Кіріспе
Литий металл батареялары – аноды ретінде литий металлын қолданатын біріншілік батареялар. Атауы қасақана металлға сілтеме жасайды, оларды литий-ионды батареялардан ажырату үшін, олар катод материалы ретінде литийленген металл оксидтерін қолданады. Литий металл батареяларының көпшілігі қайта зарядталмайтын болса да, қайта зарядталатын литий металл батареялары да әзірленуде. 2007 жылдан бері Қауіпті жүктер ережелері литий металл батареяларын (ҰҚ 3090) және литий-ионды батареяларын (ҰҚ 3480) ажыратады. Олар жоғары заряд тығыздығымен және бірлік құнымен басқа батареялардан ерекшеленеді. Дизайн мен қолданылатын химиялық қосылыстарға байланысты литий элементтері 1,5 (мысалы, мырыш-көміртек немесе сілтілі батареямен салыстырғанда) шамамен 3,7 вольт кернеу шығарады. Бір рет қолданылатын литийді біріншілік батареяларды қайта зарядталатын литий-ионды немесе литий полимерлі батареялардан ажырату керек, олар металл литийді қамтымайды. Литийдің ерекше пайдасы бар, себебі оның иондарын анод пен катод арасында қозғалуға болады, катод материалы ретінде интеркаляцияланған литий қосылысын пайдаланады, бірақ анод материалы ретінде литий металлын қолданбайды. Таза литий сумен немесе тіпті ауадағы ылғалмен дереу реакцияға түседі; литий-ионды батареялардағы литий азырақ реакциялық қосылыс болып табылады. Литий батареялары портативті тұтыну электронды құрылғыларында кеңінен қолданылады. "Литий батареясы" термині әртүрлі литий металл химиясының отбасына жатады, ол көптеген катодтар мен электролиттерді қамтиды, бірақ барлығы анод ретінде металл литийді қолданады. Батареяға 1 кВт сағатына 0,15-тен 0,3 кг литий қажет. Бұл негізгі жүйелер зарядталған катодты пайдаланады, ол электрлік белсенді материал, кристаллографиялық бос орындары бар, олар разряд кезінде біртіндеп толтырылады. Тұтынушыларда қолданылатын литий элементтерінің ең көп таралған түрі металл литийді анод ретінде және манганий диоксиді катод ретінде, литий тұзын органикалық еріткіште электролит ретінде пайдаланады.
disposable lithium batteries
Lithium metal batteries are primary batteries that have metallic lithium as an anode. The name intentionally refers to the metal to as to distinguish them from lithium ion batteries, which use lithiated metal oxides as the cathode material. Although most lithium metal batteries are non rechargeable, rechargeable lithium metal batteries are also under development. Since 2007, Dangerous Goods Regulations differentiate between lithium metal batteries (UN 3090) and lithium ion batteries (UN 3480). They stand apart from other batteries in their high charge density and high cost per unit. Depending on the design and chemical compounds used, lithium cells can produce voltages from 1.5 (comparable to a zinc–carbon or alkaline battery) to about 3.7. Disposable primary lithium batteries must be distinguished from secondary lithium ion or a lithium polymer, which are rechargeable batteries and contain no metallic lithium. Lithium is especially useful, because its ions can be arranged to move between the anode and the cathode, using an intercalated lithium compound as the cathode material but without using lithium metal as the anode material. Pure lithium will instantly react with water, or even moisture in the air; the lithium in lithium ion batteries is a less reactive compound. Lithium batteries are widely used in portable consumer electronic devices. The term "lithium battery" refers to a family of different lithium metal chemistries, comprising many types of cathodes and electrolytes but all with metallic lithium as the anode. The battery requires from 0.15 to 0.3 kg of lithium per kWh. As designed these primary systems use a charged cathode, that being an electro active material with crystallographic vacancies that are filled gradually during discharge. The most common type of lithium cell used in consumer applications uses metallic lithium as the anode and manganese dioxide as the cathode, with a salt of lithium dissolved in an organic solvent as the electrolyte.
