Щелочная батарейка или аккумулятор

Алкалиновые или литиевые батарейки – какие лучше выбрать?

В этой статье будут рассмотрены особенности алкалиновых и литиевых батареек, а также их преимущества и недостатки. Для педантов сразу отмечу, что под обозначением «батарейки» здесь понимаются первичные источники тока щелочного (alkaline) и литиевого типа. В основном они представлены в продаже цилиндрическими моделями форм-фактора AA (или R6) и AAA (или R3), но на самом деле типоразмеров значительно больше. Можно также назвать C (R14), D (R20). Есть не только цилиндрические, но также дисковые (CR) или призматические («Крона» 9 В). Отличия у них не в форме и размерах, а в типе электрохимической системы, которая и определяет их достоинства и недостатки.

Алкалиновые

Конструкция и состав

Это стандартные батарейки щелочного типа. Алкалиновыми их окрестили за маркировку «Alkaline» (в переводе щелочной) импортного происхождения. Это марганцево─цинковый гальванический элемент питания со щелочным электролитом. В большинстве случаев щелочные батарейки имеют катод из двуокиси марганца (MnO₂) с графитосодержащим материалом, а анод из цинковой пасты (Zn). Реже в качестве материала катода применяются оксид серебра (Ag₂O) или метагидроксид никеля (NiO(OH)). В качестве электролита применяется гидроксид калия (KOH).

Ниже можно посмотреть конструкцию щелочного источника питания цилиндрического типа.

Изоляцию катода обеспечивает оболочка, предотвращающая короткое замыкание. В нижней части можно также увидеть специальную прокладку. Её роль заключается в принятие газов, образующихся в элементе при работе. Если давление превышает допустимый предел, то развивается предохранительная мембрана и батарейка разгерметизируется. В результате из алкалинового источника питания может вытечь электролит.

Реакции

В алкалиновых источниках питания протекают следующие реакции.

На аноде идет реакция с образованием гидроксида цинка и дальнейшим его разложением на оксид цинка и воду.

Zn + 2OH − => Zn(OH)₂ + 2e −

На катоде восстанавливается оксида марганца.

Общий электрохимический процесс в алкалиновой батарейке выглядит следующим образом.

Zn + 2KOH + 2MnO₂ + 2e − → 2e − + ZnO + 2KOH + Mn₂O₃

Конструкция и материалы щелочной батарейки очень близки к солевым источникам питания. Однако в отличие от солевых батареек, в алкалиновых цинк содержится в порошкообразном виде, а не в форме цинкового стакана.

Сферы применения

Ниже перечислены основные сферы применения.

• Фонари.
• Мелкая электроника.
• Переносные магнитофоны.
• Вспышки для фотоаппаратов.
• Радиоуправляемые модели.
• Электронные часы.

Как видите, это устройства, потребляющие относительно высокий ток непродолжительное время, а также те, что требуют небольшое по мощности питание в течение длительного времени. Если подать слишком высокую нагрузку, то может просесть напряжение и потребуется некоторое время на его восстановление.
Вернуться к содержанию

Основные параметры

Параметр	Значение
ЭДС элемента, В	1.5
Интервал рабочих температур, С	от -30 до +55
Удельная мощность, кВт/куб. м.	от 100 до 150
Удельная энергия, Вт*ч/кг	от 65 до 90

Литиевые

Конструкция

В случае с литиевыми батарейками есть несколько распространённых типов конструкции. Ниже рассмотрены цилиндрические и дисковые источники тока.

Для цилиндрических моделей применяются бобинная и рулонная конструкция.

В случае рулонных батареек важно позаботиться о безопасности, поскольку при коротком замыкании (КЗ) ток в них может достигать 20 ампер. Если произойдет КЗ, то из-за сильного разогрева элемент питания может взорваться. Чтобы это предотвратить, конструкции предусматривается плавкий термистор, который еще называют плавким предохранителем. Когда ток превышает определенное значение, термистор разогревается, увеличивается сопротивление материала и ток КЗ снижается.

После устранения короткого замыкания и уменьшения температуры, сопротивление плавкого предохранителя снижается и батарейку можно снова использовать.

Некоторые производители предусматривают дополнительный вид защиты в виде специальной насечки в основании отрицательного вывода элемента. Если давление внутри корпуса превысит определенное значение, то по этой насечке произойдет вскрытие и сброс давления. Так удастся избежать взрыва. После вскрытия литиевая батарейка уже непригодна для использования.

