Введение
Тип электрического элемента
Щелочная батарея (код IEC: L) – это тип первичной батареи, в которой электролит (чаще всего гидроксид калия) имеет значение pH выше 7. Как правило, эти батареи получают энергию в результате реакции между цинком и диоксидом марганца. По сравнению с цинко-углеродными батареями типа Leclanché или хлоридными, щелочные батареи обладают более высокой плотностью энергии и более длительным сроком хранения, при этом обеспечивая такое же напряжение. Щелочная батарея получила свое название благодаря использованию щелочного электролита – гидроксида калия (KOH) – вместо кислого хлорида аммония (NH4Cl) или хлорида цинка (ZnCl2), применяемых в цинко-углеродных батареях. Другие системы батарей также используют щелочные электролиты, но с другими активными материалами для электродов. На щелочные батареи приходится 80% произведенных в США батарей и более 10 миллиардов штук, произведенных по всему миру. В Японии щелочные батареи составляют 46% всех продаж первичных батарей. В Швейцарии – 68%, в Великобритании – 60%, а в ЕС – 47% от общего объема продаж батарей, включая вторичные типы. Щелочные батареи содержат цинк (Zn) и диоксид марганца (MnO2) (код здоровья 1), являющиеся кумулятивными нейротоксинами и потенциально токсичными в высоких концентрациях. Однако, по сравнению с другими типами батарей, токсичность щелочных батарей умеренная. Щелочные батареи используются во многих бытовых приборах, таких как портативные медиаплееры, цифровые камеры, игрушки, фонарики и радиоприемники.
История
Батареи со щелочным (а не кислотным) электролитом были впервые разработаны Вальдемаром Юнгнером в 1899 году, а в 1901 году, независимо от него, Томасом Эдисоном. Современная щелочная сухая батарея, использующая химию цинк/диоксид марганца, была изобретена канадским инженером Льюисом Урри в 1950-х годах в Канаде, до того как он начал работать в подразделении Eveready Battery компании Union Carbide в Кливленде, штат Огайо, опираясь на более ранние разработки Эдисона. 9 октября 1957 года Урри, Карл Кордеш и П. А. Марсал подали заявку на патент США (2 960 558) на щелочную батарею. Патент был выдан в 1960 году и передан корпорации Union Carbide. Когда щелочные батареи были представлены в конце 1960-х годов, их цинковые электроды (как и тогдашние повсеместно распространенные углеродно-цинковые элементы) имели поверхностную пленку из ртутной амальгамы. Она предназначалась для контроля электролитического воздействия на примеси в цинке, поскольку нежелательное электролитическое воздействие сокращало срок годности и способствовало протечке. Когда различные законодательные органы потребовали снижения содержания ртути, стало необходимым значительно повысить чистоту и однородность цинка.
Пропускная способность
Емкость щелочной батареи сильно зависит от тока разряда. Алкалиновая батарея размера АА может иметь эффективную емкость 3000 мАч при небольшом токе разряда, но при токе разряда 1 А, типичном для цифровых камер, емкость может составлять всего 700 мАч. Напряжение батареи постепенно снижается в процессе использования, поэтому общая полезная емкость зависит от порогового напряжения, установленного в устройстве.
