Щелочной элемент

Щелочные батарейки типоразмера C различных производителей

Об элементах периодической таблицы см. Щелочные металлы.

Щелочной элемент питания, щелочная батарейка (англ. alkaline battery; также в просторечии неграмотно алкалиновая батарейка, калька с английского языка) — марганцево-цинковый гальванический элемент питания с щелочным электролитом. Изобретён Льюисом Урри[1].

Кроме электролита, основное отличие щелочной батарейки от солевой — анод (отрицательный электрод[2]) в виде порошка, что увеличивает ток, отдаваемый этим элементом питания[1].

У стандартных элементов питания с щелочным электролитом анод состоит из цинка, а материалом катода может быть двуокись марганца, оксид серебра, кислород или метагидроксид никеля[3]}}.

История изобретения

Впервые использовать щелочной электролит в химических источниках тока предложили независимо друг от друга Вальдемар Джангнер^[англ.] в 1899 году и Томас Эдисон в 1901 году[4][5]. Они использовали щелочной электролит в никель-кадмиевых аккумуляторах.^[источник не указан 848 дней]

В марганцево-цинковых элементах питания щелочной электролит впервые применил канадский инженер Льюис Урри^[англ.] в середине 1950-х годов, работавший в Union Carbide, выпускавшей элементы питания под маркой «Eveready». Льюис Урри использовал наработки Томаса Эдисона[6]. В 1960 году Урри вместе с Карлом Кордешем и Полом Маршалом получил патент на конструкцию щелочного элемента[7].

Классификация

Щелочные элементы выпускаются в двух основных вариантах[8][9]:

• щелочной элемент питания (англ. Alkaline), масса таких элементов AA находится в пределах 22–24 г, ёмкость 2–3 Вт·ч, а масса и ёмкость элементов AAA — 11–12 г и 0,9–1,3 А·ч[8], ёмкость таких элементов одинакового типоразмера отличается не более, чем на треть[9];
• экономичный щелочной элемент питания (англ. ECO Alkaline) со сниженным количеством химикатов и приблизительно вдвое-втрое меньшей ёмкостью относительно обычных того же типоразмера, элементы «ECO Alkaline» типоразмера AA имеют массу около 18 г[9].

Характеристики

Типичные характеристики щелочного элемента питания:

• напряжение холостого хода: 1,58–1,64 В[8].
• начальное напряжение: 1,4–1,64 В[10];
• конечное напряжение: 0,7–0,9 В[10];
• удельная энергия: 60–90 Вт∙ч/кг[11][10];
• удельная мощность (ориентировочно): 5 Вт/кг[11];
• рабочая температура: −20…+70 °С[12];
• сохранность: 1–3 года[11]

Химические процессы

Гидроксид калия (KOH) диссоциирует на ионы:

${\displaystyle {\ce {K^+ + OH-}}}$

Затем на аноде щелочного элемента питания проходят реакции окисления цинка.

${\displaystyle {\ce {Zn + 2OH^- -> ZnO + H_2O + 2e^-}}}$

На катоде, в свою очередь, происходят реакции восстановления оксида марганца (IV) в оксид марганца (III)[13]:

${\displaystyle {\ce {2MnO_2 + H_2O + 2e^- -> Mn_2O_3 + 2OH^-}}}$

В целом, химические процессы внутри элемента при использовании KOH в качестве электролита можно описать следующим уравнением[14]:

${\displaystyle {\ce {Zn + 2KOH + 2MnO_2 + 2e^- -> 2e^- + ZnO + 2KOH + Mn_2O_3}}}$

При саморазряде батареи возможна очень слабая реакция KOH и ZnO:

${\displaystyle {\ce {ZnO + 2KOH + H_2O = K_2[Zn(OH)_4]}}}$

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 в 1,5 раза больше диоксида марганца.

Конструкция

Основные части щелочного элемента

По конструкции щелочной элемент похож на солевой, но основные части в нём расположены в обратном порядке[14]. Анодная паста (3) в виде цинкового порошка, пропитанного загущённым щелочным электролитом, располагается во внутренней части элемента и имеет отрицательный потенциал, который снимается латунным стержнем (2). От активной массы, диоксида марганца, смешанного с графитом или сажей (5), анодная паста отделена сепаратором (4), также пропитанным электролитом. Положительный вывод, в отличие от солевого элемента, выполнен в виде стального никелированного стакана (1), а отрицательный — в виде стальной тарелки (9).[14] Оболочка (6) изолирована от стакана и предотвращает короткое замыкание, которое может возникнуть при установке нескольких элементов в батарейный отсек[15]. Прокладка (8) 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 мембрана (7). 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 порошка[16], 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 ёмкости[12].

В отличие от солевых элементов, щелочные могут работать при большем разрядном токе[17]. 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)[18].

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 герметичным[19].

