Первичная ячейка - Primary cell

Для биологической концепции см. Первичная клеточная культура.
Множество стандартных размеров первичных ячеек. Слева направо: многокамерная батарея 4,5 В, D, C, AA, AAA, AAAA, A23, многокамерная батарея 9 В, (верх) LR44, (Нижний) CR2032

А первичная ячейка это аккумулятор (а гальванический элемент ), который предназначен для однократного использования и утилизации, а не для перезарядки электричеством и повторного использования в качестве вторичного элемента (аккумуляторная батарея ). В целом электрохимический реакция возникновение в ячейке необратимо, что делает ячейку не подзаряжаемой. В качестве первичной ячейки используется химические реакции в батарее расходуются химические вещества, вырабатывающие энергию; когда их нет, аккумулятор перестает вырабатывать электричество. Напротив, в вторичная ячейка, реакцию можно обратить вспять, пропустив ток в ячейку с зарядное устройство для его перезарядки, регенерируя химические реагенты. Первичные элементы изготавливаются различных стандартных размеров для питания небольших бытовых приборов, таких как фонарики и портативные радиоприемники.

Первичные батареи составляют около 90% рынка батарей стоимостью 50 миллиардов долларов, но вторичные батареи увеличивают долю рынка. Ежегодно во всем мире выбрасывается около 15 миллиардов первичных батарей, практически все они попадают на свалки. Из-за токсичного тяжелые металлы и содержащихся в них сильных кислот и щелочей, батареи опасные отходы. Большинство муниципалитетов относят их к таковым и требуют отдельной утилизации. Энергия, необходимая для изготовления батареи, примерно в 50 раз больше, чем энергия, которую она содержит.[1][2][3][4] Из-за высокого содержания в них загрязняющих веществ по сравнению с их небольшим содержанием энергии первичная батарея считается расточительной и экологически вредной технологией. В основном за счет увеличения продаж беспроводные устройства и аккумуляторные инструменты которые не могут экономично питаться от первичных батарей и поставляются со встроенными перезаряжаемыми батареями, производство вторичных батарей имеет высокие темпы роста и постепенно заменяет первичные батареи в высококачественной продукции.

Тенденция использования

В начале двадцать первого века первичные элементы начали уступать долю рынка вторичным элементам, поскольку относительная стоимость последних снизилась. Потребляемая мощность фонарика была снижена переключением с лампы накаливания к светодиоды.[5]

На оставшемся рынке усилилась конкуренция со стороны версий, выпущенных под частной торговой маркой или без нее. Доля рынка двух ведущих производителей США, Energizer и Duracell, снизилась до 37% в 2012 году. Вместе с Rayovac эти трое пытаются увести потребителей от цинк-углерод к более дорогим, долговечным щелочные батареи.[5]

Западные производители аккумуляторов перенесли производство в офшор и больше не производят угольно-цинковые аккумуляторы в Соединенных Штатах.[5]

Китай стал крупнейшим рынком аккумуляторов, и прогнозируется, что спрос будет расти быстрее, чем где-либо еще, а также перешел на щелочные элементы. В других развивающихся странах одноразовые батареи должны конкурировать с дешевыми заводными, ветряными и перезаряжаемыми устройствами, которые получили широкое распространение.[5]

Сравнение первичных и вторичных ячеек

Вторичные клетки (перезаряжаемые батарейки ) в целом более экономичны в использовании, чем первичные элементы. Их первоначальная более высокая стоимость и стоимость покупки системы зарядки могут быть распределены по многим циклам использования (от 100 до 1000 циклов); например, в ручных электроинструментах было бы очень дорого заменять основную аккумуляторную батарею большой емкости каждые несколько часов использования.

Первичные элементы не предназначены для перезарядки между производством и использованием, поэтому химический состав батареи должен иметь гораздо более низкую скорость саморазряда, чем старые типы вторичных элементов; но они потеряли это преимущество с разработкой перезаряжаемых вторичных элементов с очень низкой скоростью саморазряда, таких как NiMH-элементы с низким саморазрядом, которые достаточно долго удерживают заряд, чтобы их можно было продавать как предварительно заряженные.[6][7]

Обычные типы вторичных элементов (а именно NiMH и Li-ion) из-за их гораздо более низкого внутреннего сопротивления не страдают большой потери емкости, как у щелочных, углеродно-цинковых и хлорид цинка («тяжелые» или «сверхтяжелые»). с высоким потреблением тока.[8]

Резервные батареи достичь очень длительного срока хранения (порядка 10 лет и более) без потери емкости, физически разделив компоненты батареи и собирая их только во время использования. Такие конструкции дороги, но используются в таких приложениях, как боеприпасы, которые перед использованием могут храниться годами.

