Цинк-угольный аккумулятор - Zinc–carbon battery

Цинк-угольные батареи различных размеров

А цинк-угольный аккумулятор это сухая ячейка основная батарея что обеспечивает постоянный электрический ток от электрохимическая реакция между цинк и диоксид марганца. Он выдает напряжение около 1,5 вольт между цинком анод, который обычно реализуется как контейнер для аккумулятора, и углерод стержень положительной полярности, катод, который собирает ток от электрода из диоксида марганца, давая имя ячейке.

В аккумуляторах общего назначения можно использовать водную пасту хлорид аммония как электролит, возможно, смешанный с некоторыми хлорид цинка решение. Сверхмощный типы используют пасту, в основном состоящую из хлорид цинка.

Цинк-угольные батареи были первыми коммерческими сухими батареями, разработанными на основе технологии мокрого Клетка Лекланше. Они сделали фонарики и другие портативные устройства возможны, потому что аккумулятор работает в любой ориентации. Они по-прежнему полезны в устройствах с малым стоком или в устройствах с прерывистым режимом работы, таких как пульты управления, фонарики, часы или транзисторные радиоприемники. Цинк-угольные сухие элементы одноразовые. первичные клетки.

История

Смотрите также: История батареи
Старая угольно-цинковая батарея 3 В (примерно 1960 г.) в картонном корпусе

К 1876 году влажная Клетка Лекланше Изготовлен из прессованного блока диоксида марганца. В 1886 г. Карл Гасснер запатентовали «сухую» версию, используя цинковую чашку в качестве анод и паста из гипс (а позже пшеничная мука) до желировать электролит и обездвижить его.[нужна цитата ]

В 1898 г. Конрад Хуберт использовали потребительские батареи производства W.H. Lawrence для питания своего первого фонарик, и впоследствии они образовали Компания Eveready Battery. В 1900 году Гасснер продемонстрировал сухие элементы для переносного освещения в Всемирная выставка в Париже. Постоянно улучшались стабильность и емкость цинк-углеродных элементов на протяжении 20-го века; к концу века мощности увеличились в четыре раза по сравнению с эквивалентом 1910 года.[1] Усовершенствования включают использование более чистых сортов диоксида марганца, лучшую герметизацию и более чистый цинк для отрицательного электрода. Цинк-хлоридные элементы (обычно продаваемые как «сверхмощные» батареи) используют пасту, состоящую в основном из хлорида цинка, которая обеспечивает более длительный срок службы и более стабильное выходное напряжение по сравнению с электролитом из хлорида аммония.[нужна цитата ]

Побочные реакции из-за примесей в цинковом аноде увеличивают саморазряд и коррозию элемента. Раньше цинк покрывали Меркурий сформировать амальгама, защищая его. Учитывая, что это представляет опасность для окружающей среды, в батареях нынешнего производства ртуть больше не используется. Производители теперь должны использовать более очищенный цинк для предотвращения локального воздействия и саморазряда.[1]

По состоянию на 2011 г. угольно-цинковые батареи составляют 20% всех портативных батарей в Великобритании и 18% в ЕС.[2][3][4][5]

Строительство

Контейнер для сухого цинк-угольного элемента представляет собой цинковую банку. Банка содержит слой NH4Cl или же ZnCl2 водная паста, пропитывающая бумажный слой, который отделяет цинковую банку от смеси порошкообразного угля (обычно графит порошок) и оксид марганца (IV) (MnO2), который упакован вокруг углеродного стержня. Углерод - единственный практичный проводящий материал, потому что любой обычный металл быстро разъедает в положительном электроде в солевом электролите.[нужна цитата ]

Поперечное сечение угольно-цинковой батареи

Ранние типы и недорогие ячейки используют разделитель, состоящий из слоя крахмал или же мука. В современных ячейках используется слой бумаги с крахмальным покрытием, который тоньше и позволяет использовать больше диоксида марганца. Первоначально ячейки были запломбированы слоем асфальт предотвратить высыхание электролита; совсем недавно термопласт шайба-герметик. Углеродный стержень слегка пористый, что позволяет накапливаться водород газ уйти, сохраняя водный электролит. Соотношение диоксида марганца и углеродного порошка в катодной пасте влияет на характеристики ячейки: чем больше углеродного порошка, тем меньше внутреннее сопротивление, а большее количество диоксида марганца увеличивает емкость хранения.[1]

Плоские элементы предназначены для сборки в батареи с более высоким напряжением, примерно до 450 вольт. Плоские ячейки уложены друг на друга, и вся сборка покрыта воск для предотвращения электролита испарение. Электроны текут от анода к катоду через провод присоединенного устройства.[6]

Химические реакции

В сухом цинк-углеродном элементе внешний цинковый контейнер является отрицательно заряженным выводом. Цинк - это окисленный посредством носитель заряда, хлористый (Cl−) через следующие полуреакции:

Анод (реакция окисления, отмечена -)

Zn + 2 Cl− → ZnCl2 + 2 е−

Катод (реакция восстановления, помечена +)

2 MnO2 + 2 NH4Cl + H2O + 2 e− → Mn2О3 + 2 NH4ОН + 2 Cl−

Возможны и другие побочные реакции, но общую реакцию в цинк-углеродной ячейке можно представить как

Zn + 2 MnO2 + 2 NH4Cl + H2O → ZnCl2 + Mn2О3 + 2 NH4ОЙ

Если хлорид цинка заменяется на хлорид аммония как электролит, анодная реакция остается прежней:

Zn + 2 Cl− → ZnCl2 + 2 е−

и катодная реакция производит гидроксид цинка вместо гидроксид аммония:

2 MnO2 + ZnCl2 + H2O + 2 e− → Mn2О3 + Zn (OH)2 + 2 кл−

давая общую реакцию

Zn + 2 MnO2 + H2O → Mn2О3 + Zn (OH)2

Аккумулятор имеет электродвижущая сила (ЭДС) около 1,5V. Примерный характер ЭДС связан со сложностью катодной реакции. Анодная (цинковая) реакция сравнительно проста с известным потенциалом. Побочные реакции и истощение активных химических веществ увеличивает внутреннее сопротивление батареи, что вызывает падение напряжения на клеммах под нагрузкой.