Состав и протекающие реакции

Существуют две электрохимические системы, на основе которых создаются литиевые батарейки.

• Литий─диоксидмарганцевые или CR (Li─MnO₂).
• Литий─тионилхлоридные или ER (Li─SOCl₂).

Литий─тионилхлоридные

В этой электрохимической системе катодом является жидкое вещество. В роли анода выступает металлический литий, а катод выполнен из пористой углеродной массы. Электролит представляет собой раствор солей лития (LiGaCl₄ или LiAlCl₄) в тионилхлориде (SOCl₂). Тионилхлорид, помимо функции электролита, выполняет также роль активного материала катода. Химическая реакция, протекающая в этой электрохимической системе, выглядит так.

В процессе разряда происходит оседание хлорида лития в порах катода. Когда батарейка близка к полному разряду, начинается оседание серы на катоде. Параллельно происходит растворение оксида серы в электролите.

Литий─диоксидмарганцевые

Электрохимические системы на базе MnO₂ являются более распространенными при создании первичных источников тока литиевой типа. Здесь роль анода также выполняет металлический литий, активным катодным материалом является термообработанный диоксид марганца ─ MnO₂. В системе используются органический электролит, имеющий в своём составе растворенные соли лития LiClO₄ или LiCF₂SO₂. Часто используется диметоксиэтан или пропиленкарбонат. Реакция, происходящая при разряде в этой системе, показана ниже.

При протекании реакции нет образования каких-то химических элементов, которые бы увеличивали давление в корпусе источника тока. Марганец восстанавливается до трёхвалентного состояния, а также происходит встраивание ионов лития в кристаллическую решётку MnO₂.

Система на основе Li─SOCL₂ имеет более высокую энергетическую плотность и ёмкость, чем Li─MnO₂. Естественно, при одинаковых габаритах и массе. Это обусловлено более высокой активностью тионилхлорида сравнению с диоксидом марганца. Кроме того, номинальное напряжение в первом случае составляет 3,5, а во втором 3 вольта.

Если после хранения такой батарейки подключить её к устройству, потребляющему большой ток, то произойдет кратковременная просадка напряжения. Впоследствии она выравнивается до нормального значения. Просадка будет тем сильнее, чем дольше на хранении находился источник питания. И тем больший ток будет потребляться нагрузкой. Если же напряжение снизится ниже минимального, то устройство не может просто включиться.

Поэтому после хранения батареек Li─SOCl₂ перед подключением к ним нагрузки нужно проводить депассивацию. Причём специалисты советуют учитывать эффект пассивации на стадии проектирования того или иного устройства для его стабильного функционирования. С этой точки зрения процесс пассивации является отрицательным явлением.

В принципе, этот эффект можно преодолеть, если ввести в электролит вещества, способствующие растворению хлорида лития. Но образующаяся пленка имеет и положительный эффект. Он заключается в том, что при хранении предотвращается окисление материала катода. Благодаря этому снижается интенсивность саморазряда. К примеру, у батареек Li─SOCl₂,имеющих бобинную конструкцию, составляет всего около 1 процента в год.
Вернуться к содержанию

Сферы применения

• Цифровые фотоаппараты и камеры.
• Автомобильные пульты дистанционного управления.
• Часы.
• Калькуляторы.
• Материнские платы.
• Прочая электроника малого и среднего размера.

Безопасность

При использовании литиевых батареек важное значение приобретает вопрос безопасности. Это касается их применения как в промышленных, так и в бытовых устройствах. Нужно позаботиться о том, чтобы параметры эксплуатации не привели к возгоранию, порче оборудования и травмам персонала. Более безопасными считаются источники тока Li─MnO₂. В них при хранение и разряде не возникает никаких элементов, увеличивающих давление в корпусе. В электрохимических системах Li─SOCl₂ присутствуют подобные элементы, но критического увеличения давления они не вызывают.

Стоит также понимать, что чем больше ёмкость литиевых источников тока (а значит, больше их размеры и масса), тем больше в них активного материала. А значит, серьёзнее будут последствия в случае возгорания. Чем меньше лития использовано в батарейке, тем она безопаснее. Про средства защиты (клапаны, насечки) уже было сказано выше в разделе про рулонную конструкцию.