Поляризация

Основным фактором сокращения срока службы первичных ячеек является то, что они становятся поляризованный во время использования. Это означает, что водород накапливается на катоде и снижает эффективность элемента. Чтобы уменьшить эффекты поляризации в коммерческих клетках и продлить их жизнь, используется химическая деполяризация; то есть окислитель добавляется в ячейку для окисления водорода до воды. Диоксид марганца используется в Клетка Лекланше и цинк-углеродный элемент, и азотная кислота используется в Ячейка Бунзена и Клетка рощи.

Предпринимались попытки сделать простые клетки самодеполяризующимися путем придания шероховатости поверхности медной пластины, чтобы облегчить отделение пузырьков водорода, но без особого успеха. Электрохимическая деполяризация заменяет водород на металл, такой как медь (например. Клетка Даниэля ), или же серебро (например. элемент из оксида серебра ), так называемый.

Терминология

Анод и катод

Клемма аккумулятора (электрод ), который развивает положительную полярность напряжения ( углерод электрод в сухой ячейке) называется катод и электрод с отрицательной полярностью (цинк в сухой камере) называется анод.[9] Это обеспечить регресс терминологии, используемой в электролитическая ячейка или же термоэлектронный вакуумная труба. Причина в том, что термины анод и катод определяются направлением электрического тока, а не их напряжением. Анод - это вывод, через который обычный ток (положительный заряд) поступает в элемент из внешней цепи, в то время как катод является выводом, через который обычный ток покидает элемент и течет во внешнюю цепь. Поскольку батарея является источником питания, который обеспечивает напряжение, которое заставляет ток проходить через внешнюю цепь, напряжение на катоде должно быть выше, чем напряжение на аноде, создавая электрическое поле, направленное от катода к аноду, чтобы вызвать положительный заряд. из катода через сопротивление внешней цепи.

Внутри ячейки анод - это электрод, в котором химическая окисление происходит, поскольку он отдает электроны, которые выходят из него, во внешнюю цепь. Катод - это электрод, в котором химическая снижение происходит, так как принимает электроны из цепи.

Вне ячейки используется другая терминология. Поскольку анод передает положительный заряд электролиту (таким образом, оставаясь с избытком электронов, которые он будет отдавать цепи), он становится отрицательно заряжен и поэтому подключается к клемме, отмеченной знаком «-» на внешней стороне ячейки. Катод, тем временем, передает отрицательный заряд электролиту, поэтому он становится положительно заряженным (что позволяет ему принимать электроны из цепи) и поэтому подключается к выводу, отмеченному знаком «+» на внешней стороне элемента.[10]

Старые учебники иногда содержат другую терминологию, которая может ввести в заблуждение современных читателей. Например, учебник Айртона и Мазера 1911 г.[11] описывает электроды как «положительную пластину» и «отрицательную пластину».

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Хилл, Маркуита К. (2004). Понимание загрязнения окружающей среды: учебник. Издательство Кембриджского университета. стр.274. ISBN  0521527260. энергия батареи в 50 раз загрязняет окружающую среду.
  2. ^ Уоттс, Джон (2006). Gcse Edexcel Science. Леттс и Лонсдейл. п. 63. ISBN  1905129637.
  3. ^ Охотники за отходами (2013). Руководство по экологическому офису: руководство по ответственной практике. Рутледж. п. 96. ISBN  978-1134197989.
  4. ^ Данахер, Кевин; Биггс, Шеннон; Марк, Джейсон (2016). Построение зеленой экономики: истории успеха с широких масс. Рутледж. п. 199. ISBN  978-1317262923.
  5. ^ а б c d «Батареи: закончился сок». Экономист. 2014-01-18. Получено 2014-02-10.
  6. ^ "Eneloop AA 4-Pack".
  7. ^ "Исследование саморазряда Eneloop".
  8. ^ «Разрядка щелочных батареек АА».
  9. ^ Денкер, Джон С. (2004). «Как определить анод и катод». Посмотрите, как он летает. Персональный сайт Denker. Получено 8 сентября 2018.
  10. ^ Джон С. Ньюман, Карен Э. Томас-Алая, Электрохимические системы, Wiley-IEEE, 3-е изд. 2004 г., ISBN  0-471-47756-7
  11. ^ У. Э. Айртон и Т. Мазер, Практическое электричество, Cassell and Company, Лондон, 1911, стр.170.

внешняя ссылка