Экзотические миниатюрные гальванические элементы

Рейтинг:  0 / 5

Подробности

Категория: статьи

Опубликовано: 28.03.2018 16:47

Просмотров: 2012

Игорь Безверхний, г. Киев
Гальванические элементы хорошо знакомы на практике даже малым детям, т.к. их можно встретить в игрушках для самых маленьких. В быту гальванические элементы очень часто неверно называют батарейками. На самом деле одиночный гальванический элемент или аккумулятор батареей не является. Батарея — это несколько гальванических элементов или аккумуляторов соединенных, как правило, последовательно. О некоторых особенностях и характеристиках гальванических элементов, а также о конструкции, особенностях и параметрах воздушно-цинковых гальванических элементов рассказано в этой статье.

Гальванические элементы относятся к, так называемым, первичным химическим источникам тока, которые вырабатывают электрическую энергию за счёт прямого преобразования энергии окислительно-восстановительных химических реакций химреагентов, входящих в состав этих гальванических элементов.
Химические источники тока характеризуются: ЭДС, емкостью, энергией, которую они могут отдать во внешнюю цепь, и сохраняемостью.
• Электродвижущая сила (ЭДС) химического источника тока характеризует полную работу по перемещению единичного электрического заряда через внешнюю и внутреннюю замкнутую электрическую цепь. ЭДС зависит от материала электродов и состава электролита. Единица измерения ЭДС —1 В (вольт).
• Емкость элемента — это количество электричества, которое источник тока отдает при разряде. Емкость зависит от массы химических реагентов в источнике и степени их использования. Как правило, емкость снижается с понижением температуры или увеличением разрядного тока. Единица измерения — 1 А-ч (ампер-час).
• Внутреннее сопротивление. Единица измерения - 1 Ом. Оно растет по мере разряда элемента.
• Энергия гальванического элемента численно равна произведению его емкости на ЭДС, точнее на напряжение между его электродами. С увеличением количества вещества реагентов в элементе и до определенного предела, с увеличением температуры, энергия возрастает. Энергию уменьшает увеличение разрядного тока.
• Сохраняемость — это срок хранения элемента, в течение которого его характеристики остаются в заданных пределах. Сохраняемость элемента уменьшается с ростом температуры хранения.
Существует множество типов гальванических элементов от разных производителей. Они различаются как материалами, из которых сделаны, так и типоразмерами. Причем различные по химическому составу элементы могут быть выполнены в одинаковых по размеру корпусах, которые принято называть типоразмерами.
Наиболее распространенные в мире цилиндрические солевые (сухие) «пальчиковые батарейки», которые сконструировали 111 лет назад в 1907 году, — это элементы типоразмера АА, по классификации МЭК — R6, по классификации ANSI/NEDA — 15D или по ГОСТ — 316 элемент. Они имеют габариты (диаметр х высота): 14.5x50.5 мм. Аналогичные по размерам щелочные (алкалиновые, alkaline) элементы типоразмера АА по классификации МЭК - это LR6, по классификации ANSI/NEDA—это 15А, а по ГОСТ — А316.
В 1911 году был разработан еще один типоразмер гальванических элементов, используемых поныне — это типоразмер ААА, ласково называемый в народе «мизинчиковой батарейкой». Его размеры: 10.5 х 44.5 мм. По классификации МЭК - это R03, по классификации ANSI/NEDA — 24D, а по ГОСТ — элемент 286.
Типовые названия гальванических элементов, состав, типоразмеры и т.п. — это справочная информация легкодоступная в Интернете. Поэтому выведем ее за рамки журнальной статьи.
Все же следует заметить, что с постоянной модернизацией и разработкой новой аппаратуры, так называемых, гаджетов, наблюдается их перманентная миниатюризация с повышением их возможностей и энергопотребления.
Поэтому в последние годы появляются новые миниатюрные химические источники тока, главными достоинствами которых является повышенные удельная энергоемкость и удельная энергоплотность. Иначе говоря, такие элементы при тех же габаритах могут отдать потребителю в разы больше электроэнергии. К таким гальваническим элементам относятся воздушно-цинковые гальванические элементы. Не смотря на то, что изобретены они были давно, изготавливать массово их начали относительно недавно. Основное их применение - это цифровые слуховые аппараты. Габариты этих элементов позволяют разместить современные слуховые аппараты не только за ухом, но и в ушной раковине, что делает их практически невидимыми. Воздушно-цинковые элементы питания находят применение и в радиолюбительских конструкциях, где важна их миниатюризация.
Воздушно-цинковые гальванические элементы (Zinc Air Battery)
Некоторое время назад компания AER выпускала плоские воздушно-цинковые батареи Power
Slice, предназначенные для портативных компьютеров. Они были разработаны для ноутбуков серий Omnibook 600 и Omnibook 800 компании Hewlett-Packard; время их автономной работы составляло от 8 до 12 часов, что значительно больше, чем у стандартных литий-ионных и литий-полимерных АКБ, которые обычно используются в ноутбуках и обеспечивают 4...6 часов непрерывной работы.
Компания DURACELL изготавливала для медицинских аппаратов воздушно-цинковые батарейки DA146 (46F5917) близкие по размерам к «Кроне»: 44.5 х 16.45 х 26.65 мм (фото 1).. Масса такой батареи даже меньше, чем у «Кроны»: 36 г. Номинальное напряжение батареи: 8.4 В, емкость 1.2 А/ч. Их выпуск прекращен.

