Марганцево-цинковый элемент , солевой элемент питания , также известный как элемент Лекланше — это первичный химический источник тока , в котором катодом является пиролюзит ( диоксид марганца MnO ₂ ) в смеси с графитом (около 9,5 %), электролитом — раствор хлорида аммония NH ₄ Cl , анодом — металлический цинк Zn .

Марганцево-цинковый элемент является известным первичным элементом питания одноразового использования, и на сегодняшний день широко используется в переносных устройствах. Изначально элементы заполнялись жидким электролитом. В дальнейшем электролит стали загущать с помощью крахмалистых веществ — это позволяло сделать более практичные элементы питания, называемые сухими, в которых возможность вытекания электролита сведена к минимуму. В отличие от щелочного элемента , в котором в качестве электролита используется щелочь KOH , марганцево-цинковый элемент является солевым, так как в нем в качестве электролита используется соль — хлорид аммония .

История изобретения

Первый марганцево-цинковый элемент был собран Жоржем Лекланше в 1865 году . Хотя образец элемента по своим параметрам уступал известным в то время образцам Даниэля Якоби и Бунзена Вильгельма , вскоре элементы Лекланше заняли первое место. Простота и безопасность в изготовлении и эксплуатации, широкий интервал рабочих температур и другие преимущества обеспечили интенсивное развитие производства этих элементов. Уже в 1868 г. их было выпущено более 20 тыс. шт.

Характеристики

В разделе не хватает ссылок на источники (см. рекомендации по поиску ). Информация должна быть проверяема , иначе она может быть удалена. Вы можете статью, добавив ссылки на авторитетные источники в виде сносок . ( 7 января 2013 )

• Теоретическая энергоёмкость :
  • Удельная энергоёмкость: 67—99 Вт∙час/кг
  • Удельная энергоплотность: 122—263 Вт∙час/дм³.
• ЭДС : 1,51 В.
• Рабочая температура: от −40 до +55 °C.

Принцип действия

При потреблении тока электроны поступают через внешнюю электрическую цепь с цинкового электрода на угольный стержень. Происходят следующие реакции:

Анод: Zn → Zn ²⁺ + 2e ⁻

На угольном стержне электроны расходуются на восстановление H ₃ O ⁺ - ионов:

Катод: 2H ₃ O ⁺ + 2e ⁻ → H ₂ + 2H ₂ O

Ионы H ₃ O ⁺ образуются в результате частичного протолиза NH ₄ ⁺ - ионов электролита:

NH ₄ ⁺ + H ₂ O ↔ H ₃ O ⁺ + NH ₃

При восстановлении H ₃ O ⁺ - ионов образуется водород , который не может удалиться (корпус герметичен) и образует вокруг угольного стержня прослойку газа ( поляризация угольного электрода). Из-за этого ток медленно затухает. Чтобы избежать образования водорода, угольный электрод окружают слоем диоксида марганца (MnO ₂ ). В присутствии диоксида марганца H ₃ O ⁺ -ионы восстанавливаются с образованием воды:

2MnO ₂ + 2H ₃ O ⁺ + 2e ⁻ → 2MnO (OH) + 2H ₂ O

Таким способом избегают поляризации электрода, а диоксид марганца называют деполяризатором.

Электролит NH ₄ Cl диссоциирует и частично протолизируется:

2NH ₄ Cl + 2H ₂ O ↔ 2NH ₃ + 2H ₃ O ⁺ + 2Cl ⁻

Образующиеся на аноде ионы Zn ²⁺ поступают в раствор и образуют труднорастворимую соль :

Zn ²⁺ + 2NH ₃ + 2Cl ⁻ → [Zn (NH ₃ ) ₂ ]Cl ₂

В общем:

Анод: Zn — 2e ⁻ → Zn ²⁺ Катод: 2MnO ₂ + 2H ₃ O ⁺ + 2e ⁻ → 2MnO (OH) + 2H ₂ O Раствор электролита: Zn ²⁺ + 2NH ₄ ⁺ + 2Cl ⁻ + 2H ₂ O ↔ [Zn (NH ₃ ) ₂ ]Cl ₂ + 2H ₃ O ⁺

Общая реакция: Zn + 2MnO ₂ + 2NH ₄ Cl → 2MnO (OH) + [Zn (NH ₃ ) ₂ ]Cl ₂ Во время разрядки цинковый стакан растворяется. Во избежание вытекания электролита или продуктов реакции стаканчик имеет запас по толщине или окружён железной защитной оболочкой.

