Вугільно-цинковий гальванічний елемент (також відомий як сольовий марганцево-цинковий гальванічний елемент) — гальванічний елемент, який 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.
Елементи зазвичай позначені як для «загального призначення», в той час як елементи з хлоридом цинку часто маркуються «Heavy Duty».
Є дуже широко поширеними завдяки їх низькій вартості. Вони можуть бути використані за умови, що енергія для живлення пристроїв не є надто великою або коли пристрої мають переривчастий тип живлення: пульти дистанційного керування, ліхтарі, годинники, транзисторні радіоприймачі.
Історія
Цей розділ статті ще . (13 серпня 2024) |
Конструкція
Катодний струмознімач являє собою вугільний стрижень, що проходить по осі елемента. Активна маса позитивного електрода 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.
Елементи з 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.
Елементи 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 елементи
Хлор-цинкові елементи є різновидом вугільно-цинкових елементів. Відмінність між ними полягає в електроліті, який у хлористо-цинковому елементі являє собою тільки розчин хлористого цинку, тоді як у вугільно-цинковому елементі електроліт поряд з хлористим цинком містить розчин хлористого амонію (суміш електролітів).
Відмова від використання хлористого амонію покращує електрохімічні властивості елемента, проте, при цьому дещо ускладнюється конструкція елемента. Елементи з використанням хлориду цинку є поліпшеними, у порівнянні з вугільно-цинковими сухими елементами, 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 елементів "загального призначення".
На відміну від вугільно-цинкових елементів, електроди хлористо-цинкових елементів здатні працювати більш ефективно і, як наслідок, забезпечувати більш високий коефіцієнт використання активних матеріалів (більший корисний вихід по струму). Внаслідок цього, хлористо-цинкові елементи можуть працювати в режимі з відбором більшого струму протягом більш тривалого часу, ніж вугільно-цинкові елементи тих же розмірів. Крім цього, хлористо-цинкові елементи забезпечують більш високу стабільність напруги під навантаженням, а при зниженні температури втрачають менше ємності, ніж вугільно-цинкові, при тих же самих умовах розряду. Ці елементи можуть виконуватися зі збільшеними габаритами.
Конструкція таких елементів також передбачає спеціальні пристосування для відводу газу, що утворюється при розряді.
Лужні елементи працюють довше, ніж хлористо-цинкові.
Найпростіший сольовий марганцевокислий цинковий елемент 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-цинковому сухому елементі 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-цинковому гальванічному елементі можна записати наступним рівнянням:
- Zn(s) + 2MnO2(s) + 2NH4Cl(aq) → Mn2O3(s) + Zn(NH3)2Cl2 (aq) + H2O(l)
Вугільно-цинкова сухий елемент належить до первинних елементів, тому його не можна заряджати.
Напруга і тривалість
Під навантаженням робоча напруга вугільно-цинкового елемента, по мірі його розряду, поступово зменшується. Чим нижча кінцева напруга (напруга, при якій пристрій живиться та зберігає працездатність), тим більші термін служби і час роботи елемента. Типові значення кінцевих напруг для елемента з початковою напругою 1,5 В лежать в інтервалі від 0,65 до 1,1 В. Доцільно прагнути до забезпечення меншого значення цієї напруги, щоб найбільшою мірою використати енергію, яку може віддати елемент. Якщо дозволяє пристрій, який необхідно заживити, батарею з елементів обирають з дещо більшою напругою, ніж це необхідно для нормальної роботи пристрою. Як наслідок — досягається зменшення кінцевої напруги в розрахунку на один елемент і забезпечується більш ефективне їх використання.
Вугільно-цинкові елементи призначені для періодичного живлення. Якщо інтенсивність висока, тривалість роботи мала і напруга швидко падає. Якщо інтенсивність низька, елемент працюватиме довше і з меншим падінням напруги.
Годин на день | Загальна тривалість |
---|---|
Дві години на день | 110 год |
Чотири години на день | 105 год |
Вісім годин на день | 82 год |
24 години на добу | 66 год |
Номінальна робоча ємність вугільно-цинкового елемента не є строго певною величиною, бо віддана елементом ємність залежить від умов його розряду (розрядного струму, режиму розряду і кінцевої напруги). Віддана ємність залежить також від робочої температури і умов зберігання елемента 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 і при роботі в умовах безперервного розряду дуже малим струмом (наприклад, у настінних годинниках).