В настоящее время различными фирмами производятся 4 основных типоразмера (SIZES) миниатюрных воздушно-цинковых гальванических элементов: SIZE 10, SIZE 13, SIZE 312 и SIZE 675. Обычно при их поиске и приобретении указывать слово SIZE не нужно. В русскоязычных описаниях в место «SIZE» обычно пишут слово «Тип», но и его очень часто опускают.
Замечу, что воздушно-цинковые гальванические элементы более энергоемки большинства элементов и аккумуляторов других типов. Так SIZE 13 (фото 2), размером 7.9 мм х 5.4 мм имеет емкость от 290 до 310 мА/ч, а марганцево-щелочные элементы тех же габаритов типоразмера LR48 (LR754, AG5) имеют емкость всего 50 мА/ч.

Главным достоинством этих элементов, кроме большой энергоемкости, является большой срок
их хранения в неактивированном состоянии с сохранением основных параметров, а главным недостатком — ограниченный (небольшой) срок годности в активированном состоянии.
Приведенные достоинство и недостаток обусловлены тем, что химическая реакция в таком элементе проходит только, если в его корпус поступает кислород вместе с воздухом через специальные отверстия в корпусе.
От производителя к потребителю эти элементы поступают с заклеенными «дыхательными отверстиями» специальной наклейкой. Пред использованием элемента необходимо снять наклейку и подержать гальванический элемент «откупоренным» 3...10 минут для его активации, а затем устанавливать его в устройство.
Для элементов 10, 13, 312 и 675 цвет наклейки служит для маркировки и опознавания типоразмера:
• 10 — маркировка желтая, диаметр 5.8 мм, высота 3.6 мм, емкость от 90 до 105 мА/ч (в зависимости от производителя).
• 13 (фото 2)— маркировка оранжевая, диаметр 7.9 мм, высота 5.4 мм, емкость от 290 до 310 мА-ч (в зависимости от производителя).
• 312 — маркировка коричневая, диаметр 7.9 мм, высота 3.6 мм, емкость от 160 до 180 мА-ч
(в зависимости от производителя).
• 675 — маркировка синяя, диаметр 11.6 мм, высота 5.4 мм, емкость от 610 до 650 мА/ч (в зависимости от производителя).
Особенности конструкции и работы
Воздушно-цинковые элементы (рис.1), как и любые источники тока, содержат катод и анод, разделенные щелочным электролитом и механическими сепараторами. В качестве катода используется газодиффузный электрод (gas diffusion electrode, GDE), водопроницаемая мембрана которого позволяет получать кислород из циркулирующего через нее атмосферного воздуха. Корпусом элемента являются чашеобразные выводы анода и катода. Цинковый анод в виде стружки окисляется в процессе работы элемента окислителем, которым является кислород, поступающий с атмосферным воздухом извне через, так называемые, «дыхательные отверстия» в плоской части вывода анода.
На катоде происходит реакция взаимодействия кислорода с водой, в результате которой
формируются отрицательно заряженные гидро-ксид-ионы:
О2 + 2Н2О +4е →-» 4ОН-.
Гидроксид-ионы движутся в электролите к цинковому аноду, где происходит реакция окисления цинка с высвобождением электронов, которые через внешнюю цепь возвращаются на катод:
Zn + 4ОН- → Zn(OH)42- + 2e.
Zn(OH)42- → ZnO + 2ОН- + Н2О.
Основные параметры воздушно-цинковых гальванических элементов
• Напряжение между электродами элемента (ЭДС): 1.4...1.45 В.
• Удельная энергоёмкость: более 450 Вт-ч/кг.
• Максимальная удельная мощность: 5000 Вт/кг.
• Рабочая температура: —20...+35°С.
Еще одно достоинство воздушно-цинковых химических источников тока — равномерная отдача электроэнергии в течение всего срока службы (рис.2).

В заключение замечу, что активированные воздушно-цинковые гальванические элементы даже, если устройство выключено будут терять емкость. Поэтому их выгодно использовать в устройствах, которые большую часть времени включены.
РА 03'2018