Alkalin pil - Alkaline battery

Alkalin pil
Alkali pil 5.jpg
Alkalin pillerin boyut karşılaştırması (soldan sağa): C, AA, AAA, N, PP3 (9 volt).
Kendi kendine deşarj oranı<% 0.3 / ay
Zaman dayanıklılığı5-10 yıl
Nominal hücre voltajı1,5 V

Bir alkalin pil (IEC kodu: L) bir tür birincil pil enerjisini arasındaki reaksiyondan alan çinko metal ve manganez dioksit.

İle karşılaştırıldığında çinko-karbon piller of Leclanché hücresi veya çinko Klorür alkalin piller daha yüksek enerji yoğunluğu ve daha uzun raf ömrü yine de aynı voltajı sağlar.

Alkalin pil adını alır, çünkü alkali elektroliti Potasyum hidroksit asidik yerine Amonyum Klorür veya çinko Klorür çinko-karbon pillerin elektroliti. Diğer pil sistemleri de alkalin 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 birimdir. Japonya'da alkalin piller, tüm birincil pil satışlarının% 46'sını oluşturmaktadır. İsviçre'de alkalin piller, ikincil türler de dahil olmak üzere tüm pil satışlarının% 68'ini, Birleşik Krallık'ta% 60'ını ve AB'de% 47'sini oluşturmaktadır.[1][2][3][4][5] Alkalin piller, daha yüksek konsantrasyonlarda toksik olabilen çinko ve manganez dioksit (Sağlık kodları 1) içerir. Bununla birlikte, diğer pil türleriyle karşılaştırıldığında, alkalin pillerin toksisitesi orta düzeydedir.[6]

Alkalin piller gibi birçok ev eşyasında kullanılır. MP3 oynatıcılar, CD çalar, dijital kameralar oyuncaklar fenerler, ve radyolar.

Tarih

Ayrıca bakınız: Pilin tarihçesi
Thomas Edison's nikel-demir piller 1972 ve 1975 yılları arasında üretilen bir potasyum hidroksit elektroliti kullandı "Çıkış "marka, aslen 1901'de Thomas Edison tarafından geliştirilmiştir.

Alkali (asit yerine) elektrolit içeren piller ilk olarak Waldemar Jungner 1899'da ve bağımsız çalışarak, Thomas Edison 1901'de. Modern alkalin kuru pil, çinko /manganez dioksit kimya Kanadalı mühendis tarafından icat edildi Lewis Urry 1950'lerde, Kanada'da çalışmaya başlamadan önce Union Carbide 's Eveready Pil bölünme Cleveland, OH Edison'un önceki çalışmalarına dayanarak.[7][8] 9 Ekim 1957'de Urry, Karl Kordesch ve P.A. Marsal, alkalin pil için ABD patenti (2.960.558) verdi. 1960 yılında verildi ve Union Carbide Corporation'a atandı.[9]

1960'ların sonlarında piyasaya sürüldüğünde, alkalin pillerin çinko elektrotu (o zamanlar her yerde bulunan karbon-çinko hücrelerde olduğu gibi) bir yüzey filmine sahipti. Merkür amalgam. Amacı, safsızlık alanlarında raf ömrünü kısaltacak ve sızıntıyı artıracak elektrolitik etkiyi kontrol etmekti. Çeşitli yasama organları tarafından zorunlu kılınan cıva içeriğindeki azalmalarla, çinkonun saflığını ve tutarlılığını büyük ölçüde iyileştirmek gerekli hale geldi.[10]

Kimya

Alkalin bir pilde, negatif elektrot çinko ve pozitif elektrot manganez dioksit (MnO2). Potasyum hidroksitin alkali elektroliti reaksiyonun bir parçası değildir, sadece çinko ve MnO2 deşarj sırasında tüketilir. Eşit miktarda OH bulunduğundan, potasyum hidroksitin alkali elektroliti kalır.− tüketilir ve üretilir.

Alkalin pille bölüm.

Yarı reaksiyonlar:

Zn(s) + 2OH−(aq) → ZnO(s) + H2Ö(l) + 2e− [Eoksidasyon° = +1,28 V]
2MnO2(s) + H2Ö(l) + 2e− → Mn2Ö3(s) + 2OH−(aq) [Eindirgeme° = +0,15 V]

Genel tepki:

Zn(s) + 2MnO2(s) ⇌ ZnO(s) + Mn2Ö3(s) [e ° = +1,43 V]

Kimyasal enerji çoğunlukla, atom başına kohezif serbest enerjisi, üç oksidinkinden en az 225 kJ / mol daha yüksek (daha az kararlı) olan çinko metalinde depolanır.[11]

Kapasite

Çeşitli boyutlarda düğme ve madeni para pilleri. Bazıları alkalin ve diğerleri gümüş oksit. Boyut karşılaştırması olarak iki 9 V pil eklendi. Beden kodu işaretlerini görmek için büyütün.

