Привет, сегодня поговорим про щелочной элемент, обещаю рассказать все что знаю. Для того чтобы лучше понимать что такое щелочной элемент, батарейка, щелочные элементы, литевая батарейка, алкалиновая батарейка, настоятельно рекомендую прочитать все из категории Источники питания радиоэлектронной аппаратуры.
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 . Они использовали щелочной электролит в никель-кадмиевых аккумуляторах.
В марганцево-цинковых элементах щелочной электролит впервые применил канадский инженер Льюис Урри (англ.)русск. в середине 1950-х годов, работавший в Union Carbide (англ.), выпускавшей элементы питания под маркой «Eveready». Льюис Урри использовал наработки Томаса Эдисона . В 1960-м году Урри вместе с Карлом Кордешем и Полом Маршалом получил патент на конструкцию щелочного элемента .
Работы над улучшением потребительских свойств первичных источников тока привели в шестидесятых годах к началу производства щелочных батареек. Название этот вид батареек получил по веществу электролита – концентрированному щелочному раствору. Для производства электролита используется гидроксид калия, реже гидроксид натрия. Сегодня щелочные батарейки часто называют алкалиновыми из-за надписи на корпусе батареек, выпущенных за рубежом “Alkaline” (щелочь). Другие участники электрохимической реакции в щелочной батарейке такие же как и у солевой батарейки – отрицательный электрод из цинка и положительный электрод из оксида марганца. Применение в качестве электролита раствора щелочи вместо раствора соли позволяет значительно улучшить эксплуатационные свойства батареек. Напряжение различных типов батареек составляет от 1,5 до 12 вольт. Существуют щелочные батарейки, рассчитанные на самые различные токи разряда.
Первая алкалиновая батарейка была изобретена американскими учеными Вольдемаром Юнгнером, и Томасом Эдисоном в начале двадцатого столетия, но популярность такие батарейки обрели не сразу. «Alkaline» в переводе с английского языка на русский означает «щелочь», поэтому они еще называются щелочными.
По своей конструкции щелочные батареи напоминают солевые. Разница состоит только в расположении частей. У алкалиновых также имеются два электрода и электролит. Порошкообразный цинк, пропитанный гидроокисью калия (3), играет роль анода. Располагается внутри элемента и обладает отрицательным зарядом, для снятия которого используется стержень из латуни (2),
Роль катода играет двуокись марганца, в которую добавляется графит или сажа (5). Они разделены сепаратором (4), который пропитан электролитом. Элемент с положительным выводом имеет форму стального стакана, покрытого никелем (1), а отрицательный выполнен из стали и напоминает тарелку (9).
Оболочка (6) препятствует короткому замыканию.
Газы, выделяющиеся при работе, давят на прокладку (8). Поскольку в данном элементе газов выделяется немного (в сравнении с солевым), то и размеры камеры тоже значительно меньше.
Предохранительная мембрана (7) предотвращает от возможного взрыва батареи. При превышении давления газов мембрана просто разорвется и элемент разгерметизируется. В результате образуется течь электролита.
Недостатки: довольно большая масса, дороговизна и невозможность «реанимации».
Сфера применения охватывает большое количество приборов. Такие батарейки необходимы для работы мощных фонариков, аудиоплееров, фотокамер, пультов от сигнализации. Самыми популярными считаются Duracell и Energizer, которые выпускаются американскими компаниями. Неплохо зарекомендовали себя Sony и Toshiba японского производства.
Между емкостью щелочных батареек и их разрядом существует обратно пропорциональная зависимость. Уменьшение емкости происходит постепенно, и при разрядке большими токами различие с солевыми будет десятикратное.
Производство щелочных элементов
Технологическая схема изготовления щелочных цилиндрических элементов (А-343 и др.) включает заготовительные и сборочные участки. На заготовительных участках изготавливают детали элемента — стальные никелированные корпуса, армированные крышки, токоотводы, изолирующие прокладки, гранулируется агломерат-пая смесь. На сборочном участке запрессовывают агломератную смесь в стальные корпуса и собирают элементы. Изготовление отрицательного электрода, заполнение межэлектродного пространства элемента загущенным электролитом и сборка элемента технологически объединены и проводятся сборочным автоматом.
