КОНСТРУКЦИЯ  БАТАРЕЕК

 

Солевая батарейка, изготавливаемая по набивной технологии. Цинковый корпус в картонной оболочке.

Содержание

1 Цилиндрические батарейки
1.1 Назначение элементов конструкции
1.2 Положительный электрод
1.3 Отрицательный электрод
1.4 Электролит
2 Дисковые батарейки
2.1 Марганцево-цинковые  солевые
2.2 Марганцево-цинковые  щелочные
2.3 Ртутно-цинковые
2.4 Серебряно-цинковые
2.5 Литиевые
2.6 Воздушно-цинковые

ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ  БАТАРЕЙКИ

В качестве примера возьмем марганцево-цинковую солевую батарейку средней емкости цилиндрической формы. Такие батарейки самые простые по конструкции и технологии изготовления. Корпус выполняется из цинка и одновременно является отрицательным полюсом источника тока. Внутри размещается агломерат – брикет из спрессованной смеси реагентов, участвующих в реакции восстановления на положительном электроде. Подробнее от этой реакции рассказано в статье “Разность электродных потенциалов – возможность работы батарейки”. В центре брикета находится графитовый стержень, являющийся положительным полюсом источника тока. Электрохимическая реакция протекает между цинком и веществом брикета – оксидом марганца с добавками. Подробнее об этом процессе рассказано в статье “Химическая реакция – источник ЭДС”. Брикет отделен от дна цинкового стакана изолятором.

Основные элементы конструкции устаревших батареек.

В батарейках, собиравшихся по устаревшей технологии, агломерат заворачивали в тонкую ткань и обвязывали нитью. Собранный брикет называется куколка. В пространство между стаканом и куколкой заливают электролит. После кратковременного нагрева электролит под действием специальных добавок превращается в пасту. Сейчас таким образом изготавливают батарейки, предназначенные для использования в режиме повышенных токов. Цинковый стакан, являющийся одновременно корпусом, вставлен в картонную оболочку с нанесенной маркировкой.

Конструкция батарейки в стальном корпусе, изготовленной по набивной технологии.

1 - изолятор;
2 - цинковый стакан, являющийся отрицательным электродом;
3 - внешний корпус из тонкой стали;
4 - изолятор;
5 - графитовый стержень (токоотвот);
6 - агломерат;
7 - электролит;
8 – пустое пространство;
9 - прокладки;
10 – герметизирующее вещество;
11 - крышка;
12 - изолятор;
13 – контакт положительного полюса;
14 – пористый разделительный стакан (диафрагма).

В цилиндрических элементах более поздней конструкции внутри цинкового стакана находится пористый разделительный стакан 14. Между разделительным и цинковым стаканами находится электролит в виде пасты. В верхней части батарейки устроено свободное пространство 8, между прокладкой 9 и агломератом. Пустой объем служит для накопления газов, выделяющихся в результате реакции. Верхняя часть батарейки закрыта слоем непроницаемого для газов вещества 10. На выступающую часть графитового электрода надет металлический контакт 13 в форме колпачка. В современных батарейках вместо картонной оболочки цинковый стакан заключен во внешний корпус 3, выполненныйиз тонкой стали. Между цинковым стаканом и внешним металлическим корпусом установлен изолятор 4. Прокладки 9 изолируют корпус от крышки и герметизируют батарейку. Внутрь пористого разделительного цилиндра 14 свободно вставлен агломерат. После сборки агломерат сверху немного прессуется. В результате прессовки диафрагма приближается к стакану. Такие методы сборки батарейки называются набивая технология. Электролитный зазор уменьшен до долей миллиметра, что позволило повысить объем оксида марганца для наращивания емкости батарейки.