Цинкхлоридный элемент повышенной мощности

Хлоридно-цинковый элемент, часто называемый сверхмощный, сверхтяжелый, или даже сверхтяжелый Аккумулятор представляет собой усовершенствованный вариант оригинального углеродно-цинкового элемента, в котором используются более чистые химические вещества, что обеспечивает более длительный срок службы и более стабильное выходное напряжение по мере использования, а также обеспечивает примерно в два раза больший срок службы по сравнению с цинково-углеродными элементами общего назначения, или до четырех время при непрерывном использовании или в приложениях с высоким дренажем.[1] Однако это все еще часть мощности щелочного элемента.

Щелочные батареи[7] обеспечивают до восьми раз больше времени работы от угольно-цинковых батарей,[8] особенно при длительном использовании или в приложениях с высоким дренажем.[1]

Место хранения

Производители рекомендуют хранить цинк-угольные батареи при комнатной температуре; хранение при более высоких температурах снижает ожидаемый срок службы.[9] Углеродно-цинковые батареи можно заморозить без повреждений; производители рекомендуют вернуть их к нормальной комнатной температуре перед использованием и конденсация на батарейном отсеке следует избегать. К концу 20-го века срок хранения цинк-углеродных элементов увеличился в четыре раза по сравнению с ожидаемым сроком службы в 1910 году.[1]

Долговечность

Цинк-углеродные элементы имеют короткое срок годности, так как цинк подвергается действию хлорида аммония. Цинковый контейнер становится тоньше по мере использования элемента, потому что металлический цинк окисляется до ионов цинка. Когда цинковый корпус достаточно истончается, хлорид цинка начинает вытекать из батареи. Старый сухой элемент не является герметичным и становится очень липким, поскольку паста просачивается через отверстия в цинковом корпусе. Цинковый корпус в сухом элементе становится тоньше, даже когда элемент не используется, потому что хлорид аммония внутри аккумулятора вступает в реакцию с цинком. Форма «наизнанку» с угольным колпачком и цинковыми лопатками внутри, хотя и более устойчива к утечкам, не производилась с 1960-х годов.[1]

Прогрессирующая коррозия цинк-угольных батарей

На этом рисунке показан цинковый контейнер свежих батарей в точках (а) и разряженных батарей в точках (б) и (в). Батарея, показанная в (c), имела полиэтилен защитная пленка (в основном снятая на фото), чтобы сохранить оксид цинка внутри корпуса.

Воздействие на окружающую среду

Тысячи тонн угольно-цинковых батарей выбрасываются каждый год во всем мире и часто не перерабатываются.

Утилизация зависит от юрисдикции. Например, в США штат Калифорния рассматривает все батареи как опасные отходы при утилизации и запрещает их утилизацию вместе с другими бытовые отходы.[10] В Европе утилизация батарей контролируется Директива WEEE и Директива по батареям правила, и поэтому угольно-цинковые батареи нельзя выбрасывать вместе с бытовыми отходами. В ЕС большинство магазинов, продающих аккумуляторы, по закону обязаны принимать старые аккумуляторы для переработка отходов.

Ячейка с хлоридом цинка в разобранном виде (аналогична ячейке с углеродным цинком). 1: целая ячейка, 2: стальной корпус, 3: цинковый отрицательный электрод, 4: угольный стержень, 5: положительный электрод (диоксид марганца, смешанный с угольным порошком и электролитом), 6: бумажный разделитель, 7: герметичная изоляция из полиэтилена, 8: уплотнительные кольца, 9: отрицательная клемма, 10: положительная клемма (первоначально подключенная к угольному стержню).

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм Линден, Дэвид; Редди, Томас Б. (2002). «8». Справочник аккумуляторов. Макгроу-Хилл. ISBN  978-0-07-135978-8.
  2. ^ «Ежемесячная статистика продаж аккумуляторов». Baj.or.jp. MoETI. Май 2020 г.. Получено 2020-08-07.
  3. ^ Статистика INOBAT 2008. В архиве 25 марта 2012 г. Wayback Machine.
  4. ^ Утилизация батарей - 2006 DEFRA.
  5. ^ Отчет об устойчивом развитии EPBA, 2010.
  6. ^ https://web.archive.org/web/20200609212007/https://www.explainthatstuff.com/batteries.html
  7. ^ "Положите заряд в свои сбережения". Чикаго Трибьюн. 2015-04-29. Получено 2015-06-19.
  8. ^ «Батареи с хлоридом цинка». Radio Shack. В архиве из оригинала от 12.02.2015. Получено 2015-06-19.
  9. ^ Eveready: Примечания по применению углеродного цинка, стр.13.
  10. ^ «Батареи». Обмен информацией по предотвращению образования отходов. Калифорнийский департамент переработки и восстановления ресурсов (CalRecycle). Получено 5 сентября 2012.

внешняя ссылка