Введение
Тип батареи сухого элемента
Цинкоуглеродная батарея (или углеродно-цинковая батарея) – это первичная батарея сухого элемента, обеспечивающая прямой электрический ток в результате электрохимической реакции между цинком (Zn) и диоксидом марганца (MnO2) в присутствии электролита – хлорида аммония (NH4Cl). Она создает напряжение около 1,5 вольт между цинковым анодом, который обычно выполнен в виде цилиндрического корпуса батареи, и угольным стержнем, окруженным соединением с более высоким стандартным электродным потенциалом (положительная полярность), известным как катод, который собирает ток с электрода диоксида марганца. Название "цинк-углерод" несколько вводит в заблуждение, поскольку подразумевает, что углерод выступает в роли окислителя, а не диоксид марганца. В батареях общего назначения в качестве электролита может использоваться кислая водная паста хлорида аммония (NH4Cl) с некоторым раствором хлорида цинка на бумажном сепараторе, выполняющем роль так называемого солевого моста. В батареях повышенной мощности в качестве пасты используется преимущественно хлорид цинка (ZnCl2). Цинкоуглеродные батареи были первыми коммерческими сухими батареями, разработанными на основе технологии влажной ячейки Лекланше. Они сделали возможным создание фонарей и других портативных устройств, поскольку батарея обеспечивала более высокую плотность энергии при более низкой стоимости, чем ранее доступные элементы. Они по-прежнему полезны в устройствах с низким потреблением или периодическим использованием, таких как пульты дистанционного управления, фонари, часы или транзисторные радиоприемники. Цинкоуглеродные сухие элементы являются одноразовыми первичными элементами. В настоящее время цинкоуглеродные батареи в основном заменены более эффективными и безопасными щелочными батареями.
История
К 1876 году мокрая ячейка Лекланше изготавливалась из спрессованного блока диоксида марганца. В 1886 году Карл Гасснер запатентовал "сухую" версию, используя корпус из цинкового листового металла в качестве анода и пасту из гипса (а позже – графитового порошка). В 1898 году Конрад Хьюберт использовал потребительские батареи, произведенные В. Х. Лоуренсом, для питания первого карманного фонаря, а затем они основали компанию Eveready Battery Company. В 1900 году Гасснер продемонстрировал сухие элементы для портативного освещения на Всемирной выставке в Париже. На протяжении всего 20-го века стабильность и емкость цинко-углеродных элементов постоянно улучшались; к концу века емкость увеличилась в четыре раза по сравнению с показателями 1910 года. Улучшения включали использование более чистых марок диоксида марганца, добавление графитового порошка в диоксид марганца для снижения внутреннего сопротивления, улучшенную герметизацию и более чистый цинк для отрицательного электрода. Цинкохлоридные элементы (обычно продаются как "мощные" батареи) используют более высокую концентрацию анолита (или электролита анода), который в основном состоит из хлорида цинка, что позволяет получать более стабильное выходное напряжение при высоких нагрузках. Побочные реакции между примесями в аноде из цинка/хлорида цинка и электролитом хлорида аммония могут увеличить скорость саморазряда и способствовать коррозии элемента.
Строительство
Корпус сухой ячейки цинкоуглерода представляет собой цинковую банку (анод). Дно и стенки банки содержат слой бумажного сепаратора, пропитанный хлоридом аммония (NH4Cl) и загустителем для образования пастообразного водного электролита. Бумажный сепаратор предотвращает короткое замыкание, защищая цинковую банку от контакта с катодом, который представляет собой смесь порошкообразного углерода (обычно графитового порошка) и диоксида марганца (MnO2), плотно упакованную вокруг угольного стержня.
Применение
Цинко-углеродные батареи имеют более низкую стоимость за единицу и часто используются для питания приборов с низким энергопотреблением, таких как пульты дистанционного управления для телевизоров, часы и датчики дыма. Цинко-углеродные батареи широко использовались в телефонных аппаратах с ручным генератором, обеспечивая питание микрофона и динамика.
Химические реакции
В цинко-углеродной сухой ячейке внешний цинковый корпус служит отрицательным полюсом.
Клетка "тяжелой" цинкохлоридной
Элемент на основе хлорида цинка, часто называемый батареей повышенной, сверхповышенной, особо повышенной или особо сверхповышенной мощности, является усовершенствованием оригинального цинк-углеродного элемента, использующим более чистые химические вещества и обеспечивающим более длительный срок службы и стабильное выходное напряжение по мере использования. Он предлагает примерно в два раза больший срок службы, чем у цинк-углеродных элементов общего назначения, или до четырех раз при непрерывном использовании или в приложениях с высоким токопотреблением. В некоторых случаях срок службы может быть увеличен в восемь раз по сравнению с цинк-углеродными батареями, особенно при непрерывном использовании или при высоких нагрузках. В Европе утилизация батарей регулируется Директивой об отходах электрооборудования и батареек (WEEE) и Директивой по батареям, поэтому цинк-углеродные батареи нельзя выбрасывать вместе с бытовыми отходами. В ЕС большинство магазинов, продающих батареи, обязаны по закону принимать старые батареи для переработки.