Найчастіше, батареї призначені для роботи при температурі 21 °С. Чим вищою буде температура елемента під час розряду, тим більшою буде віддача енергії, — чим вища температура, тим вища провідність електроліту і менший внутрішній опір. Однак за таких умов збільшується і саморозряд батареї, тому висока температура призводить до зменшення терміну зберігання, а тривалий вплив температури вище 52 °С може зумовити пошкодження елемента.
Якщо внутрішній опір малогабаритного елемента занадто великий, то для того щоб забезпечити необхідний струм вибирають елемент більших розмірів. Внутрішній опір «свіжого» елемента досить малий, але він помітно зростає при його використанні.
Витоки електроліту
При використанні елемента 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 цинк 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 елементи не повинні залишатися в електричному пристрої, оскільки це може пошкодити його. Витоки є липкими.
Термін служби цих елементів короткий і становить близько 2 років.
Термін зберігання
Низька температура і навіть заморожування не зумовлюють псування елементів, якщо температурні зміни від найнижчих до більш високих значень не є циклічними.
При зниженій температурі збільшується елементів.
Висока температура призводить до зменшення терміну зберігання. Тривалий вплив температури вище 52°С може призвести до пошкодження елементів.
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. — 2009. — № 2 (17). — 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 cinkovij galvanichnij element takozh vidomij yak solovij margancevo cinkovij galvanichnij element galvanichnij element yakij 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 Vugilno cinkovi galvanichni elementiyi riznih rozmiriv sprava i vugilno cinkova galvanichna batareya pryamokutna zliva Elementi zazvichaj poznacheni yak dlya zagalnogo priznachennya v toj chas yak elementi z hloridom cinku chasto markuyutsya Heavy Duty Ye duzhe shiroko poshirenimi zavdyaki yih nizkij vartosti Voni mozhut buti vikoristani za umovi sho energiya dlya zhivlennya pristroyiv ne ye nadto velikoyu abo koli pristroyi mayut pererivchastij tip zhivlennya pulti distancijnogo keruvannya lihtari godinniki tranzistorni radioprijmachi Shematichne zobrazhennya konstrukciyi vugilno cinkovogo galvanichnogo elementaIstoriyaCej rozdil statti she ne napisano Vi mozhete dopomogti proyektu napisavshi jogo 13 serpnya 2024 KonstrukciyaKatodnij strumoznimach yavlyaye soboyu vugilnij strizhen sho prohodit po osi elementa Aktivna masa pozitivnogo elektroda 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 cinkovogo galvanichnogo elementa 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 elementa 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 Elementi z 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 Elementi 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 elementi Hlor cinkovi elementi ye riznovidom vugilno cinkovih elementiv Vidminnist mizh nimi polyagaye v elektroliti yakij u hloristo cinkovomu elementi yavlyaye soboyu tilki rozchin hloristogo cinku todi yak u vugilno cinkovomu elementi elektrolit poryad z hloristim cinkom mistit rozchin hloristogo amoniyu sumish elektrolitiv Vidmova vid vikoristannya hloristogo amoniyu pokrashuye elektrohimichni vlastivosti elementa prote pri comu desho uskladnyuyetsya konstrukciya elementa Elementi z vikoristannyam hloridu cinku ye polipshenimi u porivnyanni z vugilno cinkovimi suhimi elementami 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 elementiv zagalnogo priznachennya Na vidminu vid vugilno cinkovih elementiv elektrodi hloristo cinkovih elementiv zdatni pracyuvati bilsh efektivno i yak naslidok zabezpechuvati bilsh visokij koeficiyent vikoristannya aktivnih materialiv bilshij korisnij vihid po strumu Vnaslidok cogo hloristo cinkovi elementi mozhut pracyuvati v rezhimi z vidborom bilshogo strumu protyagom bilsh trivalogo chasu nizh vugilno cinkovi elementi tih zhe rozmiriv Krim cogo hloristo cinkovi elementi zabezpechuyut bilsh visoku stabilnist naprugi pid navantazhennyam a pri znizhenni temperaturi vtrachayut menshe