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. В отличие от элементов, содержащих жидкий электролит, сухие элементы содержат электролит в виде пасты или геля, 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.
Первая конструкция сухой батареи, имевшей коммерческое применение, была разработана Карлом Гасснером в 1886 году. В настоящее время являются основным переносным источником электричества, используемым во многих устройствах. 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. Многие компоненты сухих батарей являются загрязнителями окружающей среды, в различных странах разработаны программы их утилизации и переработки.
История изобретения В 1812 году Джузеппе Замбони описал в диссертационной работе "Сухая электрическая батарея" изобретенную им сухую гальваническую батарею, действующую без кислоты – Замбониев столб.
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 токаGalvanic Battery. US Patent No. 373 064 .. 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. 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"Dry Battery. US Patent No. 439 151. .. В 1896 году американская компания «» (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 и напряжением 1,5 В; в 2005 году создание батареи «Columbia» было отнесено Американским химическим обществом к числу национальных исторически-важных химических достижений () США.
Классификация сухих батарей
Классификация по типу электрохимической системы 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, провела их классификацию, в том числе по типу электрохимической системы. +Классификация сухих батарей (элементов) по типу используемых электрохимических систем ЭлементыАнодЭлектролитКатодНоминальное напряжение, ВМакс. напряжение, ВМаркировка по IECИсточникиГальванические (первичные) элементы (не подлежащие перезарядке ) Марганцево—цинковые типа ЛекланшеЦинкХлорид аммония, хлорид цинкаДиоксид марганца MnO21,51,725нет Марганцево—цинковые щелочныеЦинкГидроксид щелочного металлаДиоксид марганца MnO21,51,65LМарганцево—алюминиевыеАлюминийХлорид алюминия, хлорид аммония, хлорид хрома(III)Диоксид марганца MnO2—1,80—Марганцево—магниевыеМагнийБромид магнияДиоксид марганца MnO2—1,9—Серебряно—цинковыеЦинкГидроксид щелочного металлаОксид серебра Ag2O1,551,63S Воздушно—цинковыеЦинкХлорид аммония, хлорид цинкаКислород O21,41,55AЦинкГидроксид щелочного металлаКислород O21,41,68PНикель—цинковыеЦинкГидроксид щелочного металлаОксигидроксид никеля NiO(OH)1,51,78ZРтуть—цинковыеЦинкГидроксид щелочного металлаРтуть Hg1.3—Литий-ионныеЛитийОрганический электролитМонофторид углерода (CF)x33,7BЛитийОрганический электролитДиоксид марганца MnO233,7CЛитийОрганический электролитДисульфид железа FeS21,51,83FЛитийОрганический электролитОксид меди(II) CuO1,52,3GЛитийНеводный неорганический элетролитТионил хлорид SOCl23,63,9E Аккумуляторы (вторичные) элементы (перезаряжаемые ) Никель—кадмиевыеКадмийГидроксид щелочного металлаОксигидроксид никеля(III) NiO(OH)1,2 1,35Полианилин—цинковыеЦинкХлорид цинка, хлорид аммонияПолианилин—1,29—
Загрязнение окружающей среды
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 %. 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. 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); 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.
Переработка использованных сухих батарей 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. Батареи, содержащие металлическую ртуть, отделяют и перерабатывают отдельно; выделение ртути проводят путем обжига батарей и дальнейшего улавливания её паров.
В Германии с 1997 года используют подход к переработке сухих батарей, основанный на сочетании процессов жидкофазной экстракции, ионного обмена и мембранных технологий.
См. также
Химический источник тока Гальванические элементы Электрический аккумулятор Топливные элементы Типоразмеры гальванических элементов
Литература
Примечания Комментарии
Источники
Категория:Гальванические элементы Категория:Источники питания