Характеристики

Li─MnO2	Li─SOCl2
Катод	диоксид марганца	тионилхлорид
Электролит	перхлорат лития в растворителе (пропиленкарбонат, диметоксиэтан)	тетрахлоралюминат лития в тионилхлориде
ЭДС, В	3.3	3.65
Номинальное напряжение, В	3	3.5
Удельная энергия, Вт*ч/кг	280	500-700

Что лучше – литиевые или алкалиновые?

В итоге, что лучше литиевые или щелочные батарейки? Как и в других подобных случаях, однозначного ответа на вопрос здесь дать нельзя. Выбор нужно делать в зависимости от устройства, где будет работать батарейка. Можно только обозначить преимущества и недостатки обоих типов.

• Длительный срок хранения и низкий саморазряд.
• Незначительное падение напряжения по мере разряда.
• Большая ёмкость по сравнению с солевыми источниками тока.
• Показывает хорошую работу при отрицательных температурах.
• Выдерживает значительный ток разряда без просадки напряжения.
• Отсутствие расхода электролита.
• Небольшое газовыделение.

• Низкая энергоёмкость. Отсюда больше размеры и масса.
• Относительно невысокая цена.

• Высокая энергоёмкость. Это значит, что при одинаковых габаритах с алкалиновыми батарейками они имеют большую ёмкость.
• Литиевые источники питания имеют большее напряжение и более высокий разрядный ток.
• Отсутствие газовыделения при разряде или объём выделяющихся газов небольшой.
• Хорошо держат напряжение при высоких нагрузках.

• Содержат в своем составе более токсичные материалы, чем у алкалиновых элементов.
• Требует более аккуратного обращения при эксплуатации. Существует опасность возгорания при коротком замыкании.
• Срок службы дольше, чем у алкалиновых, но и стоят дороже.

Можно однозначно сказать, что выбор в пользу литиевых батареек следует делать тогда, когда требуется обеспечить питание устройств с высоким потреблением тока. Но при этом придется потратиться больше, чем случае со щелочными источниками тока.
Вернуться к содержанию

Источник

Алкалиновые батарейки: технические характеристики, виды, область применения и отличие от солевых батареек

Аккумуляторы и батарейки питают бытовые устройства, которые работают автономно от электрической сети: пульты управления, фонарики, кухонные весы, часы или детские игрушки. Действие электрического тока отличается для разных электролитов в их составе. Долгим сроком службы и надежностью отличаются щелочные или алкалиновые батарейки, тогда как солевые элементы питания разряжаются быстрее.

История развития

Предок современных батареек – вольтов столб – был изобретен в начале 19 в. итальянским ученым Алессандро Вольта. В составе первого в мире автономного источника питания поочередно соединялись медные и цинковые пластинки – гальванические элементы. Электрический ток возникал из-за химического взаимодействия металла с солевым раствором.

Современные устройства отличаются меньшими размерами и улучшенной производительностью, но имеют такой же принцип действия.

Массовое производство электрических элементов питания началось в середине 19 в. во Франции инженерами Жоржем Лекланше и Эрнестом Барбье. Тогда их применяли в оборудовании телеграфных сетей и железных дорог.

Первый источник тока в промышленных батареях – марганцево-цинковый с солевым раствором – был разработан Лекланше. Позднее в производстве стали пользоваться другими первичными элементами анода и катода, экспериментировать с составом электролита, чтобы уменьшить размеры корпуса, но увеличить удельную емкость и срок службы батареек.

Щелочной раствор для химического взаимодействия анода и катода впервые использовали в 20 в. Томас Эдисон и Вальдемар Джангнер, но работали изобретатели независимо друг от друга. В 1950 г. канадский инженер Льюис Урри применил щелочь для марганцево-цинковых батареек, а уже через 10 лет запатентовал эту разработку.

Щелочные и алкалиновые батарейки – отличия

Щелочные батарейки также называются алкалиновыми. Название происходит от английского слова «alkaline», которое переводится как «щелочь» и определяет тип электролита в составе устройств питания. На оболочках батареек иностранного производства есть соответствующая надпись на английском языке.

