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.

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.

Ртутно-цинковые элементы

В ртутно-цинковых элементах используется пористый цинковый электрод, в который для уменьшения коррозии вводят до 10 % ртути, и катод из оксида ртути в смеси с графитом. Электролит представляет собой 30…40 % раствор КОН. Основные электродные процессы описываются уравнениями:

Zn + 2OH⁻ → Zn(OH)₂ + 2e⁻ (с последующим разложением

гидрооксида цинка на ZnО и воду) и

Hg + H₂O + 2e⁻ → Hg + 2OH⁻

Напряжение ртутно-цинкового элемента остается стабильным до конца разряда малыми токами (до 0,01 С_Н). При таких токах стабильное напряжение обеспечивается даже при 0⁰С. Это позволяет использовать их в качестве опорных элементов в измерительной аппаратуре. Элементы имеют одинаково хорошие характеристики, как при непрерывном, так и при прерывистом режимах работы. Типовые разрядные характеристики ртутно-цинковых элементов приведены на рис.17.7.

Напряжение разорванной цепи этих элементов составляет 1,35 В, рабочее напряжение – 1,22…1,25 В. Диапазон рабочих температур от −30 до +70⁰С. Конечное напряжение разряда составляет 0,9…1,0 В.

Наибольшее распространение получили ртутно-цинковые элементы в дисковом исполнении (рис.17.8), в которых положительный цинковый электрод 1 впрессовывается в стальной корпус, а отрицательный (активная масса) 2 – в крышку. В них нет свободного пространства, и водород, который выделяется при коррозии цинка, удаляется через герметизирующую прокладку 4 путем диффузии. Электролит при этом вытекать не должен.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: