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.
Історія
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.
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. 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.
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 належить 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 9 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 2 роки.
Термін зберігання
Низька температура і навіть заморожування не зумовлюють псування батарей, якщо температурні зміни від найнижчих до більш високих значень не є циклічними.
При зниженій температурі збільшується 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
Цей розділ статті ще . (8 жовтня 2020) |
Див. також
Примітки
- Ефимов И.П. Источники питания РЭА: Учебное пособие. – 2-е изд., испр. Ульяновск: УлГТУ, 2002. – 136 с.
- Москатов Е. А. Источники питания. — Киев.: "МК-Пресс", СПб.: "КОРОНА-ВЕК", 2011.—208 с, ил. ("КОРОНА-ВЕК") ("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)
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Vugilno cinkova batareya takozh solova margancevo cinkova batareya elektrichna batareya pervinnogo tipu yaka yavlyaye soboyu cinkovij kontejner sho odnochasno sluzhit yak kontejner i negativna klema negativnij polyus v yakomu pomisheni vugilnij grafitovij strizhen yavlyaye soboyu pozitivnu klemu pozitivnij polyus otochenij sumishshyu dioksidu margancyu IV i vuglecevogo poroshku pirolyuzit ta odin z dvoh elektrolitiv pasta hloridu cinku chi vologij hlorid amoniyu NH4Cl Yavlyaye soboyu podalshij rozvitok istorichnogo elementa Leklanshe Leclanche Vikoristovuyetsya dlya zberigannya himichnoyi energiyi z metoyu peretvorennya yiyi ta dostavki u formi elektrichnoyi energiyi Cink vuglecevi batareyi riznih rozmiriv Batareyi zazvichaj poznacheni yak dlya zagalnogo priznachennya v toj chas yak batareyi z hloridom cinku chasto markuyutsya Heavy Duty Ye duzhe shiroko poshirenimi zavdyaki yih nizkij vartosti Voni mozhut buti vikoristani za umov yaksho energiya dlya zhivlennya pristroyiv ne nadto velika abo koli pristroyi mayut pererivchastij tip zhivlennya pulti distancijnogo keruvannya lihtari godinniki tranzistorni radioprijmachi Shematichne zobrazhennya konstrukciyi vugilno cinkovoyi batareyiIstoriyaKonstrukciyaKatodnij strumoznimach yavlyaye soboyu vugilnij strizhen sho prohodit po osi batarejki Aktivna masa pozitivnogo elektrodu yavlyaye soboyu sumish dioksidu margancyu MnO2 z grafitom abo acetilenovoyu sazheyu i elektrolitom Suttyevo vplivaye na elektrichni harakteristiki batareyi tehnologiya virobnictva MnO2 Yak anod vikoristovuyut metalevij cink visokogo stupenya chistoti a yak elektrolit vodnij 20 rozchin hloridu amoniyu NH4Cl abo hloridu cinku ZnCl2 inkoli yih sumish z domishkami napriklad hloridom kalciyu CaCl2 Poperechnij peretin vugilno cinkovoyi batareyi 1 strumoprovid zverhu obtisnutij metalevim kovpachkom 2 katodnij strumoznimach yavlyaye soboyu vugilnij strizhen prosochenij spolukami na osnovi parafinu dlya zmenshennya vtrat vodi z elektrolitu 3 kontejner vigotovlenij z cinku ye minusovim elektrodom negativnij elektrod 4 pozitivnij elektrod yakij yavlyaye soboyu briket iz spresovanoyi aktivnoyi masi zvolozhenij elektrolitom u centri yakogo roztashovanij strumoprovid 2 5 vologa pasta hloridu amoniyu elektrolit 6 dno batareyi zakrivayut biloyu zherstyu b n goluboyu zalivkoyu na malyunku pokazano gazovu komirku v yaku nadhodyat gazi sho vidilyayutsya pri rozryadi i samorozryadi Zverhu nad neyu roztashovuyut prokladku yaka izolyuye aktivnu masu pozitivnogo elektrodu vid cinkovogo kontejnera Batareyi iz hloridnocinkovim elektrolitom znachno krashi oskilki za umovi navantazhennya yih serednimi i pidvishenimi strumami voni mozhut mati v 1 5 2 razi trivalishij termin roboti Takozh voni krashe pracyuyut pri nizkih temperaturah Batareyi vipuskayutsya najchastishe v cilindrichnomu vikonanni Rozmiri yih vidpovidayut tiporozmirnomu ryadu napracovanomu Mizhnarodnoyu Elektrotehnichnoyu komisiyeyu MEK z metoyu