Меню

Главная
Случайная статья
Настройки
Сухая батарея
Материал из https://ru.wikipedia.org

Сухая батарея — необслуживаемая батарея, содержащая элементы (гальванические элементы или аккумуляторы), в которых электролит малоподвижен или не растекается за счет наличия адсорбирующего вещества, впитывающего влагу, или загустителя[1][2][3]. В отличие от элементов, содержащих жидкий электролит, сухие элементы содержат электролит в виде пасты или геля[4], увлажненных лишь до состояния, которое необходимо для прохождения через них электрического тока, что предотвращает возможность утечки электролита и является, наряду с компактностью, главным достоинством сухих батарей. В конструкциях сухих батарей могут быть использованы химические источники тока разных типов. К сухим батареям так же иногда относят металл-воздушные топливные элементы[4][не соответствует источнику].

Первая конструкция сухой батареи, имевшей коммерческое применение, была разработана Карлом Гасснером в 1886 году[5][a]

Содержание

История изобретения

В 1812 году Джузеппе Замбони описал в диссертационной работе "Сухая электрическая батарея" изобретенную им сухую гальваническую батарею, действующую без кислоты – Замбониев столб.[9]

В 1886 году Карл Гасснер запатентовал гальванический элемент, состоявший из двух коаксиальных цилиндров: внешний был сделан из цинка , служившего анодом, и представлял собой корпус батареи, внутренний — из прессованного диоксида марганца MnO2, выступавшего анодом, между которыми был электролит в виде пасты, состоящей из оксида цинка, хлорида аммония, гипса, использованного в качестве связующего, хлорида цинка и воды; в слой MnO2 был погружён углеродный стержень, служивший для отвода вырабатываемого тока[10]. Новация данного изобретения относительно, например, ранее разработанного элемента Лекланше со сходным химизмом процесса, использовавшего раствор хлорида аммония в качестве электролита, состояла в отсутствии у батареи Гасснера жидкого электролита, что увеличивало её портативность вследствие большей механической прочности, нечувствительности к наклону и перевороту, отсутствию протечек электролита, а также уменьшало коррозию цинкового анода, увеличивая долговечность батареи[11]. Впоследствии подобные конструкции батарей получили широкое распространение и стали носить тривиальное название цинк—углеродные батареи, хотя, с точки зрения электрохимии происходящих в ней процессов, они относятся к типу батарей марганцево—цинкового типа. В 1890 году Вильгельм Хеллесен запатентовал общую конструкцию такого элемента, без конкретизации материалов катода и состава иммобилизованого электролита, назвав её "сухой батареей"[12]. В 1896 году американская компания «National Carbon Company[англ.]» (предшественник «Energizer Battery Company») выпустила на массовый рынок первую сухую батарею под маркой «Columbia» размеров в шесть дюймов (примерно 15 см), массой около 1 кг[13] и напряжением 1,5 В; в 2005 году создание батареи «Columbia» было отнесено Американским химическим обществом к числу национальных исторически-важных химических достижений (National Historic Chemical Landmark[англ.]) США[11].

Классификация сухих батарей

Классификация по типу электрохимической системы

На сегодняшний день известны различные типы сухих батарей (элементов), относящихся как к первичным (не подлежащим перезарядке), так и вторичным (перезаряжаемым) элементам, которые отличаются используемыми в них химическими источниками тока (материалами катода, анода и иммобилизованного электролита). Международная электротехническая комиссия в рамках стандартов серии IEC 60086—2021, посвященной первичным сухим батареям[14], провела их классификацию, в том числе по типу электрохимической системы[15].
Классификация сухих батарей (элементов) по типу используемых электрохимических систем[15][16] [7]
Элементы Анод Электролит Катод Номинальное

напряжение, В

Макс.

напряжение, В

Маркировка

по IEC[15]

Источники
Гальванические (первичные) элементы (не подлежащие перезарядке )
Марганцево—цинковые

типа Лекланше

Цинк Хлорид аммония,

хлорид цинка

Диоксид марганца MnO2 1,5 1,725 нет [15][17][7][18]
Марганцево—цинковые

щелочные

Цинк Гидроксид щелочного

металла

Диоксид марганца MnO2 1,5 1,65 L [15][7]
Марганцево—алюминиевые Алюминий Хлорид алюминия,

хлорид аммония, хлорид хрома(III)

