Щелочной элемент питания , щелочная батарейка ( англ. alkaline battery ; также в просторечии неграмотно алкалиновая батарейка , калька с английского языка) — марганцево - цинковый гальванический элемент питания с щелочным электролитом . Изобретён Льюисом Урри .

Кроме электролита, основное отличие щелочной батарейки от солевой — анод (отрицательный электрод ) в виде порошка, что увеличивает ток, отдаваемый этим элементом питания .

У стандартных элементов питания с щелочным электролитом анод состоит из цинка, а материалом катода может быть двуокись марганца , оксид серебра , кислород или метагидроксид никеля .

История изобретения

Впервые использовать щелочной электролит в химических источниках тока предложили независимо друг от друга в 1899 году и Томас Эдисон в 1901 году . Они использовали щелочной электролит в никель-кадмиевых аккумуляторах . ^{[ источник не указан 515 дней ]}

В марганцево-цинковых элементах питания щелочной электролит впервые применил канадский инженер в середине 1950-х годов, работавший в Union Carbide , выпускавшей элементы питания под маркой «Eveready». Льюис Урри использовал наработки Томаса Эдисона . В 1960 году Урри вместе с Карлом Кордешем и Полом Маршалом получил патент на конструкцию щелочного элемента .

Классификация

Щелочные элементы выпускаются в двух основных вариантах :

• щелочной элемент питания ( англ. Alkaline ), 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 , ёмкость таких элементов одинакового типоразмера отличается не более, чем на треть ;
• экономичный щелочной элемент питания ( англ. ECO Alkaline ) со сниженным количеством химикатов и приблизительно вдвое-втрое меньшей ёмкостью относительно обычных того же типоразмера, элементы «ECO Alkaline» типоразмера AA имеют массу около 18 г .

Характеристики

Типичные характеристики щелочного элемента питания:

• напряжение холостого хода: 1,58–1,64 В .
• начальное напряжение: 1,4–1,64 В ;
• конечное напряжение: 0,7–0,9 В ;
• удельная энергия: 60–90 Вт∙ч/кг ;
• удельная мощность (ориентировочно): 5 Вт/кг ;
• рабочая температура: −20…+70 °С ;
• сохранность: 1–3 года

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 воду .

Zn(OH) ₂ → ZnO + H ₂ O

На катоде, в свою очередь, происходят реакции восстановления оксида марганца (IV) в оксид марганца (III) :

2MnO ₂ + H ₂ O + 2e ⁻ → Mn ₂ O ₃ + 2OH ⁻

В целом, химические процессы внутри элемента при использовании KOH в качестве электролита можно описать следующим уравнением :

Zn + 2KOH + 2MnO ₂ + 2e ⁻ → 2e ⁻ + ZnO + 2KOH + Mn ₂ O ₃

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 в 1,5 раза больше диоксида марганца.

Конструкция

По конструкции щелочной элемент похож на солевой , но основные части в нём расположены в обратном порядке . Анодная паста (3) в виде цинкового порошка, пропитанного загущённым щелочным электролитом, располагается во внутренней части элемента и имеет отрицательный потенциал, который снимается латунным стержнем (2). От активной массы, диоксида марганца, смешанного с графитом или сажей (5), анодная паста отделена сепаратором (4), также пропитанным электролитом. Положительный вывод, в отличие от солевого элемента, выполнен в виде стального никелированного стакана (1), а отрицательный — в виде стальной тарелки (9). Оболочка (6) изолирована от стакана и предотвращает короткое замыкание, которое может возникнуть при установке нескольких элементов в батарейный отсек . Прокладка (8) 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 мембрана (7). 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 порошка , 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 ёмкости .

В отличие от солевых элементов, щелочные могут работать при большем разрядном токе . 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 ) .

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 герметичным .

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 элемента
• Меньший саморазряд, длительный срок хранения
• Лучшая работа при низких температурах
• Лучшая работа при больших токах нагрузки
• Меньше падение напряжения по мере разряда

Недостатки

• Более высокая цена
• Большая масса
• Неприемлемы способы восстановления работоспособности, применимые для солевых элементов. Однако существуют особые конструкции щелочных элементов, допускающие определённое количество (обычно до 25) перезарядок . Такие элементы называют «Rechargeable Alkaline Manganese» (RAM, перезаряжаемые щелочные марганцевые).

Примечания

Литература

• Химические источники тока / Багоцкий В. С. // Франкфурт — Чага. — М. : Советская энциклопедия, 1978. — ( Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 28).
• Вересов, Г. П. Электропитание бытовой радиоэлектронной аппаратуры. — М. : Радио и связь, 1983. — С. 85—95. — 128 с. : ил.
• Китаев, В. В. Электропитание устройств связи : уч / В. В. Китаев, А. А. Бокуняев, М. Ф. Колканов. — М. : Связь, 1975. — С. 225—235. — 328 с. : ил. — 24 000 экз. — УДК .
• Костиков, В. Г. Источники электропитания электронных средств : Схемотехника и конструирование : Учебник для ВУЗов / В. Г. Костиков, Е. М. Парфенов, В. А. Шахнов. — 2 изд. — М. : Горячая линия — Телеком, 2001. — 344 с. — 3000 экз. — ISBN 5-93517-052-3 .
• 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. — С. 76—96. — 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.
• // Популярная механика : журн. — 2015. — № 5 (151) (май). — [На сайте журн. опубл. под назван. «Кем и когда была изобретена щелочная батарейка?»].
• Hamade, R. : [ англ. ] / R. Hamade, R. Al Ayache, M. B. Ghanem … [ et al. ] // Procedia Manufacturing : журн. — 2020. — Vol. 43. — P. 415–422. — doi : .
• Лаврус, В. : справочн.. — К. : НиТ, 1995. — 42 с. — (Информационное Издание ; вып. 1).
• Багоцкий, В. С. Химические источники тока. / В. С. Багоцкий, А. М. Скундин. — М. : Энергоиздат, 1981. — С. 223−229. — 360 с.

Ссылки

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