Alkaliskt batteri

Alkaliskt batteri
Alkali battery 5.jpg
Storleksjämförelse av alkaliska batterier (vänster till höger): C , AA , AAA , N , PP3 (9-volt) .
Självurladdningshastighet <0,3 %/månad
Tidsbeständighet 5–10 år
Nominell cellspänning 1,5 V

Ett alkaliskt batteri (IEC-kod: L) är en typ av primärbatteri där elektrolyten (oftast kaliumhydroxid ) har ett pH -värde över 7. Dessa batterier får vanligtvis energi från reaktionen mellan zinkmetall och mangandioxid , nickel och kadmium , eller nickel och väte .

Jämfört med zink-kol-batterier av Leclanché-cell eller zinkklorid , har alkaliska batterier en högre energitäthet och längre hållbarhet , men ger ändå samma spänning.

Det alkaliska batteriet har fått sitt namn eftersom det har en alkalisk elektrolyt av kaliumhydroxid (KOH) istället för den sura ammoniumklorid (NH 4 Cl) eller zinkklorid (ZnCl 2 ) elektrolyten från zink-kol-batterierna. Andra batterisystem använder också alkaliska elektrolyter, men de använder olika aktiva material för elektroderna.

Alkaliska batterier står för 80 % av tillverkade batterier i USA och över 10 miljarder individuella enheter tillverkade över hela världen. I Japan står alkaliska batterier för 46 % av all försäljning av primära batterier. I Schweiz står alkaliska batterier för 68 %, i Storbritannien 60 % och i EU 47 % av all försäljning av batterier inklusive sekundära batterier. Alkaliska batterier innehåller zink (Zn) och mangandioxid (MnO 2 ) (Hälsokod 1), som är ett kumulativt neurotoxin och kan vara giftigt i högre koncentrationer. Men jämfört med andra batterityper är toxiciteten hos alkaliska batterier måttlig.

Alkaliska batterier används i många hushållsartiklar som MP3-spelare , CD-spelare , digitalkameror , leksaker, ficklampor och radioapparater .

Historia

Se även: Batteriets historia
Thomas Edisons nickel-järnbatterier tillverkade under varumärket " Exide ", som ursprungligen utvecklades 1901 av Thomas Edison använde en kaliumhydroxidelektrolyt.

Batterier med alkalisk (snarare än sur) elektrolyt utvecklades först av Waldemar Jungner 1899, och Thomas Edison arbetade självständigt 1901. Det moderna alkaliska torrbatteriet, som använder zink/ mangandioxidkemin , uppfanns av den kanadensiske ingenjören Lewis Urry på 1950-talet i Kanada innan han började arbeta för Union Carbides Eveready Battery- division i Cleveland, OH , med utgångspunkt i tidigare arbete av Edison. Den oktober 1957 lämnade Urry, Karl Kordesch och PA Marsal in amerikanskt patent (2 960 558) för det alkaliska batteriet. Det beviljades 1960 och tilldelades Union Carbide Corporation.

När alkaliska batterier introducerades i slutet av 1960-talet hade deras zinkelektroder (tillsammans med de då allestädes närvarande kol-zink-cellerna) en ytfilm av kvicksilveramalgam . Dess syfte var att kontrollera elektrolytisk verkan på föroreningar i zinken; att oönskad elektrolytisk verkan skulle minska hållbarheten och främja läckage. När minskningar av kvicksilverhalten beordrades av olika lagstiftare blev det nödvändigt att avsevärt förbättra zinkens renhet och konsistens.

Kemi

I ett alkaliskt batteri är den negativa elektroden zink och den positiva elektroden är mangandioxid (MnO 2 ). Den alkaliska elektrolyten av kaliumhydroxid (KOH) förbrukas inte under reaktionen (den regenereras), endast zinken och MnO 2 förbrukas under urladdningen. Koncentrationen av alkalisk elektrolyt av kaliumhydroxid förblir konstant, eftersom det finns lika stora mängder OH - anjoner som förbrukas och produceras i de två halvreaktionerna som sker vid elektroderna .

