Марганцево-цинковый элемент

Марганцево-цинковый элемент, солевой элемент питания, также известный как элемент Лекланше — это первичный химический источник тока, в котором катодом является пиролюзит (диоксид марганца MnO₂) в смеси с графитом (около 9,5 %), электролитом — раствор хлорида аммония NH₄Cl, анодом — металлический цинк Zn.

Марганцево-цинковый элемент является известным первичным элементом питания одноразового использования, и на сегодняшний день широко используется в переносных устройствах. Изначально элементы заполнялись жидким электролитом. В дальнейшем электролит стали загущать с помощью крахмалистых веществ — это позволяло сделать более практичные элементы питания, называемые сухими, в которых возможность вытекания электролита сведена к минимуму. В отличие от щелочного элемента, в котором в качестве электролита используется щелочь KOH, марганцево-цинковый элемент является солевым, так как в нём в качестве электролита используется соль — хлорид аммония.

История изобретения

Первый марганцево-цинковый элемент был собран Жоржем Лекланше в 1865 году и состоял из цинкового резервуара (анода), который был заполнен водным раствором хлорида аммония (жидким электролитом) с помещенным в него упакованным в пористый чехол диоксидом марганца (катодом) с углеродным стержнем, выполнявшим функцию токоотвода^[1]. Хотя образец элемента по своим параметрам уступал известным в то время образцам Даниэля Якоби и Бунзена Вильгельма, вскоре элементы Лекланше получили наибольшее распространение. Простота и безопасность в изготовлении и эксплуатации, широкий интервал рабочих температур и другие преимущества обеспечили интенсивное развитие производства этих элементов. Уже в 1868 г. их было выпущено более 20 тыс. штук^[2].

Существенным усовершенствованием конструкции стала иммобилизация электролита. Первоначально Лекланше было предложено загущение раствора солей аммония крахмалом, а впоследствии Карлом Гасснером в 1886 году был разработан электролит в виде пасты, состоящей из оксида цинка, хлорида аммония, гипса, использованного в качестве связующего, хлорида цинка и воды^[3]. Полученные "сухие" элементы Лекланше^[1], обладавшие большей механической прочностью, нечувствительностью к наклону и перевороту, отсутствию протечек электролита, обладали существенно большей портативностью, а также были более долговечными, вследствие меньшей коррозии цинкового анода, что стало причиной их широкого распространения в мире в первой половине 20 века до появления батарей на щелочном электролите^[4].

Характеристики

• Теоретическая энергоёмкость:
  • Удельная энергоёмкость: 67—99 Вт∙час/кг
  • Удельная энергоплотность: 122—263 Вт∙час/дм³.
• ЭДС: 1,51 В.
• Рабочая температура: от −40 до +55 °C.

Принцип действия

При потреблении тока электроны поступают через внешнюю электрическую цепь с цинкового электрода на угольный стержень. Происходят следующие реакции:

Анод: Zn → Zn ²⁺ + 2e⁻

На угольном стержне электроны расходуются на восстановление H₃O⁺- ионов:

Катод: 2H₃O⁺ + 2e⁻ → H₂ + 2H₂O

Ионы H₃O⁺ образуются в результате частичного протолиза NH₄⁺- ионов электролита:

NH₄⁺ + H₂O ↔ H₃O⁺ + NH₃

При восстановлении H₃O⁺- ионов образуется водород, который не может удалиться (корпус герметичен) и образует вокруг угольного стержня прослойку газа (поляризация угольного электрода). Из-за этого ток медленно затухает. Чтобы избежать образования водорода, угольный электрод окружают слоем диоксида марганца (MnO₂). В присутствии диоксида марганца H₃O⁺-ионы восстанавливаются с образованием воды:

2MnO₂ + 2H₃O⁺ + 2e⁻ → 2MnO (OH) + 2H₂O

Таким способом избегают поляризации электрода, а диоксид марганца называют деполяризатором.

Электролит NH₄Cl диссоциирует и частично протолизируется:

2NH₄Cl + 2H₂O ↔ 2NH₃ + 2H₃O⁺ + 2Cl⁻

Образующиеся на аноде ионы Zn²⁺ поступают в раствор и образуют труднорастворимую соль:

В общем:

Общая реакция: Zn + 2MnO₂ + 2NH₄Cl → 2MnO (OH) + [Zn (NH₃)₂]Cl₂ Во время разрядки цинковый стакан растворяется. Во избежание вытекания электролита или продуктов реакции стаканчик имеет запас по толщине или окружён железной защитной оболочкой.

