней работе 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 выдан в 1960 году и был передан корпорации Union Carbide. [9]
Когда в конце 1960-х годов появились щелочные батареи, их цинковые электроды (как и вездесущие тогда углеродно-цинковые элементы) имели поверхностную пленку ртутной амальгамы . Ее целью было контролировать электролитическое воздействие на примеси в цинке; нежелательное электролитическое воздействие сокращало срок годности и способствовало утечке . Когда снижение содержания ртути было предписано различными законодательными органами, возникла необходимость значительно улучшить чистоту и однородность цинка. [10]
В щелочной батарее отрицательным электродом является цинк , а положительным электродом — диоксид марганца (MnO 2 ). Щелочной электролит гидроксида калия (KOH) в ходе реакции не расходуется (регенерируется), при разряде расходуются только цинк и MnO 2 . Концентрация щелочного электролита гидроксида калия остается постоянной, так как в двух полуреакциях, происходящих на электродах , расходуется и образуется одинаковое количество анионов OH − .
Две полуреакции:
Общая реакция (сумма анодной и катодной реакций):
.png/1280px-Button_cells_and_9v_cells_(3).png)
Емкость щелочной батареи сильно зависит от нагрузки. Эффективная емкость щелочной батареи размера АА может составлять3000 мАч при низком уровне разряда, но при нагрузке1 ампер , что является обычным для цифровых камер, емкость может быть всего лишь700 мАч . [12] Напряжение аккумулятора постоянно снижается во время использования, поэтому общая полезная емкость зависит от предельного напряжения приложения.
Номинальное напряжение нового щелочного элемента, установленное стандартами производителя, составляет1,5 В. Фактическое напряжение нулевой нагрузки новой щелочной батареи колеблется в пределах1,50–1,65 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 разрядки элемента. Элемент считается полностью разряженным, когда напряжение падает примерно до0,9 В. [ 13] Элементы, соединенные последовательно, вырабатывают напряжение, равное сумме напряжений каждого элемента (например, три элемента вырабатывают около 4,5 В, когда они новые).
Количество электрического тока, которое может выдать щелочная батарея, примерно пропорционально ее физическому размеру. Это является результатом уменьшения внутреннего сопротивления по мере увеличения внутренней поверхности элемента. Правило заключается в том, что щелочная батарея AA может выдать700 мА без существенного нагрева. Более крупные элементы, такие как элементы C и D, могут выдавать больший ток. Приложения, требующие токов в несколько ампер, такие как мощное портативное аудиооборудование, требуют элементов размера D для обработки повышенной нагрузки.
Для сравнения, литий-ионные и никель-металлгидридные аккумуляторы могут выдерживать2 ампера с легкостью на стандартном размере АА. [15]
Щелочные батареи производятся в стандартных цилиндрических формах, взаимозаменяемых с цинково-угольными батареями, и в форме кнопок. Несколько отдельных ячеек могут быть соединены между собой, образуя настоящую «батарею», например, 9-вольтовую батарею размера PP3 .
Цилиндрическая ячейка находится в тянутой банке из нержавеющей стали , которая является катодным соединением. Положительная электродная смесь представляет собой спрессованную пасту диоксида марганца с добавлением углеродного порошка для повышения проводимости. Паста может быть запрессована в банку или нанесена в виде предварительно отформованных колец. Полый центр катода облицован сепаратором, который предотвращает контакт материалов электродов 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 цинкового порошка 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 элемента. Чтобы предотвратить выделение газа из элемента в конце его срока службы, используется больше диоксида марганца, чем требуется для реакции со всем цинком. Кроме того, для повышения сопротивления утечке обычно добавляется пластиковая прокладка .
Затем элемент оборачивается алюминиевой фольгой, пластиковой пленкой или, реже, картоном, которые выполняют функцию последнего слоя защиты от протечек, а также обеспечивают поверхность, на которой можно печатать логотипы и этикетки.
При описании ячеек размера AAA, AA, C, sub-C и D отрицательный электрод подключается к плоскому концу, а положительный вывод — это конец с приподнятой кнопкой. В кнопочных элементах это обычно происходит наоборот, когда цилиндрическая банка с плоским концом является положительным выводом.