На элементы наклеивают этикетку, и после контроля напряжения элементы упаковывают.
Ниже приведена технологическая схема изготовления цилиндрических щелочных элементов.
Сборка элементов стаканчиковой конструкции заключается в соединении деталей элемента — цинкового и двуокисномарганцевого электродов, пастовой диафрагмы, центрирующих шайб в единую конструкцию, герметизации элемента и оформлении внешнего вида.
На схеме показана последовательность отдельных операций при сборке стаканчиковых элементов № 373 («Марс»).
В отличие от солевых элементов щелочные могут работать при большем разрядном токе. 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 определенное время «отдыха». Однако при коротком замыкании или установке в неверной полярности также возможна течь электролита.
Области применения щелочных элементов
Щелочной элемент имеет то же рабочее напряжение, что и обычный марганцево-цинковый, но имеет большие емкость, разрядный ток, срок хранения и рабочий диапазон 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 счет 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).
Солевые элементы, Солевые батарейки (элемент Лекланше)
Это химические источники электрического тока, относящиеся к «сухому типу», еще недавно по популярности занимавшие первое место в мире за счет отличного соотношения между ценой и качеством. Их появление относится к 1865 году.
В состав батареек входит три элемента: два электрода (катод и анод) и электролит.
В качестве катода используется цинковая оболочка, анодом служит диоксид марганца, который пропитывают цинковым порошком. Отсюда у соляных батареек еще одно название – угольно- цинковые.
Раньше электролитом служил загущенный крахмалом хлористый аммоний (известный как пищевая добавка с кодом Е510). Затем раствор его заменили на хлористый цинк, в который иногда добавляют еще кальциевую соль соляной кислоты.
Прокладка, находящаяся между реактивами, пропускает электролит, ингредиенты при этом не контактируют между собой. Результатом химической окислительно-восстановительной реакции между двуокисью марганца (MnO2) и порошком цинка (Zn) становится ток. Цинк в результате химической реакции окисляется, а марганец восстанавливается.
Возникший электрический ток попадает на токосниматели, находящиеся внутри, и далее идет к раздельным электродам, находящимся на разных концах, а уже потом на электронное устройство.
Газовая камера необходима для поступления в нее газов, которые выделяются во время разряда и саморазряда.
Преимущества и недостатки солевых батареек
К преимуществам солевых батареек относятся маленький вес и низкая стоимость. Если давать им «отдохнуть», то срок службы продлится. Они способны хорошо поработать еще какое-то время, если их немного потрясти и постучать о руку. Комки электролита, находящегося внутри, при этом выравниваются.
Сравнение солевых и щелочных элементов
Для выбора нужного им варианта, потребителям приходится сравнивать первичные элементы питания между собой.
И солевые. и алкалиновые относятся к марганцево-цинковым, работают по одному принципу, выпускаемые размеры аналогичные. Возможно использование в одних устройствах. Одно значение напряжения, от 1,5 до 12 вольт.
Невозможность подзарядки (имеют способность взрываться).
Одинаковая утилизация. Просто выбросить отработанные элементы в мусорное ведро нельзя, поскольку они способны самостоятельно разлагаться и могут быть опасными для населения. Существуют специальные пункты по переработке.
С точки зрения экономии, наиболее доступными и дешевыми являются солевые. Производство обходится намного дешевле, выпускаются большими объемами. Больше преимуществ перед алколиновыми у них нет. Главное различие в составе электролита. У солевых батареек — это соляной раствор, а у алкалиновых — щелочь.
Благодаря такой конструкции, у щелочного элемента есть следующие особенности:
Производительность щелочных выше, их ОКПД (общий коэффициент полезного действия) в несколько раз превышает солевые аналоги, а срок службы алкалиновых больше в 5 раз. Разница большая, это позволяет иметь работоспособные приборы в течение продолжительного времени.
