Щелочной элемент

Впервые использовать щелочной электролит в химических источниках тока предложили независимо друг от друга Вальдемар Джангнер в 1899 году и Томас Эдисон в 1901 году[3][4]. Они использовали щелочной электролит в никель-кадмиевых аккумуляторах.

В марганцево-цинковых элементах питания щелочной электролит впервые применил канадский инженер Льюис Урри в середине 1950-х годов, работавший в Union Carbide, выпускавшей элементы питания под маркой «Eveready». Льюис Урри использовал наработки Томаса Эдисона[5]. В 1960 году Урри вместе с Карлом Кордешем и Полом Маршалом получил патент на конструкцию щелочного элемента[6].

Типичные характеристики щелочного элемента питания[7][8]:

• ЭДС элемента: 1,5 В;
• Удельная энергия: 65—90 Вт∙ч/кг;
• Удельная мощность: 100—150 кВт/м³;
• Рабочая температура: -30...+55 °С.

На аноде проходят реакции окисления цинка. Вначале образуется гидроксид цинка:

Zn + 2OH⁻ → Zn(OH)₂ + 2e⁻

Который затем разлагается на оксид цинка и воду.

Zn(OH)₂ → ZnO + H₂O

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

2MnO₂ + H₂O + 2e⁻ → Mn₂O₃ + 2OH⁻

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

Zn + 2KOH + 2MnO₂ + 2e⁻ → 2e⁻ + ZnO + 2KOH + Mn₂O₃

В отличие от солевого элемента, в щелочном 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.

Основные части щелочного элемента

По конструкции щелочной элемент похож на солевой, но основные части в нём расположены в обратном порядке. 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). Оболочка (6) изолирована от стакана и предотвращает короткое замыкание, которое может возникнуть при установке нескольких элементов в батарейный отсек. 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, однако такой способ продления срока хранения элементов делает элементы опасными для использования в быту. Поэтому в современные элементы вводят специальные органические ингибиторы коррозии.

Срок хранения щелочного элемента больше, чем у солевого, за счёт герметичной конструкции, также он не столь требователен к условиям хранения.

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 определённое время «отдыха». Однако при коротком замыкании или установке в неверной полярности также возможна течь электролита.

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).

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.

Отсюда можно выделить следующие преимущества и недостатки:

• 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).
• 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. — 328 с. : ил. — ББК 31.251. — УДК 621.355.
• ГОСТ 15596-82 : Источники тока химические. Термины и определения : (С изменением № 1.) Дата введения 1982-07-01.
• ГОСТ Р МЭК 60086-1-2010 : Батареи первичные. Часть 1. Общие требования : Дата введения 2011-07-01.
• Работает дольше // Популярная механика : журн. — 2015. — № 5 (151) (май). — [На сайте журн. опубл. под назван. «Кем и когда была изобретена щелочная батарейка?»].

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