Напряжение
Номинальное напряжение новой щелочной ячейки, установленное стандартами производителя, составляет 1,5. Фактическое напряжение холостого хода новой щелочной батареи находится в диапазоне от 1,50, в зависимости от чистоты используемого диоксида марганца и содержания оксида цинка в электролите. Напряжение под нагрузкой уменьшается с увеличением потребляемого тока и по мере разряда ячейки. Ячейка считается полностью разряженной, когда напряжение падает примерно до 0,9. Ячейки, соединенные последовательно, выдают напряжение, равное сумме напряжений каждой ячейки (например, три ячейки генерируют около 4,5 В в новом состоянии). + Напряжение батареи AA в зависимости от емкости, при нулевой нагрузке и нагрузке 330 Ом. Емкость 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Нулевая нагрузка 1,59 1,44 1,38 1,34 1,32 1,30 1,28 1,26 1,23 1,20 1,10 330 Ом 1,49 1,35 1,27 1,20 1,16 1,12 1,10 1,08 1,04 0,98 0,62
Текущий
Количество электрического тока, которое может отдать щелочная батарея, приблизительно пропорционально ее физическому размеру. Это связано с уменьшением внутреннего сопротивления при увеличении внутренней площади поверхности элемента. Ориентировочно, щелочная батарея типа АА может отдать 700 мА без существенного нагрева. Более крупные элементы, такие как С и D, способны отдавать больший ток. Приложения, требующие тока в несколько ампер, например, мощное портативное аудиооборудование, нуждаются в элементах размера D для работы с повышенной нагрузкой. Для сравнения, литий-ионные и NiMH батареи могут легко выдавать 2 А на стандартном размере АА.
Строительство
Щелочные батареи производятся в стандартных цилиндрических формах, взаимозаменяемых с цинково-углеродными батареями, и в форме таблеток (или "пуговиц"). Несколько отдельных элементов могут быть соединены между собой для формирования настоящей "батареи", например, 9-вольтовая батарея типа PP3. Цилиндрический элемент помещен в вытянутый корпус из нержавеющей стали, который служит катодным соединением. Смесь положительного электрода представляет собой спрессованную пасту из диоксида марганца с добавлением углеродного порошка для увеличения проводимости. Пасту можно прессовать в корпус или наносить в виде предварительно сформованных колец. Полый центр катода выстлан сепаратором, который предотвращает контакт электродных материалов и короткое замыкание элемента. Сепаратор изготавливается из нетканого слоя целлюлозы или синтетического полимера. Сепаратор должен проводить ионы и оставаться стабильным в сильнощелочном электролитном растворе. Отрицательный электрод состоит из дисперсии цинкового порошка в геле, содержащем гидроксид калия в качестве электролита. Цинковый порошок обеспечивает большую площадь поверхности для протекания химических реакций по сравнению с металлическим корпусом. Это снижает внутреннее сопротивление элемента. Для предотвращения выделения газа в конце срока службы батареи используется больше диоксида марганца, чем необходимо для реакции со всем цинком. Кроме того, обычно добавляется пластиковая прокладка для повышения устойчивости к протечкам. Затем элемент оборачивается алюминиевой фольгой, пластиковой пленкой или, реже, картоном, который служит последним слоем защиты от протечек, а также обеспечивает поверхность для нанесения логотипов и этикеток. При описании элементов размеров AAA, AA, C, sub-C и D отрицательный электрод подключается к плоскому концу, а положительный – к концу с приподнятой кнопкой. В таблеточных элементах это обычно обращено: плоский конец цилиндрического корпуса является положительным терминалом.
