Щығару тетігі сілтілі батареялар және олардың қолданылуы

Кіріспе

Электр батареясының түрі

Сілтілі батарея (IEC коды: L) – электролитінің (көбінесе калий гидроксиді) pH көрсеткіші 7-ден жоғары болатын бастапқы батареяның түрі. Әдетте, бұл батареялар мырыш металлы мен марганец диоксиді арасындағы реакциядан энергия алады. Лекланше батареялары немесе мырыш хлориді типтес мырыш-көміртекті батареялармен салыстырғанда, сілтілі батареялардың энергия тығыздығы жоғары және сақтау мерзімі ұзақ, бірақ кернеуі бірдей болады. Сілтілі батарея өз атын калий гидроксидінен (KOH) алады, себебі оның электролиті сілтілі, ал мырыш-көміртекті батареялардың электролиті қышқыл аммоний хлориді (NH4Cl) немесе мырыш хлориді (ZnCl2) болып табылады. Басқа батарея жүйелері де сілтілі электролиттерді пайдаланады, бірақ электродтары үшін басқа белсенді материалдар қолданылады. АҚШ-та өндірілген батареялардың 80%-ы сілтілі батареялар, ал әлем бойынша 10 миллиардтан астам бөлігі өндіріледі. Жапонияда сілтілі батареялар барлық бастапқы батареялар сатылымының 46%-ын құрайды. Швейцарияда – 68%, Ұлыбританияда – 60%, ал ЕО-да – 47% батарея сатылымының үлесін құрайды (қайта зарядталатын түрлері қоса алғанда). Сілтілі батареялардың құрамында мырыш (Zn) және марганец диоксиді (MnO2) (Денсаулық сақтау коды 1) бар, ол жинақы нейротоксин және жоғары концентрацияда улы болуы мүмкін. Дегенмен, басқа батарея түрлерімен салыстырғанда, сілтілі батареялардың улылығы орташа деңгейде. Сілтілі батареялар портативті медиа плеерлер, цифрлық камералар, ойыншықтар, фонарьлар және радио сияқты көптеген тұрмыстық заттарда қолданылады.

Тарих

1899 жылы Вальдемар Юнгнер, ал 1901 жылы Томас Эдисон тәуелсіз түрде сілтілік (қышқыл емес) электролитті аккумуляторларды алғаш рет жасады. Қазіргі заманғы сілтілік құрғақ батареяны, мырыш/марганец диоксиді химиясын қолдана отырып, 1950 жылдары канадалық инженер Льюис Урри Канадада ойлап тапты. Бұл, Кливленд, Огайодағы Union Carbide компаниясының Eveready Battery бөлімінде жұмыс істеуге кіріспес бұрын, Эдисонның бұрынғы жұмысына негізделген еді. 1957 жылдың 9 қазанында Урри, Карл Кордеш және П. А. Марсал сілтілік батареяға АҚШ патентін (2 960 558) тіркеді. Патент 1960 жылы мақұлданды және Union Carbide Corporation компаниясына берілді. 1960 жылдардың соңында сілтілік батареялар енгізілген кезде, олардың мырыш электродтарында (сол кезде кең таралған көміртекті мырыш элементтері сияқты) сынап амальгамасының жұқа қабығы болды. Оның мақсаты мырыштағы қоспаларды электролиттік әрекет ету арқылы бақылау болды; себебі, бұл қажетсіз электролиттік әрекет сақтау мерзімін қысқартып, ағып кетуге себеп болар еді. Әртүрлі заң шығарушы органдар сынаптың мөлшерін азайтуды талап еткенде, мырыштың тазалығы мен сапасын едәуір жақсарту қажет болды.

Қуаттылығы

Алкальды батареяның сыйымдылығы жүктемеге өте күшті тәуелді. АА өлшемді алкальды батареяның тиімді сыйымдылығы төмен ток тұтынуда 3000-ға жете алады, бірақ 1 жүктемеде, бұл цифрлық камералар үшін кең таралған, сыйымдылық 700-ге дейін төмендеуі мүмкін. Батарея пайдаланылған кезде кернеуі үздіксіз төмендейді, сондықтан жалпы пайдалы сыйымдылық қолданбаның кесу кернеуіне байланысты болады.