Қолданбалар
Литий батареялары ұзақ қызмет ететін, маңызды құрылғылардың көптеген түрлерінде қолданылады, мысалы, кардиостимуляторлар және басқа да имплантацияланатын электрондық медициналық құрылғыларда. Бұл құрылғылар 15 жыл немесе одан да көпке жұмыс істеуге арналған литий-йодид батареяларын пайдаланады. Бірақ, ойыншықтар сияқты, маңыздылығы төмен қолданыстар үшін литий батареясы тіпті құрылғыдан да ұзақ қызмет ете алады. Мұндай жағдайларда қымбат литий батареясы тиімді болмауы мүмкін. Литий батареяларын сағаттар мен камералар сияқты көптеген құрылғыларда әдеттегі сілтілі элементтердің орнына қолдануға болады. Олар қымбатқа түскенмен, литий элементтері қызмет ету мерзімін едәуір ұзартады, соның арқасында батареяны ауыстыру жиілігі азаяды. Дегенмен, әдеттегі мырыш элементтерін пайдаланатын құрылғыларда литий элементтерін ауыстыру алдында, литий элементтерінің жоғары кернеуіне назар қою қажет. Литий батареялары океанографиялық қолданыстарда да өте пайдалы. Литий батарея жиынтығы стандартты океанографиялық жиынтықтан әлдеқайда қымбат болғанымен, сілтілі батареялардың сыйымдылығынан үш есе көп қуатты ұстай алады. Алыстан орналасқан океанографиялық құралдарды (әдетте кемелермен) қызмет көрсетудің жоғары құны көбінесе осы бағаның артуын ақтайды.
Өлшемі мен пішімі
Кішкентай литий батареялары жиі кішкентай, портативті электрондық құрылғыларда қолданылады, мысалы, жеке цифрлық ассистенттерде (PDA), сағаттарда, бейнекамераларда, цифрлық камераларда, термометрлерде, калькуляторларда, жеке компьютердің BIOS (бағдарламалық құралы), байланыс жабдықтары мен автокөлікті қашықтан құлыптауда. Олар түрлі пішіндер мен өлшемдерде келеді, ең көп таралғаны – 3 вольттық «монета» тәрізді марганец батареялары. Мысалы, CR2032 батареясының диаметрі 20 мм, ал қалыңдығы 3,2 мм. Бірінші екі сан диаметрін, соңғы екі сан қалыңдығын көрсетеді. CR2025 батареясының диаметрі де 20 мм, бірақ қалыңдығы 2,5 мм. Осы құрылғылардың көптеген электрлік талаптары литий батареяларын ерекше тартымды етеді. Атап айтқанда, литий батареялары цифрлық камералар сияқты құрылғылардың қысқа мерзімді, күшті тоққа деген қажеттілігін оңай қамтамасыз етеді және сілтілі элементтерге қарағанда ұзақ уақыт бойы жоғары кернеуді сақтай алады.
Танымалдық
Литийдік бастапқы батареялар Жапониядағы барлық бастапқы батарея сатылымының 28% құрайды, бірақ Швейцариядағы барлық батарея сатылымының тек 1% ғана. Еуроодақта барлық батарея сатылымының, оның ішінде қайта зарядталатын түрлерінің 0,5% литийдік бастапқы батареялар болып табылады.
Қауіпсіздік мәселелері мен реттеу
Компьютер индустриясының батарея сыйымдылығын арттыруға бағытталған тыраны сезімтал компоненттердің, мысалы, мембраналық сепаратордың – қалыңдығы бар болғаны 20–25 мкм полиэтилен немесе полипропилен қабықшаның – мүмкіндіктерін сынап көруге әкелуі мүмкін. Литий батареяларының энергия тығыздығы 1991 жылы қолданысқа енгізілгеннен бері екі еседен астамға артты. Батареяға көбірек материал салынатын болғандықтан, сепаратор кернеуге түсуі мүмкін.
Жедел босату проблемалары
Литий батареялары өте жоғары токтарды бере алады және қысқа тұйықталу кезінде өте жылдам разрядтала алады. Бұл жоғары токтар қажет болатын қолдануларда пайдалы болғанымен, литий батареясының тым жылдам разрядталуы – әсіресе егер ұяшықтардың құрамында кобальт болса – батареяның қызып кетуіне (ұяшықтағы кобальттың электрлік кедергісін төмендетеді), жарылуына және тіпті жарылысқа әкелуі мүмкін. Литий тионил хлориді батареялары осы типтегі разрядталуға ерекше сезімтал. Тұтынушылық батареяларда жарылыстың алдын алу үшін әдетте токтан немесе температурадан қорғау немесе газ шығару тежегіштері орнатылады.
