Батарея

<час />

Фон

Знаменитый эксперимент Бенджамина Франклина по привлечению электричества с помощью воздушного змея во время грозы был лишь одним из многих экспериментов конца восемнадцатого и начала девятнадцатого веков, проведенных с целью изучения электричества. Первую батарею построил в 1800 году итальянец Алессандро Вольта. Так называемая гальваническая свая состоял из чередующихся дисков из серебра и цинка, разделенных кожей или картоном, пропитанных соленой водой, щелочью или каким-либо щелочным раствором. Полоски металла на каждом конце стопки были соединены с небольшими стаканчиками, наполненными ртутью. Когда Вольта коснулся пальцами обеих чашек с ртутью, он получил удар током; чем больше дисков он собрал, тем сильнее получился толчок.

Открытие Вольта привело к дальнейшим экспериментам. В 1813 году сэр Хамфри Дэви построил стопку из 2000 пар дисков в подвале Лондонского королевского института. Помимо прочего, Дэви использовал произведенное им электричество для электролиза - катализирования химических реакций, пропуская ток через вещества (Дэви отделял натрий и калий от соединений). Всего несколько лет спустя Майкл Фарадей открыл принцип электромагнитной индукции, используя магнит для индукции электричества в спиральном проводе. Этот метод лежит в основе динамо-машин, используемых сегодня для производства электроэнергии на электростанциях. (В то время как динамо-машина вырабатывает переменный ток (AC), в котором поток электричества регулярно меняет направление, батареи вырабатывают постоянный ток (DC), который течет только в одном направлении.) Свинцово-кислотный элемент, способный производить очень большой ток, предшественник сегодняшнего автомобиля батарея, была изобретена в 1859 году французом Гастоном Планте.

В Соединенных Штатах Томас Эдисон экспериментировал с электричеством как от батарей, так и от динамо-машины для питания лампочки, которая начала распространяться в Соединенных Штатах в начале 1880-х годов. В 1860-х годах Жорж Лекланше изобрел влажный элемент, который, хотя и был тяжелым из-за его жидких компонентов, мог продаваться и использоваться в коммерческих целях. К 1870-м и 1880-м годам ячейка Лекланше производилась из сухих материалов и использовалась для ряда задач, включая обеспечение питания телефона Александра Грэхема Белла и недавно изобретенного фонарика. Впоследствии батареи использовались для обеспечения энергией многих других изобретений, таких как радио, которое стало чрезвычайно популярным в годы после Первой мировой войны. Сегодня во всем мире продается более двадцати миллиардов элементов питания каждый год, и каждый американец использует их. примерно 27 батарей в год.

Дизайн

Все батареи используют аналогичные процедуры для создания электричества; однако из-за разницы в материалах и конструкции были произведены батареи разных типов. Строго говоря, то, что обычно называют батареей, на самом деле представляет собой группу связанных ячеек. Ниже приводится упрощенное описание того, как работает аккумулятор.

Две важные части любой ячейки - это анод и катод. Катод - это металл, который естественным образом или в лабораторных условиях соединяется с кислородом - такое сочетание называется оксидом. Оксид железа (ржавчина), хотя и слишком хрупкий, чтобы использовать его в батарее, возможно, является наиболее известным оксидом. Некоторые другие оксиды на самом деле достаточно прочны, чтобы их можно было обрабатывать (резать, гнуть, формировать, формовать и т. Д.) И использовать в ячейке. Анод - это металл, который окислился бы, если бы ему было позволено, и, при прочих равных условиях, вероятность окисления выше, чем металл, который составляет часть катода.

Ячейка вырабатывает электричество, когда один конец катода и один конец анода помещены в третье вещество, которое может проводить электричество, а их другие концы соединены. Анод притягивает к себе атомы кислорода, создавая электрический поток. Если в цепи есть выключатель (похожий на любой настенный выключатель или выключатель лампы), цепь не замкнута, и электричество не может течь, если выключатель не находится в замкнутом положении. Если, помимо переключателя, в цепи есть что-то еще, например, лампочка, лампочка загорится от трения электронов, движущихся через нее.

Третье вещество, в которое помещены анод и катод, называется электролитом. Во многих случаях этот материал представляет собой химическую комбинацию, которая имеет свойство быть щелочью. Таким образом, щелочная батарея - это батарея, в которой используется щелочной электролит. Элемент не будет производить электричество сам по себе, если он не включен в цепь, которая была замкнута с помощью простого переключателя, или какого-либо другого коммутационного соединения в приборе, использующем батарею.

Разработка ячейки может привести к множеству вариаций по типу и структуре. Например, не все электролиты щелочные. Кроме того, емкость для электролита может действовать как емкость, так и как катод, или как анод. Некоторые клетки получают кислород не с катода, а прямо из воздуха. Изменения в составе анода и катода будут давать больше или меньше электричества. Точная настройка всех материалов, используемых в элементе, может повлиять на количество электричества, которое может быть произведено, скорость производства, напряжение, при котором электричество доставляется в течение всего срока службы элемента, и способность элемента функционировать при различных температурах. .