Диоксид марганца MnO2 — 1,80 — [19]
Марганцево—магниевые Магний Бромид магния Диоксид марганца MnO2 — 1,9 — [20]
Серебряно—цинковые Цинк Гидроксид щелочного

металла

Оксид серебра Ag2O 1,55 1,63 S [15][21] [22]
Воздушно—цинковые Цинк Хлорид аммония,

хлорид цинка

Кислород O2 1,4 1,55 A [15]
Цинк Гидроксид щелочного

металла

Кислород O2 1,4 1,68 P [15]
Никель—цинковые Цинк Гидроксид щелочного

металла

Оксигидроксид никеля

NiO(OH)

1,5 1,78 Z [15]
Ртуть—цинковые Цинк Гидроксид щелочного

металла

Ртуть Hg 1.3 — [15][23][24][7][25][26]
Литий-ионные Литий Органический электролит Монофторид углерода (CF)x 3 3,7 B [15]
Литий Органический электролит Диоксид марганца MnO2 3 3,7 C [15]
Литий Органический электролит Дисульфид железа FeS2 1,5 1,83 F [15]
Литий Органический электролит Оксид меди(II) CuO 1,5 2,3 G [15]
Литий Неводный неорганический

элетролит

Тионил хлорид SOCl2 3,6 3,9 E [15]
Аккумуляторы (вторичные) элементы (перезаряжаемые )
Никель—кадмиевые Кадмий Гидроксид щелочного

металла

Оксигидроксид никеля(III)

NiO(OH)

1,2 [27] 1,35 [7]
Полианилин—цинковые Цинк Хлорид цинка, хлорид аммония Полианилин — 1,29 — [28]


Загрязнение окружающей среды

Сухие батареи вносят значительный вклад в загрязнение окружающей среды, выступая одним из видов бытовых отходов. Агентство по защите окружающей среды США выделяло следующие основные типы сухих батарей, входящих в состав твердых бытовых отходов: марганцево—цинковые (в том числе щелочные), ртуть—цинковые, серебряно—цинковые и литий ионные первичные батареи, а также сухие никель—кадмиевые и герметичные свинцово—кислотные вторичные батареи для портативных устройств. При этом вклад сухих батарей в общие выбросы ртути в составе бытовых отходов в 1989 году составлял 88 %, кадмия —- 52 %[29]. Важно отметить, что в это время ртуть в виде оксида входила в состав не только ртуть—цинковых сухих батарей, но и в состав электролита марганцево—цинковых элементов[30]. В начале 1990-х годов в США был введён запрет на утилизацию любых батарей, содержащих ртуть, в составе твёрдых бытовых отходов, также жесткие ограничения были наложены на реализацию ртуть-содержащих марганцево—цинковых элементов, а также ртутно—цинковых батарей, содержащих оксид ртути (в части маркировки и информирования населения о способах утилизации)[31][32]; в результате к середине 1990-х годов потребление ртути в сухих батареях снизилось почти в десять раз, а к 2000 году ртуть перестали массово использовать в данных устройствах[29].

Переработка использованных сухих батарей

Одна из технологий переработки (BATENUS process), используемая в США, включает первичную сортировку смеси использованных сухих батарей различных типов — марганцево–цинковых (в том числе щелочных), никель–кадмиевых и литий-ионных, криогенную и многостадийную механическую обработку с последующим использованием гидрометаллургических процессов для выделения отдельных компонентов. После криогенной обработки батареи становятся хрупкими, и их измельченные после механической обработки части разделяют по размерам, плотности и магнитным характеристикам. Порошковые компоненты далее экстрагируют раствором  серной кислоты, металлы извлекают из экстракта методами электролиза и электродиализа[8]. Батареи, содержащие металлическую ртуть, отделяют и перерабатывают отдельно[8]; выделение ртути проводят путем обжига батарей и дальнейшего улавливания её паров[33].

В Германии с 1997 года используют подход к переработке сухих батарей, основанный на сочетании процессов жидкофазной экстракции, ионного обмена и мембранных технологий[8].

См. также

Литература

Примечания

Комментарии
  1. Ассоциации производителей аккумуляторов Японии (Battery Association of Japan) считает, что первооткрывателем сухих батарей был японский инженер Сакизо Яй, создавший сухую батарею в 1885 году, но не оформивший патент на своё изобретение[6] .


