Сухая батарея

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Рекламная заметка в старом журнале, иллюстрирующая преимущества сухих батарей

Суха́я батаре́я — необслуживаемая батарея, содержащая элементы (гальванические элементы или аккумуляторы), в которых электролит малоподвижен или не растекается за счет наличия адсорбирующего вещества, впитывающего влагу, или загустителя[1][2][3]. В отличие от элементов, содержащих жидкий электролит, сухие элементы содержат электролит в виде пасты или геля[4], увлажненных лишь до состояния, которое необходимо для прохождения через них электрического тока, что предотвращает возможность утечки электролита и является, наряду с компактностью, главным достоинством сухих батарей. В конструкциях сухих батарей могут быть использованы химические источники тока разных типов[⇨]. К сухим батареям так же иногда относят металл-воздушные топливные элементы[4][не соответствует источнику].

Первая конструкция сухой батареи, имевшей коммерческое применение, была разработана Карлом Гасснером в 1886 году[5][a][⇨]. В настоящее время являются основным переносным источником электричества, используемым во многих устройствах[7]. На начало 2000-х годов только в США продажи сухих батарей оценивались в 2,5 млрд долларов, их ежегодное производство составляло 3 млрд штук, они использовались более чем в 900 миллионах устройствах[8]. Многие компоненты сухих батарей являются загрязнителями окружающей среды[⇨], в различных странах разработаны программы их утилизации и переработки[⇨].

Сухая батарея «Columbia» – National Historic Chemical Landmark[en] по версии Американского химического общества

История изобретения[править | править код]

В 1812 году Джузеппе Замбони описал в диссертационной работе "Сухая электрическая батарея" изобретенную им сухую гальваническую батарею, действующую без кислоты – Замбониев столб.[9]

В 1886 году Карл Гасснер запатентовал гальванический элемент, состоявший из двух коаксиальных цилиндров: внешний был сделан из цинка , служившего анодом, и представлял собой корпус батареи, внутренний — из прессованного диоксида марганца MnO2, выступавшего анодом, между которыми был электролит в виде пасты, состоящей из оксида цинка, хлорида аммония, гипса, использованного в качестве связующего, хлорида цинка и воды; в слой MnO2 был погружён углеродный стержень, служивший для отвода вырабатываемого тока[10]. Новация данного изобретения относительно, например, ранее разработанного элемента Лекланше со сходным химизмом процесса, использовавшего раствор хлорида аммония в качестве электролита, состояла в отсутствии у батареи Гасснера жидкого электролита, что увеличивало её портативность вследствие большей механической прочности, нечувствительности к наклону и перевороту, отсутствию протечек электролита, а также уменьшало коррозию цинкового анода, увеличивая долговечность батареи[11]. Впоследствии подобные конструкции батарей получили широкое распространение и стали носить тривиальное название цинк—углеродные батареи, хотя, с точки зрения электрохимии происходящих в ней процессов, они относятся к типу батарей марганцево—цинкового типа. В 1890 году Вильгельм Хеллесен запатентовал общую конструкцию такого элемента, без конкретизации материалов катода и состава иммобилизованого электролита, назвав её "сухой батареей"[12]. В 1896 году американская компания «National Carbon Company[en]» (предшественник «Energizer Battery Company») выпустила на массовый рынок первую сухую батарею под маркой «Columbia» размеров в шесть дюймов (примерно 15 см), массой около 1 кг[13] и напряжением 1,5 В; в 2005 году создание батареи «Columbia» было отнесено Американским химическим обществом к числу национальных исторически-важных химических достижений (National Historic Chemical Landmark[en]) США[11].

Классификация сухих батарей[править | править код]

Классификация по типу электрохимической системы[править | править код]

На сегодняшний день известны различные типы сухих батарей (элементов), относящихся как к первичным (не подлежащим перезарядке), так и вторичным (перезаряжаемым) элементам, которые отличаются используемыми в них химическими источниками тока (материалами катода, анода и иммобилизованного электролита). Международная электротехническая комиссия в рамках стандартов серии IEC 60086—2021, посвященной первичным сухим батареям[14], провела их классификацию, в том числе по типу электрохимической системы[15].

Классификация сухих батарей (элементов) по типу используемых электрохимических систем[15][16] [7]
Элементы Анод Электролит Катод Номинальное

напряжение, В

Макс.