Alkalin pilin kapasitesi eşit boyuttan büyüktür Leclanché hücresi veya çinko klorür hücresi çünkü manganez dioksit daha saf ve daha yoğundur ve elektrotlar gibi dahili bileşenler tarafından daha az yer kaplar. Bir alkalin hücre, asidik bir hücrenin kapasitesinin üç ila beş katı kadar kapasite sağlayabilir.

Alkalin pilin kapasitesi, büyük ölçüde yüke bağlıdır. Bir AA boyutlu alkalin pilin etkin kapasitesi 3000 olabilirmAh düşük drenajda, ancak 1 yükte amper Dijital kameralar için yaygın olan, kapasite 700 mAh kadar az olabilir. Pilin voltajı kullanım sırasında sabit bir şekilde azalır, bu nedenle toplam kullanılabilir kapasite kesme gerilimi uygulamanın. Leclanché hücrelerinin aksine, alkalin pil, aralıklı veya sürekli hafif yüklerde yaklaşık olarak yüksek kapasite sağlar. Ağır bir yükte, aralıklı boşaltma ile karşılaştırıldığında sürekli deşarjda kapasite azalır, ancak azalma, Leclanche hücrelerine göre daha azdır.

Voltaj

Üretici standartlarınca belirlenen yeni bir alkalin hücrenin nominal voltajı 1,5 V'tur. etkili ancak boşalmamış bir alkalin pilin sıfır yük voltajı, pilin saflığına bağlı olarak 1,50 ila 1,65 V arasında değişir. manganez dioksit elektrolitte kullanılan ve çinko oksit içeriği. Yük altındaki ortalama voltaj, deşarj seviyesine ve 1,1 ila 1,3 V arasında değişen, çekilen akım miktarına bağlıdır.Tamamen deşarj olmuş hücre, yine de 0,8 ila 1,0 V aralığında kalan bir voltaja sahip olacaktır. İle birden fazla voltaj elde edilebilir. hücre serisi (seri olarak üç yeni alkalin pil 4,5 ile 5,0 V arasında üretebilecektir).[10]

Sıfır yükte ve 330 mW yükte AA akü voltajı vs kapasite[12]
Kapasite100%90%80%70%60%50%40%30%20%10%0%
Sıfır yük1.59V1.44V1.38V1.34V1.32V1.30V1.28V1.26V1.23V1.20V1.10V
330 mW1.49V1.35V1.27V1.20V1.16V1.12V1.10V1.08V1.04V0.98V0.62V

Güncel

Miktarı Elektrik akımı bir alkalin pilin sağlayabileceği kabaca fiziksel boyutuyla orantılıdır. Bu, hücrenin iç yüzey alanı arttıkça iç direncin azalmasının bir sonucudur. Bir temel kural AA alkalin pilin önemli bir ısınma olmaksızın 700 mA verebilmesidir. C ve D hücreleri gibi daha büyük hücreler daha fazla akım sağlayabilir. Güçlü gibi birkaç amperlik akım gerektiren uygulamalar fenerler ve portatif stereolar, artan yükün üstesinden gelmek için D boyutlu hücreler gerektirecektir.

İnşaat

Alkalin piller, çinko-karbon pillerle değiştirilebilen standart silindirik formlarda ve düğme formlarında üretilmektedir. El fenerleri ve 9 voltluk transistörlü radyo pili ile kullanılmak üzere satılanlar gibi gerçek bir "pil" oluşturmak için birkaç ayrı hücre birbirine bağlanabilir.

Çizilmiş bir silindirik hücre paslanmaz çelik katot bağlantısı olan kutu. Pozitif elektrot karışımı, sıkıştırılmış bir macundur. manganez dioksit artan iletkenlik için eklenen karbon tozu ile. Macun, kutuya preslenebilir veya önceden kalıplanmış halkalar olarak bırakılabilir. Katodun içi boş buhurdan, elektrot malzemelerinin temasını ve hücrenin kısa devre yapmasını önleyen bir ayırıcı ile kaplanmıştır. Ayırıcı, dokunmamış bir selüloz tabakasından veya bir sentetik polimerden yapılır. Ayırıcı, yüksek alkali elektrolit çözeltisinde iyonları iletmeli ve stabil kalmalıdır.