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 элемента[20]
• Меньший саморазряд, длительный срок хранения[12]
• Лучшая работа при низких температурах[12]
• Лучшая работа при больших токах нагрузки[12]
• Меньше падение напряжения по мере разряда[18]

Недостатки

• Более высокая цена[21]
• Большая масса
• Неприемлемы способы восстановления работоспособности, применимые для солевых элементов. Однако существуют особые конструкции щелочных элементов, допускающие определённое количество (обычно до 25) перезарядок[22]. Такие элементы называют «Rechargeable Alkaline Manganese» (RAM, перезаряжаемые щелочные марганцевые).

Примечания

1. Популярная механика №5, 2015.
2. ГОСТ Р 58593—2019 «Источники тока химические. Термины и определения»
3. ГОСТ Р МЭК 60086-1—2010 «Батареи первичные. Часть 1. Общие требования», Таблица 3 — Стандартизованные электрохимические системы
4. History of battery invention and development Архивная копия от 25 октября 2007 на Wayback Machine, allaboutbatteries.com (accessed Dec. 4, 2011)
5. IEEE, Edison's Alkaline Battery, IEEE Global History Network (accessed Dec. 4, 2011)
6. 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 Архивная копия от 29 ноября 2014 на Wayback Machine)
7. Патент US2960558 A — Dry cell
8. Надежин, А. Батарейки Goodhelper Alkaline: дно пробито  (рус.). Блог компании LampTest. Хабр (28 сентября 2022). Дата обращения: 29 сентября 2022. Архивировано 29 сентября 2022 года.
9. Надежин, А. Новая беда — батарейки уменьшенной ёмкости ECO-Alkaline  (рус.). Пишет Алексей Надёжин. Livejournal (31 января 2022). Дата обращения: 29 сентября 2022. Архивировано 29 сентября 2022 года.
10. Лекланше элемент // Куна — Ломами. — М. : Советская энциклопедия, 1973. — (Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 14).
11. Багоцкий, 1978.
12. Кромптон, 1986, с. 77.
13. Багоцкий, 1981, с. 224.
14. Вересов, 1983, с. 92.
15. Кромптон, 1986, с. 78−79.
16. Багоцкий, 1981, с. 225.
17. Кромптон, 1986, с. 79.
18. Кромптон, 1986, с. 79−80.
19. Лаврус, 1995.
20. Кромптон, 1986, с. 79−81.
21. Кромптон, 1986, с. 80−81.
22. Багоцкий, 1981, с. 227—229.

Литература

• Химические источники тока / Багоцкий В. С. // Франкфурт — Чага. — М. : Советская энциклопедия, 1978. — (Большая советская энциклопедия : [в 30 т.] / гл. ред. А. М. Прохоров ; 1969—1978, т. 28).
• Вересов, Г. П. Электропитание бытовой радиоэлектронной аппаратуры. — М. : Радио и связь, 1983. — С. 85—95. — 128 с. : ил.
• Китаев, В. В. Электропитание устройств связи : уч / В. В. Китаев, А. А. Бокуняев, М. Ф. Колканов. — М. : Связь, 1975. — С. 225—235. — 328 с. : ил. — 24 000 экз. — УДК 621.39:621.311.6(075.8)^(G).
• Костиков, В. Г. Источники электропитания электронных средств : Схемотехника и конструирование : Учебник для ВУЗов / В. Г. Костиков, Е. М. Парфенов, В. А. Шахнов. — 2 изд. — М. : Горячая линия — Телеком, 2001. — 344 с. — 3000 экз. — ISBN 5-93517-052-3.
• Кромптон, Т. Первичные источники тока = Small Batteries. Volume 2. Primary Cells. T. R. Crompton. The Macmillan Press Ltd., London, Basingstocke. 1982 : [пер. с англ.] / Под ред. канд. хим. наук Ю. А. Мазитова. — М. : Мир, 1986. — С. 76—96. — 328 с. : ил. — ББК 31.251. — УДК 621.355^(G).
• ГОСТ 15596—82 «Источники тока химические. Термины и определения»
• Работает дольше // Популярная механика : журн. — 2015. — № 5 (151) (май). — [На сайте журн. опубл. под назван. «Кем и когда была изобретена щелочная батарейка?»].
• Hamade, R. Life Cycle Analysis of AA Alkaline Batteries : [англ.] / R. Hamade, R. Al Ayache, M. B. Ghanem … [et al.] // Procedia Manufacturing : журн. — 2020. — Vol. 43. — P. 415–422. — doi:10.1016/j.promfg.2020.02.193.
• Лаврус, В. Батарейки и аккумуляторы : справочн.. — Киев : НиТ, 1995. — 42 с. — (Информационное Издание ; вып. 1).
• Багоцкий, В. С. Химические источники тока. / В. С. Багоцкий, А. М. Скундин. — М. : Энергоиздат, 1981. — С. 223−229. — 360 с.

Ссылки

• Марганцево-цинковые батарейки  (рус.). PowerInfo.ru.
• Батарея электропитания  (рус.). Энциклопедия Кругосвет.