Устройство

В качестве электродов в «сухом элементе» выступают цинковый стакан и угольный стержень. Поэтому сухой элемент называют ещё угольно-цинковым. Положительным электродом «+» является угольный стержень, отрицательным — цинковый стакан. Угольный стержень окружен смесью диоксида марганца MnO ₂ и угля (сажи). В качестве электролита выступает раствор хлорида аммония NH ₄ Cl с небольшой добавкой хлорида цинка ZnCl ₂ , загущённый крахмалом и мукой — это необходимо для того, чтобы электролит не мог вытечь или высохнуть при хранении и эксплуатации элемента. Тем не менее при неправильной эксплуатации или слишком длительном хранении электролит всё же может потечь или высохнуть.

Производство

Этот раздел не завершён . Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

Хранение и эксплуатация

Этот раздел не завершён . Вы поможете проекту, исправив и дополнив его следующей информацией: Использование солевых батареек в современности и хранение при истечении их срока годности..

Восстановление работоспособности

По мере разрядки цинковый стакан покрывается слоем цинкдиамминхлорида, за счёт чего увеличивается внутреннее сопротивление элемента. Частично восстановить ёмкость элемента можно, если удалить слой цинкдиамминхлорида с поверхности цинкового стакана. Сделать это удаётся несколькими способами:

• путём деформации цинкового стакана
• подачей на выводы батареи переменного тока особой формы.

Второй способ нередко ошибочно называют перезарядкой. Оба способа сопряжены с риском повреждения цинкового стакана и подтекания электролита. Более того этот способ может также привести к взрыву элемента.

Другой распространённой причиной потери ёмкости является высыхание электролита. Это обычно происходит в тех случаях, когда элемент используется в течение длительного времени в устройствах, потребляющих небольшой ток (например, электронных часах), либо после длительного хранения. В этом случае восстановление работоспособности возможно после шприцевания батарейки водой, однако после этого необходимо плотно закрыть отверстие, иначе электролит может в скором времени снова высохнуть, либо начать подтекать.

Ещё одной известной неисправностью является коррозия (окисление) цинкового стакана. В результате окисления происходит истончение стакана, а также (при окислении контактных площадок) — увеличение сопротивления элемента. Коррозия в дальнейшем может также перекинуться на другие металлические детали, расположенные близко к батарее. Окислившийся элемент восстановлению не подлежит.

• 
  Цинковый стаканчик («-» электрод) частично вскрыт, под ней бумажный стаканчик, пропитанный электролитом и залитый битумной мастикой
• 
  Цинковый стаканчик удалён, угольный стержень («+» электрод), впрессованный в «+» контакт-крышку, демонтирован
• 
  Внутри бумажного стаканчика прессованный марганцево-графитный порошок с каналом для «+» электрода

Области применения

Все первичные источники тока, за исключением серебряно-цинкового, обладают большим внутренним сопротивлением — десятки Ом, не допускающим разряда их токами большой силы из-за чрезмерного падения напряжения на внутреннем сопротивлении. Это надо учитывать при использовании их в качестве силовых источников тока.

Наиболее эффективной областью применения солевых батареек являются приборы со средним и низким энергопотреблением, например, в ДУ пультах и часах, по причине более медленного саморазряда ^{[ источник не указан 1057 дней ]} солевой батарейки (в сравнении с щелочными элементами питания).

Примечания

Литература

• Кромптон, Т. Первичные источники тока = Small Batteries. Volume 2. Primary Cells. T. R. Crompton. The Macmillan Press Ltd., London, Basingstocke. 1982 : [пер. с англ. ] / Под ред. канд. хим. наук Ю. А. Мазитова. — М. : Мир, 1986. — 328 с. : ил. — ББК 31.251 . — УДК .
• : Источники тока химические. Термины и определения : (С изменением № 1.) Дата введения 1982-07-01.
• : Батареи первичные. Часть 1. Общие требования : Дата введения 2011-07-01.

Ссылки

• (рус.) . PowerInfo.ru .
• (рус.) . Энциклопедия Кругосвет .

В статье есть список источников , но не хватает сносок . Без сносок сложно определить, из какого источника взято каждое отдельное утверждение. Вы можете улучшить статью, проставив сноски на источники , подтверждающие информацию. Сведения без сносок могут быть удалены . ( 27 января 2013 )