Отличие щелочных батареек от солевых

Чем отличаются солевые и щелочные элементы питания:

• конструкция аккумуляторов различаются типом анода (цинковый компонент используется в виде стакана или порошка, из-за чего во втором случае увеличивает площадь химической реакции);
• срок годности солевых батареек в 2-3 раза ниже, чем алкалиновых, при этом солевые элементы постепенно саморазряжаются даже без использования для питания техники;
• высокие токи разряда не подходят для солевых аккумуляторов из-за внутреннего сопротивления устройств, тогда как алкалайн-батарейки могут использоваться в качестве силового источника тока (в импульсных фотоосветителях, моделях на радиоуправлении);
• в работе при перепадах температур солевые батарейки нестабильны, на холоде теряют емкость заряда, в отличие от щелочных аналогов;
• удельная емкость алкалиновых элементов повышается при увеличении нагрузки и составляет показатель в 2-10 раз больше, чем у солевых;
• герметичность корпуса алкалиновых аккумуляторов позволяет не вынимать их из неработающего девайса, в случае солевого аналога риск вытекания раствора со временем возрастает;
• цена щелочных аккумуляторов выше, чем солевых.

Состав батарейки

Состав щелочных аккумуляторов идентичен с солевыми аналогами. Характеристики устройства повышаются за счет разницы в проводящем ток растворе и измененной конструкции.

Из каких химических компонентов состоят алкалиновые аккумуляторы:

• анодная паста – загущенный цинковый порошок;
• катод – активная часть батарейки из диоксида марганца вперемешку с углем или графитом;
• электролит – щелочной раствор (преимущественно калия (KOH), отдельные производители используют литий (LiOH) или натрий (NaOH)).

Как устроен элемент питания

Составные части элементов питания на щелочной основе расположены в обратном порядке в сравнении с конструкцией солевых АКБ.

Компоненты алкалиновых батареек:

• внутренняя часть аккумулятора состоит из анода, перемешанного с раствором щелочи;
• латунный стержень находится в центре анода, чтобы подавлять отрицательный потенциал желеобразной смеси порошка цинка с раствором KOH;
• защитный сепаратор, который также смешан с электролитом, находится между элементами анода и катода;
• в основании расположена стальная тарелка (отрицательный вывод), вся конструкция помещена в стакан из никеля (положительный вывод);
• защитные оболочки, мембраны и прокладки из полиэстера между элементами препятствуют короткому замыканию и подавляют давление газа при химической реакции.

При нарушении условий эксплуатации концентрация газов в оболочке возрастает, конструкция разгерметизируется и электролит вытекает. Чтобы увеличить срок годности алкалиновых батареек, в раствор щелочи добавляются загустители, а порошок цинка дополнительно ингибируется против коррозии.

Классификация алкалиновых батареек

Маркировка щелочных аккумуляторов отличается у производителей из разных стран, поэтому устройства классифицируют по нескольким параметрам.

По внешней оболочке различаются:

• монеты (таблетки, пуговицы, маркировка CR) – устройства круглой формы с диаметром 0,3-0,47 см, металлический защитный корпус и маленькие размеры обуславливают сферу применения (используются для наручных часов, кухонных весов, пультов сигнализации);
• микропальчиковые (маркировка ААА) – элементы цилиндрической формы длиной 4,45 см, весом до 15 г, за счет небольших размеров и высокой производительности распространены в бытовых приборах (игрушках, технике, пультах управления);
• пальчиковые (маркировка АА) – цилиндрические аккумуляторы длиной 5 см, весом до 20 г, также широко используются в быту (преимущественно в радио- или фототехнике, радиоуправляемых моделях);
• кроны – по названию одноименных батареек производства СССР, прямоугольные элементы высотой до 5 см и весом до 55 г, со штекером и гнездом с двух сторон, применяются в радиотехнике;
• бочонки (маркировка D) – устройства питания весом 60-140 г для приборов с повышенным потреблением тока (акустические системы, бумбоксы, фонари).

Алкалиновые батарейки имеют на корпусе маркировку: L, LR, Alkaline Battery.

Характеристики щелочных элементов питания

Производители АКБ на основе щелочных растворов указывают следующие характеристики устройств:

• напряжение – 1,5-10 В (в зависимости от типоразмера батарейки);
• запас мощности (электрическая емкость) элементов питания различается пропорционально объему компонентов – 1000-3000 мА/ч;
• рекомендуемая температура для хранения и работы – -30…+50°С.

Параметры напряжения и мощности необходимо учитывать при выборе батареек для работы с токами высоких разрядов. Наибольшая производительность отмечается при чередовании повышенных нагрузок и продолжительного бездействия устройств.

Где используются щелочные батарейки

Хорошая производительность и широкий выбор технических параметров сохраняют востребованность этих элементов у потребителей.