yemnosti nizh vugilno cinkovi pri tih zhe samih umovah rozryadu Ci elementi mozhut vikonuvatisya zi zbilshenimi gabaritami Konstrukciya takih elementiv takozh peredbachaye specialni pristosuvannya dlya vidvodu gazu sho utvoryuyetsya pri rozryadi Luzhni elementi pracyuyut dovshe nizh hloristo cinkovi Najprostishij solovij margancevokislij cinkovij element 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 cinkovomu suhomu elementi 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 cinkovomu galvanichnomu elementi mozhna zapisati nastupnim rivnyannyam Zn s 2MnO2 s 2NH4Cl aq Mn2O3 s Zn NH3 2Cl2 aq H2O l Vugilno cinkova suhij element nalezhit do pervinnih elementiv tomu jogo ne mozhna zaryadzhati Napruga i trivalistPid navantazhennyam robocha napruga vugilno cinkovogo elementa po miri jogo rozryadu postupovo zmenshuyetsya Chim nizhcha kinceva napruga napruga pri yakij pristrij zhivitsya ta zberigaye pracezdatnist tim bilshi termin sluzhbi i chas roboti elementa Tipovi znachennya kincevih naprug dlya elementa z pochatkovoyu naprugoyu 1 5 V lezhat v intervali vid 0 65 do 1 1 V Docilno pragnuti do zabezpechennya menshogo znachennya ciyeyi naprugi shob najbilshoyu miroyu vikoristati energiyu yaku mozhe viddati element Yaksho dozvolyaye pristrij yakij neobhidno zazhiviti batareyu z elementiv obirayut z desho bilshoyu naprugoyu nizh ce neobhidno dlya normalnoyi roboti pristroyu Yak naslidok dosyagayetsya zmenshennya kincevoyi naprugi v rozrahunku na odin element i zabezpechuyetsya bilsh efektivne yih vikoristannya Vugilno cinkovi elementi priznacheni dlya periodichnogo zhivlennya Yaksho intensivnist visoka trivalist roboti mala i napruga shvidko padaye Yaksho intensivnist nizka element pracyuvatime dovshe i z menshim padinnyam naprugi Godin na den Zagalna trivalist Dvi godini na den 110 god Chotiri godini na den 105 god Visim godin na den 82 god 24 godini na dobu 66 god Nominalna robocha yemnist vugilno cinkovogo elementa ne ye strogo pevnoyu velichinoyu bo viddana elementom yemnist zalezhit vid umov jogo rozryadu rozryadnogo strumu rezhimu rozryadu i kincevoyi naprugi Viddana yemnist zalezhit takozh vid robochoyi temperaturi i umov zberigannya elementa 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 i pri roboti v umovah bezperervnogo rozryadu duzhe malim strumom napriklad u nastinnih godinnikah Najchastishe batareyi priznacheni dlya roboti pri temperaturi 21 S Chim vishoyu bude temperatura elementa pid chas rozryadu tim bilshoyu bude viddacha energiyi chim visha temperatura tim visha providnist elektrolitu i menshij vnutrishnij opir Odnak za takih umov zbilshuyetsya i samorozryad batareyi tomu visoka temperatura prizvodit do zmenshennya terminu zberigannya a trivalij vpliv temperaturi vishe 52 S mozhe zumoviti poshkodzhennya elementa Yaksho vnutrishnij opir malogabaritnogo elementa zanadto velikij to dlya togo shob zabezpechiti neobhidnij strum vibirayut element bilshih rozmiriv Vnutrishnij opir svizhogo elementa dosit malij ale vin pomitno zrostaye pri jogo vikoristanni Vitoki elektrolituVitik elektrolitu i jogo nastupna kristalizaciya v suhih umovah Progresivna koroziya zliva napravo vugilno cinkovih galvanichnih elementiv Dlya zmenshennya virogidnosti techi v rezultati pitingovoyi koroziyi tonkostinnogo cinkovogo kontejnera elementi pomishayut u kartonnij abo polimernij futlyar Pri vikoristanni elementa 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 cink 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 elementi ne povinni zalishatisya v elektrichnomu pristroyi oskilki ce mozhe poshkoditi jogo Vitoki ye lipkimi Termin sluzhbi cih elementiv korotkij i stanovit blizko 2 rokiv Termin zberigannyaNizka temperatura i navit zamorozhuvannya ne zumovlyuyut psuvannya elementiv yaksho temperaturni zmini vid najnizhchih do bilsh visokih znachen ne ye ciklichnimi Pri znizhenij temperaturi zbilshuyetsya elementiv Visoka temperatura prizvodit do zmenshennya terminu zberigannya Trivalij vpliv temperaturi vishe 52 S mozhe prizvesti do poshkodzhennya elementiv 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 2009 2 17 S 66 86