Марганцево-цинковый элемент

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

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

Является самым известным первичным элементом (батарея одноразового использования), который сегодня 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 сведена к минимуму возможность вытекания электролита.

История изобретения[править | править вики-текст]

Первый марганцево-цинковый элемент был собран Ж. Лекланше в 1865 г[1].

Характеристики[править | править вики-текст]

  • 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[править | править вики-текст]

Процессы, происходящие в сухом элементе

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). 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. В общем:

2NH4Cl + 2H2O ↔ 2NH3 + 2H3O+ + 2Cl

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

Zn2+ + 2NH3 + 2Cl → [Zn(NH3)2]Cl2

В общем:

Анод: Zn — 2e → Zn2+
Катод: 2MnO2 + 2H3O+ + 2e → 2MnO(OH) + 2H2O
Раствор электролита: Zn2+ + 2NH4+ + 2Cl + 2H2O ↔ [Zn(NH3)2]Cl2 + 2H3O+

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

Устройство[править | править вики-текст]

Марганцево-цинковый элемент.
(1) — металлической колпачок,
(2) — графитовый электрод («+»),
(3) — цинковый стакан («—»),
(4) — оксид марганца,
(5) — электролит,
(6) — металлический контакт.
Сухой элемент

В качестве электродов в «сухом элементе» выступают цинковый стакан и угольный стержень. Поэтому сухой элемент называют еще угольно-цинковым элементом. 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, загущенный 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[править | править вики-текст]

Хранение и эксплуатация[править | править вики-текст]

Восстановление работоспособности[править | править вики-текст]

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. Стоит, однако, отметить, что оба способа сопряжены с риском повреждения цинкового стакана и подтекания электролита, а второй 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 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.

Области применения[править | править вики-текст]

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 помнить 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. Это достигается за счет медленного саморазряда солевой батарейки в приборах с низким энергопотреблением (в сравнении с щелочными элементами питания).

Примечания[править | править вики-текст]

Литература[править | править вики-текст]

  • Кромптон. Т. Первичные источники тока. Москва. «Мир». 1986.г.
  • ГОСТ 15596-82 Источники тока химические. Термины и определения

Ссылки[править | править вики-текст]