Русская Википедия:Щелочной элемент
Щелочной элемент питания, щелочная батарейка (Шаблон:Lang-en; также алкалиновая батарейка) — марганцево-цинковый гальванический элемент питания с щелочным электролитом. Изобретён Льюисом УрриШаблон:Sfn.
Кроме электролита, основное отличие щелочной батарейки от солевой — анод (отрицательный электрод[1]) в виде порошка, что увеличивает ток, отдаваемый этим элементом питанияШаблон:Sfn.
У стандартных элементов питания с щелочным электролитом анод состоит из цинка, а материалом катода может быть двуокись марганца, оксид серебра, кислород или метагидроксид никеляШаблон:Sfn.
История изобретения
Впервые использовать щелочной электролит в химических источниках тока предложили независимо друг от друга [[|en]] (Waldemar Jungner) в 1899 году и Томас Эдисон в 1901 году[2][3]. Они использовали щелочной электролит в никель-кадмиевых аккумуляторах.Шаблон:Нет АИ
В марганцево-цинковых элементах питания щелочной электролит впервые применил канадский инженер Шаблон:Нп3 в середине 1950-х годов, работавший в Union Carbide, выпускавшей элементы питания под маркой «Eveready». Льюис Урри использовал наработки Томаса Эдисона[4]. В 1960 году Урри вместе с Карлом Кордешем и Полом Маршалом получил патент на конструкцию щелочного элемента[5].
Классификация
Щелочные элементы выпускаются в двух основных вариантах[6][7]:
- щелочной элемент питания (Шаблон:Lang-en), масса таких элементов AA находится в пределах 22–24 г, ёмкость 2–3 Вт·ч, а масса и ёмкость элементов AAA — 11–12 г и 0,9–1,3 А·ч[6], ёмкость таких элементов одинакового типоразмера отличается не более, чем на треть[7];
- экономичный щелочной элемент питания (Шаблон:Lang-en) со сниженным количеством химикатов и приблизительно вдвое-втрое меньшей ёмкостью относительно обычных того же типоразмера, элементы «ECO Alcaline» типоразмера AA имеют массу около 18 г[7].
Характеристики
Типичные характеристики щелочного элемента питания:
- напряжение холостого хода: 1,58–1,64 В[6].
- начальное напряжение: 1,4–1,64 В[8];
- конечное напряжение: 0,7–0,9 В[8];
- удельная энергия: 60–90 Вт∙ч/кгШаблон:Sfn[8];
- удельная мощность (ориентировочно): 5 Вт/кгШаблон:Sfn;
- рабочая температура: −20…+70 °СШаблон:Sfn;
- сохранность: 1–3 годаШаблон:Sfn
Химические процессы
На аноде щелочного элемента питания проходят реакции окисления цинка. Вначале образуется гидроксид цинка:
Zn + 2OH− → Zn(OH)2 + 2e−
Затем гидроксид цинка разлагается на оксид цинка и водуШаблон:Sfn.
Zn(OH)2 → ZnO + H2O
На катоде, в свою очередь, происходят реакции восстановления оксида марганца (IV) в оксид марганца (III)Шаблон:Sfn:
2MnO2 + H2O + 2e− → Mn2O3 + 2OH−
В целом, химические процессы внутри элемента при использовании KOH в качестве электролита можно описать следующим уравнениемШаблон:Sfn:
Zn + 2KOH + 2MnO2 + 2e− → 2e− + ZnO + 2KOH + Mn2O3
В отличие от солевого элемента, в щелочном электролит в процессе разрядки батареи практически не расходуется, а значит, достаточно малого его количества. Поэтому в щелочном элементе в среднем Шаблон:S больше диоксида марганца.
Конструкция
По конструкции щелочной элемент похож на солевой, но основные части в нём расположены в обратном порядкеШаблон:Sfn. Анодная Шаблон:S в виде цинкового порошка, пропитанного загущённым щелочным электролитом, располагается во внутренней части элемента и имеет отрицательный потенциал, который снимается латунным Шаблон:S От активной массы, диоксида марганца, смешанного с графитом или Шаблон:S анодная паста отделена Шаблон:S также пропитанным электролитом. Положительный вывод, в отличие от солевого элемента, выполнен в виде стального никелированного Шаблон:S а отрицательный — в виде стальной Шаблон:SШаблон:Sfn Шаблон:S изолирована от стакана и предотвращает короткое замыкание, которое может возникнуть при установке нескольких элементов в батарейный отсекШаблон:Sfn. Шаблон:S воспринимает давление газов, образующихся при работе. Выделение газов в щелочном элементе значительно меньше, чем в солевом, поэтому объём камеры для их сбора тоже меньше. Для предотвращения взрыва батареи при неправильном использовании (например, коротком замыкании), в ней имеется предохранительная Шаблон:S При превышении давления газов происходит разрыв мембраны и разгерметизация элемента — результатом обычно становится течь электролита.