НАЗНАЧЕНИЕ  ЭЛЕМЕНТОВ  КОНСТРУКЦИИ

При подключении нагрузки к батарейке внутри цинкового стакана начинается электрохимическая реакция. Цинк постепенно растворяется в электролите в виде положительных ионов движущихся к графитовому стержню. В процессе работы батарейки толщина стенок цинкового стакана снижается. Могут образовываться отверстия, что приводит к вытеканию электролита и порче приборов, питающихся от батарейки. Для предотвращения течи электролита в него добавляют крахмал и специальные добавки, превращающие жидкий электролит в пасту. Также для предотвращения протекания батарейки цинковый стакан заключен в стальной корпус. При реакции возле положительного электрода образуется водород, это явление получило название поляризации. Для предотвращения накопления водорода вокруг графитового стержня находятся вещества предотвращающие поляризацию. Ткань, окружающая агломерат в конструкции старых батареек и пористый разделительный стаканчик между электролитом и агломератом в современных батарейках пропитываются электролитам, что позволяет ионам беспрепятственно проходить через разделительные диафрагмы. Положительным электродом, участвующим в электрохимической реакции, является порошок двуокиси марганца смешанный с угольными частицами. Ионы цинка, продвигаясь через электролит к графитовому электроду, реагируют с соединениями марганца, в результате образуются различные химические соединения при участии электронов, входящих в батарею через графитовый электрод, являющийся одновременно проводником тока и катализатором реакции. Основные достоинства таких батареек – герметичность и увеличенный срок хранения. Конструкция с разделительным пористым стаканом и дополнительным внешним стальным корпусом завоевала рынок, несмотря на сложность и увеличенную стоимость.

ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ  ЭЛЕКТРОД

Электрический ток является следствием электрохимической реакции, протекающей на поверхности электродов. Положительным электродом служит смесь оксида марганца и графита или ацетиленовой сажи. Оксид марганца участвует в реакции, отдавая электроны, приходящие на графитовый стержень, расположенный внутри смеси оксида марганца и графита, снижающего сопротивление смеси. Графит также является катализатором реакции. В более современных моделях батареек стержень положительного полюса изготавливают из латуни.

В батарейках используются несколько разновидностей оксида марганца, встречающегося в виде руды: криптомелан, пиролюзит, рамсделит и другие. Наибольшее значение для производства батареек имеют месторождения пиролюзита. Обогащенная руда обеспечивает приемлемое время хранения элементов. Графитовые добавки увеличивают гигроскопичность активной смеси и удерживают электролит вблизи частиц оксида марганца. В батарейки, предназначенные для работы в режиме повышенных токов, добавляют до 20 % графита. Минимум добавок вносят в батарейки, предназначенные для работы в режиме малых токов и рассчитанные на длительное хранение.

ОТРИЦАТЕЛЬНЫЙ  ЭЛЕКТРОД

Для изготовления отрицательного электрода цилиндрических батареек, являющегося одновременно основным элементом конструкции используется цинк, содержащий примеси не более 0,06 %. Высокая чистота цинка снижает коррозию. В цинке допускается некоторое наличие кадмия или свинца, снижающих образование водорода. Свинец добавляется в металл стакана отрицательного электрода для повышения технологичности изготовления.

Пастообразный электролит заливают между цинковым стаканом и пористым разделительным стаканом.

Электролит представляет собой смесь водного раствора хлорида цинка и нашатыря. В смесь входит мука или крахмал для придания густоты пасты. Нашатырь и хлорид цинка участвуют во вторичных реакциях и тем самым во многом определяют характер проходящей реакции. Повышение содержания нашатыря увеличивает проводимость, но ускоряется коррозия цинка. Поэтому время сохранности батареек с повышенным содержанием нашатыря ниже. Хлорид цинка сильно влияет на свойства электролитов, загущенных мукой или крахмалом – в присутствии хлорида цинка электролит густеет гораздо быстрее. Кроме того, хлорид цинка предотвращает развитие микробов.