Negatif elektrot, potasyum hidroksit elektrolit içeren bir jelde çinko tozunun bir dağılımından oluşur. Çinko tozu, metal bir kutuya kıyasla kimyasal reaksiyonların gerçekleşmesi için daha fazla yüzey alanı sağlar. Bu, hücrenin iç direncini düşürür. Ömrünün sonunda hücrenin gazlanmasını önlemek için, tüm çinko ile reaksiyona girmek için gerekenden daha fazla manganez dioksit kullanılır. Ayrıca plastik conta genellikle sızıntı direncini artırmak için eklenir.

Hücre daha sonra sarılır alüminyum folyo, plastik bir film veya nadiren karton, son bir sızıntı koruması tabakası görevi görmenin yanı sıra üzerine logoların ve etiketlerin basılabileceği bir yüzey sağlar.

Tarif ederken AAA, AA, C, sub-C ve D boyutlu hücreler, negatif elektrot düz uca bağlanır ve pozitif terminal, yükseltilmiş düğmeli uçtur. Bu genellikle düğme hücrelerde tersine çevrilir, düz uçlu silindirik kutu pozitif terminaldir.

Alkalin pillerin şarj edilmesi

Ana makale: Şarj edilebilir alkalin pil

Bazı alkalin piller birkaç kez şarj edilmek üzere tasarlanmıştır ve şu şekilde tanımlanır: şarj edilebilir alkalin piller. Standart alkalin pilleri yeniden şarj etme girişimleri, ekipmanın paslanmasına neden olacak şekilde parçalanmaya veya tehlikeli sıvıların sızmasına neden olabilir. Bununla birlikte, standart alkalin pillerin, her şarjdan sonra kapasite azalmasına rağmen, genellikle birkaç kez (tipik olarak ondan fazla değil) yeniden şarj edilebildiği bildirilmektedir; şarj cihazları ticari olarak mevcuttur. İngiltere tüketici örgütü Hangi? bu tür iki şarj cihazını test ettiğini bildirdi Enerji verici alkalin piller, pil kapasitesinin iki döngüden sonra (yeniden şarj edilmeden önce ne kadar tükendiklerini belirtmeden) çok büyük farklılıklar göstererek orijinal değerinin ortalama% 10'una düştüğünü tespit etti.[13]

2017'de Gautam G. Yadav, manganez dioksitin teorik ikinci elektron kapasitesi nedeniyle katmanları bakır iyonlarıyla karıştırarak yapılan alkalin pillerin 6.000'den fazla döngü için yeniden şarj edilebileceğini bildiren makaleler yayınladı.[açıklama gerekli ][14][15] Bakır arakatmanlı manganez dioksit içeren bu şarj edilebilir pillerin enerji yoğunluğunun, sulu bazlı kimyasallar arasında en iyisi olan 160 Wh / L'nin üzerinde olduğu bildiriliyor.[15] Pillerde çinko kullanımı iyileştirilirse, lityum iyon (> 250 Wh / L) ile karşılaştırılabilir enerji yoğunluklarına sahip olabilir.[14]

Kaçaklar

Alkalin pilin içinde potasyum bileşiği sızıntısı

Alkalin piller sızdırmaya meyillidir Potasyum hidroksit, solunum, göz ve cilt tahrişine neden olabilen kostik bir maddedir.[not 1] Tek kullanımlık alkalin pilleri şarj etmeye çalışmayarak, farklı pil türlerini aynı cihazda karıştırmayarak, tüm pilleri aynı anda değiştirerek, pilleri kuru yerde ve oda sıcaklığında saklayarak bu riski azaltılabilir, ve cihazların saklanması için pilleri çıkararak.

Tüm piller kademeli olarak kendiliğinden boşalır (bir cihaza takılı olsun veya olmasın) ve biten piller sonunda akacaktır. Aşırı yüksek sıcaklıklar, pillerin kırılmasına ve akmasına (yazın arabada olduğu gibi) ve pilin raf ömrünün kısalmasına da neden olabilir.

Sızıntıların nedeni, piller deşarj olurken - kullanım veya kademeli olarak kendi kendine deşarj yoluyla - hücrelerin kimyasının değişmesi ve bir miktar hidrojen gazı üretilmesidir. Bu gaz çıkışı, bataryadaki basıncı artırır. Sonunda aşırı basınç, pilin ucundaki yalıtım contalarını veya dış metal kutuyu veya her ikisini birden kırar. Ek olarak, pil eskidikçe, çelik dış kutusu kademeli olarak korozyona uğrayabilir veya paslanabilir ve bu da muhafaza arızasına daha fazla katkıda bulunabilir.

