Alkaliskt element

Alkaliskt batteri , alkaliskt batteri , eng.  alkaliskt batteri  - mangan-zink galvaniskt batteri med alkalisk elektrolyt . Uppfunnet av Lewis Urry [ 1 ] . 

Förutom elektrolyten är huvudskillnaden mellan ett alkaliskt batteri och ett saltbatteri anoden (  negativ elektrod) i form av ett pulver, vilket ökar strömmen som avges av detta batteri [1] .

För vanliga alkaliska batterier är anoden zink, och katodmaterialet kan vara mangandioxid , silveroxid , syre eller nickelmetahydroxid [2] .

Uppfinningshistorik

För första gången föreslogs användningen av en alkalisk elektrolyt i kemiska strömkällor oberoende av Waldemar Jungner 1899 och Thomas Edison 1901 [3] [4] . De använde en alkalisk elektrolyt i nickel-kadmium-batterier .

Alkalisk elektrolyt användes först i mangan-zink- batterier av den kanadensiska ingenjören Lewis Urry.i mitten av 1950-talet, arbetande för Union Carbide , som producerade batterier under varumärket "Eveready". Lewis Urry använde Thomas Edisons arbete [5] . 1960 fick Urry tillsammans med Carl Kordesch och Paul Marshal patent på design av ett alkaliskt element [6] .

Klassificering

Alkaliska celler finns i två huvudversioner [7] [8] :

• alkaliskt batteri ( eng.  Alcaline ), massan för sådana AA-celler är i intervallet 22–24 g , kapaciteten är 2–3 Wh och massan och kapaciteten för AAA-celler är 11–12 g och 0,9–1,3 A h [7] , kapaciteten hos sådana element av samma storlek skiljer sig inte med mer än en tredjedel [8] ;
• ekonomiskt alkaliskt batteri ( engelska  ECO Alcaline ) med en reducerad mängd kemikalier och ungefär två till tre gånger mindre kapacitet än konventionella batterier av samma storlek, AA-storlek ECO Alcaline-celler väger ca 18 g [8] .

Egenskaper

Typiska egenskaper för ett alkaliskt batteri:

• öppen kretsspänning: 1,58–1,64 V [7] .
• initialspänning: 1,4–1,64 V [9] ;
• slutspänning: 0,7–0,9 V [9] ;
• specifik energi: 60–90 Wh/kg [10] [9] ;
• specifik effekt (ungefär): 5 W/kg [10] ;
• driftstemperatur: -30…+55 °С ;
• konservering: 1–3 år [10]

Kemiska processer

Zinkoxidationsreaktioner äger rum på anoden på ett alkaliskt batteri. Zinkhydroxid bildas först :

Zn + 2OH - → Zn(OH) 2 + 2e -

Zinkhydroxiden sönderdelas sedan till zinkoxid och vatten.

Zn(OH) 2 → ZnO + H2O

Vid katoden inträffar i sin tur reduktionsreaktioner av mangan(IV) oxid till mangan(III)oxid :

2MnO2 + H2O + 2e - → Mn2O3 + 2OH - _

I allmänhet kan de kemiska processerna inuti en cell när man använder KOH som en elektrolyt beskrivas med följande ekvation:

Zn + 2KOH + 2MnO2 + 2e − → 2e − + ZnO + 2KOH + Mn2O3

Till skillnad från en saltcell förbrukas den alkaliska elektrolyten praktiskt taget inte i processen att ladda ur batteriet, vilket betyder att dess lilla mängd är tillräcklig. Därför, i ett alkaliskt element, i genomsnitt 1,5 gånger mer mangandioxid.

