Element alcalin

Baterie alcalina , baterie alcalina , ing.  baterie alcalina - baterie galvanica  mangan-zinc cu electrolit alcalin . Inventat de Lewis Urry [ 1 ] . 

Pe lângă electrolit, principala diferență dintre o baterie alcalină și o baterie cu sare  este anodul (electrodul negativ) sub formă de pulbere, care crește curentul degajat de această baterie [1] .

Pentru bateriile alcaline standard, anodul este zinc, iar materialul catodului poate fi dioxid de mangan , oxid de argint , oxigen sau metahidroxid de nichel [2] .

Istoria invențiilor

Pentru prima dată, utilizarea unui electrolit alcalin în sursele de curent chimic a fost propusă independent de Waldemar Jungner în 1899 și Thomas Edison în 1901 [3] [4] . Au folosit un electrolit alcalin în bateriile cu nichel-cadmiu .

Electrolitul alcalin a fost folosit pentru prima dată în bateriile cu mangan-zinc de către inginerul canadian Lewis Urry.la mijlocul anilor 1950, lucrând pentru Union Carbide , care producea baterii sub marca „Eveready”. Lewis Urry a folosit lucrarea lui Thomas Edison [5] . În 1960, Urry, împreună cu Carl Kordesch și Paul Marshal, au primit un brevet pentru proiectarea unui element alcalin [6] .

Clasificare

Celulele alcaline sunt disponibile în două versiuni principale [7] [8] :

• baterie alcalină ( ing.  Alcaline ), masa unor astfel de celule AA este în intervalul 22–24 g , capacitatea este de 2–3 Wh , iar masa și capacitatea celulelor AAA sunt 11–12 g și 0,9–1,3 A h [7] , capacitatea unor astfel de elemente de aceeași dimensiune diferă cu cel mult o treime [8] ;
• baterie alcalină economică ( în engleză  ECO Alcaline ) cu o cantitate redusă de substanțe chimice și aproximativ de două până la trei ori mai puțină capacitate decât bateriile convenționale de aceeași dimensiune, celulele ECO Alcaline de dimensiune AA cântăresc aproximativ 18 g [8] .

Caracteristici

Caracteristici tipice ale unei baterii alcaline:

• tensiune în circuit deschis: 1,58–1,64 V [7] .
• tensiune inițială: 1,4–1,64 V [9] ;
• tensiune finală: 0,7–0,9 V [9] ;
• energie specifică: 60–90 Wh/kg [10] [9] ;
• putere specifică (aproximativ): 5 W/kg [10] ;
• temperatura de functionare: -30…+55 °С ;
• conservare: 1–3 ani [10]

Procese chimice

Reacțiile de oxidare a zincului au loc pe anodul unei baterii alcaline. Mai întâi se formează hidroxidul de zinc :

Zn + 2OH − → Zn(OH) 2 + 2e −

Hidroxidul de zinc se descompune apoi în oxid de zinc și apă.

Zn(OH) 2 → ZnO + H2O

La catod, la rândul lor, au loc reacții de reducere a oxidului de mangan (IV) la oxid de mangan (III) :

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

În general, procesele chimice din interiorul unei celule atunci când se utilizează KOH ca electrolit pot fi descrise prin următoarea ecuație:

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

Spre deosebire de o celulă de sare, electrolitul alcalin practic nu este consumat în procesul de descărcare a bateriei, ceea ce înseamnă că cantitatea sa mică este suficientă. Prin urmare, într-un element alcalin, în medie , de 1,5 ori mai mult dioxid de mangan.

Constructii

Prin proiectare, elementul alcalin este similar cu sarea , dar părțile principale din el sunt aranjate în ordine inversă. Pasta anodica (3) sub formă de pulbere de zinc impregnată cu un electrolit alcalin îngroșat este situată în partea interioară a celulei și are un potențial negativ, care este îndepărtat de o tijă de alamă (2). Din masa activă, dioxid de mangan amestecat cu grafit sau funingine (5), pasta de anod este separată printr -un separator (4), impregnat de asemenea cu electrolit. Borna pozitivă, spre deosebire de elementul de sare, este realizată sub forma unei cupe din oțel nichelat (1), iar borna negativă este sub forma unei plăci de oțel (9). Carcasa (6) este izolată de sticlă și previne scurtcircuitele care pot apărea atunci când în compartimentul bateriei sunt instalate mai multe celule. Garnitura (8) percepe presiunea gazelor generate în timpul funcționării. Eliberarea gazelor într-un element alcalin este mult mai mică decât într-un element salin, astfel încât volumul camerei de colectare a acestora este și el mai mic. Pentru a preveni explozia acumulatorului din cauza utilizării greșite (de ex. scurtcircuit), aceasta are o diafragmă de siguranță (7). Când presiunea gazului este depășită, membrana se rupe și celula se depresurizează - rezultatul este de obicei o scurgere de electrolit.