unifikaciyi gabaritnih rozmiriv cilindrovih pervinnih dzherel strumu Cink hloridni batareyi Hlor cinkovi batareyi ye riznovidom vugilno cinkovoyi batareyi Vidminnist mizh nimi polyagaye v elektroliti yakij u hloristo cinkovij batareyi yavlyaye soboyu tilki rozchin hloristogo cinku todi yak u vugilno cinkovij batareyi elektrolit poryad z hloristim cinkom mistit rozchin hloristogo amoniyu sumish elektrolitiv Vidmova vid vikoristannya hloristogo amoniyu pokrashuye elektrohimichni vlastivosti batareyi prote pri comu desho uskladnyuyetsya konstrukciya elementa Batareyi z vikoristannyam hloridu cinku ye polipshenimi u porivnyanni z vugilno cinkovimi suhimi batareyami oskilki z vikoristannyam chistih himichnih rechovin dosyagayetsya bilsh trivalij termin sluzhbi a napruga pri vikoristanni bilsh postijna U prodazhu chasto pomicheni napisom Heavy Duty shob vidrizniti yih vid zvichajnih vugilno cinkovih batarej zagalnogo priznachennya Na vidminu vid vugilno cinkovih batarej elektrodi hloristo cinkovih batarej zdatni pracyuvati bilsh efektivno i yak naslidok zabezpechuvati bilsh visokij koeficiyent vikoristannya aktivnih materialiv bilshij korisnij vihid po strumu Vnaslidok hloristo cinkovi batareyi mozhut pracyuvati v rezhimi z vidborom bilshogo strumu protyagom bilsh trivalogo chasu nizh vugilno cinkovi batareyi totozhnih rozmiriv Krim cogo hloristo cinkovi batareyi zabezpechuyut bilsh visoku stabilnist naprugi pid navantazhennyam a pri znizhenni temperaturi vtrachayut menshe yemnosti nizh vugilno cinkovi pri tih zhe samih umovah rozryadu Ci batareyi mozhut vikonuvatisya iz zbilshenimi gabaritami Konstrukciya takih batarej takozh peredbachaye specialni pristosuvannya dlya vidvodu gazu sho utvoryuyetsya pri rozryadi Luzhni batareyi pracyuyut dovshe nizh hloridnocinkovi Najprostisha solova margancevokisla cinkova batareya mozhe skladatis iz tonkostinnogo cinkovogo korpusu sho vikonuye funkciyu negativnogo elektroda useredini korpusu roztashovuyetsya vugilnij vivid pozitivnogo elektroda do yakogo priyednuyut metalevij nakonechnik dlya zruchnosti strumoznimannya a ob yem mizh elektrodami zapovnyuyut elektrolitom z hloristogo amiaku abo rozchinu nashatiryu z napovnyuvachem z boroshna sulemi abo krohmalyu i depolyarizatorom z perekisu abo dvookisu margancyu Himichni reakciyiU vugilno cinkovij suhij batareyi zovnishnij cinkovij kontejner ye negativnim polyusom Cink oksiduyetsya za nastupnim napivrivnyannyam Zn s Zn2 aq 2 e E 0 7626 volt Grafitovij sterzhen otochenij poroshkom oksidi manganu IV vidigraye rol pozitivnogo polyusa Dioksid manganu margancyu zmishanij z vugilnim poroshkom dlya zbilshennya pitomogo oporu Reakciya zapisuyetsya 2MnO2 s 2 e 2NH4Cl aq Mn2O3 s 2NH3 aq H2O l 2 Cl E 0 5 V i Cl z yednuyetsya z Zn2 U cij napivreakciyi marganec vidnovlyuyetsya zi stupenyu okisnennya 4 do 3 Mozhlivi takozh pobichni reakciyi ale v cilomu reakciyu u vugilno cinkovij batarejci mozhna zapisati nastupnim rivnyannyam Zn s 2MnO2 s 2NH4Cl aq Mn2O3 s Zn NH3 2Cl2 aq H2O l Vugilno cinkova suha batareya nalezhit do pervinnih batarej tomu yiyi ne mozhna perezaryadzhuvati Napruga i trivalistPid navantazhennyam robocha napruga vugilno cinkovoyi batareyi po miri yiyi rozryadu postupovo zmenshuyetsya Chim nizhcha kinceva napruga napruga pri yakij pristrij zhivitsya ta zberigaye pracezdatnist tim bilshi termin sluzhbi i chas roboti batareyi Tipovi znachennya kincevih naprug dlya batareyi z pochatkovoyu naprugoyu 9 U perebuvayut v intervali vid 0 65 do 1 1 V Docilno pragnuti do zabezpechennya menshogo znachennya ciyeyi naprugi shob najbilshoyu miroyu vikoristovuvati energiyu yaku mozhe viddati batareya Yaksho dozvolyaye pristrij yakij neobhidno zazhiviti batareyu obirayut z desho bilshoyu naprugoyu nizh ce neobhidne dlya normalnoyi roboti pristroyu Yak naslidok dosyagayetsya zmenshennya kincevoyi naprugi v rozrahunku na odnu batareyu i zabezpechuyetsya bilsh efektivne vikoristannya yiyi Vugilno cinkovi batareyi priznacheni dlya periodichnogo zhivlennya Yaksho intensivnist visoka