17.3 Первичные химические источники тока

Рассмотрим основные конструкции и принцип работы гальванических элементов основных электрохимических систем.

17.3.1 Марганцево-цинковые гальванические элементы

Марганцево-цинковые гальванические элементы выпускаются в двух вариантах: с солевым и щелочным электролитом.

Солевые марганцево-цинковые элементы устойчиво выпускаются более 100 лет. Их широкое распространение обусловлено возможностью обеспечения вполне удовлетворительных электрических и эксплуатационных характеристик при относительно невысоких ценах.

Активная масса положительного электрода состоит из смеси MnO₂ с чешуйчатым графитом и электролитом. В качестве анода используется чистый металлический цинк, в качестве электролита – водный раствор NH₄Cl (элемент Лекланше) или ZnCl₂. В первом случае электродные процессы описываются токообразующей реакции:

2MnO₂ + 2NH₄Cl +Zn → ZnCl₂·2NH₃ + H₂O +Mn₂O₃

во втором случае:

8MnO₂ +4Zn + ZnCl₂ +9H₂O → 8 MnOОН + ZnCl₂·4ZnО + 5H₂O

Энергетические характеристики элементов с хлоридноцинковым электролитом существенно выше: при средних и повышенных токах нагрузки они способны обеспечить в 1,5…2 раза большую продолжительность работы даже при пониженных температурах.

Недостатками солевых марганцево-цинковых элементов является значительная скорость снижения напряжения на всем протяжении разряда и существенное уменьшение отдаваемой емкости при увеличении тока разряда. Конечное напряжение разряда составляет 0,7…1,0 В. При прерывистом режиме разряда большими и средними токами работоспособность элементов увеличивается на 10…20 % по сравнению с непрерывным режимом. При малых разрядных токах и значительных перерывах в работе их емкость снижается из-за саморазряда. Температурный диапазон работы -20…+60 ⁰С.

На последней стадии разряда и по его окончании может наблюдаться течь электролита, что связано с увеличением объема активной массы. Этот эффект увеличивается после разряда большими токами.

Щелочные марганцево-цинковые элементы (alkaline) выпускаются около 50 лет, начало их промышленного производства положила фирма DURACELL (USA). В качестве анода в этих элементах используется порошок цинка, что позволяет увеличить поверхность реакции, а в качестве электролита используется раствор КОН, который сгущен полимерными соединениями. В начале процесса разряда происходит окисление цинка с образованием цинката ZnО₂²⁻. После насыщения раствора электролита цинкатом начинается вторичный процесс:

Zn + 2ОН⁻ → Zn(ОН)₂ + 2е⁻

с последующим разложением гидрооксида цинка на ZnО и воду. При этом на второй стадии щелочь не расходуется.

При непрерывном разряде средними и повышенными токами щелочные марганцево-цинковые элементы обеспечивают большую емкость (до 7…10 раз), чем солевые элементы тех же размеров. Такие элементы даже при температурах -20⁰С отдают ту же емкость, что и солевые при комнатной температуре. Скорость саморазряда щелочных элементов ниже на 50 %, чем у солевых.

Конструкция марганцево-цинковых элементов показана на рис.17.5. В солевых элементах корпус, изготовленный из цинка, является отрицательным электродом 1. Положительный электрод 2 представляет собой брикет из спрессованной массы активного вещества, увлажненный электролитом, в центре которого расположен угольный токоотвод 3. Сверху токоотвод обжат металлическим колпачком. В сепаратор 4 пропитан сгущенным электролитом. Вверху элемента располагается газовая камера 5, в которой собираются избыточные газы. Сверху располагают изоляционную прокладку 6. Цинковый стакан помещают в картонный или полимерный футляр 7.

В щелочных элементах цинк в виде порошка размещают в центральной части элемента, а активную массу положительного электрода подпрессовывают к внутренней стенке никелированного корпуса 8, служащего токоотводом положительного полюса. Из-за более плотной активной массы и стального корпуса щелочные элементы тяжелее солевых на 25…50 % при тех же размерах.

Следует помнить, что солевые и щелочные марганцево-цинковые гальванические элементы имеют разную полярность корпуса: у солевых он является отрицательным электродом, а у щелочных – положительным.

Типичные разрядные характеристики марганцево-цинковых элементов показаны на рис.17.6. При одинаковых размерах в режиме разряда малыми токами продолжительность работы щелочных элементов в 2,5 раза больше, чем у солевых. При разряде большими токами продолжительность работы щелочных элементов в 4…5 раз больше.

Солевые марганцево-цинковые гальванические элементы выпускаются в основном в цилиндрическом исполнении (см. табл.17.4), хотя встречается и дисковое (слаботочные для часов, калькуляторов), и призматическое исполнение (типа «Корунд», «Крона»). В настоящее время многие компании выпускают марганцево-цинковые элементы в четырех сериях: общего назначения (General Purpose), для повышенных разрядных токов (Heavy Duty, Super Heavy Duty) и для большой мощности (High Power).

Компания DURACELL выпускает пять серий щелочных элементов: Plus – имеет наименьшие токи разряда (сопротивление нагрузки до 10 Ом), Superpila – для сопротивления нагрузки до 2,2 Ом, Coppertop – для розничной сети, Procell – для промышленного применения при нагрузке меньше 2 Ом, Ultra – наиболее высокие характеристики на импульсных режимах и при разряде большими токами.