Щелочной элемент

Материал из testwiki
Перейти к навигации Перейти к поиску
Щелочные батарейки типоразмера C различных производителей

Шаблон:Об Щелочной элемент питания, щелочная батарейка (Шаблон:Lang-en; также в просторечии неграмотно алкалиновая батарейка, калька с английского языка) — 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 никеля[2]}}.

История изобретения

Впервые использовать щелочной электролит в химических источниках тока предложили независимо друг от друга Шаблон:Не переведено в 1899 году и Томас Эдисон Шаблон:Nobr Они использовали щелочной электролит в никель-кадмиевых аккумуляторах.Шаблон:Нет АИ

В марганцево-цинковых элементах питания щелочной электролит впервые применил канадский инженер Шаблон:Не переведено в середине 1950-х годов, работавший в Union Carbide, выпускавшей элементы питания под маркой «Eveready». Льюис Урри использовал наработки Томаса Эдисона[3]. В 1960 году Урри вместе с Карлом Кордешем и Полом Маршалом получил патент на конструкцию щелочного элемента[4].

Классификация

Щелочные элементы выпускаются в двух основных вариантах[5][6]:

  • щелочной элемент питания (Шаблон:Lang-en), масса таких элементов AA находится в пределах Шаблон:Nobr, ёмкость Шаблон:Nobr, а масса и ёмкость элементов AAA — Шаблон:Nobr и Шаблон:Nobr[5], ёмкость таких элементов одинакового типоразмера отличается не более, чем на треть[6];
  • экономичный щелочной элемент питания (Шаблон:Lang-en) со сниженным количеством химикатов и приблизительно вдвое-втрое меньшей ёмкостью относительно обычных того же типоразмера, элементы «ECO Alkaline» типоразмера AA имеют массу около Шаблон:Nobr[6].

Характеристики

Типичные характеристики щелочного элемента питания:

Химические процессы

Гидроксид калия (KOH) диссоциирует на ионы:

KA++OHA−

Затем на аноде щелочного элемента питания проходят реакции окисления цинка.

Zn+2OHA−⟶ZnO+HA2O+2eA−

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

2MnOA2+HA2O+2eA−⟶MnA2OA3+2OHA−

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

Zn+2KOH+2MnOA2+2eA−⟶2eA−+ZnO+2KOH+MnA2OA3

При саморазряде батареи возможна очень слабая реакция KOH и ZnO:

ZnO+2KOH+HA2O=KA2[Zn(OH)A4]

Благодаря тому, что реакция незначительна, в щелочном элементе, в отличие от солевого, 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

Основные части щелочного элемента

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

Шаблон:Примечания

Литература

Ссылки

Шаблон:Внешние ссылки Шаблон:Гальванические элементы

  1. ↑ Шаблон:ГОСТ
  2. ↑ Шаблон:ГОСТ, Таблица 3 — Стандартизованные электрохимические системы
  3. ↑ 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 Шаблон:Wayback)
  4. ↑ Патент US2960558 A — Dry cell
  5. ↑ 5,0 5,1 5,2 Шаблон:Cite web
  6. ↑ 6,0 6,1 6,2 Шаблон:Cite web
  7. ↑ 7,0 7,1 7,2 Шаблон:БСЭ3
Источник — https://ru.wiki.beta.math.wmflabs.org/w/index.php?title=Щелочной_элемент&oldid=9516