Pentru a crește durata de valabilitate a modelelor timpurii de celule, pulberea de zinc a fost amalgamata , dar această metodă de prelungire a duratei de valabilitate a celulelor face ca celulele să fie periculoase pentru uz casnic. Prin urmare, inhibitori organici speciali de coroziune sunt introduși în elementele moderne .

Depozitare și funcționare

Perioada de valabilitate a elementului alcalin este mai mare decât cea a elementului de sare, datorită designului ermetic și, de asemenea, nu este atât de solicitantă în condițiile de depozitare.

Spre deosebire de celulele de sare, celulele alcaline pot funcționa la un curent de descărcare mai mare. În plus, nu există un efect de „oboseală” a elementului, atunci când, după lucrul la o sarcină mare, are loc o cădere semnificativă de tensiune la bornele elementului și este necesar un anumit timp de „odihnă” pentru a-și restabili performanța. Cu toate acestea, dacă există un scurtcircuit sau o instalare în polaritate greșită, este posibilă și scurgerea electrolitului.

Aplicații

Celula alcalină are aceeași tensiune de funcționare ca și celula obișnuită cu mangan-zinc , cu capacitate mai mare, curent de descărcare, termen de valabilitate și interval de temperatură de funcționare. Celulele alcaline sunt produse în aceleași dimensiuni ca și celulele de sare și, prin urmare, pot fi utilizate în aceleași dispozitive, de exemplu, în lanterne , jucării electronice, magnetofone portabile etc. Cu toate acestea, datorită celor mai bune caracteristici de descărcare, pot fi utilizate. atât în ​​dispozitivele care consumă curent semnificativ ( foto- blițuri , modele controlate radio ), cât și în dispozitivele care consumă curent relativ mic pentru o perioadă lungă de timp ( ceas electronic ).

Comparația dintre sare și elemente alcaline

Datorită acestui design, elementul alcalin are următoarele caracteristici:

• Fără consum de electrolit, ceea ce înseamnă mai puțin electrolit necesar pentru funcționare
• Anodul este zinc sub formă de pulbere, nu sticlă de zinc, deci reacția are loc pe o suprafață mult mai mare.
• Mai puține emisii de gaze, astfel încât elementul să fie complet etanșat.

De aici, se pot distinge următoarele avantaje și dezavantaje:

Beneficii

• Capacitate - de 1,5-10 ori mai mare decât cea a elementelor de sare, în funcție de modul de funcționare, cu aceeași dimensiune a elementului
• Mai puțină auto-descărcare, termen de valabilitate lung
• Performanță mai bună la temperaturi scăzute
• Performanță mai bună la curenți de sarcină mari
• Mai puțină cădere de tensiune pe măsură ce vă descărcați

Dezavantaje

• pret mai mare
• Masa mare
• Metodele de recuperare aplicabile celulelor sărate sunt inacceptabile. Cu toate acestea, există modele speciale de celule alcaline care permit un anumit număr (de obicei până la 25) reîncărcări. Astfel de celule se numesc „Rechargeable Alkaline Manganese” (RAM, mangan alcalin reîncărcabil).