De två halvreaktionerna är:

  Anod (oxidationsreaktion), negativt laddad elektrod eftersom den tar emot e − från reduktionsmedlet i cellen:
                     Zn (s) + 2 OH − ( aq ) → ZnO (s) + H 2 O (l) + 2 e − (E° ox = +1,28 V)
  Katod (reduktionsreaktion), positivt laddad elektrod eftersom ger e − till oxidationsmedlet i cellen:
         2 MnO 2(s) + H 2 O (l) + 2 e − → Mn 2 O 3(s) ) + 2 OH − (aq) (E° röd = +0,15 V)

Den totala reaktionen (summan av anodiska och katodiska reaktioner) är:

                           Zn (s) + 2 MnO 2(s) ⇌ ZnO (s) + Mn 2 O 3(s) (E° cell = E° ox + E° red = +1,43 V)

Kapacitet

Flera storlekar av knapp- och myntceller. Vissa är alkaliska och andra är silveroxid . Två 9 V-batterier lades till som en storleksjämförelse. Förstora för att se storlekskodens markeringar.

Kapaciteten hos ett alkaliskt batteri är större än en lika stor Leclanché-cell eller zinkkloridcell eftersom mangandioxiden är renare och tätare och mindre utrymme tas upp av interna komponenter som elektroder. En alkalisk cell kan ge mellan tre och fem gånger kapaciteten hos en sur cell.

Kapaciteten hos ett alkaliskt batteri är starkt beroende av belastningen. Ett AA -storlek kan ha en effektiv kapacitet på 3000 mAh vid låg strömförbrukning, men vid en belastning på 1 ampere , vilket är vanligt för digitalkameror, kan kapaciteten vara så lite som 700 mAh . [ citat behövs ] Batteriets spänning sjunker stadigt under användning, så den totala användbara kapaciteten beror på applikationens gränsspänning .

Till skillnad från Leclanché-celler, levererar den alkaliska cellen ungefär lika mycket kapacitet vid intermittenta eller kontinuerliga lätta belastningar. På en tung last reduceras kapaciteten vid kontinuerlig urladdning jämfört med intermittent urladdning, men minskningen är mindre än för Leclanche-celler.

Spänning

Den nominella spänningen för en ny alkalisk cell enligt tillverkarens standarder är 1,5 V. Den faktiska nolllastspänningen för ett nytt alkaliskt batteri sträcker sig från 1,50 till 1,65 V, beroende på renheten hos mangandioxiden som används och innehållet av zinkoxid i elektrolyten. Spänningen som levereras till en last minskar när strömmen ökar och när cellen laddas ur. En cell anses vara helt urladdad när spänningen sjunker till cirka 1,0 V. Celler kopplade i serie producerar en spänning som är summan av spänningarna i varje cell (t.ex. kommer tre celler att generera cirka 4,5 V när de är nya).

AA-batterispänning kontra kapacitet, vid nollbelastning och 330 mW belastning
Kapacitet 100 % 90 % 80 % 70 % 60 % 50 % 40 % 30 % 20 % 10 % 0 %
Noll belastning 1,59V 1,44V 1,38V 1,34V 1,32V 1,30V 1,28V 1,26V 1,23V 1,20V 1,10V
330 mW 1,49V 1,35V 1,27V 1,20V 1,16V 1,12V 1,10V 1,08V 1,04V 0,98V 0,62V

Nuvarande

Mängden elektrisk ström ett alkaliskt batteri kan leverera är ungefär proportionell mot dess fysiska storlek. Detta är ett resultat av minskat inre motstånd när cellens inre yta ökar. En tumregel är att ett AA alkaliskt batteri kan leverera 700 mA utan någon nämnvärd uppvärmning. Större celler, som C- och D-celler, kan leverera mer ström. Tillämpningar som kräver strömmar på flera ampere, såsom kraftfull bärbar ljudutrustning, kräver celler i D-storlek för att hantera den ökade belastningen.

