Alkalin pil - Alkaline battery
| |
| Kendi kendine deşarj oranı | <%0,3/ay |
|---|---|
| Zaman dayanıklılığı | 5-10 yıl |
| Nominal hücre voltajı | 1,5 V |
Bir alkalin pil (IEC kodu: L) bir tür birincil batarya arasındaki reaksiyondan enerji sağlayan çinko metali ve manganez dioksit .
İle karşılaştırıldığında çinko-karbon pil bölgesinin Leclanché hücre ya da çinko klorür türleri, alkalin pil, daha yüksek olan bir enerji yoğunluğuna ve daha uzun bir raf ömrüne , ama aynı voltajı sağlar.
Alkalin pil , çinko-karbon pillerin asidik amonyum klorür (NH 4 Cl) veya çinko klorür (ZnCl 2 ) elektroliti yerine potasyum hidroksitin (KOH) alkali elektrolitine sahip olduğu için adını alır . Diğer pil sistemleri de alkali elektrolitler kullanır, ancak elektrotlar için farklı aktif malzemeler kullanırlar.
Alkalin piller, ABD'de üretilen pillerin %80'ini ve dünya çapında üretilen 10 milyardan fazla bağımsız birimi oluşturmaktadır. Japonya'da alkalin piller, tüm birincil pil satışlarının %46'sını oluşturuyor. İkincil türler dahil tüm pil satışlarının İsviçre'de %68'ini, İngiltere'de %60'ını ve AB'de %47'sini alkalin piller oluşturmaktadır. Alkalin piller, kümülatif bir nörotoksin olan ve daha yüksek konsantrasyonlarda toksik olabilen çinko (Zn) ve manganez dioksit (MnO 2 ) (Sağlık kodları 1) içerir. Ancak, diğer pil türleriyle karşılaştırıldığında, alkalin pillerin toksisitesi orta düzeydedir.
Alkalin piller MP3 çalarlar , CD çalarlar , dijital kameralar , oyuncaklar, el fenerleri ve radyolar gibi birçok ev eşyasında kullanılmaktadır .
Tarih
Alkali (asitten ziyade) elektrolit, ilk olarak geliştirilmiştir olan piller Waldemar Jungner 1899'da ve, bağımsız bir şekilde, çalışan , Thomas Edison çinko kullanılarak 1901 Modern alkalin kuru pil içinde / manganez dioksit kimyası Kanada mühendisi tarafından icat edilmiştir Lewis Urry içinde Kanada'da 1950'lerde zaten daha önce birlikte çalıştığı başladı Union Carbide 'ın Eveready Pil içinde bölünme Cleveland, OH Edison tarafından daha önceki çalışmaları üzerine inşa. 9 Ekim 1957'de Urry, Karl Kordesch ve PA Marsal, alkalin pil için ABD patenti (2,960,558) başvurusunda bulundu. 1960 yılında verildi ve Union Carbide Corporation'a atandı.
1960'ların sonlarında piyasaya sürüldüğünde, alkalin pillerin çinko elektrotu (o zamanlar her yerde bulunan karbon-çinko hücreleriyle ortak olarak) cıva amalgam bir yüzey filmine sahipti . Amacı, safsızlık bölgelerinde raf ömrünü azaltacak ve sızıntıyı artıracak elektrolitik eylemi kontrol etmekti. Çeşitli yasama organları tarafından zorunlu kılınan cıva içeriğindeki azalmalarla, çinkonun saflığını ve tutarlılığını büyük ölçüde iyileştirmek gerekli hale geldi.
Kimya
Alkalin pilde, negatif elektrot çinkodur ve pozitif elektrot manganez dioksittir (MnO 2 ). Potasyum hidroksitin alkali elektroliti reaksiyon sırasında tüketilmez, deşarj sırasında sadece çinko ve MnO 2 tüketilir. Potasyum hidroksitin alkali elektroliti, tüketilen ve üretilen eşit miktarda OH - olduğu için kalır .
