Введение

Неперезаряжаемая батарея, биологическая концепция

Первичный элемент питания (или первичная батарея) – это батарея (гальванический элемент), предназначенная для однократного использования и утилизации, а не для перезарядки электричеством и повторного использования, как вторичный элемент (перезаряжаемая батарея). Как правило, электрохимическая реакция, протекающая в элементе, необратима, что делает его неперезаряжаемым. По мере использования первичного элемента химические реакции внутри батареи расходуют вещества, генерирующие энергию; когда эти вещества истощаются, батарея перестает вырабатывать электричество. В отличие от этого, во вторичном элементе реакцию можно обратить, пропуская ток через элемент с помощью зарядного устройства для его перезарядки и восстановления химических реагентов. Первичные элементы питания производятся в различных стандартных размерах для питания небольших бытовых приборов, таких как фонарики и переносные радиоприемники. Первичные батареи составляют около 90% рынка батарей, оцениваемого в 50 миллиардов долларов, однако доля вторичных батарей постепенно растет. Каждый год в мире выбрасывается около 15 миллиардов первичных батарей, подавляющее большинство из которых попадает на свалки. Из-за содержания токсичных тяжелых металлов, а также сильных кислот и щелочей, батареи являются опасными отходами. Большинство муниципалитетов классифицируют их как таковые и требуют раздельной утилизации. Энергия, затрачиваемая на производство батареи, примерно в 50 раз превышает энергию, которую она содержит. Ввиду высокого содержания загрязняющих веществ при относительно низкой энергетической ценности, первичные батареи считаются неэффективной и экологически неблагоприятной технологией. В основном благодаря росту продаж беспроводных устройств и аккумуляторного инструмента, которые экономически нецелесообразно питать от первичных батарей и которые поставляются со встроенными перезаряжаемыми батареями, индустрия вторичных батарей демонстрирует высокие темпы роста и постепенно заменяет первичные батареи в продукции высокого класса.

Тенденция использования

В начале XXI века первичные элементы питания начали терять долю рынка вторичным элементам, поскольку относительная стоимость последних снизилась. Переход от ламп накаливания к светодиодам снизил энергопотребление фонарей. На оставшемся рынке усилилась конкуренция со стороны частных марок или продукции без маркировки. Доля рынка двух ведущих американских производителей, Energizer и Duracell, снизилась до 37% в 2012 году. Вместе с Rayovac эти три компании стремятся перевести потребителей с цинко-углеродных батарей на более дорогие и долговечные щелочные. Распространенные типы вторичных элементов (в частности, NiMH и Li-ion) благодаря значительно более низкому внутреннему сопротивлению не подвержены существенной потере емкости, которая наблюдается у щелочных, цинко-углеродных и хлоридных цинковых ("обычных" или "усиленных") батарей при высокой нагрузке по току. Резервные батареи обеспечивают очень длительный срок хранения (порядка 10 лет и более) без потери емкости, благодаря физическому разделению компонентов батареи и их сборке непосредственно перед использованием. Такие конструкции дороги, но применяются, например, в боеприпасах, которые могут храниться годами до применения.

Поляризация

Основным фактором, сокращающим срок службы первичных элементов питания, является их поляризация в процессе работы. Это означает, что водород накапливается на катоде и снижает эффективность элемента. Для уменьшения эффектов поляризации в коммерческих элементах питания и увеличения срока их службы используется химическая деполяризация, то есть в элемент добавляется окислитель для окисления водорода в воду. Диоксид марганца используется в элементах Leclanché и цинко-углеродных элементах, а азотная кислота – в элементах Bunsen и Grove. Предпринимались попытки сделать простые элементы самодеполяризующимися путем шероховатости поверхности медной пластины для облегчения отрыва пузырьков водорода, однако они не имели большого успеха. Электрохимическая деполяризация заключается в замещении водорода металлом, таким как медь (например, элемент Даниэля) или серебро (например, серебряно-оксидный элемент).

Анод и катод

Терминал батареи (электрод), развивающий положительную полярность напряжения (углеродный электрод в сухой ячейке), называется катодом, а электрод с отрицательной полярностью (цинк в сухой ячейке) – анодом. Это противоположность терминологии, используемой в электролитической ячейке или термоэлектронной вакуумной трубке. Причина в том, что термины анод и катод определяются направлением электрического тока, а не их напряжением. Анод – это терминал, через который условный ток (положительный заряд) входит в ячейку из внешней цепи, а катод – терминал, через который условный ток выходит из ячейки и поступает во внешнюю цепь. Поскольку батарея является источником питания, обеспечивающим напряжение, которое заставляет ток течь через внешнюю цепь, напряжение на катоде должно быть выше, чем напряжение на аноде, создавая электрическое поле, направленное от катода к аноду, чтобы вытолкнуть положительный заряд из катода через сопротивление внешней цепи. Внутри ячейки анод – это электрод, где происходит химическое окисление, поскольку он отдает электроны, которые вытекают из него во внешнюю цепь. Катод – это электрод, где происходит химическое восстановление, поскольку он принимает электроны из цепи. Снаружи ячейки используется иная терминология. Поскольку анод отдает положительный заряд электролиту (оставаясь таким образом с избытком электронов, которые он отдаст в цепь), он становится отрицательно заряженным и, следовательно, соединен с терминалом, обозначенным «−» на внешней стороне ячейки. Катод, тем временем, отдает отрицательный заряд электролиту, поэтому он становится положительно заряженным (что позволяет ему принимать электроны из цепи) и, следовательно, подключается к терминалу, обозначенному «+» на внешней стороне ячейки. В старых учебниках иногда встречается другая терминология, которая может ввести в заблуждение современных читателей. Например, в учебнике 1911 года, написанном Айртоном и Мэтером, электроды описываются как «положительная пластина» и «отрицательная пластина».