Цинк -угольная батарея (или углеродно-цинковая батарея в американском английском) [1] [2] [3] [4] — это сухая первичная батарея , которая обеспечивает постоянный электрический ток за счет электрохимической реакции между цинком (Zn) и диоксидом марганца (MnO 2 ) в присутствии электролита хлорида аммония (NH 4 Cl). [5] Она создает напряжение около 1,5 вольт между цинковым анодом , который обычно выполнен в виде цилиндрического контейнера для элемента батареи, и угольным стержнем, окруженным соединением с более высоким стандартным электродным потенциалом (положительная полярность), известным как катод , который собирает ток с электрода из диоксида марганца. Название «цинк-уголь» немного вводит в заблуждение, поскольку подразумевает, что в качестве окислителя выступает углерод, а не диоксид марганца.
В батареях общего назначения в качестве электролита может использоваться кислотная водная паста хлорида аммония ( NH4Cl ) с некоторым количеством раствора хлорида цинка на бумажном сепараторе, который действует как так называемый солевой мостик . В батареях сверхмощных типов используется паста, в основном состоящая из хлорида цинка (ZnCl2 ) .
Цинк-угольные батареи были первыми коммерческими сухими батареями, разработанными на основе технологии влажной ячейки Лекланше . Они сделали возможными фонарики и другие портативные устройства, поскольку батарея обеспечивала более высокую плотность энергии по более низкой цене, чем ранее доступные элементы. Они по-прежнему полезны в устройствах с низким потреблением или прерывистым использованием, таких как пульты дистанционного управления , фонарики, часы или транзисторные радиоприемники . Цинк-угольные сухие элементы являются одноразовыми первичными элементами . Цинк-угольные батареи сегодня в основном заменены более эффективными щелочными батареями .
К 1876 году влажная ячейка Лекланше была изготовлена с использованием сжатого блока диоксида марганца. В 1886 году Карл Гасснер запатентовал «сухую» версию, используя корпус из цинкового листа в качестве анода и пасту из гипса (а позже и графитовый порошок). [6]
В 1898 году Конрад Хьюберт использовал потребительские батареи, произведенные WH Lawrence, для питания того, что было первым фонариком , и впоследствии они оба основали Eveready Battery Company . В 1900 году Гасснер продемонстрировал сухие элементы для портативного освещения на Всемирной выставке в Париже . В течение 20-го века стабильность и емкость цинк-угольных элементов постоянно улучшались; к концу века емкости 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 , лучшую герметизацию и более чистый цинк для отрицательного электрода. Цинк-хлоридные элементы (обычно продаваемые как «сверхмощные» батареи) используют более высокую концентрацию анолита (или анодного электролита), который в основном состоит из хлорида цинка, что может обеспечивать более стабильное выходное напряжение в приложениях с высоким стоком.
Побочные реакции между примесями в цинковом металле/аноде из хлорида цинка и электролитом из хлорида аммония могут увеличить скорость саморазряда и способствовать коррозии элемента. [5] Раньше цинк покрывали ртутью (Hg) для образования амальгамы , защищающей его. Учитывая, что это представляет опасность для окружающей среды, в современных аккумуляторах ртуть больше не используется. Теперь производители должны использовать более высокоочищенный цинк, чтобы предотвратить локальное воздействие и саморазряд. [7]
По состоянию на 2011 год [обновлять]цинк-угольные батареи составляли 20% всех портативных батарей в Великобритании и 18% в ЕС [8] [9] [10] [11]
Контейнером цинково-угольного сухого элемента является цинковая банка (анод). Дно и стенки банки содержат слой бумажного сепаратора, который пропитан хлоридом аммония ( NH4Cl ) вместе с загустителем для образования водной электролитной пасты. 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) ( MnO2 ), который упакован вокруг углеродного стержня. [5] Углерод является единственным практичным проводниковым материалом, поскольку любой обычный металл быстро корродирует в положительном электроде в присутствии солевого электролита. [ требуется цитата ]
.png/1280px-Zincbattery_(1).png)
Ранние типы и недорогие элементы используют сепаратор, состоящий из слоя крахмала или муки . В современных элементах используется слой покрытой крахмалом бумаги, который тоньше и позволяет использовать больше диоксида марганца. Первоначально элементы были запечатаны слоем асфальта , чтобы предотвратить высыхание электролита; в последнее время используется термопластичное шайбовое уплотнение, чтобы помочь предотвратить утечку , а также удержать любое внутреннее давление, которое может образоваться в результате накопления газообразного водорода во время разряда. Углеродный стержень слегка пористый, что позволяет большему количеству заряженных атомов водорода объединяться, образуя газообразный водород. [5] Соотношение диоксида марганца и углеродного порошка в катодной пасте влияет на характеристики элемента: больше углеродного порошка снижает внутреннее сопротивление , в то время как больше диоксида марганца улучшает емкость хранения. [7]
Плоские элементы изготавливаются для сборки в батареи с более высоким напряжением, примерно до 450 вольт. Плоские элементы укладываются друг на друга, и вся сборка покрывается воском для предотвращения испарения электролита . Электроны текут от анода к катоду через провод присоединенного устройства. [12]
Цинк-угольные батареи имеют более низкую себестоимость за единицу и часто используются в качестве источника питания для приборов, потребляющих мало энергии, таких как пульты дистанционного управления для телевизоров, часы и детекторы дыма . Цинк-угольные батареи широко использовались в телефонных магнетофонах с ручным приводом, питая микрофон и динамик.