Кернеу

Жаңа сілтілік элементтің номиналды кернеуі өндіруші стандарттары бойынша 1,5-ке тең. Жаңа сілтілік батареяның нақты жүктемесіз кернеуі 1,50-ден басталады және қолданылған марганец диоксидінің тазалығына және электролиттегі мырыш оксидінің мөлшеріне байланысты өзгереді. Жүктемеге берілетін кернеу, ток күші артуымен және элемент разрядтала келе төмендейді. Элементтің кернеуі шамамен 0,9-ға дейін төмендеген кезде толық разрядталған деп есептеледі. Тізбектей жалғанған элементтердің кернеуі, әрбір элементтің кернеулерінің қосындысына тең болады (мысалы, үш жаңа элемент шамамен 4,5 В береді). + AA батареясының кернеуі және сыйымдылығы, жүктемесіз және 330 жүктемесінде Сыйымдылығы 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Жүктемесіз 1,59 1,44 1,38 1,34 1,32 1,30 1,28 1,26 1,23 1,20 1,10 330 1,49 1,35 1,27 1,20 1,16 1,12 1,10 1,08 1,04 0,98 0,62

Ағымдағы

Электр тогының мөлшері сілтілік батареяның физикалық көлеміне шамамен пропорционалды. Бұл жасушаның ішкі бетінің ауданы ұлғая түскен сайын ішкі кедергінің төмендеуінің нәтижесі. Шамамен есептесек, АА сілтілік батарея 700 амперге дейін ешқандай айтарлықтай қыздырмаусыз ток бере алады. Үлкен жасушалар, мысалы С және D жасушалары, күштірек ток береді. Көп амперлік ток қажет ететін, мысалы қуатты портативті аудио жабдықтар сияқты қолданыстар үшін, артқан жүктемені көтере алу үшін D өлшемді жасушалар қажет. Ал салыстыра келгенде, литий-иондық және NiMH батареялары стандартты АА өлшемінде 2 амперді оңай қамтамасыз етеді.

Құрылыс

Алкальды батареялар цинк-карбон батареяларымен алмастырылатын стандартты цилиндрлі формаларда және түймеше формаларында өндіріледі. Бірнеше жеке жасушалар өзара байланысып, 9 вольттық PP3 өлшемді батарея сияқты нағыз "батареяны" құрауы мүмкін. Цилиндрлі жасуша, катодты қосылыс болып табылатын, тартылған тот баспайтын болаттан жасалған банкаға орналасады. Оң электрод қоспасы – өткізгіштігін арттыру үшін көміртек ұнтағы қосылған, қысылған марганец диоксиді пастасы. Паста банкаға сығымдалып немесе алдын ала қалыпталған сақиналар түрінде салынуы мүмкін. Катодтың іші қуыс, ол электрод материалдарының жанасуын және жасушаның қысқа тұйықталуын болдырмайтын бөлгішпен жабылады. Бөлгіш – целлюлозадан немесе синтетикалық полимерден жасалған тоқылмаған қабаттан тұрады. Бөлгіш иондарды өткізе білуі және жоғары сілтілік электролит ерітіндісінде тұрақты болуы керек. Теріс электрод – калий гидроксид электролиті бар гельдегі мырыш ұнтағының дисперсиясынан құралады. Мырыш ұнтағы металл банкаға қарағанда химиялық реакциялардың жүруі үшін көбірек бет алаңды қамтамасыз етеді. Бұл жасушаның ішкі кедергісін төмендетеді. Жасушаның қызмет ету мерзімінің соңында газдануын болдырмау үшін, барлық мырышпен реакцияға түсуге қажетті мөлшерден артық марганец диоксиді қолданылады. Сонымен қатар, сұйықтық ағуының алдын алу үшін пластиктен жасалған тығын әдетте қосылады. Жасуша содан кейін алюминий фольгаға, пластик пленкаға немесе сирек кездесетін картонға оралады, ол ағып кетуден қосымша қорғаныс ретінде қызмет етеді және логотиптер мен жазбаларды басуға арналған бетті қамтамасыз етеді. ААА, АА, С, С-ден кіші және D өлшемді жасушаларды сипаттағанда, теріс электрод жазық жағына қосылады, ал оң терминал – көтеріңкі түймешесі бар жағы болып табылады. Бұл түймешелі жасушаларда көбінесе кері болады, яғни жазық цилиндрлі банка оң терминал болып табылады.