Некоторые щелочные батареи рассчитаны на несколько перезарядок и называются перезаряжаемыми щелочными батареями . Попытки перезарядить стандартные щелочные батареи могут привести к разрыву или утечке опасных жидкостей, которые разъедают оборудование. Однако сообщается, что стандартные щелочные батареи часто можно перезаряжать несколько раз (обычно не более десяти), хотя и с уменьшением емкости после каждой зарядки; зарядные устройства доступны в продаже. Британская потребительская организация Which? сообщила, что она протестировала два таких зарядных устройства с щелочными батареями Energizer , обнаружив, что емкость батареи упала в среднем до 10% от ее первоначального значения, с огромными колебаниями, после двух циклов (без указания того, насколько они были разряжены перед зарядкой) после их двух перезарядок. [16]
В 2017 году Гаутам Г. Ядав опубликовал статьи, в которых сообщалось, что щелочные батареи, изготовленные путем чередования слоев с ионами меди, могут перезаряжаться более 6000 циклов благодаря теоретической емкости вторых электронов диоксида марганца. [ необходимо разъяснение ] [17] [18] Сообщается, что плотность энергии этих перезаряжаемых батарей с диоксидом марганца, интеркалированным медью, составляет более160 Вт·ч/л , лучший показатель среди химических составов на водной основе. [18] Он может обладать плотностью энергии, сравнимой с литий-ионным (по крайней мере250 Вт·ч/л ) если бы использование цинка в батареях было улучшено. [17]
Щелочные батареи 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 и при комнатной температуре. Ущерб от утечки смягчается путем извлечения батарей при хранении устройств. Применение обратного тока (например, путем перезарядки одноразовых элементов или путем смешивания батарей разных типов или степени заряженности в одном устройстве) может увеличить риск утечки. [ необходима цитата ]
Все батареи постепенно саморазряжаются (независимо от того, установлены ли они в устройстве или нет), и разряженные батареи в конечном итоге протекают. Чрезвычайно высокие температуры также могут привести к разрыву и протечке батарей (например, в автомобиле летом), а также сократить срок годности батареи.
Причина утечек заключается в том, что по мере разрядки аккумуляторов — либо в процессе использования, либо в результате постепенного саморазряда — химия ячеек изменяется, и образуется некоторое количество водорода. Это выделение газа увеличивает давление в аккумуляторе. В конечном итоге избыточное давление либо разрывает изолирующие уплотнения на конце аккумулятора, либо внешний металлический контейнер, либо и то, и другое. Кроме того, по мере старения аккумулятора его стальной внешний контейнер может постепенно корродировать или ржаветь, что может еще больше способствовать нарушению герметичности.
После того, как из-за коррозии внешней стальной оболочки образовалась утечка, гидроксид калия поглощает углекислый газ из воздуха, образуя перистую кристаллическую структуру карбоната калия , которая со временем разрастается и распространяется от батареи, следуя вдоль металлических электродов к печатным платам, где она начинает окислять медные дорожки и другие компоненты, что приводит к необратимому повреждению схемы.
Протекающие кристаллические наросты также могут выходить из швов вокруг крышек аккумуляторных батарей, образуя пушистый налет снаружи устройства, который разъедает любые предметы, соприкасающиеся с протекающим устройством.
Поскольку щелочные батареи стали производиться с меньшим содержанием ртути, начиная с 1996 года, в некоторых местах щелочные батареи разрешено утилизировать как обычные бытовые отходы. Однако старые щелочные батареи с ртутью и оставшиеся другие тяжелые металлы и едкие химикаты во всех батареях (новых и старых) по-прежнему представляют проблемы для утилизации, особенно на свалках. [19] [20] Существует также проблема упрощения утилизации батарей путем исключения их всех из бытовых отходов, чтобы наиболее токсичные батареи были отведены от общих потоков отходов.
Утилизация различается в зависимости от юрисдикции. Например, штат Калифорния считает все батареи опасными отходами при утилизации и запретил утилизацию батарей вместе с бытовыми отходами. [21] В Европе утилизация батарей контролируется Директивой WEEE и Директивой о батареях , и как таковые щелочные батареи нельзя выбрасывать вместе с бытовыми отходами. В ЕС большинство магазинов, торгующих батареями, по закону обязаны принимать старые батареи на переработку.
Использование одноразовых батареек увеличивается на 5–6% каждый год. Раньше использованные батарейки попадали на свалки, но в 2004 году утилизация щелочных батареек на свалках была запрещена постановлением ЕС. Страны-члены ЕС взяли на себя обязательство перерабатывать 50% щелочных батареек к 2016 году. Таким образом, потребность в переработке составляет125 000 тонн в год. Доля щелочных батарей составляет около 80% от общего объема. [ необходима цитата ]
В США только один штат, Калифорния, требует, чтобы все щелочные батареи перерабатывались. В Вермонте также действует общегосударственная программа сбора щелочных батарей. [22] В других штатах США люди могут приобрести комплекты для переработки батарей, используемые для отправки батарей переработчикам. Некоторые магазины, такие как IKEA, также собирают щелочные батареи для переработки. Однако некоторые сетевые магазины, которые рекламируют переработку батарей (например, Best Buy ), принимают только аккумуляторные батареи и, как правило, не принимают щелочные батареи. [23]
Для переработки металлы из измельченных щелочных батареек подвергаются механическому разделению, а отработанная черная масса подвергается химической обработке для отделения цинка, диоксида марганца и гидроксида калия.
