Вугільно-цинкова батарея
Вугільно-цинкова батарея, також сольова марганцево-цинкова батарея — електрична батарея первинного типу, яка являє собою цинковий контейнер, що одночасно служить як контейнер і негативна клема (негативний полюс), в якому поміщені вугільний (графітовий) стрижень (являє собою позитивну клему/позитивний полюс), оточений сумішшю діоксиду марганцю (IV) і вуглецевого порошку (піролюзит), та один з двох електролітів: паста хлориду цинку чи вологий хлорид амонію (NH4Cl). Являє собою подальший розвиток історичного елемента Лекланше (Leclanché). Використовується для зберігання хімічної енергії з метою перетворення її та доставки у формі електричної енергії.
Батареї зазвичай позначені як для "загального призначення", в той час як батареї з хлоридом цинку часто маркуються "Heavy Duty".
Є дуже широко поширеними завдяки їх низькій вартості. Вони можуть бути використані за умов якщо енергія для живлення пристроїв не надто велика або коли пристрої мають переривчастий тип живлення: пульти дистанційного керування, ліхтарі, годинники, транзисторні радіоприймачі.
Конструкція
Катодний струмознімач являє собою вугільний стрижень, що проходить по осі батарейки. Активна маса позитивного електроду являє собою суміш діоксиду марганцю MnO2 з графітом або ацетиленовою сажею і електролітом. Суттєво впливає на електричні характеристики батареї технологія виробництва MnO2.
Як анод використовують металевий цинк високого ступеня чистоти, а як електроліт — водний (20%) розчин хлориду амонію NH4Cl або хлориду цинку ZnCl2, інколи — їх суміш з домішками, наприклад, хлоридом кальцію CaCl2.
1 – струмопровід зверху обтиснутий металевим ковпачком.(+).
2 – катодний струмознімач являє собою вугільний стрижень, просочений сполуками на основі парафіну для зменшення втрат води з електроліту
3 – контейнер, виготовлений з цинку, є мінусовим електродом (негативний електрод)
4 – позитивний електрод, який являє собою брикет із спресованої активної маси, зволожений електролітом, у центрі якого розташований струмопровід (2)
5 – волога паста хлориду амонію (електроліт)
6 – дно батареї закривають білою жерстю (-).
*(б/н) – голубою заливкою на малюнку показано газову комірку, в яку надходять гази, що виділяються при розряді і саморозряді. Зверху над нею розташовують прокладку, яка ізолює активну масу позитивного електроду від цинкового контейнера
Батареї із хлоридноцинковим електролітом значно кращі, оскільки за умови навантаження їх середніми і підвищеними струмами, вони можуть мати в 1,5–2 рази триваліший термін роботи. Також вони краще працюють при низьких температурах.
Батареї випускаються найчастіше в циліндричному виконанні. Розміри їх відповідають типорозмірному ряду, напрацьованому Міжнародною Електротехнічною комісією (МЕК) з метою уніфікації габаритних розмірів циліндрових первинних джерел струму.
Цинк-хлоридні батареї
Хлор-цинкові батареї є різновидом вугільно-цинкової батареї. Відмінність між ними полягає в електроліті, який у хлористо-цинковій батареї являє собою тільки розчин хлористого цинку, тоді як у вугільно-цинковій батареї електроліт поряд з хлористим цинком містить розчин хлористого амонію (суміш електролітів).
Відмова від використання хлористого амонію покращує електрохімічні властивості батареї, проте, при цьому дещо ускладнюється конструкція елемента. Батареї з використанням хлориду цинку є поліпшеними, у порівнянні з вугільно-цинковими сухими батареями, оскільки з використанням чистих хімічних речовин, досягається більш тривалий термін служби, а напруга при використанні більш постійна. У продажу часто помічені написом "Heavy Duty", щоб відрізнити їх від звичайних вугільно-цинкових батарей "загального призначення".
На відміну від вугільно-цинкових батарей, електроди хлористо-цинкових батарей здатні працювати більш ефективно і, як наслідок, забезпечувати більш високий коефіцієнт використання активних матеріалів (більший корисний вихід по струму). Внаслідок, хлористо-цинкові батареї можуть працювати в режимі з відбором більшого струму протягом більш тривалого часу, ніж вугільно-цинкові батареї тотожних розмірів. Крім цього, хлористо-цинкові батареї забезпечують більш високу стабільність напруги під навантаженням, а при зниженні температури втрачають менше ємності, ніж вугільно-цинкові при тих же самих умовах розряду.[1] Ці батареї можуть виконуватися із збільшеними габаритами.
Конструкція таких батарей також передбачає спеціальні пристосування для відводу газу, що утворюється при розряді.
Лужні батареї працюють довше, ніж хлоридноцинкові.
Найпростіша сольова марганцевокисла цинкова батарея може складатись із тонкостінного цинкового корпусу, що виконує функцію негативного електрода; усередині корпусу розташовується вугільний вивід позитивного електрода, до якого приєднують металевий наконечник для зручності струмознімання, а об'єм між електродами заповнюють електролітом з хлористого аміаку або розчину нашатирю з наповнювачем з борошна, сулеми або крохмалю і деполяризатором з перекису або двоокису марганцю.[2]
Хімічні реакції
У вугільно-цинковій сухій батареї зовнішній цинковий контейнер є негативним полюсом. Цинк оксидується за наступним напіврівнянням
- Zn(s) → Zn2+(aq) + 2 e− [E° = +0.7626 вольт]
Графітовий стержень оточений порошком оксиди мангану (IV) відіграє роль позитивного полюса. Діоксид мангану (марганцю) змішаний з вугільним порошком для збільшення питомого опору. Реакція записується:
- 2MnO2(s) + 2 e− + 2NH4Cl(aq) → Mn2O3(s) + 2NH3(aq) + H2O(l) + 2 Cl− [E° ≈ +0.5 В]
і Cl− з'єднується з Zn2+.