Konstruktion

Genom design liknar det alkaliska elementet salt , men huvuddelarna i det är ordnade i omvänd ordning. Anodpasta (3) i form av zinkpulver impregnerad med en förtjockad alkalisk elektrolyt är placerad i cellens inre del och har en negativ potential, som avlägsnas med en mässingsstav (2). Från den aktiva massan, mangandioxid blandad med grafit eller sot (5), separeras anodpastan av en separator (4), även den impregnerad med elektrolyt. Den positiva terminalen, till skillnad från saltelementet, är gjord i form av en nickelpläterad stålkopp (1), och den negativa terminalen är i form av en stålplatta (9). Skalet (6) är isolerat från glaset och förhindrar kortslutningar som kan uppstå när flera celler är installerade i batterifacket. Packningen (8) uppfattar trycket från gaser som genereras under drift. Utsläppet av gaser i ett alkaliskt element är mycket mindre än i ett saltvatten, så volymen av kammaren för att samla dem är också mindre. För att förhindra att batteriet exploderar på grund av felaktig användning (t.ex. kortslutning) har det ett säkerhetsmembran (7). När gastrycket överskrids spricker membranet och cellen minskar trycket - resultatet är vanligtvis ett elektrolytläckage.

För att öka hållbarheten för tidiga celldesigner sammanslogs zinkpulver , men denna metod för att förlänga cellernas hållbarhet gör cellerna farliga för hushållsbruk. Därför introduceras speciella organiska korrosionsinhibitorer i moderna element .

Lagring och drift

Hållbarheten för det alkaliska elementet är längre än saltelementets, på grund av den hermetiska designen, och det är inte heller så krävande för lagringsförhållanden.

Till skillnad från saltceller kan alkaliska celler arbeta med en högre urladdningsström. Dessutom finns det ingen "utmattningseffekt" av elementet, när ett betydande spänningsfall inträffar vid elementets terminaler efter att ha arbetat med en tung belastning, och en viss "vilotid" krävs för att återställa dess prestanda. Men om det är en kortslutning eller installation i fel polaritet är elektrolytläckage också möjligt.

Applikationer

Den alkaliska cellen har samma driftspänning som den vanliga mangan-zinkcellen med högre kapacitet, urladdningsström, hållbarhet och driftstemperaturområde. Alkaliska celler produceras i samma storlekar som saltceller och kan därför användas i samma enheter, till exempel i ficklampor , elektroniska leksaker, bärbara bandspelare etc. Men på grund av de bästa urladdningsegenskaperna kan de användas både i enheter som förbrukar betydande ström ( fotoblixtar , radiostyrda modeller ), och i enheter som förbrukar relativt liten ström under lång tid (elektronisk klocka ).

Jämförelse av salt och alkalielement

Tack vare denna design har det alkaliska elementet följande egenskaper:

• Ingen elektrolytförbrukning, vilket innebär mindre elektrolyt som krävs för drift
• Anoden är pulvriserad zink, inte ett zinkglas, så reaktionen sker på en mycket större yta.
• Mindre gasutsläpp, så att elementet kan göras helt tätt.

Härifrån kan följande fördelar och nackdelar urskiljas:

Fördelar

• Kapacitet - 1,5-10 gånger mer än saltelementens, beroende på driftläge, med samma elementstorlek
• Mindre självurladdning, lång hållbarhet
• Bättre prestanda vid låga temperaturer
• Bättre prestanda vid höga belastningsströmmar
• Mindre spänningsfall när du laddar ur

Nackdelar

• högre pris
• Stor massa
• Återvinningsmetoder som är tillämpliga på saltceller är oacceptabla. Det finns dock speciella konstruktioner av alkaliska celler som tillåter ett visst antal (vanligtvis upp till 25) laddningar. Sådana celler kallas "Rechargeable Alkaline Manganese" (RAM, uppladdningsbart alkaliskt mangan).