Dış çelik kabuğun aşınması nedeniyle bir sızıntı oluştuğunda, potasyum hidroksit emer karbon dioksit havadan kristal bir yapı oluşturmak için potasyum karbonat zamanla pilden büyür ve yayılır, metal elektrotlar boyunca bakır yolların ve diğer bileşenlerin oksidasyonunu başlattığı devre kartlarına kadar takip ederek kalıcı devre hasarına yol açar.

Sızdıran kristalin büyümeler, pil kapaklarının etrafındaki dikişlerden de ortaya çıkabilir ve cihazın dışında, sızıntı yapan cihazla temas eden herhangi bir nesneyi aşındıran tüylü bir kaplama oluşturur.

Bertaraf

1996'da cıvanın azalmasıyla, bazı yerlerde alkalin pillerin normal evsel atık olarak atılmasına izin verildi. Bununla birlikte, cıva içeren eski alkalin piller ve diğerleri ağır metaller ve tüm bataryalardaki (yeni ve eski) aşındırıcı kimyasallar, özellikle çöplüklerde bertaraf için hala sorun teşkil etmektedir.[16][17] Aynı zamanda, en zehirli olanın genel atık akışlarından uzaklaştırılması için pillerin hepsini dışlamak için basitleştirme meselesi de var.

İmha etme yargı yetkisine göre değişir. Örneğin, durumu Kaliforniya tüm pilleri atıldıklarında tehlikeli atık olarak kabul eder ve pillerin diğer evsel atıklarla birlikte atılmasını yasaklamıştır.[18] Avrupa'da pil imhası, WEEE Direktifi ve Pil Direktifi yönetmelikler ve bu nedenle alkalin piller evsel atıklarla birlikte atılmamalıdır. AB'de, pil satan çoğu mağazanın, geri dönüşüm için eski pilleri kabul etmesi yasalar gereği zorunludur.

Geri dönüşüm

Tek kullanımlık pil kullanımı her yıl% 5-6 artmaktadır. Geçmişte, kullanılmış piller çöp sahalarında sona ermişti, ancak 2004'te alkalin pillerin çöp sahalarında atılması bir AB yönetmeliği ile yasaklanmıştı. AB üye ülkeleri 2016 yılına kadar alkalin pillerin% 50'sini geri dönüştürmeyi taahhüt ediyor. Dolayısıyla, geri dönüşüm ihtiyacı yılda 125.000 tondur. Alkalin pillerin payı toplamın yaklaşık% 80'idir.[kaynak belirtilmeli ]

ABD'de yalnızca bir eyalet olan California, tüm alkalin pillerin geri dönüştürülmesini gerektirir. Vermont ayrıca eyalet çapında alkalin pil toplama programına sahiptir.[19] Diğer ABD eyaletlerinde, kişiler pilleri geri dönüştürücülere göndermek için kullanılan pil geri dönüşüm kitleri satın alabilir. Bu tür kitlere örnekler Retriev Technologies'in The Big Green Box,[20] Pil Çözümleri 'iRecycleKits,[21] ve Call2Recycle pil geri dönüşüm kutuları.[22] IKEA gibi bazı mağazalar da geri dönüşüm için alkalin piller toplar. Ancak, pil geri dönüşümünün reklamını yapan bazı zincir mağazalar (Best Buy gibi) yalnızca yeniden şarj edilebilir pilleri kabul eder ve genellikle alkalin pilleri kabul etmez. [23]

Geri dönüşüm için, ezilmiş alkalin pillerden metaller mekanik olarak ayrılır ve atık siyah kütle kimyasal olarak işlenerek çinko, mangan dioksit ve potasyum hidroksit ayrıştırılır.

ABD'de Retriev Technologies, Inc. adında bir şirket pil kutusu metallerini, manganez ve çinkoyu parçalar ve ayırır.[24]

Ayrıca bakınız

Notlar

  1. ^ Bu alkali özellikle alüminyuma saldırır; fenerler, akan alkalin piller nedeniyle hasar görebilir.