Фактически, все эти возможности существуют, и их различные применения позволили создать множество различных типов батарей, доступных сегодня (литиевые, ртутные и т. Д.). Однако в течение многих лет наиболее распространенным элементом была щелочная батарея на 1,5 В.

Разные батареи лучше работают в разных условиях. Щелочная ячейка на 1,5 В идеальна для фотооборудования, карманных компьютеров и калькуляторов, игрушек, магнитофонов и других применений с высоким энергопотреблением; он также хорош при низких температурах. Этот элемент имеет наклонную характеристику разряда - он постепенно теряет мощность, а не прекращает производить электричество внезапно - и, возможно, теряет четыре процента своей мощности в год, если его не использовать на полке.

Батареи других типов включают литиевые / диоксид марганцевые батареи, которые имеют плоскую характеристику разряда - они обеспечивают примерно такое же количество энергии в начале срока службы, как и в конце - и могут использоваться там, где есть потребность в небольших батареях, аккумуляторные батареи повышенной мощности (датчики дыма, фотоаппараты, резервное копирование памяти компьютеров и т. д.). В слуховых аппаратах, пейджерах и некоторых других типах медицинского оборудования часто используются батарейки с воздушно-цинковыми кнопками, которые обеспечивают высокую плотность энергии при непрерывной разрядке. Ртутные батареи часто используются во многих сферах применения, как и воздушно-цинковые батареи, поскольку они также обеспечивают стабильное выходное напряжение.

Сырье

Этот раздел, а также следующий раздел посвящен щелочным батареям. В щелочной батарее цилиндр, содержащий элементы, изготовлен из никелированной стали. Он покрыт разделителем, который отделяет катод от анода, и изготовлен из многослойной бумаги или пористого синтетического материала. Канистра герметизируется с одного конца асфальтовым или эпоксидным герметиком, лежащим под стальной пластиной, а с другого - латунным гвоздем, вбитым в цилиндр. Этот гвоздь приваривается к металлической заглушке и пропускается через внешнее пластиковое уплотнение. Внутри цилиндра катод состоит из смеси диоксида марганца, графита и раствора гидроксида калия; анод состоит из цинкового порошка и электролита гидроксида калия.

Производственный
процесс

Катод

• 1 В щелочной батарее катод фактически является частью контейнера. Огромное количество составляющих ингредиентов - диоксида марганца, технического углерода (графита) и электролита (гидроксида калия в растворе) - есть. Смешивание составляющих ингредиентов - это первый шаг в производстве батарей. После гранулирования смесь прессуется или прессуется в преформы - полые цилиндры. Принцип уплотнения прост:стальной штамп опускается в полость и уплотняет смесь. Когда он втягивается, снизу поднимается пуансон, чтобы вытолкнуть прессованную преформу. доставляется поездом и очень большими партиями смешивается на производственной площадке. Затем смесь гранулируется и прессуется или прессуется в полые цилиндры, называемые преформами . В зависимости от размера изготавливаемой батареи несколько преформ могут быть уложены одна на другую в батарее. В качестве альтернативы серию преформ можно заменить экструдированным кольцом из того же материала.
• 2 Затем преформы вставляются в стальную никелированную банку; комбинация преформ и стали может составлять катод батареи. При крупномасштабном производстве банки производятся на заводе по производству аккумуляторов с использованием стандартных методов резки и формования. В верхней части банки делают углубление, а над углублением кладут асфальтовый или эпоксидный герметик для защиты от протечек.

Разделитель

• 3 Затем внутрь банки вставляют бумажный разделитель, пропитанный раствором электролита, напротив преформ; разделитель состоит из нескольких листов бумаги, уложенных перпендикулярно друг другу (наподобие фанеры). Глядя на открытую банку, можно увидеть нечто, похожее на бумажный стаканчик, вставленный в банку. Сепаратор предотвращает контакт материала катода с материалом анода. В качестве альтернативы производитель может использовать пористое синтетическое волокно для той же цели.

Анод

• 4 Далее анод входит в аккумуляторную банку. Это гель, состоящий в основном из цинкового порошка, а также других материалов, включая электролит гидроксида калия. Этот гель имеет консистенцию очень густой пасты. С химической точки зрения это не раствор, а суспензия, в которой частицы не оседают (хотя их можно разделить с помощью соответствующего фильтра). Гель не заполняет банку до верха, чтобы оставить место для химических реакций, которые произойдут после ввода батареи в эксплуатацию.

