Цинк -углеродная батарея (или углеродно-цинковая батарея на английском языке) [1] [2] [3] [4] представляет собой первичную батарею с сухими элементами , которая обеспечивает постоянный электрический ток в результате электрохимической реакции между цинком (Zn) и диоксидом марганца ( MnO 2 ) в присутствии хлорида аммония (NH 4 Cl) электролита. [5] Он создает напряжение около 1,5 В между цинковым анодом , который обычно представляет собой цилиндрический контейнер для аккумуляторной батареи, и углеродным стержнем, окруженным соединением с более высоким стандартным электродным потенциалом (положительная полярность), известным как катод , который собирает ток от электрода из диоксида марганца . Название «цинк-углерод» немного вводит в заблуждение, поскольку подразумевает, что окислителем является углерод, а не диоксид марганца.
В батареях общего назначения в качестве электролита может использоваться кислая водная паста хлорида аммония (NH 4 Cl) с небольшим количеством раствора хлорида цинка на бумажном сепараторе, который действует как так называемый солевой мостик . Для тяжелых условий эксплуатации используется паста, состоящая в основном из хлорида цинка (ZnCl 2 ).
Цинк-углеродные батареи были первыми коммерческими сухими батареями, разработанными на основе технологии мокрых элементов Лекланше . Они сделали возможными фонарики и другие портативные устройства, поскольку аккумулятор обеспечивал более высокую плотность энергии при более низкой стоимости, чем ранее доступные элементы. Они по-прежнему полезны в устройствах с низким энергопотреблением или периодическом использовании, таких как пульты дистанционного управления , фонарики, часы или транзисторные радиоприемники . Цинк-углеродные сухие элементы представляют собой первичные элементы одноразового использования . Угольно-цинковые батареи сегодня в основном заменены более эффективными и безопасными щелочными батареями .
К 1876 году влажная ячейка Лекланше была изготовлена из спрессованного блока диоксида марганца. В 1886 году Карл Гасснер запатентовал «сухую» версию, в которой в качестве анода использовался корпус из листового цинка и парижская гипсовая паста (а позже и графитовый порошок). [6]
В 1898 году Конрад Хьюберт использовал потребительские батарейки производства WH Lawrence для питания своего первого фонарика , и впоследствии они основали компанию Eveready Battery Company . В 1900 году Гасснер продемонстрировал сухие элементы для портативного освещения на Всемирной выставке в Париже . На протяжении всего 20-го века постоянно улучшались стабильность и емкость цинк-углеродных элементов; к концу века мощности увеличились в четыре раза по сравнению с эквивалентом 1910 года. [7] Улучшения включают использование более чистых сортов диоксида марганца, добавление графитового порошка к диоксиду марганца для снижения внутреннего сопротивления , лучшей герметизации и более чистого цинка для отрицательного электрода. В цинк-хлоридных элементах (обычно продаваемых как батареи «сверхмощного») используется более высокая концентрация анолита (или анодного электролита), который в основном состоит из хлорида цинка, что может обеспечить более стабильное выходное напряжение в приложениях с высоким потреблением тока.
Побочные реакции между примесями в аноде металлический цинк/хлорид цинка и электролите из хлорида аммония могут увеличить скорость саморазряда и способствовать коррозии элемента. [5] Раньше цинк покрывался ртутью (Hg) для образования амальгамы , защищающей его. Учитывая, что это представляет опасность для окружающей среды, в современных батареях больше не используется ртуть. Производители теперь должны использовать более высокоочищенный цинк, чтобы предотвратить местное воздействие и саморазряд. [7]
По состоянию на 2011 год [обновлять]угольно-цинковые батареи составляли 20% всех портативных батарей в Великобритании и 18% в ЕС [8] [9] [10] [11]
Контейнером цинк-углеродного сухого элемента является цинковая банка (анод). Дно и стенки банки содержат бумажный разделительный слой, который пропитан хлоридом аммония ( NH 4 Cl ) вместе с загустителем для образования пасты на водном электролите. Бумажный сепаратор предотвращает образование короткого замыкания, защищая цинковую банку от контакта с катодом, который представляет собой смесь порошкообразного углерода (обычно графитового порошка) и оксида марганца (IV) ( MnO 2 ), который упакован вокруг угольного стержень. [5] Углерод — единственный практичный проводниковый материал, поскольку любой обычный металл в положительном электроде быстро корродирует в присутствии электролита на основе соли. [ нужна цитата ]
.png/1280px-Zincbattery_(1).png)
Ранние типы и недорогие ячейки используют сепаратор, состоящий из слоя крахмала или муки . В современных элементах используется слой бумаги, покрытой крахмалом, который тоньше и позволяет использовать больше диоксида марганца. Первоначально элементы были запечатаны слоем асфальта , чтобы предотвратить высыхание электролита; в последнее время для предотвращения утечек , а также для сдерживания любого внутреннего давления, которое может образоваться в результате накопления газообразного водорода во время разряда, используется термопластическое уплотнение с шайбой. Углеродный стержень слегка пористый, что позволяет большему количеству заряженных атомов водорода объединяться с образованием газообразного водорода. [5] Соотношение диоксида марганца и порошка углерода в катодной пасте влияет на характеристики элемента: больше порошка углерода снижает внутреннее сопротивление , а больше диоксида марганца улучшает емкость хранения. [7]
Плоские элементы предназначены для сборки в батареи с более высоким напряжением, примерно до 450 вольт. Плоские элементы уложены друг на друга, и вся сборка покрыта воском для предотвращения испарения электролита . Электроны перетекают от анода к катоду через провод присоединенного устройства. [12]
Угольно-цинковые батареи имеют более низкую стоимость единицы и часто используются в качестве источника питания для приборов, которые потребляют мало энергии, таких как пульты дистанционного управления для телевизора, часы и детекторы дыма . Угольно-цинковые батареи обычно использовались в телефонных магнитофонах с ручным заводом и питали микрофон и динамик.