Алкальды батареяларды зарядтау

Кейбір сілтілі батареялар бірнеше рет қайта зарядталуы үшін жасалған және олар қайта зарядталатын сілтілі батареялар деп аталады. Стандартты сілтілі батареяларды қайта зарядтауға тырысу жарылысқа немесе құрылғыны тотықтыратын қауіпті сұйықтықтардың ағып кетуіне әкелуі мүмкін. Дегенмен, стандартты сілтілі батареяларды бірнеше рет (әдетте оннан аспайды) қайта зарядтауға болады, әр қайта зарядтаған сайын сыйымдылығы төмендегенімен; зарядтағыштар саудада қолжетімді. Ұлыбританиялық тұтынушылар ұйымы Which? Energizer сілтілі батареяларымен екі зарядтағышты сынап көргенін және екі рет зарядтағаннан кейін батарея сыйымдылығы бастапқы мәнінің шамамен 10% дейін төмендегенін, үлкен ауытқулармен (қайта зарядтау алдында қаншалықты тозығы жеткені көрсетілмеген) хабарлады. 2017 жылы Гаутам Г. Ядав мыс иондарымен араластырылған сілтілі батареялар марганец диоксидінің теориялық екінші электрондық сыйымдылығының арқасында 6000 циклға дейін қайта зарядталатынын жариялады. Мыс қосылған марганец диоксиді бар осы қайта зарядталатын батареялардың энергия тығыздығы 160-тан асады, бұл сулы химиялық заттардың арасындағы ең жоғары көрсеткіш. Батареяларды құрғақ жерде және бөлме температурасында сақтау арқылы бұл тәуекелді азайтуға болады. Құрылғыларды сақтау кезінде батареяларды алып тастау арқылы ағып кетуден болатын зақымды азайтуға болады. Кері ток қолдану (мысалы, бір рет қолданылатын батареяларды қайта зарядтау немесе бір құрылғыда әртүрлі типтегі немесе зарядталған батареяларды араластыру) ағып кету қаупін арттырады. Барлық батареялар бірте-бірте өзін-өзі разрядтайды (құрылғыға орнатылған немесе орнатылмаған) және тозығы жеткен батареялар ақырында ағып кетеді. Тым жоғары температура батареялардың жарылуына және ағып кетуіне (мысалы, жаз айында көлікте) және батареяның сақталу мерзімін қысқартуға әкелуі мүмкін. Ағып кетудің себебі – батареялар пайдалану арқылы немесе бірте-бірте өзін-өзі разрядтау арқылы разрядталатын болғандықтан, жасушалардың химиясы өзгереді және біршама сутегі газы пайда болады. Бұл газ шығуы батареядағы қысымды арттырады. Соңында, артық қысым батареяның соңғы бөлігіндегі оқшаулағыш тығындарды немесе сыртқы металл контейнерді, немесе екеуін де бұзады. Сонымен қатар, батарея ескірген сайын оның сыртқы болат контейнері бірте-бірте тотығып немесе тоттанады, бұл оқшаулаудың бұзылуына себеп болуы мүмкін. Сыртқы болат қабығының коррозиясына байланысты ағып кету пайда болғаннан кейін, калий гидроксиді ауадан көмірқышқыл газын сіңіріп, калий карбонатының қауырсын тәрізді кристалдық құрылымын қалыптастырады, ол уақыт өте келе батареядан өсіп, металл электродтармен бірге схемалық тақталарға дейін таралады, онда мыс жолдар мен басқа компоненттердің тотығуы басталады, бұл схемаларға қайтымсыз зақым келтіреді. Ағып жатқан кристалдық өсінділер батарея қаптамаларының шеттерінен шығып, құрылғының сыртында түкті қабатты құрайды, ол ағып жатқан құрылғымен жанасқан кез келген затты тотықтырады.