Источники
  1. ГОСТ Р МЭК 60050-482—2011, Раздел 482-04-14. Сухая батарея.
  2. Specification for Dry Cells and Batteries, 1959, Section 1.1, p. 1.
  3. ГОСТ Р 15596-82, Раздел 65. Сухая батарея.
  4. 1 2 Нурбей Гулиа. Удивительная физика 2-е изд., испр. и доп. — Litres, 2020-10-16. — 415 с. — ISBN 978-5-04-305417-3. Архивировано 18 марта 2024 года.
  5. Williams, p. 85.
  6. Сакидзо Яй. Изобретатель, опередивший эпоху электричества и известный как «король сухих батарей» (яп.). Mitsubishi Electric. Дата обращения: 23 марта 2024. Архивировано 7 апреля 2023 года.
  7. 1 2 3 4 5 6 Greenwood, Earnshaw, 1997, Chapter 29, p. 1204.
  8. 1 2 3 4 A.M Bernardes, D.C.R Espinosa, J.A.S Tenrio. Recycling of batteries: a review of current processes and technologies (англ.) // Journal of Power Sources. — 2004-05. — Vol. 130, iss. 1-2. — P. 291–298. — doi:10.1016/j.jpowsour.2003.12.026. Архивировано 13 апреля 2024 года.
  10. Galvanic Battery. US Patent No. 373 064 Архивная копия от 23 апреля 2024 на Wayback Machine.
  11. 1 2 Ginsberg, J. The Columbia Dry Cell Battery (англ.) // National Historic Chemical Landmarks : буклет. — American Chemical Society, 2005. Архивировано 18 марта 2024 года.
  12. Dry Battery. US Patent No. 439 151. Архивная копия от 8 августа 2024 на Wayback Machine.
  13. Williams, p. 86.
  14. EN IEC 60086-1:2021, Introduction.
  15. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 EN IEC 60086-1:2021, Section 4.1.4. Table 3.
  16. Specification for Dry Cells and Batteries, 1959, Tables 1A, 1B, p. 1—2.
  17. Specification for Dry Cells and Batteries, 1959, Table 1A, p. 1.
  18. Balasubramanian, 2016, p. 266—269.
  19. A. Sivashanmugam, Srikanth R. Prasad, R. Thirunakaran, S. Gopukumar. Electrochemical Performance of Al-MnO2 Dry Cells: An Alternative to Lechlanche Dry Cells (англ.) // Journal of The Electrochemical Society. — 2008. — Vol. 155, iss. 10. — P. A725. — doi:10.1149/1.2960897.
  20. Balasubramanian, 2016, p. 271—272.
  21. Silver Oxide Batteries. Safety Data Sheet. Tohoku Murata Manufacturing Co., Ltd. Section 14 (англ.).
  22. Cameron, 2009, p. 879.
  23. Specification for Dry Cells and Batteries, 1959, Table 1B, p. 2.
  24. Specification for Dry Cells and Batteries, 1959, Section 3, p. 3.
  25. Ruben, 1981, p. 233—245.
  26. Balasubramanian, 2016, p. 272—273.
  27. ГОСТ Р МЭК 61951-1-2019, Таблица. 2.
  28. Mu Shaolin, Ye Jinhai, Wang Yuhua. A rechargeable Zn/ZnCl2, NH4Cl/polyaniline/carbon dry battery // Journal of Power Sources. — 1993-06. — Т. 45, вып. 2. — С. 153–159. — ISSN 0378-7753. — doi:10.1016/0378-7753(93)87004-m.
  29. 1 2 Used Dry Cell Batteries: Is a Collection Program Right for Your Community? (англ.). nepis.epa.gov. United States Environmental Protection Agency. Дата обращения: 21 марта 2024. Архивировано 21 марта 2024 года.
  30. Seiya Yamaguchi, Nobuhiro Shimojo, Ken-Ichi Sano, Tsutomu Fujishima. Discovery of methyl mercury compound in dry batteries // Science of The Total Environment. — 1983-03-01. — Т. 27, вып. 1. — С. 53–58. — ISSN 0048-9697. — doi:10.1016/0048-9697(83)90123-7.
  31. US Public Law 104-142, 1996.
  32. Mercury in Batteries (англ.). www.epa.gov. United States Environmental Protection Agency (21 сентября 2015). Дата обращения: 23 марта 2024. Архивировано 23 марта 2024 года.
  33. Used Dry-cell Battery Recycling System (англ.). Nomura Kohsan Co., Ltd.. Дата обращения: 23 марта 2024. Архивировано 30 июня 2024 года.
Downgrade Counter