Әуе қатынасы
2013 жылдың 1 қаңтарынан бастап IATA литий батареяларын әуе арқылы тасымалдауға қатысты айтарлықтай қатаң ережелер енгізді. Бұл ережелер Халықаралық пошта одағы тарапынан қабылданды, бірақ кейбір елдер, мысалы Ұлыбритания, литий батареяларын тек оларды қуаттандыратын құрылғылармен бірге болған жағдайда ғана қабылдайтындығын мәлімдеді. Жоғарыда аталған тәуекелдерге байланысты литий батареяларын тасымалдау және жеткізу кейбір жағдайларда, әсіресе әуе арқылы тасымалдау кезінде шектеледі. АҚШ Көлік қауіпсіздігі басқармасы 2008 жылдың 1 қаңтарынан бастап тіркелген және қолмен алып жүрілетін багаждағы литий батареяларына шектеулер енгізді. Ережеге сәйкес, құрылғыға орнатылмаған литий батареяларын тіркелген багажға салуға тыйым салынады және оларды қолмен алып жүрілетін багажда литийдің жалпы мөлшеріне қарай шектеуге болады. Австралия Посты 2010 жылы литий батареяларын әуе поштасымен тасымалдауға тыйым салды. Ұлыбританияның литий батареяларын тасымалдау ережелері 2009 жылы Ұлттық химиялық төтенше жағдайлар орталығы тарапынан өзгертілді. 2009 жылдың соңында кем дегенде бірнеше пошта басқармасы литий батареяларын, литий-ион батареяларын және оларды қамтитын өнімдерді (мысалы, ноутбуктер мен ұялы телефондарды) әуе поштасымен (соның ішінде Express Mail Service) тасымалдауды шектеді. Бұл елдердің қатарында Гонконг, АҚШ және Жапония бар.
Метамфетамин зертханалары
Пайдаланылмаған литий батареялары метаамфетамин зертханаларында литий металлын редукциялағыш ретінде пайдалануға ыңғайлы көз болып табылады. Атап айтқанда, литий металл псевдоэфедрин мен эфедринды сусыз аммиакта ерітілген сілті металдарын қолданатын Берч әдісі арқылы метамфетаминге дейін тотықсыздандырады. Кейбір мемлекеттер литий батареяларын сатуды шектеу туралы заңдар қабылдады немесе заңсыз мет-зертханалардың құрылуын болдырмауға көмектесу үшін бизнеске ерікті шектеулер енгізуді ұсынды. 2004 жылы Wal Mart дүкендері Миссури штатында бір рет қолданылатын литий батареяларын үш, ал басқа штаттарда төрт қаптамамен сатуды шектегені туралы хабарланды.
Тамақ ішудің денсаулыққа әсері
Батырмалы батареялар кішкентай балаларға тартымды және олар жиі жұтылып қояды. Соңғы 20 жылда бір жылда жұтылған батырмалы батареялардың жалпы саны өспесе де, зерттеушілер жұтылған батареяның орташа немесе ауыр асқынуларға әкелу қаупі 6,7 есе, ал өлім-жітім көрсеткіші 12,5 есе артқанын байқады. Бұл көрсеткіштер соңғы онжылдықпен салыстырғанда бұрынғы онжылдықта тіркелген. Батырмалы (литийлі) батареяларды жұтудың негізгі механизмі – анодта ауыр химиялық күйіктерді тудыратын гидроксид иондарының пайда болуы. Бұл батарея корпусының зақымдалуын немесе ішкі мазмұнының шығуына қарамастан, батареяның толыққанды күйінде болатын электрохимиялық әсер. Жұтылудың көп бөлігі куәгер болмайды, симптомдар белгісіз болады, батареяның кернеуі жоғарылаған, 20-25 мм диаметріндегі батырмалы батареялар крикофарингеальді тұйықталуда тұрып қалуы мүмкін, және 2 сағат ішінде ауыр тіндік зақымданулар пайда болуы мүмкін. 3 В, 20 мм CR2032 литийлі батареясы 4 жасқа дейінгі балалардың батырмалы батарея жұтуынан туындаған көптеген асқынуларға себепкер болды. Қақырық ішектің бітелуіне бірден-бір ем – эндоскопиялық жолмен алып тастау. Алайда, 2018 жылы Филадельфиядағы балалар ауруханасында Рейчел Р. Эйнфаг және әріптестері жүргізген зерттеуде, батареяны алып тастау алдында бал немесе сукральфат суспензиясын ерте және жиі ішу, жарақаттың ауырлығын айтарлықтай төмендетуі мүмкін екені анықталды. Осыған байланысты, АҚШ-тағы Ұлттық астаналық Улану орталығы (Улануды бақылау) жұтылған немесе күдік туған жағдайда, қақырық ішегі мен оған жақын мүшелердің зақымдану қаупін азайту үшін бал немесе сукральфат қолдануды ұсынады. Батырмалы батареялар мұрынға немесе құлаққа кіргенде де маңызды некроздық зақымдануға әкелуі мүмкін. АҚШ-тағы Ұлттық батырмалы батареялар жөніндегі топ индустрия жетекшілерімен бірлесіп, балалардың осы батареяларға қол жеткізуін азайту үшін электрондық құрылғылардың қаптамасын және батарея бөлімдерінің дизайнын өзгертуге бағытталған алдын алу шараларын жүзеге асырды. Дегенмен, жалпы халық пен медициналық қауымдастықта оның қауіптілігі туралы әлі де жеткілікті хабардарлық жоқ. Central Manchester University Hospital Trust ескертеді: "Көптеген дәрігерлер бұл жағдайдың зиянды екенін білмейді".