Some alkaline batteries are designed to be recharged a few times, and are described as rechargeable alkaline batteries. Attempts to recharge standard alkaline batteries may cause rupture, or the leaking of hazardous liquids that corrode the equipment. However, it is reported that standard alkaline batteries can often be recharged a few times (typically not more than ten), albeit with reduced capacity after each charge; chargers are available commercially. The UK consumer organisation Which? reported that it tested two such chargers with Energizer alkaline batteries, finding that battery capacity dropped on average to 10% of its original value, with huge variations, after two cycles (without stating how depleted they were before recharging) after recharging them two times. In 2017 Gautam G. Yadav published papers reporting that alkaline batteries made by interleaving the interlayers with copper ions could be recharged for over 6,000 cycles due to the theoretical second electron capacity of manganese dioxide. The energy density of these rechargeable batteries with copper intercalated manganese dioxide is reported to be over 160, the best among the aqueous based chemistries. The risk of this can be reduced by storing batteries in a dry place and at room temperature. Damage from leakage is mitigated by removing batteries when storing devices. Applying reverse current (such as by recharging disposable grade cells, or by mixing batteries of different types or state of charge in the same device) can increase the risk of leakage. All batteries gradually self discharge (whether installed in a device or not) and dead batteries eventually leak. Extremely high temperatures can also cause batteries to rupture and leak (such as in a car during summer) as well as decrease the shelf life of the battery. The reason for leaks is that as batteries dischargeeither through usage or gradual self dischargethe chemistry of the cells changes and some hydrogen gas is generated. This out gassing increases pressure in the battery. Eventually, the excess pressure either ruptures the insulating seals at the end of the battery, or the outer metal canister, or both. In addition, as the battery ages, its steel outer canister may gradually corrode or rust, which can further contribute to containment failure. Once a leak has formed due to corrosion of the outer steel shell, potassium hydroxide absorbs carbon dioxide from the air to form a feathery crystalline structure of potassium carbonate that grows and spreads out from the battery over time, following along metal electrodes to circuit boards where it commences oxidation of copper tracks and other components, leading to permanent circuitry damage. The leaking crystalline growths can also emerge from seams around battery covers to form a furry coating outside the device, that corrodes any objects in contact with the leaking device.

Тарату

1996 жылдан бастап сілтілі батареялардың құрамындағы сынап мөлшері азайтылғандықтан, кейбір аймақтарда оларды қарапайым тұрмыстық қалдықтармен бірге тастауға рұқсат етіледі. Дегенмен, сынапты қамтитын ескі сілтілі батареялар, сондай-ақ барлық батареялардағы (жаңа және ескі) қалған ауыр металдар мен коррозиялық заттар әлі де кәдеге келтіруде қиындықтар туғызады, әсіресе полигондарда. Батареяларды тұрмыстық қалдықтардан бөліп алып, оларды кәдеге келтіруді жеңілдету де маңызды мәселе, осылайша ең зиянды батареялар жалпы қалдық ағынынан алынбақ. Кәдеге келтіру шаралары әр елде әртүрлі. Мысалы, Калифорния штаты қолданылған барлық батареяларды қауіпті қалдықтар деп есептейді және оларды тұрмыстық қалдықтарға тастауға тыйым салады. Еуропада батареяларды кәдеге келтіру ЭЭҚҚ және Батарея директиваларымен реттеледі, сондықтан сілтілі батареяларды тұрмыстық қалдықтармен бірге тастауға болмайды. Еуроодақта батарея сататын көптеген дүкендер заң бойынша ескі батареяларды қайта өңдеу үшін қабылдауға міндетті.

Қайта өңдеу

Бір рет пайдаланылатын батареяларды қолдану жыл сайын 5-6%-ға артады. Бұрын қолданылған батареялар қоқыс полигондарына тасталатын, бірақ 2004 жылы Еуроодақтың (ЕО) регламентімен қоқыс полигондарына сілтілі батареяларды тастауға тыйым салынды. Еуроодаққа мүше елдер 2016 жылға қарай сілтілі батареялардың 50%-ын қайта өңдеуге міндеттелді. Осылайша, қайта өңдеуге қажеттілік жылына 125 000 дананы құрайды. Сілтілі батареялардың үлесі барлық батареялардың шамамен 80%-ын құрайды. АҚШ-та тек Калифорния штатында ғана барлық сілтілі батареяларды қайта өңдеу талап етіледі. Вермонт штатында да сілтілі батареяларды жинау жөніндегі жалпы штаттық бағдарлама бар. АҚШ-тың басқа штаттарында жеке тұлғалар батареяларды қайта өңдеушілерге жіберу үшін қолданылатын батареяларды қайта өңдеу жиынтықтарын сатып ала алады. IKEA сияқты кейбір дүкендер де сілтілі батареяларды қайта өңдеу үшін жинайды. Дегенмен, батареяларды қайта өңдеуді жариялап жүрген кейбір дүкендер (мысалы, Best Buy) тек қайта зарядталатын батареяларды қабылдайды және көбінесе сілтілі батареяларды қабылдамайды. Қайта өңдеу үшін ұсатылған сілтілі батареялардан металдар механикалық түрде бөлінеді, ал қалдық қара массадан мырыш, марганец диоксиді және калий гидроксидін бөліп алу үшін химиялық өңдеу жүргізіледі.