Konstruktion

Alkaliskt batteri

Alkaliska batterier tillverkas i standardcylindriska former som är utbytbara med zink-kolbatterier och i knappform. Flera individuella celler kan vara sammankopplade för att bilda ett riktigt "batteri", såsom 9-volts PP3-batteriet .

En cylindrisk cell finns i en dragen burk av rostfritt stål , som är katodanslutningen . Den positiva elektrodblandningen är en komprimerad pasta av mangandioxid med kolpulver tillsatt för ökad konduktivitet. Pastan kan pressas in i burken eller avsättas som förformade ringar. Katodens ihåliga centrum är fodrat med en separator, som förhindrar kontakt med elektrodmaterialen och kortslutning av cellen. Separatorn är gjord av ett non-woven skikt av cellulosa eller en syntetisk polymer. Separatorn måste leda joner och förbli stabil i den starkt alkaliska elektrolytlösningen.

Den negativa elektroden är sammansatt av en dispersion av zinkpulver i en gel innehållande kaliumhydroxidelektrolyten. Zinkpulvret ger mer yta för kemiska reaktioner att äga rum, jämfört med en metallburk. Detta sänker cellens inre motstånd. För att förhindra gasning av cellen vid slutet av dess livslängd används mer mangandioxid än vad som krävs för att reagera med all zink. packning av plast för att öka läckagemotståndet.

Cellen lindas sedan in i aluminiumfolie , en plastfilm eller sällan kartong, vilket fungerar som ett sista lager av läckageskydd samt ger en yta på vilken logotyper och etiketter kan tryckas.

När man beskriver celler i storleken AAA, AA, C, sub-C och D ansluts den negativa elektroden till den platta änden, och den positiva terminalen är änden med den upphöjda knappen. Detta är vanligtvis omvänt i knappceller, med den platta cylindriska burken som den positiva terminalen.

Uppladdning av alkaliska batterier

Huvudartikel: Uppladdningsbart alkaliskt batteri

Vissa alkaliska batterier är utformade för att laddas några gånger och beskrivs som laddningsbara alkaliska batterier . Försök att ladda standard alkaliska batterier kan leda till bristning eller läckage av farliga vätskor som kommer att fräta på utrustningen. Det rapporteras dock att vanliga alkaliska batterier ofta kan laddas några gånger (vanligtvis inte mer än tio), om än med minskad kapacitet efter varje laddning; laddare finns kommersiellt tillgängliga. Den brittiska konsumentorganisationen Which? rapporterade att man testade två sådana laddare med Energizer alkaliska batterier, och fann att batterikapaciteten sjönk i genomsnitt till 10 % av dess ursprungliga värde, med enorma variationer, efter två cykler (utan att ange hur urladdade de var innan de laddades) efter att ha laddats om dem två gånger.

2017 publicerade Gautam G. Yadav artiklar som rapporterade att alkaliska batterier som tillverkats genom att interfoliera mellanskikten med kopparjoner kunde laddas upp i över 6 000 cykler på grund av mangandioxidens teoretiska andraelektronkapacitet. [ förtydligande behövs ] Energitätheten för dessa laddningsbara batterier med kopparinterkalerad mangandioxid rapporteras vara över 160Wh/L, den bästa bland de vattenbaserade kemierna. Den skulle kunna ha energitätheter jämförbar med litiumjon (> 250Wh/L) om zinkanvändningen i batterierna förbättras.

Läckor

Kaliumföreningsläckage inuti ett alkaliskt batteri

Alkaliska batterier är benägna att läcka kaliumhydroxid , ett frätande medel som kan orsaka irritation i luftvägar, ögon och hud. Risken för detta kan minskas genom att inte försöka ladda alkaliska engångsceller, genom att inte blanda olika batterityper i samma enhet, genom att byta ut alla batterier samtidigt, genom att förvara batterierna på en torr plats och i rumstemperatur, och genom att ta bort batterier för förvaring av enheter.