Устройство

В качестве электродов в «сухом элементе» выступают цинковый стакан и угольный стержень. Поэтому сухой элемент называют ещё угольно-цинковым. Положительным электродом «+» является угольный стержень, отрицательным — цинковый стакан. Угольный стержень окружен смесью диоксида марганца MnO₂ и угля (сажи). В качестве электролита выступает раствор хлорида аммония NH₄Cl с небольшой добавкой хлорида цинка ZnCl₂, загущённый крахмалом и мукой — это необходимо для того, чтобы электролит не мог вытечь или высохнуть при хранении и эксплуатации элемента. Тем не менее при неправильной эксплуатации или слишком длительном хранении электролит всё же может потечь или высохнуть.

Производство

Хранение и эксплуатация

Восстановление работоспособности

По мере разрядки цинковый стакан покрывается слоем цинкдиамминхлорида, за счёт чего увеличивается внутреннее сопротивление элемента. Частично восстановить ёмкость элемента можно, если удалить слой цинкдиамминхлорида с поверхности цинкового стакана. Сделать это удаётся несколькими способами:

• путём деформации цинкового стакана
• подачей на выводы батареи переменного тока особой формы.

Второй способ нередко ошибочно называют перезарядкой. Оба способа сопряжены с риском повреждения цинкового стакана и подтекания электролита. Более того этот способ может также привести к взрыву элемента.

Другой распространённой причиной потери ёмкости является высыхание электролита. Это обычно происходит в тех случаях, когда элемент используется в течение длительного времени в устройствах, потребляющих небольшой ток (например, электронных часах), либо после длительного хранения. В этом случае восстановление работоспособности возможно после шприцевания батарейки водой, однако после этого необходимо плотно закрыть отверстие, иначе электролит может в скором времени снова высохнуть, либо начать подтекать.

Ещё одной известной неисправностью является коррозия (окисление) цинкового стакана. В результате окисления происходит истончение стакана, а также (при окислении контактных площадок) — увеличение сопротивления элемента. Коррозия в дальнейшем может также перекинуться на другие металлические детали, расположенные близко к батарее. Окислившийся элемент восстановлению не подлежит.

• 
  Цинковый стаканчик («-» электрод) частично вскрыт, под ней бумажный стаканчик, пропитанный электролитом и залитый битумной мастикой
• 
  Цинковый стаканчик удалён, угольный стержень («+» электрод), впрессованный в «+» контакт-крышку, демонтирован
• 
  Внутри бумажного стаканчика прессованный марганцево-графитный порошок с каналом для «+» электрода

Области применения

Все первичные источники тока, за исключением серебряно-цинкового, обладают большим внутренним сопротивлением — десятки Ом, не допускающим разряда их токами большой силы из-за чрезмерного падения напряжения на внутреннем сопротивлении. Это надо учитывать при использовании их в качестве силовых источников тока.

Наиболее эффективной областью применения солевых батареек являются приборы со средним и низким энергопотреблением, например, в ДУ пультах и часах, по причине более медленного саморазряда^{[источник не указан 1128 дней]} солевой батарейки (в сравнении с щелочными элементами питания).

Примечания

Литература

• Большая советская энциклопедия :  [рус.] : в 30 т. / под ред. А. М. Прохоров. — 3-е изд. — М. : Советская энциклопедия, 1973. — Т. 1 4 : Куна — Ломани. — 624 с.
• Кромптон, Т. Первичные источники тока = Small Batteries. Volume 2. Primary Cells. T. R. Crompton. The Macmillan Press Ltd., London, Basingstocke. 1982 : [пер. с англ.] / Под ред. канд. хим. наук Ю. А. Мазитова. — М. : Мир, 1986. — 328 с. : ил. — ББК 31.251. — УДК 621.355^(G).
• ГОСТ 15596-82 : Источники тока химические. Термины и определения : (С изменением № 1.) Дата введения 1982-07-01.
• ГОСТ Р МЭК 60086-1-2010 : Батареи первичные. Часть 1. Общие требования : Дата введения 2011-07-01.

Ссылки

• Марганцево-цинковые батарейки  (рус.). PowerInfo.ru.
• Батарея электропитания  (рус.). Энциклопедия Кругосвет.

Эта страница в последний раз была отредактирована 26 марта 2024 в 15:51.