Anteckningar

1. ↑ 1 2 Populär mekanik nr 5, 2015 .
2. ↑ GOST R IEC 60086-1-2010 , Tabell 3 - Standardiserade elektrokemiska system.
3. ↑ Historien om batteriuppfinning och -utveckling , allaboutbatteries.com (tillgänglig 4 dec. 2011)
4. ↑ IEEE, Edison's Alkaline Battery , IEEE Global History Network (tillträde 4 december 2011)
5. ↑ Gabriel Baird, "Greater Cleveland Innovations: Thomas Edison gav Lew Urry en idé för bättre alkaliskt batteri," Cleveland Plain Dealer, 3 augusti 2011 ( webbversion )
6. ↑ Patent US2960558 A - Dry cell
7. ↑ 1 2 3 Nadezhin, A. Goodhelper Alkaliska batterier: botten är trasig . LampTest-bloggen . Habr (28 september 2022). (ryska)
8. ↑ 1 2 3 Nadezhin, A. Ett nytt problem - batterier med reducerad kapacitet ECO-Alkaline . Skrivet av Alexey Nadezhin . Livejournal (31 januari 2022). (ryska)
9. ↑ 1 2 3 Leclanche element // Kuna - Lomami. - M .  : Soviet Encyclopedia, 1973. - ( Great Soviet Encyclopedia  : [i 30 volymer]  / chefredaktör A. M. Prokhorov  ; 1969-1978, vol. 14).
10. ↑ 1 2 3 Bagotsky, 1978 .

Litteratur

• Kemiska källor för ström / Bagotsky V. S. // Frankfurt - Chaga. - M .  : Soviet Encyclopedia, 1978. - ( Great Soviet Encyclopedia  : [i 30 volymer]  / chefredaktör A. M. Prokhorov  ; 1969-1978, vol. 28).
• Veresov, G.P. Strömförsörjning av radio-elektronisk hushållsutrustning. - M .  : Radio och kommunikation, 1983. - S. 85-95. — 128 sid. : sjuk.
• Kitaev, V. V. Strömförsörjning av kommunikationsenheter: studie / V. V. Kitaev, A. A. Bokunyaev, M. F. Kolkanov. - M .  : Communication, 1975. - S. 225-235. — 328 sid. : sjuk. — 24 000 exemplar.  — UDC  621.39:621.311.6(075.8) .
• Kostikov, V. G. Strömkällor för elektroniska medel: Kretsar och design: En lärobok för universitet / V. G. Kostikov, E. M. Parfenov, V. A. Shakhnov. - 2:a uppl. - M .  : Hotline - Telecom, 2001. - 344 sid. - 3000 exemplar.  — ISBN 5-93517-052-3 .
• Crompton, T. Primära strömkällor = små batterier. Volym 2. Primära celler. TR Crompton. The Macmillan Press Ltd., London, Basingstock. 1982: [övers. från  engelska. ] / Ed. cand. chem. Vetenskaper Yu. A. Mazitova. — M  .: Mir, 1986. — 328 sid. : sjuk. - BBK  31.251 . - UDC  621.355 .
• GOST 15596-82  : Kemiska strömkällor. Termer och definitioner: (Med ändring nr 1.) Introduktionsdatum 1982-07-01.
• GOST R IEC 60086-1-2010  : Primära batterier. Del 1. Allmänna krav: Introduktionsdatum 2011-07-01.
• Fungerar längre // Populär mekanik: journal. - 2015. - Nr 5 (151) (maj). — [På tidskriftens webbplats. publ. under namngiven. Vem uppfann det alkaliska batteriet och när?
• Hamade, R. Livscykelanalys av A.A. Alkaline Batteries  : [ eng. ]  / R. Hamade, R. Al Ayache, MB Ghanem … [ et al. ] // Procedia Manufacturing : journal. - 2020. - Vol. 43. - s. 415-422. - doi : 10.1016/j.promfg.2020.02.193 .
• Lavrus, V. Batterier och ackumulatorer  : en referens - K.  : NiT, 1995. - 42 sid. - (Informationsupplagan; nummer 1).
• Bagotsky, V.S. Kemiska strömkällor. / V. S. Bagotsky, A. M. Skundin. - M .  : Energoizdat, 1981. - 360 sid.

Länkar

• Mangan-zink batterier . powerinfo.ru . (ryska)
• Strömförsörjningsbatteri . Encyclopedia Around the World . (ryska)
• Nadezhin, A. LampTest . Testar LED-lampor . (ryska)
• Batteritestrapport TROPHY ECO Alkaline  / DNS Laboratory // DNS Club. - 2019. - 24 december.

Ordböcker och uppslagsverk	Britannica (online) Britannica (online)