Марганцево-цинковый элемент

Марганцево-цинковый элемент.
(1) — металлической колпачок,
(2) — графитовый электрод («+»),
(3) — цинковый стакан («—»),
(4) — оксид марганца,
(5) — электролит,
(6) — металлический контакт.

Марганцево-цинковый элемент, также известный как элемент Лекланше — это первичный химический источник тока, в котором анодом является двуокись марганца MnO₂ (пиролюзит) в смеси с графитом (около 9,5 %), электролитом — раствор хлорида аммония NH₄Cl, катодом — металлический цинк Zn.

Является самым известным первичным элементом (батарея одноразового использования), который сегодня широко используется в переносных устройствах. Изначально элементы заполнялись жидким электролитом. В дальнейшем электролит стали загущать с помощью крахмалистых веществ — это позволяло сделать более практичные элементы питания, называемые сухими, в которых сведена к минимуму возможность вытекания электролита.

История изобретения

Первый марганцево-цинковый элемент был собран Ж. Лекланше в 1865 г^[1].

Характеристики

• Теоретическая энергоёмкость:
  • Удельная энергоёмкость: 67-99 Вт•час/кг
  • Удельная энергоплотность: 122—263 Вт•час/дм³.
• ЭДС: 1,51 В.
• Рабочая температура: −40 ÷ +55 °C.

Принцип действия

Процессы, происходящие в сухом элементе

При потреблении тока электроны поступают через внешнюю электрическую цепь с цинкового электрода на угольный стержень. Происходят следующие реакции:

Анод: Zn → Zn ²⁺ + 2e⁻

На угольном стержне электроны расходуются на восстановление H₃O⁺-ионов:

Катод: 2H₃O⁺ + 2e⁻ → H₂ + 2H₂O

Ионы H₃O⁺ образуются в результате частичного протолиза NH₄⁺-ионов электролита:

NH₄⁺ + H₂O ↔ H₃O⁺ + NH₃

При восстановлении H₃O⁺-ионов образуется водород, который не может удалиться (корпус герметичен) и образует вокруг угольного стержня прослойку газа (поляризация угольного электрода). Ток медленно затухает. Чтобы избежать образования водорода, угольный электрод окружают слоем диоксида марганца (MnO₂) . В присутствии диоксида марганца H₃O⁺-ионы восстанавливаются с образованием воды:

2MnO₂ + 2H₃O⁺ + 2e⁻ → 2MnO(OH) + 2H₂O

Таким способом избегают поляризации электрода, а диоксид марганца называют деполяризатором. Электролит NH₄Cl диссоциирует и частично протолизируется. В общем:

2NH₄Cl + 2H₂O ↔ 2NH₃ + 2H₃O⁺ + 2Cl⁻

Образующиеся на катоде ионы Zn²⁺ поступают в раствор и образуют труднорастворимую соль:

Zn²⁺ + 2NH₃ + 2Cl⁻ → [Zn(NH₃)₂]Cl₂

В общем:

Анод: Zn — 2e⁻ → Zn²⁺ Катод: 2MnO₂ + 2H₃O⁺ + 2e⁻ → 2MnO(OH) + 2H₂O Раствор электролита: Zn²⁺ + 2NH₄⁺ + 2Cl⁻ + 2H₂O ↔ [Zn(NH₃)₂]Cl₂ + 2H₃O⁺

Общая реакция: Zn + 2MnO₂ + 2NH₄Cl → 2MnO(OH) + [Zn(NH₃)₂]Cl₂ Во время разрядки цинковый стакан растворяется. Во избежание вытекания электролита или продуктов реакции цинковый стакан имеет запас по толщине или окружён железной защитной оболочкой.

Устройство

Сухой элемент

В качестве электродов в «сухом элементе» выступают цинковый стакан и угольный стержень. Поэтому сухой элемент называют еще угольно-цинковым элементом. Положительным электродом «+» является угольный стержень, отрицательным — цинковый стакан. Угольный стержень окружен смесью диоксида марганца MnO₂ и угля (сажи). В качестве электролита выступает раствор хлорида аммония NH₄Cl с небольшой добавкой хлорида цинка ZnCl₂, загущенный крахмалом и мукой — это необходимо для того, чтобы электролит не мог вытечь или высохнуть при хранении и эксплуатации элемента. Тем не менее при неправильной эксплуатации или слишком длительном хранении электролит всё же может потечь или высохнуть.

Производство

Этот раздел не завершён. Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

Хранение и эксплуатация

Этот раздел не завершён. Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

Восстановление работоспособности

По мере разрядки цинковый стакан покрывается слоем цинкдиамминхлорида, за счёт чего увеличивается внутреннее сопротивление элемента. Частично восстановить ёмкость элемента можно, если удалить слой цинкдиамминхлорида с поверхности цинкового стакана. Сделать это удаётся несколькими способами:

• путём деформации цинкового стакана
• подачей на выводы батареи переменного тока особой формы.

Второй способ нередко ошибочно называют перезарядкой. Стоит, однако, отметить, что оба способа сопряжены с риском повреждения цинкового стакана и подтекания электролита, а второй способ может также привести к взрыву элемента.

Другой распространённой причиной потери ёмкости является высыхание электролита. Это обычно происходит в тех случаях, когда элемент используется в течение длительного времени в устройствах, потребляющих небольшой ток (например, электронных часах), либо после длительного хранения. В этом случае восстановление работоспособности возможно после шприцевания батарейки водой, однако после необходимо плотно закрыть отверстие, иначе электролит может в скором времени снова высохнуть, либо начать подтекать.

Ещё одной известной неисправностью является коррозия (окисление) цинкового стакана. В результате окисления происходит истончение стакана, а также (при окислении контактных площадок) — увеличение сопротивления элемента. Коррозия в дальнейшем может также перекинуться на другие металлические детали, расположенные близко к батарее. Окислившийся элемент восстановлению не подлежит.

Области применения

Все первичные источники тока, за исключением серебряно-цинкового, обладают большим внутренним сопротивлением - десятки Ом, не допускающим разряда их токами большой силы из-за чрезмерного падения напряжения на внутреннем сопротивлении. Это надо помнить при использовании их в качестве силовых источников тока.

Примечания

1. ↑ Марганцево-цинковый элемент // Большая советская энциклопедия.

Литература

• Кромптон. Т. Первичные источники тока. Москва. «Мир». 1986.г.
• ГОСТ 15596-82 Источники тока химические. Термины и определения

Ссылки

• Солевые и щелочные батарейки
• Батарея электропитания — Энциклопедия Кругосвет