The primary mechanism of injury with button battery ingestions is the generation of hydroxide ions, which cause severe chemical burns, at the anode. This is an electrochemical effect of the intact battery, and does not require the casing to be breached or the contents released. The majority of ingestions are not witnessed; presentations are non specific; battery voltage has increased; the 20 to 25 mm button battery size are more likely to become lodged at the cricopharyngeal junction; and severe tissue damage can occur within 2 hours. The 3 V, 20 mm CR2032 lithium battery has been implicated in many of the complications from button battery ingestions by children of less than 4 years of age. While the only cure for an esophageal impaction is endoscopic removal, a 2018 study out of Children's Hospital of Philadelphia by Rachel R. Anfang and colleagues found that early and frequent ingestion of honey or sucralfate suspension prior to the battery's removal can reduce the injury severity to a significant degree. As a result, US based National Capital Poison Center (Poison Control) recommends the use of honey or sucralfate after known or suspected ingestions to reduce the risk and severity of injury to esophagus, and consequently its nearby structures. Button batteries can also cause significant necrotic injury when stuck in the nose or ears. Prevention efforts in the US by the National Button Battery Task force in cooperation with industry leaders have led to changes in packaging and battery compartment design in electronic devices to reduce a child's access to these batteries. However, there still is a lack of awareness across the general population and medical community to its dangers. Central Manchester University Hospital Trust warns that "a lot of doctors are unaware that this can cause harm".
Тарату
Батареяларды жою және қайта өңдеу ережелері кең ауқымды түрде әртүрлі; жергілікті биліктер ұлттық ережелерден асып түсетін қосымша талаптар қоюы мүмкін. АҚШ-та литий-темір дисульфидті бастапқы батареяларды өндіретін бір компания, пайдаланылған батареялардың тұтынушылық көлемін қалалық қалдықтарға тастауға болады дейді, себебі батареяда АҚШ Федералды ережелерімен бақыланатын ешқандай зат жоқ. Дегенмен, көптеген литий батареялары өрт қаупі болғандықтан қауіпті қалдықтарға жатқызылады. Тағы бір өндіруші "түймеше" сияқты литий батареяларында перхлорат бар екенін, ол Калифорнияда қауіпті қалдық ретінде реттеледі, бірақ осы батареяларды тұтынушылардың әдеттегі қолдануында реттелген мөлшерде кездеспейді деп мәлімдейді. Алайда, EPA литий батареяларын мүмкіндігінше қайта өңдеуге кеңес береді. Сонымен қатар, батареяның жарылуы өрт қаупін тудыратындықтан, EPA орташа тұтынушы литий батареяларын литийге немесе қауіпті материалдарды қабылдайтын мамандандырылған орталықтарға апаруы керек дейді. Қолданылған, бірақ істен шыққан (яғни, ұзақ сақтауға арналған) түймешелі батареялардағы литий әлі де катодтық стақанда болуы мүмкін, сондықтан мұндай батареялардан коммерциялық тұрғыдан пайдалы мөлшерде металл, сондай-ақ марганец диоксиді мен арнайы пластиктерді алуға болады. Кейбір компаниялар шығындарды азайту үшін литийді магниймен (Mg) қорытады. Литий батареяларына деген сұраныс уақыт өте келе экспоненциалды түрде өскендіктен, литий батареяларын қайта өңдеудің тиімді жолдарын табуға бағытталған ізденістер жүргізілуде.