Для снижения рабочей температуры батарейки в электролит добавляют хлорид кальция или хлорид лития. Для насыщения агломератов и диафрагм обычно применяют разные составы. В электролиты, соприкасающиеся с цинковым электродом, с целью снижения са­моразряда вводят  хлорид ртути. Ртуть осаждается на поверхности цинка. С той же целью в электролит иногда добавляют небольшие количества соединения калия, также предотвращающего разрушение цинка. В некоторые электролиты добавляют хромовые квасцы или сульфат хрома, предотвращающие разжижение загущенного электролита при повышенной температуре.

ДИСКОВЫЕ БАТАРЕЙКИ

Большую популярность завоевали батарейки малого размера, изготавливаемые в корпусе в виде диска. Благодаря малым размерам и весу они незаменимы в наручных часах, слуховых аппаратах, различных гаджетах и другой малогабаритной аппаратуре.

МАРГАНЦЕВО-ЦИНКОВЫЕ  СОЛЕВЫЕ

Марганцево-цинковые солевые дисковые батарейки чаще всего используются в виде группы из нескольких штук, объединенных в более крупную батарею, где элементы размещаются вертикально один над другим с соблюдением полярности установки. Батареи, собранные из дисковых элементов, обладают большой удельной емкостью и энергией. На них меньше расходуется цинка, по сравнению с цилиндрическими батарейками, в которых цинк используется как активный и конструктивный материал, а в дисковых батарейках цинк только как активный материал отрицательного электрода. В батарее состоящей из нескольких элементов – галет, использование цинка на единицу емкости сокращено в три раза, так как цинк здесь не входит в конструкцию и может быть полностью растворен в процессе реакции.

Конструкция дисковой батарейки

1 – цинковая пластина, являющаяся отрицательным электродом;
2 – агломерат, положительный электрод;
3 – диафрагма;
4 – изолятор;
5 – водонепроницаемый проводящий слой;
6 – герметизирующее кольцо.

Батарейка состоит из: электродов отрицательного 1 и положительного 2, изолированного тонкой бумагой 4 предотвращающей разрушение активной массы. В состав конструкции входит диафрагма 3 с электролитной пастой прижатая к цинковому электроду 1. Диафрагма 3 насыщена электролитом. На внешнюю сторону цинковой пластинки 1 наносится слой 5, обладающий одновременно свойствами проводника тока и защиты от влаги, состоящий из полимера с графитом. Элементы конструкции стянуты с помощью изоляционного коль­ца 6, обеспечивающего контакт деталей и герметичность.

МАРГАНЦЕВО-ЦИНКОВЫЕ  ЩЕЛОЧНЫЕ

Марганцево-цинковые щелочные батарейки используются как отдельный самостоятельный элемент питания приборов. Слабые стороны марганцево-цинковых солевых батареек удалось исправить в марганцево-цинковых щелочных. У них в несколько раз увеличена емкость, усилена герметичность, повышена прочность уплотняющих прокладок. Благодаря снижению внутреннего сопротивления батарейки повышен разрядный ток.

РТУТНО-ЦИНКОВЫЕ

Стальной корпус закрывает смесь веществ положительного электрода. Цинковый порошок отрицательного электрода заключен в стальную крышку, покрытую изнутри оловом. Между электродами находятся несколько слоев диафрагмы, насыщенной электролитом. Герметичность батарейки достигается благодаря применению специальной прокладки, пропускающей водород, образующийся вследствие коррозии цинка. В цинковый порошок добавляют оксид ртути для предотвращения накопления водорода после разряда. Работоспособность батарейки обусловлена количеством содержащегося в ней цинка.

СЕРЕБРЯНО-ЦИНКОВЫЕ

Конструкция напоминает ртутно-цинковые батарейки. Надежность герметичности корпуса возросла благодаря особому изолирующему кольцу. Цинк и ртуть – составляющие отрицательного электрода. Смесь уложена в позолоченную или покрытую оловом стальную крышку. Реагенты положительного электрода это оксид серебра, небольшое количество графита и некоторые добавки,  спрессованные в никелированном стальном корпусе. Между электродами расположена пористая диафрагма, насыщенная электролитом – раствор гидроксида калия или натрия с небольшим содержанием оксида цинка. Раствор гидроксида натрия используется в батарейках, предназначенных для малых токов.