Alla batterier självurladdas gradvis (oavsett om de är installerade i en enhet eller inte) och urladdade batterier kommer så småningom att läcka. Extremt höga temperaturer kan också göra att batterier går sönder och läcker (som i en bil på sommaren) samt minskar batteriets hållbarhet.

Orsaken till läckage är att när batterier laddas ur - antingen genom användning eller gradvis självurladdning - förändras cellernas kemi och en del vätgas genereras. Denna utgasning ökar trycket i batteriet. Så småningom bryter övertrycket antingen sönder de isolerande tätningarna i änden av batteriet, eller den yttre metallbehållaren, eller båda. Dessutom, när batteriet åldras, kan dess yttre stålbehållare gradvis korrodera eller rosta, vilket ytterligare kan bidra till att inneslutningen misslyckas.

När en läcka väl har bildats på grund av korrosion av det yttre stålhöljet, absorberar kaliumhydroxid koldioxid från luften för att bilda en fjäderlik kristallin struktur av kaliumkarbonat som växer och sprider sig från batteriet med tiden, följer med metallelektroder till kretskort där det påbörjar oxidation av kopparbanor och andra komponenter, vilket leder till permanenta kretsskador.

De läckande kristallina utväxterna kan också komma ut från sömmar runt batterikåporna för att bilda en pälsfärgad beläggning utanför enheten, som korroderar alla föremål som kommer i kontakt med den läckande enheten.

Förfogande

Eftersom alkaliska batterier tillverkades med mindre kvicksilver från och med 1996, tillåts alkaliska batterier att kasseras som vanligt hushållsavfall på vissa platser. Äldre alkaliska batterier med kvicksilver, och de återstående andra tungmetallerna och frätande kemikalierna i alla batterier (nya och gamla), ger dock fortfarande problem att kassera – särskilt på soptippar. Det finns också frågan om att förenkla bortskaffandet av batterier genom att utesluta dem alla från hushållsavfall, så att de giftigaste batterierna avleds från allmänna avfallsströmmar.

Avfallshantering varierar beroende på jurisdiktion. Till exempel betraktar delstaten Kalifornien alla batterier som farligt avfall när de kasseras, och har förbjudit kassering av batterier i hushållsavfallet. I Europa kontrolleras batteriavfallshanteringen av WEEE-direktivet och batteridirektivet , och därför får alkaliska batterier inte slängas i hushållsavfallet. I EU är de flesta butiker som säljer batterier skyldiga enligt lag att ta emot gamla batterier för återvinning.

Återvinning

Användningen av engångsbatterier ökar med 5–6 % varje år. Tidigare hamnade använda batterier på deponier, men 2004 förbjöds kassering av alkaliska batterier på deponier enligt en EU-förordning. EU:s medlemsländer har åtagit sig att återvinna 50 % av alkaliska batterier till 2016. Behovet av återvinning uppgår alltså till 125 000 ton per år. Andelen alkaliska batterier är cirka 80 % av helheten. [ citat behövs ]

I USA kräver bara en stat, Kalifornien, att alla alkaliska batterier ska återvinnas. Vermont har också ett statligt insamlingsprogram för alkaliska batterier. I andra amerikanska delstater kan individer köpa batteriåtervinningssatser som används för att skicka batterier till återvinningsföretag. Vissa varuhus som IKEA samlar också in alkaliska batterier för återvinning. Vissa butikskedjor som annonserar batteriåtervinning (som Best Buy) accepterar dock endast uppladdningsbara batterier och accepterar i allmänhet inte alkaliska batterier.

För återvinning separeras metallerna från krossade alkaliska batterier mekaniskt och den svarta avfallsmassan behandlas kemiskt för att separera zink, mangandioxid och kaliumhydroxid.

Se även

Anteckningar

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Alkaline_battery&oldid=1141726127 "