trivalist roboti mala i napruga shvidko padaye Yaksho intensivnist nizka batareya pracyuvatime dovshe z menshim padinnyam naprugi Godin na den Zagalna trivalistDvi godini na den 110 gChotiri godini na den 105 gVisim godin na den 82 g24 godini na dobu 66 g Nominalna robocha yemnist vugilno cinkovoyi batareyi ne ye strogo pevnoyu velichinoyu bo viddana batareyeyu yemnist zalezhit vid umov yiyi rozryadu rozryadnogo strumu rezhimu rozryadu i kincevoyi naprugi Viddana yemnist zalezhit takozh vid robochoyi temperaturi i umov zberigannya batareyi do pochatku ekspluataciyi Viddavana yemnist zalezhit tak samo vid spivvidnoshennya trivalostej periodiv rozryadu i vidpochinku Najkrashe voni pracyuyut v umovah pererivchastogo vidboru strumu prote u dekotrih vipadkah voni mozhut viyavitisya efektivnimi pri roboti v umovah bezperervnogo rozryadu duzhe malim strumom u nastinnih godinnikah osoblivo Najchastishe batareyi priznacheni dlya roboti pri temperaturi 21 S Chim vishoyu bude temperatura batareyi pid chas rozryadu tim bilshoyu bude viddacha energiyi chim visha temperatura tim visha providnist elektrolitu i menshij vnutrishnij opir Za takih umov zbilshuyetsya i samorozryad batareyi Odnak visoka temperatura prizvodit do zmenshennya terminu zberigannya a trivalij vpliv temperaturi vishe 52 S zmozhe zumoviti poshkodzhennya batareyi Yaksho vnutrishnij opir malogabaritnoyi batareyi zanadto velikij to dlya togo shob zabezpechiti neobhidnij strum vibirayut batareyu velikih rozmiriv Vnutrishnij opir svizhoyi batareyi dosit malij ale vin pomitno zrostaye pri vikoristanni batareyi Vitoki elektrolituVitik elektrolitu i jogo nastupna kristalizaciya v suhih umovah Progresivna koroziya zliva napravo vugilno cinkovih batarej Dlya zmenshennya virogidnosti techi v rezultati pitingovoyi koroziyi tonkostinnogo cinkovogo kontejnera batareyu pomishayut u kartonnij abo polimernij futlyar Pri vikoristanni batareyi protyagom deyakogo chasu cink kontejnera staye tonshim oskilki metalevij cink okislyuyetsya i staye rozchinnim Kontejner povilno staye tonshim navit koli vin ne vikoristovuyetsya hlorid amoniyu vseredini maye kislu reakciyu i reaguye z cinkom Koli rozridzheno dosit cinku cinkovogo kontejnera hlorid cinku z batareyi pochinaye potraplyati nazovni Vitikannya elektrolitu mozhe buti pov yazane zi zbilshennyam aktivnoyi masi pozitivnogo elektrodu i vitiskannyam z jogo por elektrolitu Takij efekt dosit chasto sposterigayetsya pislya rozryadu silnimi strumami abo pislya korotkogo zamikannya Zbilshennyu vnutrishnogo ob yemu batareyi naprikinci yiyi rozryadu takozh spriyaye mozhlive utvorennya kisnyu v rezultati povilnogo rozkladu dioksidu margancyu a v rezultati koroziyi cinku vodnyu Tomu stari batareyi ne povinni buti zalisheni v elektrichnomu pristroyi oskilki ce mozhe poshkoditi jogo Vitoki ye lipkimi Termin sluzhbi cih batarej korotkij i stanovit blizko 2 roki Termin zberigannyaNizka temperatura i navit zamorozhuvannya ne zumovlyuyut psuvannya batarej yaksho temperaturni zmini vid najnizhchih do bilsh visokih znachen ne ye ciklichnimi Pri znizhenij temperaturi zbilshuyetsya batarej Visoka temperatura prizvodit do zmenshennya terminu zberigannya Trivalij vpliv temperaturi vishe 52 S mozhe prizvesti do poshkodzhennya batareyi Rekomendovana temperatura zberigannya 4 10 S Strok pridatnosti batarej ne perevishuye p yati rokiv z momentu vipusku Vpliv na navkolishnye seredovisheCej rozdil statti she ne napisano Vi mozhete dopomogti proyektu napisavshi jogo 8 zhovtnya 2020 Div takozhSuhij element Spisok tipiv elektrichnih batarejPrimitkiEfimov I P Istochniki pitaniya REA Uchebnoe posobie 2 e izd ispr Ulyanovsk UlGTU 2002 136 s ISBN 5 89146 268 0 Moskatov E A Istochniki pitaniya Kiev MK Press SPb KORONA VEK 2011 208 s il ISBN 978 5 7931 0846 1 KORONA VEK ISBN 978 966 8806 71 1 MK Press DzherelaShembel O M Bilogurov V A Osnovni harakteristiki suchasnih himichnih dzherel strumu riznih elektrohimichnih sistem Suchasna specialna tehnika Naukovo praktichnij zhurnal 2 17 2009 s 66 86