Referanslar

  1. ^ Olivetti, Elsa; Jeremy Gregory; Randolph Kirchain (Şubat 2011). "Kullanım Ömrünün Sonuna Odaklanarak Alkalin Pillerin Yaşam Döngüsü Etkileri - EBPA-EU" (PDF). Massachusetts Teknoloji Enstitüsü, Malzeme Sistemleri Lab. s. 110. Arşivlenen orijinal (PDF) 2011-10-07 tarihinde. Alındı 29 Temmuz 2014.
  2. ^ "BAJ Web Sitesi - Aylık pil satış istatistikleri". Japonya Pil Derneği. Mar 2011. Arşivlenen orijinal 2010-12-06 tarihinde. Alındı 29 Temmuz 2014.
  3. ^ "Absatzzahlen 2008" (PDF) (Almanca'da). Interessenorganisation Batterieentsorgung. Arşivlenen orijinal (PDF) 25 Mart 2012. Alındı 29 Temmuz 2014.
  4. ^ Fisher, Karen; Wallén, Erika; Laenen, Pieter Paul; Collins, Michael (18 Ekim 2006). "Pil Atık Yönetimi Yaşam Döngüsü Değerlendirmesi Nihai Yayın Raporu" (PDF). Çevre Kaynakları Yönetimi, DEFRA. s. 230. Arşivlenen orijinal (PDF) 8 Ekim 2013 tarihinde. Alındı 29 Temmuz 2014.
  5. ^ "EPBA Pil İstatistikleri - 2000". Avrupa Taşınabilir Pil Birliği. 2000. Arşivlenen orijinal 21 Mart 2012. Alındı 29 Temmuz 2014.
  6. ^ Sağlık etkileri. Toksik Maddeler ve Hastalık Kayıt Kurumu (ABD).
  7. ^ [1]
  8. ^ Baird Gabriel (2011-08-03). "Thomas Edison, Lew Urry'ye daha iyi alkali pil için fikir kıvılcımı sağladı: Greater Cleveland Innovations". cleveland.com. Alındı 17 Kasım 2014.
  9. ^ ABD Patenti 2960558 (İngilizce)
  10. ^ a b Reddy, David Linden, Thomas B. (2001). Linden'in piller el kitabı (3 ed.). New York: McGraw-Hill. pp.10–12. ISBN  978-0-07-135978-8.
  11. ^ Schmidt-Rohr, K. (2018). "Piller Enerjiyi Nasıl Depolar ve Serbest Bırakır: Temel Elektrokimyayı Açıklamak" J. Chem. Educ. 95: 1801-1810. https://dx.doi.org/10.1021/acs.jchemed.8b00479
  12. ^ SK Loo ve Keith Keller (Ağu 2004). "TPS61070 Yükseltici Dönüştürücüyü Kullanarak Tek Hücreli Pil Deşarj Özellikleri" (PDF). Texas Instruments.
  13. ^ Ryan Shaw (Şubat 2016). "Pil Şarj Cihazları - Bilmeniz Gerekenler". Hangi?. Alındı 20 Mayıs 2019.
  14. ^ a b Yadav, G.G. (2017). "Yüksek derecede dönüştürülebilir enerji yoğun piller için yenilenebilir Cu-interkalasyonlu MnO2 katmanlı katot". Doğa İletişimi. 8: 14424. Bibcode:2017NatCo ... 814424Y. doi:10.1038 / ncomms14424. PMC  5343464. PMID  28262697.
  15. ^ a b Yadav, Gautam (2017). "Dönüşüm esaslı yüksek enerji yoğun Cu2 + interkalasyonlu Bi-birnessite / Zn alkalin pil". Malzeme Kimyası A Dergisi. 5 (30): 15845. doi:10.1039 / C7TA05347A.
  16. ^ Çevre Hizmetleri Departmanı. "Pil Geri Dönüşümü". San Diego Şehri. Alındı 5 Eylül 2012.
  17. ^ Hammadde Şirketi. "Sıkça Sorulan Sorular". Arşivlenen orijinal 6 Ekim 2012 tarihinde. Alındı 5 Eylül 2012.
  18. ^ "Piller". Atık Önleme Bilgileri Grafit nedeniyle iyon değişimi. California Kaynakların Geri Dönüşümü ve Geri Kazanımı Departmanı (CalRecycle). Alındı 5 Eylül 2012.
  19. ^ "Pil Bakımı, Kullanımı ve İmhası | Duracell Pilleri".
  20. ^ "Ev Pilleri".
  21. ^ "Mağaza". 2016-01-19.
  22. ^ "Call2Recycle Store | Call2Recycle | Amerika Birleşik Devletleri".
  23. ^ RecycleNation (2014-03-18). "Alkalin Pillerin Geri Dönüşümü". RecycleNation. Alındı 2018-06-09.
  24. ^ Retriev Teknolojileri. "Alkali". Alındı 2019-07-23.

Dış bağlantılar