Note

1. ↑ 1 2 Popular Mechanics Nr. 5, 2015 .
2. ↑ GOST R IEC 60086-1-2010 , Tabelul 3 - Sisteme electrochimice standardizate.
3. ↑ History of battery invention and development , allaboutbatteries.com (accesat la 4 decembrie 2011)
4. ↑ IEEE, Edison's Alkaline Battery , IEEE Global History Network (accesat la 4 decembrie 2011)
5. ↑ Gabriel Baird, „Greater Cleveland Innovations: Thomas Edison a oferit lui Lew Urry scânteie de idee pentru o baterie alcalină mai bună”, Cleveland Plain Dealer, 03 august 2011 ( versiunea web )
6. ^ Patent US2960558 A - Celulă uscată
7. ↑ 1 2 3 Nadezhin, A. Goodhelper Baterii alcaline: fundul este spart . Blog LampTest . Habr (28 septembrie 2022). (Rusă)
8. ↑ 1 2 3 Nadezhin, A. O nouă problemă - baterii de capacitate redusă ECO-Alkaline . Scris de Alexey Nadezhin . Jurnal live (31 ianuarie 2022). (Rusă)
9. ↑ 1 2 3 Leclanche element // Kuna - Lomami. - M .  : Enciclopedia Sovietică, 1973. - ( Marea Enciclopedie Sovietică  : [în 30 de volume]  / redactor-șef A. M. Prokhorov  ; 1969-1978, vol. 14).
10. ↑ 1 2 3 Bagotsky, 1978 .

Literatură

• Surse chimice de curent / Bagotsky V. S. // Frankfurt - Chaga. - M .  : Enciclopedia Sovietică, 1978. - ( Marea Enciclopedie Sovietică  : [în 30 de volume]  / redactor-șef A. M. Prokhorov  ; 1969-1978, vol. 28).
• Veresov, G.P. Alimentarea echipamentelor radio-electronice de uz casnic. - M .  : Radio şi comunicare, 1983. - S. 85-95. — 128 p. : bolnav.
• Kitaev, V. V. Alimentarea cu energie a dispozitivelor de comunicație: studiu / V. V. Kitaev, A. A. Bokunyaev, M. F. Kolkanov. - M .  : Comunicare, 1975. - S. 225-235. — 328 p. : bolnav. — 24.000 de exemplare.  — UDC  621.39:621.311.6(075.8) .
• Kostikov, V. G. Surse de energie pentru mijloace electronice: Circuite și design: un manual pentru universități / V. G. Kostikov, E. M. Parfenov, V. A. Shakhnov. - Ed. a II-a. - M .  : Hot line - Telecom, 2001. - 344 p. - 3000 de exemplare.  — ISBN 5-93517-052-3 .
• Crompton, T. Surse primare de curent = baterii mici. Volumul 2. Celule primare. TR Crompton. The Macmillan Press Ltd., Londra, Basingstock. 1982: [trad. din  engleză. ] / Ed. cand. chimic. Științe Yu. A. Mazitova. — M  .: Mir, 1986. — 328 p. : bolnav. - BBK  31.251 . - UDC  621.355 .
• GOST 15596-82  : Surse de curent chimic. Termeni și definiții: (Cu modificarea nr. 1.) Data introducerii 1982-07-01.
• GOST R IEC 60086-1-2010  : Baterii primare. Partea 1. Cerințe generale: Data introducerii 2011-07-01.
• Functioneaza mai mult // Mecanica populara: jurnal. - 2015. - Nr. 5 (151) (mai). — [Pe site-ul revistei. publ. sub numit. Cine a inventat bateria alcalină și când?
• Hamade, R. Analiza ciclului de viață al bateriilor alcaline A.A.  : [ ing. ]  / R. Hamade, R. Al Ayache, MB Ghanem … [ și colab. ] // Procedia Manufacturing : jurnal. - 2020. - Vol. 43. - P. 415-422. - doi : 10.1016/j.promfg.2020.02.193 .
• Lavrus, V. Baterii și acumulatori  : o referință - K .  : NiT, 1995. - 42 p. - (Ediția de informații; numărul 1).
• Bagotsky, V.S. Surse de curent chimic. / V. S. Bagotsky, A. M. Skundin. - M .  : Energoizdat, 1981. - 360 p.

Link -uri

• Baterii mangan-zinc . powerinfo.ru . (Rusă)
• Baterie de alimentare . Enciclopedie în jurul lumii . (Rusă)
• Nadezhin, A. LampTest . Testarea lămpilor LED . (Rusă)
• Raport test baterie TROPHY ECO Alkaline  / Laboratorul DNS // Clubul DNS. - 2019. - 24 decembrie.

Dicționare și enciclopedii	Britannica (online) Britannica (online)