Yarı reaksiyonlar şunlardır:
- Zn (s) + 2OH − ( sulu ) → ZnO (s) + H 2 O (l) + 2e − [E oksidasyon ° = +1,28 V]
- 2MnO 2(s) + H 2 O (l) + 2e − → Mn 2 O 3(s) + 2OH − (sulu) [E indirgeme ° = +0,15 V]
Genel tepki:
- Zn (s) + 2MnO 2(s) ⇌ ZnO (s) + Mn 2 O 3(s) [e° = +1,43 V]
Kimyasal enerji çoğunlukla, atom başına yapışkan serbest enerjisi üç oksitten en az 225 kJ/mol daha yüksek (daha az kararlı) olan çinko metalinde depolanır.
Kapasite
.png)
Bir alkalin pilin kapasitesi , manganez dioksit daha saf ve daha yoğun olduğundan ve elektrotlar gibi dahili bileşenler tarafından daha az yer kapladığından, eşit boyutta bir Leclanché hücresinden veya çinko klorür hücresinden daha fazladır . Alkali bir hücre, asidik bir hücrenin kapasitesinin üç ila beş katı arasında kapasite sağlayabilir.
Alkalin pilin kapasitesi büyük ölçüde yüke bağlıdır. Bir AA 3000 etkili bir kapasiteye sahip olabilir alkalin pil ölçülü mAh düşük boşaltımında, ancak 1 'in bir yükte amper dijital kameralar için ortak olan, kapasite 700 kadar az olabilir mAh . Pilin voltajı kullanım sırasında sürekli olarak düşer, bu nedenle toplam kullanılabilir kapasite uygulamanın kesme voltajına bağlıdır .
Leclanché hücrelerinin aksine, alkalin hücre, aralıklı veya sürekli hafif yüklerde yaklaşık aynı kapasiteyi sağlar. Ağır bir yükte, aralıklı deşarj ile karşılaştırıldığında sürekli deşarjda kapasite azalır, ancak azalma Leclanche hücrelerine göre daha azdır.
Voltaj
Üretici standartlarına göre yeni bir alkalin pilin nominal voltajı 1,5 V'tur. Ancak, boşalmamış bir alkalin pilin etkin sıfır yük voltajı, kullanılan manganez dioksitin saflığına ve kullanılan manganez dioksitin saflığına bağlı olarak 1,50 ila 1,65 V arasında değişir . elektrolit içindeki çinko oksit içeriği. Yük altındaki ortalama voltaj, deşarj seviyesine ve 1,1 ila 1,3 V arasında değişen, çekilen akım miktarına bağlıdır. Tamamen boşalmış hücre, 0,8 ila 1,0 V aralığında kalan bir voltaja sahip olacaktır. hücre serisi (serideki üç yeni alkalin pil 4,5 ile 5,0 V arasında üretebilecektir).
| Kapasite | 100% | %90 | %80 | %70 | %60 | %50 | %40 | %30 | %20 | %10 | %0 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| sıfır yük | 1.59V | 1.44V | 1.38V | 1.34V | 1.32V | 1.30V | 1.28V | 1.26V | 1.23V | 1.20V | 1.10V |
| 330 mW | 1.49V | 1.35V | 1.27V | 1.20V | 1.16V | 1.12V | 1.10V | 1.08V | 1.04V | 0.98V | 0.62V |
Akım
Bir alkalin pilin verebileceği Elektrik akımı miktarı , fiziksel boyutuyla kabaca orantılıdır. Bu, hücrenin iç yüzey alanı arttıkça azalan iç direncin bir sonucudur. Temel kural, bir AA alkalin pilin önemli bir ısınma olmaksızın 700 mA sağlayabilmesidir. C ve D hücreleri gibi daha büyük hücreler daha fazla akım sağlayabilir. Güçlü el fenerleri ve taşınabilir stereolar gibi birkaç amperlik akım gerektiren uygulamalar , artan yükün üstesinden gelmek için D-boyutlu hücreler gerektirecektir.
Yapı
Alkalin piller, çinko-karbon pillerle değiştirilebilen standart silindirik formlarda ve düğme formlarında üretilir. El fenerleri ve 9 voltluk transistör-radyo pili ile kullanılmak üzere satılanlar gibi, gerçek bir "pil" oluşturmak için birkaç ayrı hücre birbirine bağlanabilir.