Печати

• 5. Хотя в данный момент батарея способна вырабатывать электричество, открытая ячейка непрактична и быстро исчерпает свой потенциал. Батарею необходимо опломбировать с помощью трех соединенных компонентов. Первый, латунный «гвоздь» или длинный штырь, вставляется в середину банки через гелевый материал и служит «токоприемником». Второй - пластиковая пломба, а третий - металлическая заглушка. Гвоздь, выступающий примерно на две трети Контейнер типичной щелочной батареи, состоящий из преформы, вставленной в стальную емкость, также служит катодом. Анод в середине представляет собой гель, состоящий в основном из цинкового порошка. Сепаратор между анодом и катодом представляет собой бумагу или синтетическое волокно, пропитанное раствором электролита.
  В готовую батарею добавлены пластиковая пломба, стальной гвоздь, а также металлические верх и низ. Гвоздь приваривается к металлическому дну и заходит примерно на две трети внутрь банки через анод. пути в банку, приваривается к металлической торцевой крышке, а затем пропускается через пластиковое уплотнение.
• 6 Это уплотнение в некоторых местах значительно тоньше, чем в других, поэтому, если в баллончике скопится слишком много газа, произойдет разрыв уплотнения, а не всей батареи. В некоторых конструкциях батарей используется заполненное воском отверстие в пластике; избыток газа проталкивает воск, а не разрушает аккумулятор. Узел уплотнения соответствует выемке, сделанной в банке в начале процесса, и обжимается на месте.
• 7 Противоположный конец емкости (положительный конец батареи) затем закрывается стальной пластиной, которая либо приваривается, либо приклеивается эпоксидным клеем.

Этикетка

• 8 Перед тем, как батарея покидает завод, добавляется этикетка с указанием типа батареи, ее размера и другой информации. Этикетка часто представляет собой бумагу, которую просто приклеивают к батарее. У одного крупного производителя дизайн этикетки напечатан на пластиковой термоусадочной пленке:свободный кусок термочувствительного пластика оборачивается вокруг банки, а затем подвергается воздействию теплового потока, в результате чего пластик сжимается и плотно прилегает к банке.

Контроль качества

Поскольку аккумуляторная технология не является чем-то новым или экзотическим, контроль качества и его результаты особенно важны как основа для конкуренции между брендами. Способность батареи противостоять коррозии, хорошо работать в различных условиях, поддерживать хороший срок хранения и использования и другие факторы являются прямыми результатами контроля качества. Батареи и ингредиенты проверяются и тестируются практически на всех этапах производственного процесса, а готовые партии подвергаются строгим испытаниям.

Проблемы окружающей среды

Хотя изготовление батарей действительно представляет некоторые препятствия для окружающей среды, ни одно из них не является непреодолимым. Цинк и марганец, основные химические вещества в щелочных батареях, не представляют опасности для окружающей среды, и Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) считает их безопасными. Основным потенциальным загрязнителем в батареях является ртуть, которая обычно сопровождает цинк и которая в течение многих лет добавлялась в щелочные батареи для улучшения проводимости и предотвращения коррозии. В середине 1980-х щелочные батареи обычно содержали от пяти до семи процентов ртути.

Когда несколько лет назад стало очевидно, что ртуть представляет опасность для окружающей среды, производители начали искать способы производить эффективные батареи без нее. Основной метод достижения этой цели направлен на лучший контроль чистоты ингредиентов. Сегодняшние щелочные батареи могут содержать примерно 0,025% ртути. Батареи без добавления ртути вообще (это элемент естественного происхождения, поэтому было бы трудно гарантировать, что продукт не содержит даже следовых количеств), доступны у некоторых производителей и в конечном итоге станут общеотраслевым правилом, а не исключением. 1993г.

Будущее

В настоящее время батареи являются предметом интенсивных исследований ученых и инженеров по всему миру. Причина проста:несколько ключевых нововведений зависят от создания более совершенных аккумуляторов. Жизнеспособные электромобили и портативные электронные устройства, которые могут работать в течение длительного времени без необходимости подзарядки, должны дождаться разработки более легких и более мощных батарей. Типичные свинцово-кислотные батареи, которые в настоящее время используются в автомобилях, например, слишком громоздки и не могут хранить достаточно электричества для использования в электромобилях. Литиевые батареи, хотя и легкие и мощные, склонны к протеканию и возгоранию.

В начале 1993 года ученые из Университета штата Аризона объявили, что они разработали новый класс электролитов путем растворения оксида полипропилена и оксида полиэтилена в растворе соли лития. Новые электролиты обладают высокой проводимостью и более стабильны, чем типичные литиевые электролиты, и теперь исследователи пытаются создать прототипы батарей, в которых используются многообещающие вещества.

Тем временем несколько производителей разрабатывают более крупные и мощные никель-металлогидридные батареи для использования в портативных компьютерах. Ожидается, что эти новые батареи появятся в конце 1994 года.