Какие приборы питаются от алкалиновых батареек:

• техника для взвешивания (бытовые, напольные, торговые или лабораторные весы);
• пульты управления (для телевизоров, кондиционеров, видео- и аудиотехники);
• часы (электронные настенные, настольные или напольные);
• модели на радиоуправлении;
• игрушки для детей;
• медицинское оборудование (электронные приборы для измерения артериального давления, температуры тела, слуховые аппараты, холтеры и пр.);
• радиоприемники, магнитофоны, бумбоксы, портативные колонки;
• цифровые фотоаппараты.

Преимущества и недостатки батареек на щелочной основе

Щелочные аккумуляторы обладают следующими положительными сторонами:

• слабое выделение газов внутри контура и герметичность последнего уменьшают риск протечки щелочи и, как следствие, порчи электронного прибора;
• без использования хранятся 3-5 лет, при этом не разряжаются самостоятельно;
• при стандартных размерах обладают повышенной емкостью, из-за чего лучше работают и служат дольше;
• адаптируются к перепадам температуры, высоким нагрузкам;
• разряжаются равномерно, нет резкого падения мощности при потере заряда.

• стоят больше обычных солевых батареек;
• утилизируются специальными методами, т. к. при попадании на почву или свалку наносят вред окружающей среде;
• тяжелый вес моделей отдельных производителей;
• не перезаряжаются из-за необратимости химических реакций, при попытке подзарядки нагреваются или взрываются.

Можно ли заряжать алкалиновые батарейки?

Перезаряжаемые алкалиновые устройства выпускаются не всеми производителями. На коробке и корпусе элементов есть отметка RAM (Rechargeable Alkaline Manganese Battery, т. е. перезаряжаемая щелочная марганцевая батарея).

Стоят полуторавольтовые аккумуляторные батареи дороже, но быстро окупаются. Важно отметить, что их емкость рассчитана на 20-25 подзарядок, затем устройство изнашивается и отправляется на утилизацию.

Обычные батарейки на щелочной основе являются одноразовыми и не предусматривают повторного использования. Восстановить емкость элемента способами, придуманными для солевых батареек, не получится, и применять их небезопасно.

Аналоги щелочных батареек и их цена

Наряду с элементами питания на основе щелочных растворов используются сухие (солевые угольно-цинковые или хлорид цинковые), ртутные, серебряные, литиевые источники энергии.

Отличительные черты этих устройств:

• сухие солевые элементы распространены в массовом производстве, но имеют наименьшую емкость и неустойчивы к воздействию, цена – 4-50 руб. за 1 шт.;
• батарейки heavy duty (с хлоридом цинка) имеют небольшую емкость, но хорошо работают при высоком напряжении или низкой температуре, цена – 5-90 руб. за 1 шт.;
• ртутные устройства питания отличаются равномерной подачей напряжения, увеличенными емкостью и энергоплотностью, но высокая цена и сложность утилизации сократили их производство до минимума;
• серебряные батареи, несмотря на высокую производительность и технические характеристики, используются редко, преимущественно для часов и медицинского оборудования, цена стартует от 50 руб. за 1 шт.;
• литий обеспечивает элементы маленькими размерами, наивысшей емкостью, выходным напряжением до 4,5 В и медленным разряжением, цена – 50-300 руб. за 1 шт.

Полезные рекомендации

За 12 месяцев хранения щелочная батарейка теряет 10-15% заряда, поэтому рекомендуется использовать устройство сразу после покупки, не выбирать товары с истекающим сроком годности.

Несмотря на отметку о допустимой рабочей температуре до -30°С, переохлаждение не идет алкалиновым аккумуляторам на пользу. Со временем механизм изнашивается и емкость становится меньше.

Забытые в слоте питания батарейки часто протекают из-за усиливающейся при саморазряде химической реакции. Это чревато порчей техники, поэтому из неиспользуемых пультов, игрушек или других приборов элементы лучше вынимать.

Не рекомендуется пытаться зарядить любые элементы питания, кроме аккумуляторных батарей, которые имеют соответствующую отметку. Для перезарядки используются специальные приборы, другие способы небезопасны и не гарантируют результата.

Утилизацией использованных батареек занимаются компании по переработке токсичных отходов. В крупных российских городах обязательно есть по несколько пунктов приема.

Выбрать форму, размер и емкость устройства поможет инструкция по эксплуатации техники. Выбор производителя остается за покупателем, однако на рынке востребованы товары мировых брендов (Philips, Toshiba, Sony, Duracell, Panasonic и др.).

Источник