У алкалиновых батареек почти не изменяется напряжение на электродах.
Отсюда можно выделить следующие преимущества и недостатки:
Преимущества щелочных батареек
Ёмкость щелочной практически в четыре раза больше. При покупке нужно обязательно проверить дату изготовления. Если дата производства соляных батареек давняя, то покупать их не стоит, так как срок службы будет короткий.
Благодаря особенностям конструкции щелочная батарейка имеет преимущества и недостатки. Главным преимуществом является увеличенный ток разряда. По сравнению с солевыми батарейками щелочные имеют значительно увеличенный срок службы благодаря большому запасу реагентов. Срок хранения также увеличился и может составлять несколько лет. После года хранения емкость снижается не более чем на 10 %. Батарейки хорошо работают в широком температурном диапазоне. При работе напряжение батарейки долгое время не изменяется и только в конце срока службы резко уменьшается.
Щелочные батарейки дороже солевых, их вес больше из-за особенностей конструкции. Способы восстановления солевых батареек неприменимы к щелочным батарейкам. Так как емкость щелочных элементов питания существенно превышает емкость солевых, то их необходимо использовать в устройствах со средним и высоким потреблением энергии. Это электробритвы, плееры, диктофоны, а также фотовспышки и мощные фонари.
ЗАРЯЖАЕМЫЕ щелочные БАТАРЕЙКИ (не аккумуляторы)
Существуют способы подзарядки щелочных батареек, продлевающие их срок службы, но производителями такие действия не рекомендуются, результат подзарядки может быть самым непредсказуемым. Возможность небольшой зарядки щелочных батареек дает обратимость электрохимической реакции, протекающей при разряде, но конструкция не обеспечивает безопасную зарядку. Поэтому были разработаны специальные перезаряжаемые щелочные батареи, получившие названия полуторавольтовые аккумуляторы, заряжаемые щелочные батарейки или RAM (Reusable Alkaline Manganese, Rechargeable Alkaline Manganese – многократно используемые щелочные марганцевые), исключающие утечку электролита или разгерметизацию которые могут произойти при многократной перезарядке. Патент на первое поколение таких батареек был получен в Канаде. Их выпуск был начат в конце восьмидесятых годов.
К неоспоримым преимуществам следует отнести возможность приобретения химического источника питания готового к работе без предварительной зарядки. Если после приобретения аккумулятора его нужно вначале зарядить, а потом использовать, то заряжаемые батарейки можно сразу устанавливать бытовую технику, не имея под рукой зарядного устройства. Приобретая заряжаемую батарейку, мы получаем первичный источник тока. После первого разряда батарейку можно зарядить и она становится вторичным источником тока. Таким образом, заряжаемые батарейки занимают промежуточное положение между первичными и вторичными источниками тока. Напряжение батарейки составляет 1,5 вольта и почти не меняется до полного разряда. Эти батарейки могут работать в режиме разрядных токов до 600 миллиампер. Емкость батарейки габарита АА достигает 2 ампер-часа. Их внутренне сопротивление выше, чем внутреннее сопротивление обычных батареек. Активные вещества цинк и оксид марганца. Перезаряжаемые щелочные батарейки являются хорошей заменой никель-кадмиевых и никель-магниевых аккумуляторов. В заряженном состоянии заряжаемые батарейки могут храниться несколько лет. Цена заряжаемых батареек в два раза выше цены обычных щелочных, но ниже цены аккумуляторов. Длительный срок хранения, превосходящий показатели никель-кадмиевых, никель-магниевых аккумуляторов, отсутствие вредных веществ позволяет заряжаемым щелочным батарейкам составить конкуренцию аккумуляторам, применяемым в бытовой технике.
Щелочные батарейки имеют множество преимуществ перед батарейками других типов. Это позволило им завоевать популярность во всем мире.