Katot bağlantısı olan çekilmiş paslanmaz çelik bir kutuda silindirik bir hücre bulunur . Pozitif elektrot karışımı, arttırılmış iletkenlik için eklenen karbon tozu ile sıkıştırılmış bir manganez dioksit macunudur. Macun kutuya preslenebilir veya önceden kalıplanmış halkalar olarak bırakılabilir. Katodun içi boş merkezi, elektrot malzemelerinin temasını ve hücrenin kısa devre yapmasını önleyen bir ayırıcı ile kaplanmıştır. Ayırıcı, dokunmamış bir selüloz tabakasından veya sentetik bir polimerden yapılmıştır. Ayırıcı iyonları iletmeli ve yüksek alkali elektrolit çözeltisi içinde kararlı kalmalıdır.
Negatif elektrot, potasyum hidroksit elektrolit içeren bir jel içinde çinko tozu dispersiyonundan oluşur. Çinko tozu, metal bir kutuya kıyasla kimyasal reaksiyonların gerçekleşmesi için daha fazla yüzey alanı sağlar. Bu, hücrenin iç direncini düşürür. Ömrünün sonunda hücrenin gazlaşmasını önlemek için, tüm çinko ile reaksiyona girmek için gerekenden daha fazla manganez dioksit kullanılır. Ayrıca, sızıntı direncini artırmak için genellikle plastikten yapılmış conta eklenir.
Hücre daha sonra alüminyum folyoya, plastik bir filme veya nadiren kartona sarılır ; bu, son bir sızıntı koruma katmanı görevi görür ve ayrıca üzerine logoların ve etiketlerin basılabileceği bir yüzey sağlar.
AAA, AA, C, alt-C ve D boyutlu hücreleri tanımlarken , negatif elektrot düz uca bağlanır ve pozitif terminal, yükseltilmiş düğme ile uçtur. Bu genellikle düğme hücrelerinde tersine çevrilir, düz uçlu silindirik kutu pozitif terminaldir.
Alkalin pillerin şarj edilmesi
Bazı alkalin piller, birkaç kez yeniden şarj edilmek üzere tasarlanmıştır ve şarj edilebilir alkalin piller olarak tanımlanır . Standart alkalin pilleri yeniden şarj etme girişimleri, delinmeye veya ekipmanı aşındıracak tehlikeli sıvıların sızmasına neden olabilir. Bununla birlikte, standart alkalin pillerin, her şarjdan sonra azaltılmış kapasiteyle de olsa, genellikle birkaç kez (tipik olarak ondan fazla değil) yeniden şarj edilebileceği bildirilmektedir; şarj cihazları ticari olarak mevcuttur. Birleşik Krallık tüketici örgütü Hangisi? Bu tür iki şarj cihazını Energizer alkalin pillerle test ettiğini ve iki döngüden sonra (şarj etmeden önce ne kadar tükendiklerini belirtmeden) pil kapasitesinin büyük farklılıklarla orijinal değerinin ortalama %10'una düştüğünü tespit ettiğini bildirdi.
2017'de Gautam G. Yadav, manganez dioksitin teorik ikinci elektron kapasitesi nedeniyle ara katmanların bakır iyonları ile karıştırılmasıyla yapılan alkalin pillerin 6.000'den fazla döngü için yeniden şarj edilebileceğini bildiren makaleler yayınladı. Bakır ara katkılı manganez dioksit içeren bu şarj edilebilir pillerin enerji yoğunluğunun 160Wh/L'nin üzerinde olduğu, sulu bazlı kimyalar arasında en iyisi olduğu bildirilmektedir. Pillerde çinko kullanımı iyileştirilirse, lityum iyonla (> 250Wh/L) karşılaştırılabilir enerji yoğunluklarına sahip olabilir.
sızıntılar
Alkalin piller, solunum, göz ve cilt tahrişine neden olabilen yakıcı bir madde olan potasyum hidroksit sızıntısına eğilimlidir . Tek kullanımlık alkalin pilleri tekrar şarj etmeye çalışmamak, farklı pil tiplerini aynı cihazda karıştırmamak, pillerin hepsini aynı anda değiştirmek, pilleri kuru bir yerde ve oda sıcaklığında saklamak suretiyle bu risk azaltılabilir, ve cihazların depolanması için pilleri çıkararak.
