Elemento alcalino

Batería alcalina , batería alcalina , ing.  pila alcalina - pila galvánica  de manganeso-zinc con electrolito alcalino . Inventado por Lewis Urry [ 1 ] . 

Además del electrolito, la principal diferencia entre una pila alcalina y una de sal  es el ánodo (electrodo negativo) en forma de polvo, que aumenta la corriente que desprende esta pila [1] .

Para las baterías alcalinas estándar, el ánodo es zinc y el material del cátodo puede ser dióxido de manganeso , óxido de plata , oxígeno o metahidróxido de níquel [2] .

Historia de la invención

Por primera vez, el uso de un electrolito alcalino en fuentes de corriente química fue propuesto de forma independiente por Waldemar Jungner en 1899 y Thomas Edison en 1901 [3] [4] . Utilizaron un electrolito alcalino en baterías de níquel-cadmio .

El electrolito alcalino fue utilizado por primera vez en baterías de manganeso-zinc por el ingeniero canadiense Lewis Urry.a mediados de la década de 1950, trabajando para Union Carbide , que producía baterías bajo la marca "Eveready". Lewis Urry usó el trabajo de Thomas Edison [5] . En 1960, Urry, junto con Carl Kordesch y Paul Marshal, recibieron una patente para el diseño de un elemento alcalino [6] .

Clasificación

Las pilas alcalinas están disponibles en dos versiones principales [7] [8] :

• batería alcalina ( ing.  Alcaline ), la masa de tales celdas AA está en el rango de 22–24 g , la capacidad es de 2–3 Wh , y la masa y la capacidad de las celdas AAA son 11–12 g y 0.9–1.3 A h [7] , la capacidad de tales elementos del mismo tamaño difiere en no más de un tercio [8] ;
• pila alcalina económica ( en inglés  ECO Alcaline ) con una cantidad reducida de productos químicos y aproximadamente de dos a tres veces menos capacidad que las pilas convencionales del mismo tamaño, las pilas alcalinas ECO tamaño AA pesan alrededor de 18 g [8] .

Características

Características típicas de una pila alcalina:

• tensión de circuito abierto: 1,58–1,64 V [7] .
• tensión inicial: 1,4–1,64 V [9] ;
• tensión final: 0,7–0,9 V [9] ;
• energía específica: 60–90 Wh/kg [10] [9] ;
• potencia específica (aproximadamente): 5 W/kg [10] ;
• temperatura de funcionamiento: -30…+55 °С ;
• conservación: 1–3 años [10]

Procesos químicos

Las reacciones de oxidación de zinc tienen lugar en el ánodo de una batería alcalina. El hidróxido de zinc se forma primero :

Zn + 2OH − → Zn(OH) 2 + 2e −

El hidróxido de zinc luego se descompone en óxido de zinc y agua.

Zn(OH) 2 → ZnO + H2O

En el cátodo, a su vez, se producen reacciones de reducción de óxido de manganeso (IV) a óxido de manganeso (III) :

2MnO 2 + H 2 O + 2e - → Mn 2 O 3 + 2OH -

En general, los procesos químicos dentro de una celda cuando se usa KOH como electrolito se pueden describir mediante la siguiente ecuación:

Zn + 2KOH + 2MnO 2 + 2e − → 2e − + ZnO + 2KOH + Mn 2 O 3

A diferencia de una pila de sal, el electrolito alcalino prácticamente no se consume en el proceso de descarga de la batería, por lo que su pequeña cantidad es suficiente. Por lo tanto, en un elemento alcalino, en promedio , 1,5 veces más dióxido de manganeso.