Литиевая батарейка в стандартном корпусе.

Конструкция литиевых батареек отличается от других высочайшей герметичностью. Малейшее нарушение корпуса приводит к порче батарейки и даже может привести к возгоранию или взрыву. Поэтому технология производства содержит сложные операции соединения разнородных материалов. В момент появления на рынке литиевых батареек они выпускались в стандартных корпусах. Если при неправильной установке вместо обычной батареи на 1,5 вольта установить литиевую батарейку 3 вольта, то это приводит к порче питаемого прибора.

Литиевые батарейки для монтажа на печатную плату.

Для исключения ошибки в установке батареек все больше производителей переходят на новые конструктивные стандарты. Положительный электрод литиевой батарейки состоит из токоотводящего проводника, выполненного в виде сетки, решетки, сплошной или пористой пластины. На токоотводящем проводнике находятся  реагенты положительного электрода. Связующим веществом для активных веществ в литиевой батарейке чаще всего служат фторированные полимеры. Электроды батарейки разделяются диафрагмой.

ВОЗДУШНО-ЦИНКОВЫЕ

Герметизирующая наклейка удаляется перед началом эксплуатации.

Батарейки с кислородной деполяризацией легко узнать по герметизирующей наклейке, снимающейся перед началом работы. Их работа основана на взаимодействии цинка, воздуха и гидроксида калия, оксида и гидроксида марганца. В основе отличий от процессов в других типах батареек лежит окисление кислородом воздуха гидроксида марганца, образующейся в процессе работы батарейки до оксида марганца, являющимся веществом положительного электрода. Взаимодействие с кислородом продуктов реакции положительного электрода позволяет их обратить в химическое соединение, являющееся основным веществом восстановительной реакции. Свободный доступ воздуха к химикатам положительного электрода увеличивает емкость элемента. Применяемые в агломератах сажа и графит способны насыщаться кислородом и работать как кислородные электроды.

Конструкция воздушно-цинковой дисковой батарейки.

Батарейка имеет сложную конструкцию. Положительный электрод имеет двухслойную конструкцию, состоящую из никелевой сетки, тефлоновой пленки, смеси реагентов с оксидом марганца,  сажей и активированным углем. Воздух проникает в батарейку сквозь отверстие в контакте положительного полюса и равномерно распределяется при помощи специального рассеивающего слоя. При этом обеспечивается снабжение воздухом и защита приборов от вытекания электролита из батарейки благодаря применению специальной пористой тефлоновой пленки. Во внешний слой вводится парафин или полиэтилен для защиты от вытекания электролита. Отрицательный электрод представляет собой смесь высокочистого порошкообразного цинка, электролита и ингибитора коррозии. Электроды разделяются загущенным электролитом, содержащим гидроксид калия, оксид цинка и загуститель из крахмала или муки.

Защитная наклейка является своеобразным акселератором, управляющим батарейкой. В заклеенном состоянии батарейки могут храниться несколько лет. После удаления защитной пленки в батарейке начинается реакция, в результате которой активные вещества расходуются в течении месяца и далее батарейка становится непригодной. Для увеличения времени работы батарейки нужно подождать пять минут между снятием герметизирующей наклейки и включением батарейки в составе прибора.

В воздушно-цинковых батарейках нет примесей ртути, что позволило освободить больше объема для цинковой смеси и увеличить срок работы в несколько раз по сравнению с батарейками, содержащими щелочной электролит. В режиме малых токов батарейки работают преимущественно как воздушные, если ток потребления возрастает, то батарейка переходит в режим восстановл­ения оксида марганца. Способность равномерно отдавать заряд является важной особенностью этого типа батареек.