В сухом цинк-углеродном элементе внешний цинковый контейнер представляет собой отрицательно заряженную клемму.
Цинк окисляется носителем заряда , хлорид-анионом (Cl - ) до ZnCl 2 посредством следующих полуреакций :
Анод (реакция окисления, отмечен −)
Катод (реакция восстановления, отмечен +)
Возможны и другие побочные реакции, но общую реакцию в цинк-углеродной ячейке можно представить как
Если в качестве электролита заменить хлорид цинка на хлорид аммония , анодная реакция останется той же:
катодная реакция дает гидроксид цинка и оксид марганца (III) .
дать общую реакцию
Электродвижущая сила батареи ( ЭДС ) составляет около 1,5 В. Приближенный характер ЭДС связан со сложностью катодной реакции. Анодная (цинковая) реакция сравнительно проста с известным потенциалом. Побочные реакции и истощение активных химических веществ увеличивают внутреннее сопротивление батареи, что приводит к падению напряжения на клеммах под нагрузкой.
Элемент из хлорида цинка, часто называемый аккумулятором для тяжелых , сверхтяжелых , сверхтяжелых или сверхтяжелых условий эксплуатации , представляет собой усовершенствованную версию оригинального цинк-углеродного элемента, в котором используются более чистые аккумуляторы. химикатов и обеспечивает более длительный срок службы и более стабильное выходное напряжение при использовании, а также обеспечивает примерно вдвое больший срок службы по сравнению с углеродно-цинковыми элементами общего назначения или до четырех раз в приложениях с непрерывным использованием или с высоким потреблением тока. [7] Однако это все еще малая часть мощности щелочного элемента.
Щелочные батареи [13] обеспечивают в восемь раз больший срок службы, чем цинк-углеродные батареи, [14], особенно при непрерывном использовании или в приложениях с высоким потреблением энергии. [7]
Производители рекомендуют хранить угольно-цинковые аккумуляторы при комнатной температуре; хранение при более высоких температурах сокращает ожидаемый срок службы . [1] Угольно-цинковые батареи можно замораживать без повреждений; производители рекомендуют перед использованием вернуть их к нормальной комнатной температуре и избегать образования конденсата на оболочке аккумулятора. К концу 20-го века срок хранения цинк-углеродных элементов увеличился в четыре раза по сравнению с ожидаемым сроком службы в 1910 году. [7]
Цинк-углеродные элементы имеют короткий срок хранения , так как цинк подвергается воздействию хлорида аммония. Цинковый контейнер становится тоньше по мере использования элемента, поскольку металлический цинк окисляется до ионов цинка. Когда цинковый корпус достаточно утончается, из аккумулятора начинает вытекать хлорид цинка. Старый сухой элемент не герметичен и становится очень липким, когда паста просачивается через отверстия в цинковом корпусе. Цинковый корпус сухого элемента становится тоньше, даже когда элемент не используется, поскольку хлорид аммония внутри аккумулятора вступает в реакцию с цинком. Вывернутая наизнанку форма с карбоновой чашкой и цинковыми лопатками внутри, хотя и более герметичная, не производится с 1960-х годов. [7]
На этом рисунке показан цинковый контейнер со свежими батареями (а) и разряженными батареями (б) и (в). Батарея, показанная на (c), имела полиэтиленовую защитную пленку (на фотографии она практически удалена), чтобы удерживать оксид цинка внутри корпуса.
Утилизация зависит от юрисдикции. Например, в США штат Калифорния считает все выбрасываемые батареи опасными отходами и запретил их утилизацию вместе с другими бытовыми отходами . [15] В Европе утилизация аккумуляторов регулируется положениями Директивы WEEE и Директивы по батареям , поэтому угольно-цинковые батареи нельзя выбрасывать вместе с бытовыми отходами. В ЕС большинство магазинов, продающих аккумуляторы, по закону обязаны принимать старые аккумуляторы на переработку .