В сухом цинково-угольном элементе наружный цинковый контейнер является отрицательно заряженным выводом.
Цинк окисляется носителем заряда , хлорид-анионом (Cl− ) до ZnCl2 посредством следующих полуреакций :
Анод (реакция окисления, обозначена знаком −)
Катод (реакция восстановления, отмечена знаком +)
Возможны и другие побочные реакции, но общую реакцию в цинк-углеродной ячейке можно представить как
Если в качестве электролита вместо хлорида аммония использовать хлорид цинка , то анодная реакция останется прежней:
а катодная реакция производит гидроксид цинка и оксид марганца (III) .
давая общую реакцию
Аккумулятор имеет электродвижущую силу (ЭДС) около 1,5 В. Приблизительная природа ЭДС связана со сложностью катодной реакции. Анодная (цинковая) реакция сравнительно проста с известным потенциалом. Побочные реакции и истощение активных химических веществ увеличивают внутреннее сопротивление аккумулятора, что приводит к падению напряжения на клеммах под нагрузкой.
Элемент на основе хлорида цинка, часто называемый батареей повышенной прочности , сверхповышенной прочности , сверхповышенной прочности или сверхсверхповышенной прочности , является усовершенствованием оригинального элемента на основе цинка и углерода, использующим более чистые химикаты и обеспечивающим более длительный срок службы и более стабильное выходное напряжение при использовании, а также предлагающим примерно в два раза больший срок службы, чем элементы на основе цинка и углерода общего назначения, или до четырех раз больший срок службы при непрерывном использовании или в приложениях с высоким уровнем разряда. [7] Однако это все еще лишь малая часть от выходной мощности щелочного элемента.
Щелочные батареи [13] обеспечивают срок службы батареи в восемь раз дольше, чем цинк-угольные батареи [14] , особенно в условиях непрерывного использования или при высоком уровне разряда. [7]
Производители рекомендуют хранить цинк-угольные батареи при комнатной температуре; хранение при более высоких температурах сокращает ожидаемый срок службы . [1] Цинк-угольные батареи можно замораживать без повреждения; производители рекомендуют возвращать их к нормальной комнатной температуре перед использованием, и следует избегать конденсации на оболочке батареи. К концу 20-го века срок хранения цинк-угольных 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, так как металлический цинк окисляется до ионов цинка. Когда цинковый корпус достаточно истончается, хлорид цинка начинает вытекать из батареи. Старый сухой элемент не герметичен и становится очень липким, так как паста просачивается через отверстия в цинковом корпусе. Цинковый корпус в сухом элементе становится тоньше, даже когда элемент не используется, так как хлорид аммония внутри батареи реагирует с цинком. Форма «наизнанку» с углеродной чашкой и цинковыми лопастями внутри, хотя и более устойчивая к утечкам, не производилась с 1960-х годов. [7]
На этой фотографии показан цинковый контейнер свежих батарей (a) и разряженных батарей (b) и (c). Батарея, показанная на (c), имела полиэтиленовую защитную пленку (большая часть которой удалена на фотографии), чтобы сохранить оксид цинка внутри корпуса.
Утилизация различается в зависимости от юрисдикции. Например, в США штат Калифорния считает все батареи опасными отходами при утилизации и запретил утилизацию батарей вместе с другими бытовыми отходами . [15] В Европе утилизация батарей контролируется Директивой WEEE и Директивой о батареях , и как таковые цинково-угольные батареи не должны выбрасываться вместе с бытовыми отходами. В ЕС большинство магазинов, торгующих батареями, по закону обязаны принимать старые батареи на переработку .