Tüm piller kademeli olarak kendi kendine boşalır (bir cihaza takılı olsun ya da olmasın) ve bitmiş piller sonunda akacaktır. Aşırı yüksek sıcaklıklar, pillerin delinmesine ve akmasına (örneğin yaz aylarında arabada olduğu gibi) ve pilin raf ömrünün azalmasına neden olabilir.
Sızıntıların nedeni, piller boşaldıkça - kullanım veya kademeli olarak kendi kendine deşarj yoluyla - hücrelerin kimyasının değişmesi ve bir miktar hidrojen gazı üretilmesidir. Bu gaz çıkışı aküdeki basıncı artırır. Sonunda, aşırı basınç ya pilin ucundaki yalıtım contalarını ya da dış metal kutuyu ya da her ikisini birden kırar. Ek olarak, pil yaşlandıkça, çelik dış kutusu yavaş yavaş paslanabilir veya paslanabilir ve bu da muhafaza arızasına daha fazla katkıda bulunabilir.
Dış çelik kabuğun aşınması nedeniyle bir sızıntı oluştuğunda, potasyum hidroksit havadaki karbon dioksiti emer ve zamanla pilden yayılan ve metal elektrotları takip ederek devre kartlarına giden tüylü kristal bir potasyum karbonat yapısı oluşturur. bakır izlerin ve diğer bileşenlerin oksidasyonunu başlatarak kalıcı devre hasarına yol açar.
Sızdıran kristal oluşumlar, pil kapaklarının etrafındaki dikişlerden de çıkabilir ve cihazın dışında, sızdıran cihazla temas eden tüm nesneleri aşındıran tüylü bir kaplama oluşturabilir.
İmha etmek
1996 yılında cıvadaki azalma ile alkali pillerin bazı yerlerde normal evsel atık olarak atılmasına izin verilmiştir. Bununla birlikte, cıvalı eski alkalin piller ve tüm pillerde (yeni ve eski) kalan diğer ağır metaller ve aşındırıcı kimyasallar, özellikle çöplüklerde bertaraf için hala problemler sunmaktadır. Ayrıca, en zehirli olanın genel atık akışlarından saptırılması için hepsini hariç tutmak için pillerin atılmasının basitleştirilmesi sorunu da vardır.
İmha, yargı yetkisine göre değişir. Örneğin, Kaliforniya eyaleti tüm pilleri atıldığında tehlikeli atık olarak kabul eder ve pillerin diğer evsel atıklarla birlikte atılmasını yasaklamıştır. Avrupa'da pil imhası, WEEE Yönergesi ve Pil Yönergesi düzenlemeleri tarafından kontrol edilir ve bu nedenle alkalin piller evsel atıklarla birlikte atılmamalıdır. AB'de pil satan çoğu mağazanın yasa gereği eski pilleri geri dönüşüm için kabul etmesi gerekir.
geri dönüşüm
Tek kullanımlık pillerin kullanımı her yıl %5–6 oranında artmaktadır. Geçmişte kullanılmış piller çöplük sahalarında bitiyordu, ancak 2004'te alkalin pillerin çöplük sahalarına atılması bir AB yönetmeliği tarafından yasaklanmıştı. AB üyesi ülkeler, 2016 yılına kadar alkalin pillerin %50'sini geri dönüştürmeyi taahhüt etmektedir. Dolayısıyla, geri dönüşüm ihtiyacı yılda 125.000 tondur. Alkalin pillerin payı, toplamın yaklaşık %80'idir.
ABD'de yalnızca bir eyalet, Kaliforniya, tüm alkalin pillerin geri dönüştürülmesini gerektirir. Vermont ayrıca eyalet çapında bir alkalin pil toplama programına sahiptir. Diğer ABD eyaletlerinde, bireyler pilleri geri dönüşümcülere göndermek için kullanılan pil geri dönüşüm kitlerini satın alabilir. IKEA gibi bazı mağazalar da geri dönüşüm için alkalin piller toplar. Ancak, pil geri dönüşümünün reklamını yapan bazı zincir mağazalar (Best Buy gibi) yalnızca şarj edilebilir pilleri kabul eder ve genellikle alkalin pilleri kabul etmez.
Geri dönüşüm için, ezilmiş alkalin pillerden gelen metaller mekanik olarak ayrılır ve atık siyah kütle, çinko, manganez dioksit ve potasyum hidroksiti ayırmak için kimyasal olarak işlenir.