Construcción

Por diseño, el elemento alcalino es similar a la sal , pero las partes principales están dispuestas en el orden inverso. La pasta anódica (3) en forma de polvo de zinc impregnado con un electrolito alcalino espesado se encuentra en la parte interna de la celda y tiene un potencial negativo, el cual es removido por una varilla de latón (2). De la masa activa, dióxido de manganeso mezclado con grafito u hollín (5), se separa la pasta anódica mediante un separador (4), también impregnado de electrolito. El terminal positivo, a diferencia del elemento de sal, tiene forma de copa de acero niquelado (1), y el terminal negativo tiene forma de placa de acero (9). La carcasa (6) está aislada del vidrio y evita los cortocircuitos que pueden ocurrir cuando se instalan varias celdas en el compartimiento de la batería. La junta (8) percibe la presión de los gases generados durante el funcionamiento. La liberación de gases en un elemento alcalino es mucho menor que en uno salino, por lo que el volumen de la cámara para recogerlos también es menor. Para evitar que la batería explote por un mal uso (por ejemplo, un cortocircuito), dispone de un diafragma de seguridad (7). Cuando se excede la presión del gas, la membrana se rompe y la celda se despresuriza; el resultado suele ser una fuga de electrolito.

Para aumentar la vida útil de los primeros diseños de celdas, se amalgamaba polvo de zinc , pero este método de prolongar la vida útil de las celdas hace que las celdas sean peligrosas para el uso doméstico. Por lo tanto, los inhibidores de corrosión orgánicos especiales se introducen en los elementos modernos .

Almacenamiento y operación

La vida útil del elemento alcalino es más larga que la del elemento de sal, debido al diseño hermético, y tampoco es tan exigente en cuanto a las condiciones de almacenamiento.

A diferencia de las celdas de sal, las celdas alcalinas pueden funcionar con una corriente de descarga más alta. Además, no existe efecto de “fatiga” del elemento, cuando, después de trabajar con una carga pesada, se produce una caída de tensión significativa en los terminales del elemento, y se requiere un cierto tiempo de “reposo” para restablecer su rendimiento. Sin embargo, si hay un cortocircuito o una instalación con la polaridad incorrecta, también es posible la fuga de electrolito.

Aplicaciones

La celda alcalina tiene el mismo voltaje operativo que la celda ordinaria de manganeso-zinc con mayor capacidad, corriente de descarga, vida útil y rango de temperatura de funcionamiento. Las pilas alcalinas se producen en los mismos tamaños que las pilas de sal y, por lo tanto, se pueden usar en los mismos dispositivos, por ejemplo, en linternas , juguetes electrónicos, grabadoras portátiles , etc. Sin embargo, debido a las mejores características de descarga, se pueden usar tanto en dispositivos que consumen corriente importante ( fotoflashes , modelos radiocontrolados ), como en dispositivos que consumen corriente relativamente pequeña durante mucho tiempo ( reloj electrónico ).

Comparación de elementos salinos y alcalinos

Gracias a este diseño, el elemento alcalino tiene las siguientes características:

• Sin consumo de electrolitos, lo que significa que se requiere menos electrolito para el funcionamiento
• El ánodo es zinc en polvo, no un vidrio de zinc, por lo que la reacción tiene lugar en una superficie mucho más grande.
• Menos emisión de gases, por lo que el elemento puede quedar completamente sellado.

A partir de aquí, se pueden distinguir las siguientes ventajas y desventajas:

Beneficios

• Capacidad: 1,5-10 veces más que la de los elementos de sal, según el modo de funcionamiento, con el mismo tamaño de elemento
• Menos autodescarga, larga vida útil
• Mejor rendimiento a bajas temperaturas
• Mejor rendimiento con altas corrientes de carga
• Menos caída de voltaje a medida que se descarga

Desventajas

• precio más alto
• gran masa
• Los métodos de recuperación aplicables a las células de sal son inaceptables. Sin embargo, existen diseños especiales de pilas alcalinas que permiten un cierto número (generalmente hasta 25) de recargas. Estas pilas se denominan "manganeso alcalino recargable" (RAM, manganeso alcalino recargable).