Для увеличения срока хранения в ранних конструкциях элементов производилось амальгамирование цинкового порошкаШаблон:Sfn, однако такой способ продления срока хранения элементов делает элементы опасными для использования в быту. Поэтому в современные элементы вводят специальные органические ингибиторы коррозии.
Хранение и эксплуатация
Срок хранения щелочного элемента больше, чем у солевого, за счёт герметичной конструкции, также он не столь требователен к условиям хранения. Щелочные батареи могут храниться до 30 месяцев без существенной потери ёмкостиШаблон:Sfn.
В отличие от солевых элементов щелочные могут работать при большем разрядном токеШаблон:Sfn. Кроме того, отсутствует эффект «усталости» элемента, когда после работы на большой нагрузке происходит значительное падение напряжения на выводах элемента, и для восстановления его работоспособности требуется определённое время «отдыха». Однако при коротком замыкании или установке в неверной полярности также возможна течь электролита.
Области применения
Щелочной элемент имеет то же рабочее напряжение, что и обычный марганцево-цинковый при большей ёмкости, разрядном токе, сроке хранения и рабочем диапазоне температур. Щелочные элементы выпускаются в тех же типоразмерах, что и солевые, и потому могут применяться в тех же приборах, например, в фонарях, электронных игрушках, переносных магнитофонах и т. д. Однако за счёт лучших разрядных характеристик возможно применение их как в устройствах, потребляющих значительный ток (фотовспышки, радиоуправляемые модели), так и в устройствах, потребляющих относительно небольшой ток в течение длительного времени (электронные часы)Шаблон:Sfn.
Сравнение солевых и щелочных элементов
Благодаря такой конструкции, у щелочного элемента есть следующие особенности:
- Отсутствие расхода электролита, а значит меньшее его количество, необходимое для работы
- Анодом является порошкообразный цинк, а не цинковый стакан, поэтому реакция идёт на значительно большей поверхности.
- Меньше газовыделение, благодаря чему элемент можно делать полностью герметичнымШаблон:Sfn.
Отсюда можно выделить следующие преимущества и недостатки:
Преимущества
- Ёмкость — в 1,5-10 раз больше, чем у солевых элементов, в зависимости от режима работы, при том же типоразмере элементаШаблон:Sfn
- Меньший саморазряд, длительный срок храненияШаблон:Sfn
- Лучшая работа при низких температурахШаблон:Sfn
- Лучшая работа при больших токах нагрузкиШаблон:Sfn
- Меньше падение напряжения по мере разрядаШаблон:Sfn
Недостатки
- Более высокая ценаШаблон:Sfn
- Большая масса
- Неприемлемы способы восстановления работоспособности, применимые для солевых элементов. Однако существуют особые конструкции щелочных элементов, допускающие определённое количество (обычно до 25) перезарядокШаблон:Sfn. Такие элементы называют «Rechargeable Alkaline Manganese» (RAM, перезаряжаемые щелочные марганцевые).
Примечания
Литература
- Шаблон:БСЭ3
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
- Шаблон:Публикация
Ссылки
- ↑ Шаблон:ГОСТ Источники тока химические. Термины и определения
- ↑ History of battery invention and development, allaboutbatteries.com (accessed Dec. 4, 2011)
- ↑ IEEE, Edison's Alkaline Battery, IEEE Global History Network (accessed Dec. 4, 2011)
- ↑ Gabriel Baird, "Greater Cleveland Innovations: Thomas Edison provided Lew Urry spark of idea for better alkaline battery, " Cleveland Plain Dealer, August 03, 2011 (web version)
- ↑ Патент US2960558 A — Dry cell
- ↑ 6,0 6,1 6,2 Шаблон:Cite web
- ↑ 7,0 7,1 7,2 Шаблон:Cite web
- ↑ 8,0 8,1 8,2 Шаблон:БСЭ3
Шаблон:Выбор языка Шаблон:Гальванические элементы