Зарядка щелочных аккумуляторов
Некоторые щелочные батареи разработаны для перезарядки несколько раз и описываются как перезаряжаемые щелочные батареи. Попытки перезарядить стандартные щелочные батареи могут привести к разрыву или утечке опасных жидкостей, которые разъедают оборудование. Однако сообщается, что стандартные щелочные батареи часто можно перезаряжать несколько раз (обычно не более десяти), хотя и с уменьшенной емкостью после каждой зарядки; зарядные устройства доступны в продаже. Британская организация потребителей Which? сообщила, что протестировала два таких зарядных устройства с щелочными батареями Energizer, обнаружив, что емкость батареи упала в среднем до 10% от первоначального значения, с большими отклонениями, после двух циклов (без указания степени разряда перед перезарядкой) после двух перезарядок. В 2017 году Гаутам Г. Ядав опубликовал работы, в которых сообщалось, что щелочные батареи, изготовленные путем чередования слоев с ионами меди, можно перезаряжать более 6000 циклов благодаря теоретической второй электронной емкости диоксида марганца. Энергетическая плотность этих перезаряжаемых батарей с диоксидом марганца, интеркалированным медью, как сообщается, превышает 160, что является лучшим показателем среди водных химических систем. Риск этого можно снизить, храня батареи в сухом месте при комнатной температуре. Ущерб от утечки уменьшается путем извлечения батарей при хранении устройств. Приложение обратного тока (например, при перезарядке одноразовых элементов или смешивании батарей разных типов или степени заряда в одном устройстве) может увеличить риск утечки. Все батареи постепенно саморазряжаются (независимо от того, установлены они в устройстве или нет), и разряженные батареи в конечном итоге протекают. Чрезвычайно высокие температуры также могут привести к разрыву и утечке батарей (например, в автомобиле летом), а также сократить срок их хранения. Причина утечек заключается в том, что по мере разряда батарей – либо в результате использования, либо постепенного саморазряда – изменяется химия элементов и выделяется некоторое количество газа водорода. Это выделение газа увеличивает давление внутри батареи. В конечном итоге, избыточное давление разрушает изоляционные уплотнения на конце батареи, или внешний металлический корпус, или и то, и другое. Кроме того, по мере старения батареи ее стальной внешний корпус может постепенно корродировать или ржаветь, что может еще больше способствовать нарушению герметичности. После образования утечки из-за коррозии внешней стальной оболочки гидроксид калия поглощает углекислый газ из воздуха, образуя перистые кристаллические структуры карбоната калия, которые со временем растут и распространяются от батареи, следуя по металлическим электродам к печатным платам, где начинается окисление медных дорожек и других компонентов, приводящее к необратимому повреждению схемы. Просачивающиеся кристаллические наросты также могут появляться из швов вокруг крышек батареи, образуя пушистое покрытие снаружи устройства, которое разъедает любые предметы, контактирующие с протекающим устройством.
Удаление
Поскольку щелочные батарейки стали производиться с меньшим содержанием ртути начиная с 1996 года, в некоторых регионах им разрешено утилизировать как обычные бытовые отходы. Однако старые щелочные батарейки, содержащие ртуть, а также другие тяжелые металлы и коррозионные химические вещества, присутствующие во всех батарейках (новых и старых), по-прежнему создают проблемы при утилизации, особенно на полигонах. Также существует вопрос об упрощении утилизации батареек путем исключения всех из состава бытовых отходов, чтобы наиболее токсичные батарейки не попадали в общие потоки отходов. Правила утилизации различаются в зависимости от юрисдикции. Например, штат Калифорния рассматривает все батарейки как опасные отходы при их утилизации и запретил их выбрасывать в бытовые отходы. В Европе утилизация батареек регулируется Директивой об отходах электрооборудования и батареек (WEEE) и Директивой по батарейкам, поэтому щелочные батарейки нельзя выбрасывать вместе с бытовыми отходами. В ЕС большинство магазинов, продающих батарейки, обязаны по закону принимать старые батарейки для переработки.
Переработка
Использование одноразовых батарей увеличивается на 5–6% каждый год. Раньше использованные батареи оказывались на свалках, но в 2004 году нормативный акт ЕС запретил захоронение щелочных батарей на свалках. Страны-члены ЕС взяли на себя обязательство перерабатывать 50% щелочных батарей к 2016 году. Таким образом, потребность в переработке составляет 125 000 штук в год. Доля щелочных батарей составляет примерно 80% от общего объема. В США только один штат, Калифорния, требует переработки всех щелочных батарей. В штате Вермонт также действует общенациональная программа сбора щелочных батарей. В других штатах США отдельные лица могут приобрести наборы для переработки батарей, которые используются для отправки батарей на переработку. Некоторые магазины, такие как IKEA, также принимают щелочные батареи для переработки. Однако некоторые сетевые магазины, рекламирующие переработку батарей (например, Best Buy), принимают только перезаряжаемые батареи и, как правило, не принимают щелочные. Для переработки металлы из измельченных щелочных батарей механически разделяются, а отходы в виде черной массы подвергаются химической обработке для извлечения цинка, диоксида марганца и гидроксида калия.