Открыть главное меню

Марганцево-цинковый элемент

(перенаправлено с «Элемент Лекланше»)
Марганцево-цинковый элемент, схематичное устройство

Марганцево-цинковый элемент, также известный как элемент Лекланше — это первичный химический источник тока, в котором катодом является диоксид марганца MnO2 (пиролюзит) в смеси с графитом (около 9,5 %), электролитом — раствор хлорида аммония NH4Cl, анодом — 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. В отличие от щелочного элемента, в котором в качестве электролита используется щелочь KOH, марганцево-цинковый элемент является солевым, так как в нем в качестве электролита используется соль — хлорид аммония.

Содержание

История изобретенияПравить

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

ХарактеристикиПравить

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

Принцип действияПравить

 
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.

УстройствоПравить

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

В качестве электродов в «сухом элементе» выступают цинковый стакан и угольный стержень. Поэтому сухой элемент называют ещё 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, загущённый 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.

ПроизводствоПравить

Хранение и эксплуатацияПравить

 
Окислившийся цинковый стаканчик (верхняя декоративно-защитная жестяная оболочка вскрыта, полимерная защитная оболочка под ней целая)

Восстановление работоспособностиПравить

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 примененияПравить

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.

Наиболее эффективной областью применения солевых батареек являются приборы со средним и низким энергопотреблением, например, в ДУ пультах и часах, по причине более медленного саморазряда солевой батарейки (в сравнении с щелочными элементами питания).

ПримечанияПравить

  1. Лекланше элемент — статья из Большой советской энциклопедии

ЛитератураПравить

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

СсылкиПравить