напряжение, В

Маркировка

по IEC[15]

Источники
Гальванические (первичные) элементы (не подлежащие перезарядке )
Марганцево—цинковые

типа Лекланше

Цинк Хлорид аммония,

хлорид цинка

Диоксид марганца MnO2 1,5 1,725 нет [15][17][7][18]
Марганцево—цинковые

щелочные

Цинк Гидроксид щелочного

металла

Диоксид марганца MnO2 1,5 1,65 L [15][7]
Марганцево—алюминиевые Алюминий Хлорид алюминия,

хлорид аммония, хлорид хрома(III)

Диоксид марганца MnO2 — 1,80 — [19]
Марганцево—магниевые Магний Бромид магния Диоксид марганца MnO2 — 1,9 — [20]
Серебряно—цинковые Цинк Гидроксид щелочного

металла

Оксид серебра Ag2O 1,55 1,63 S [15][21] [22]
Воздушно—цинковые Цинк Хлорид аммония,

хлорид цинка

Кислород O2 1,4 1,55 A [15]
Цинк Гидроксид щелочного

металла

Кислород O2 1,4 1,68 P [15]
Никель—цинковые Цинк Гидроксид щелочного

металла

Оксигидроксид никеля

NiO(OH)

1,5 1,78 Z [15]
Ртуть—цинковые Цинк Гидроксид щелочного

металла

Ртуть Hg 1.3 — [15][23][24][7][25][26]
Литий-ионные Литий Органический электролит Монофторид углерода (CF)x 3 3,7 B [15]
Литий Органический электролит Диоксид марганца MnO2 3 3,7 C [15]
Литий Органический электролит Дисульфид железа FeS2 1,5 1,83 F [15]
Литий Органический электролит Оксид меди(II) CuO 1,5 2,3 G [15]
Литий Неводный неорганический

элетролит

Тионил хлорид SOCl2 3,6 3,9 E [15]
Аккумуляторы (вторичные) элементы (перезаряжаемые )
Никель—кадмиевые Кадмий Гидроксид щелочного

металла

Оксигидроксид никеля(III)

NiO(OH)

1,2 [27] 1,35 [7]
Полианилин—цинковые Цинк Хлорид цинка, хлорид аммония Полианилин — 1,29 — [28]

Загрязнение окружающей среды[править | править код]

См. также: Утилизация химических источников тока
Батарея, не содержащая ртути и кадмия

Сухие батареи вносят значительный вклад в загрязнение окружающей среды, выступая одним из видов бытовых отходов. Агентство по защите окружающей среды США выделяло следующие основные типы сухих батарей, входящих в состав твердых бытовых отходов: марганцево—цинковые (в том числе щелочные), ртуть—цинковые, серебряно—цинковые и литий ионные первичные батареи, а также сухие никель—кадмиевые и герметичные свинцово—кислотные вторичные батареи для портативных устройств. При этом вклад сухих батарей в общие выбросы ртути в составе бытовых отходов в 1989 году составлял 88 %, кадмия —- 52 %[29]. Важно отметить, что в это время ртуть в виде оксида входила в состав не только ртуть—цинковых сухих батарей, но и в состав электролита марганцево—цинковых элементов[30]. В начале 1990-х годов в США был введён запрет на утилизацию любых батарей, содержащих ртуть, в составе твёрдых бытовых отходов, также жесткие ограничения были наложены на реализацию ртуть-содержащих марганцево—цинковых элементов, а также ртутно—цинковых батарей, содержащих оксид ртути (в части маркировки и информирования населения о способах утилизации)[31][32]; в результате к середине 1990-х годов потребление ртути в сухих батареях снизилось почти в десять раз, а к 2000 году ртуть перестали массово использовать в данных устройствах[29].

Переработка использованных сухих батарей[править | править код]

Одна из технологий переработки (BATENUS process), используемая в США, включает первичную сортировку смеси использованных сухих батарей различных типов — марганцево–цинковых (в том числе щелочных), никель–кадмиевых и литий-ионных, криогенную и многостадийную механическую обработку с последующим использованием гидрометаллургических процессов для выделения отдельных компонентов. После криогенной обработки батареи становятся хрупкими, и их измельченные после механической обработки части разделяют по размерам, плотности и магнитным характеристикам. Порошковые компоненты далее экстрагируют раствором  серной кислоты, металлы извлекают из экстракта методами электролиза и электродиализа[8]. Батареи, содержащие металлическую ртуть, отделяют и перерабатывают отдельно[8]; выделение ртути проводят путем обжига батарей и дальнейшего улавливания её паров[33].

В Германии с 1997 года используют подход к переработке сухих батарей, основанный на сочетании процессов жидкофазной экстракции, ионного обмена и мембранных технологий[8].

См. также[править | править код]

Литература[править | править код]

Примечания[править | править код]

Комментарии[править | править код]

  1. ↑ Ассоциации производителей аккумуляторов Японии (Battery Association of Japan) считает, что первооткрывателем сухих батарей был японский инженер Сакизо Яй, создавший сухую батарею в 1885 году, но не оформивший патент на своё изобретение[6] .