Notas

1. ↑ 1 2 Popular Mechanics No. 5, 2015 .
2. ↑ GOST R IEC 60086-1-2010 , Tabla 3 - Sistemas electroquímicos estandarizados.
3. ↑ Historia de la invención y el desarrollo de baterías , allaboutbatteries.com (consultado el 4 de diciembre de 2011)
4. ↑ IEEE, Batería alcalina de Edison , IEEE Global History Network (consultado el 4 de diciembre de 2011)
5. ↑ Gabriel Baird, "Greater Cleveland Innovations: Thomas Edison proporcionó a Lew Urry la chispa de la idea de una mejor batería alcalina", Cleveland Plain Dealer, 3 de agosto de 2011 ( versión web )
6. ↑ Patente US2960558 A - Celda seca
7. ↑ 1 2 3 Nadezhin, A. Goodhelper Pilas alcalinas: la base está rota . Blog de prueba de lámparas . Habr (28 de septiembre de 2022). (Ruso)
8. ↑ 1 2 3 Nadezhin, A. Un nuevo problema - Baterías de capacidad reducida ECO-Alkaline . Escrito por Alexey Nadezhin . Livejournal (31 de enero de 2022). (Ruso)
9. ↑ 1 2 3 Elemento Leclanche // Kuna - Lomami. - M.  : Enciclopedia Soviética, 1973. - ( Gran Enciclopedia Soviética  : [en 30 volúmenes]  / editor en jefe A. M. Prokhorov  ; 1969-1978, vol. 14).
10. ↑ 1 2 3 Bagotsky, 1978 .

Literatura

• Fuentes químicas de corriente / Bagotsky V. S. // Frankfurt - Chaga. - M.  : Enciclopedia soviética, 1978. - ( Gran enciclopedia soviética  : [en 30 volúmenes]  / editor en jefe A. M. Prokhorov  ; 1969-1978, vol. 28).
• Veresov, G.P. Fuente de alimentación de equipos radioelectrónicos domésticos. - M.  : Radio y comunicación, 1983. - S. 85-95. — 128 págs. : enfermo.
• Kitaev, V. V. Fuente de alimentación de dispositivos de comunicación: estudio / V. V. Kitaev, A. A. Bokunyaev, M. F. Kolkanov. - M.  : Comunicación, 1975. - S. 225-235. — 328 pág. : enfermo. — 24.000 copias.  — CDU  621.39:621.311.6(075.8) .
• Kostikov, V. G. Fuentes de energía para medios electrónicos: circuitos y diseño: un libro de texto para universidades / V. G. Kostikov, E. M. Parfenov, V. A. Shakhnov. - 2ª ed. - M.  : Hot line - Telecom, 2001. - 344 p. - 3000 copias.  — ISBN 5-93517-052-3 .
• Crompton, T. Fuentes de corriente primarias = Baterías pequeñas. Volumen 2. Células primarias. TR Crompton. The Macmillan Press Ltd., Londres, Basingstock. 1982: [trad. del  ingles ] / Ed. candó. química Ciencias Yu. A. Mazitova. — M  .: Mir, 1986. — 328 p. : enfermo. -BBK  31.251 . _ - CDU  621.355 .
• GOST 15596-82  : Fuentes de corriente química. Términos y definiciones: (Con cambio No. 1.) Fecha de introducción 1982-07-01.
• GOST R IEC 60086-1-2010  : Baterías primarias. Parte 1. Requisitos generales: Fecha de introducción 2011-07-01.
• Funciona más tiempo // Mecánica popular: diario. - 2015. - N° 5 (151) (mayo). — [En la página web de la revista. publ. bajo el nombre. ¿Quién inventó la pila alcalina y cuándo?
• Hamade, R. Análisis del ciclo de vida de las pilas alcalinas A.A  .: [ ing. ]  / R. Hamade, R. Al Ayache, MB Ghanem … [ et al. ] // Manufactura Procedia : diario. - 2020. - Vol. 43. - Pág. 415-422. -doi : 10.1016/ j.promfg.2020.02.193 .
• Lavrus, V. Baterías y acumuladores  : una referencia.- K  .: NiT, 1995. - 42 p. - (Edición de Información; número 1).
• Bagotsky, V.S. Fuentes de corriente química. / V. S. Bagotsky, A. M. Skundin. - M.  : Energoizdat, 1981. - 360 p.

Enlaces

• Baterías de manganeso-zinc . powerinfo.ru . (Ruso)
• Batería de fuente de alimentación . Enciclopedia La vuelta al mundo . (Ruso)
• Nadezhin , A. Prueba de lámpara . Prueba de lámparas LED . (Ruso)
• Informe de prueba de batería TROFEO ECO Alcalina  / Laboratorio DNS // Club DNS. - 2019. - 24 de diciembre.

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