Марганцево-цинковый элемент

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Марганцево-цинковый элемент, схематичное устройство

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[править | править код]

Устройство элемента Лекланше — первой марганцево—цинковой ячейки

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[править | править код]

  • Основные характеристики марганцево-цинковых элементов [5]
  • 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 код]

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). 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:

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 стаканчик имеет запас по толщине или окружён железной защитной оболочкой.

Устройство[править | править код]

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

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[править | править код]

Хранение и эксплуатация[править | править код]

Окислившийся цинковый стаканчик (верхняя декоративно-защитная жестяная оболочка вскрыта, полимерная защитная оболочка под ней целая)

Восстановление работоспособности[править | править код]

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.

Области применения[править | править код]

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 1181 день] солевой батарейки (в сравнении с щелочными элементами питания).

Примечания[править | править код]

  1. 1 2 БСЭ, 1973, Т. 14. Лекланше элемент, с. 282.
  2. Марганцево-цинковые элементы. zinref.ru. Дата обращения: 16 октября 2022. Архивировано 16 октября 2022 года.
  3. Galvanic Battery. US Patent No. 373 064.
  4. Ginsberg, J. The Columbia Dry Cell Battery (англ.) // National Historic Chemical Landmarks : буклет. — American Chemical Society, 2005.
  5. Александров Виктор Иванович, Кошель Александр Антонович, Юдин Виктор Семенович. МАРГАНЦЕВО-ЦИНКОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ // Журнал «Инновации в науке» www.sibac.info № 4 (65), 2017 г. : журнал. — 2017. — 1 апреля. — С. 62 - 64.

Литература[править | править код]

  • 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[править | править код]