Источники[править | править код]

  1. ↑ ГОСТ Р МЭК 60050-482—2011, Раздел 482-04-14. Сухая батарея.
  2. ↑ Specification for Dry Cells and Batteries, 1959, Section 1.1, p. 1.
  3. ↑ ГОСТ Р 15596-82, Раздел 65. Сухая батарея.
  4. ↑ 1 2 Нурбей Гулиа. Удивительная физика 2-е изд., испр. и доп. — Litres, 2020-10-16. — 415 с. — ISBN 978-5-04-305417-3.
  5. ↑ Williams, p. 85.
  6. ↑ Сакидзо Яй. Изобретатель, опередивший эпоху электричества и известный как «король сухих батарей» (яп.). Mitsubishi Electric.
  7. ↑ 1 2 3 4 5 6 Greenwood, Earnshaw, 1997, Chapter 29, p. 1204.
  8. ↑ 1 2 3 4 A.M Bernardes, D.C.R Espinosa, J.A.S Tenório. Recycling of batteries: a review of current processes and technologies (англ.) // Journal of Power Sources. — 2004-05. — Vol. 130, iss. 1-2. — P. 291–298. — doi:10.1016/j.jpowsour.2003.12.026.
  9. ↑ Шустов М. А. История электричества. — Directmedia, 2019-03-04. — 569 с. — ISBN 978-5-4475-9841-9.
  10. ↑ Galvanic Battery. US Patent No. 373 064.
  11. ↑ 1 2 Ginsberg, J. The Columbia Dry Cell Battery (англ.) // National Historic Chemical Landmarks : буклет. — American Chemical Society, 2005.
  12. ↑ Dry Battery. US Patent No. 439 151. .
  13. ↑ Williams, p. 86.
  14. ↑ EN IEC 60086-1:2021, Introduction.
  15. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 EN IEC 60086-1:2021, Section 4.1.4. Table 3.
  16. ↑ Specification for Dry Cells and Batteries, 1959, Tables 1A, 1B, p. 1—2.
  17. ↑ Specification for Dry Cells and Batteries, 1959, Table 1A, p. 1.
  18. ↑ Balasubramanian, 2016, p. 266—269.
  19. ↑ A. Sivashanmugam, Srikanth R. Prasad, R. Thirunakaran, S. Gopukumar. Electrochemical Performance of Al-MnO2 Dry Cells: An Alternative to Lechlanche Dry Cells (англ.) // Journal of The Electrochemical Society. — 2008. — Vol. 155, iss. 10. — P. A725. — doi:10.1149/1.2960897.
  20. ↑ Balasubramanian, 2016, p. 271—272.
  21. ↑ Silver Oxide Batteries. Safety Data Sheet. Tohoku Murata Manufacturing Co., Ltd. Section 14 (англ.).
  22. ↑ Cameron, 2009, p. 879.
  23. ↑ Specification for Dry Cells and Batteries, 1959, Table 1B, p. 2.
  24. ↑ Specification for Dry Cells and Batteries, 1959, Section 3, p. 3.
  25. ↑ Ruben, 1981, p. 233—245.
  26. ↑ Balasubramanian, 2016, p. 272—273.
  27. ↑ ГОСТ Р МЭК 61951-1-2019, Таблица. 2.
  28. ↑ Mu Shaolin, Ye Jinhai, Wang Yuhua. A rechargeable Zn/ZnCl2, NH4Cl/polyaniline/carbon dry battery // Journal of Power Sources. — 1993-06. — Т. 45, вып. 2. — С. 153–159. — ISSN 0378-7753. — doi:10.1016/0378-7753(93)87004-m.
  29. ↑ 1 2 Used Dry Cell Batteries: Is a Collection Program Right for Your Community? (англ.). nepis.epa.gov. United States Environmental Protection Agency. Дата обращения: 21 марта 2024.
  30. ↑ Seiya Yamaguchi, Nobuhiro Shimojo, Ken-Ichi Sano, Tsutomu Fujishima. Discovery of methyl mercury compound in dry batteries // Science of The Total Environment. — 1983-03-01. — Т. 27, вып. 1. — С. 53–58. — ISSN 0048-9697. — doi:10.1016/0048-9697(83)90123-7.
  31. ↑ US Public Law 104-142, 1996.
  32. ↑ Mercury in Batteries (англ.). www.epa.gov. United States Environmental Protection Agency (21 сентября 2015). Дата обращения: 23 марта 2024.
  33. ↑ Used Dry-cell Battery Recycling System (англ.). Nomura Kohsan Co., Ltd..
Источник — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Сухая_батарея&oldid=137336088