Щелочной элемент

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].

Щелочные батарейки типоразмера C различных производителей

Об элементах периодической таблицы см. Щелочные металлы.

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 1004 дня]}

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^[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).