У цій напівреакції марганець відновлюється зі ступеню окиснення (+4) до (+3).
Можливі також побічні реакції, але в цілому реакцію у вугільно-цинковій батарейці можна записати наступним рівнянням:
- Zn(s) + 2MnO2(s) + 2NH4Cl(aq) → Mn2O3(s) + Zn(NH3)2Cl2 (aq) + H2O(l)
Вугільно-цинкова суха батарея відноситься до первинних батарей, тому її не можна перезаряджувати.
Напруга і тривалість
Під навантаженням робоча напруга вугільно-цинкової батареї по мірі її розряду поступово зменшується. Чим нижча кінцева напруга (напруга, при якій пристрій живиться та зберігає працездатність), тим більші термін служби і час роботи батареї. Типові значення кінцевих напруг для батареї з початковою напругою 1,5 У перебувають в інтервалі від 0,65 до 1,1 В. Доцільно прагнути до забезпечення меншого значення цієї напруги, щоб найбільшою мірою використовувати енергію, яку може віддати батарея. Якщо дозволяє пристрій, якій необхідно заживити, батарею обирають з дещо більшою напругою, ніж це необхідне для нормальної роботи пристрою. Як наслідок — досягається зменшення кінцевої напруги в розрахунку на одну батарею і забезпечується більш ефективне використання її.
Вугільно-цинкові батареї призначені для періодичного живлення. Якщо інтенсивність висока, тривалість роботи мала і напруга швидко падає. Якщо інтенсивність низька, батарея працюватиме довше з меншим падінням напруги.
| Годин на день | Загальна тривалість |
|---|---|
| Дві години на день | 110 г |
| Чотири години на день | 105 г |
| Вісім годин на день | 82 г |
| 24 години на добу | 66 г |
Номінальна робоча ємність вугільно-цинкової батареї не є строго певною величиною, бо віддана батареєю ємність залежить від умов її розряду (розрядного струму, режиму розряду і кінцевої напруги). Віддана ємність залежить також від робочої температури і умов зберігання батареї до початку експлуатації.
Віддавана ємність залежить так само від співвідношення тривалостей періодів розряду і відпочинку. Найкраще вони працюють в умовах переривчастого відбору струму, проте у декотрих випадках вони можуть виявитися ефективними при роботі в умовах безперервного розряду дуже малим струмом (у настінних годинниках особливо).
Найчастіше, батареї призначені для роботи при температурі 21°С. Чим вищою буде температура батареї під час розряду, тим більшою буде віддача енергії — чим вища температура, тим вища провідність електроліту і менший внутрішній опір. За таких умов збільшується і саморозряд батареї. Однак висока температура призводить до зменшення терміну зберігання, а тривалий вплив температури вище 52°С зможе зумовити пошкодження батареї.
Якщо внутрішній опір малогабаритної батареї занадто великий, то для того щоб забезпечити необхідний струм вибирають батарею великих розмірів. Внутрішній опір «свіжої» батареї досить малий, але він помітно зростає при використанні батареї.
Витоки електроліту
При використанні батареї протягом деякого часу, цинк контейнера стає тоншим, оскільки металевий цинк окислюється і стає розчинним. Контейнер повільно стає тоншим, навіть коли він не використовується — хлорид амонію всередині має кислу реакцію і реагує з цинком.
Коли розріджено досить цинку цинкового контейнера, хлорид цинку з батареї починає потрапляти назовні. Витікання електроліту, може бути пов'язане зі збільшенням активної маси позитивного електроду і витисканням з його пор електроліту. Такий ефект досить часто спостерігається після розряду сильними струмами або після короткого замикання. Збільшенню внутрішнього об'єму батареї, наприкінці її розряду, також сприяє можливе утворення кисню в результаті повільного розкладу діоксиду марганцю, а в результаті корозії цинку — водню. Тому старі батареї не повинні бути залишені в електричному пристрої, оскільки це може пошкодити його. Витоки є липкими.
Термін служби цих батарей короткий і становить близько 1,5 років.
Термін зберігання
Низька температура і навіть заморожування не зумовлюють псування батарей, якщо температурні зміни від найбільш низьких до більш високих значень не є циклічними.
При зниженій температурі збільшується термін зберігання батарей.
Висока температура призводить до зменшення терміну зберігання. Тривалий вплив температури вище 52°С може призвести до пошкодження батареї.
Рекомендована температура зберігання — 4-10°С.
Строк придатності батарей не перевищує п'яти років з моменту випуску.
Вплив на навколишнє середовище
Див. також
- Сухий елемент
- Комірка Лекланше
- Список типів електричних батарей
Примітки
- Ефимов И.П. Источники питания РЭА: Учебное пособие. – 2-е изд., испр. Ульяновск: УлГТУ, 2002. – 136 с. ISBN 5-89146-268-0
- Москатов Е. А. Источники питания. — Киев.: "МК-Пресс", СПб.: "КОРОНА-ВЕК", 2011.—208 с, ил. ISBN 978-5-7931-0846-1 ("КОРОНА-ВЕК") ISBN 978-966-8806-71-1 ("МК-Пресс")
Джерела
- Шембель О. М., Білогуров В. А. Основні характеристики сучасних хімічних джерел струму різних електрохімічних систем // Сучасна спеціальна техніка. Науково-практичний журнал. — №2(17), 2009. (с.:66-86)