Виды батареек и какие из них лучше: алкалиновые, солевые или литиевые Выбираем батарейки для бытовых приборов

Виды неперезаряжаемых элементов питания (в просторечии – «батареек») крайне многочисленны. От простейших «лейденских банок» до радиоизотопных, используемых в космических спутниках. Охватить это в одной статье невозможно, поэтому мы ограничимся «бытовыми», то есть теми, которые выпускаются в формфакторах АА. В этой статье рассматриваются различные типы батареек AA, представленные на рынке сегодня.

Типы батареек

Скромная батарейка типа АА является неотъемлемым элементом современного мира и служит источником питания для самых разных устройств – от пультов дистанционного управления и цифровых фотоаппаратов до игрушек и фонариков. Однако не все батарейки AA одинаковы. Различные типы отличаются друг от друга химическим составом, емкостью, стоимостью и воздействием на окружающую среду. Самые распространенные из них это:

· цинково-углеродные, они же «карбоновые» или «солевые» батареи;

· алкалиновые (щелочные) батарейки;

· литий-железные дисульфидные батареи.

Что такое солевые батарейки

Карбоновые батареи, более известные как цинково-углеродные, или «солевые», относятся к типу первичных (неперезаряжаемых) элементов. Они появились очень давно и являются одним из самых старых типов сухих элементов питания. Рассмотрим конструкцию и состав цинк-углеродных батареек типа АА.

Электроды

Катод (положительный электрод): в качестве материала катода обычно используется диоксид марганца (MnO2). Во время разряда батареи диоксид марганца восстанавливается.

Анод (отрицательный электрод): в качестве материала анода используется цинк. Цинковый контейнер, в который заключены другие компоненты, сам является анодом. Во время разряда цинк окисляется.

Электролит

В качестве электролита используется паста из хлорида аммония (NH4Cl) или хлорида цинка (ZnCl2). Эта паста способствует перемещению ионов между анодом и катодом во время работы батареи.

Сепаратор

Между анодом и катодом находится сепаратор, который обычно изготавливается из пористого материала. Этот сепаратор препятствует прямому контакту между анодом и катодом, но позволяет ионам проходить через него.

Угольный стержень

В центре батареи находится угольный стержень. Он выполняет роль токосъемника для катода, обеспечивая эффективный отток электронов из батареи. Именно благодаря этому компоненту батарея получила название «карбоновая».

Корпус

Батарейка находится в корпусе, обычно изготовленном из цинка, который также служит анодом, как уже упоминалось. В верхней части батареи находится уплотнение, предотвращающее утечку, и крышка, играющая роль положительного полюса батареи.

Преимущества

Дешевизна: цинково-углеродные батареи обычно недороги в производстве.

Экологичность: они содержат меньше вредных металлов.

Недостатки

Ограниченная плотность энергии: эти батарейки имеют более низкую плотность энергии по сравнению с другими типами.

Не подходят для устройств с высоким током разряда: из-за своего внутреннего сопротивления они не подходят для устройств, которым быстро требуется много энергии.

Небольшой срок хранения: по сравнению с другими типами батарей цинково-углеродные батареи могут иметь меньший срок хранения, особенно в условиях повышенной влажности.

Применение

Учитывая их характеристики, цинково-углеродные батареи лучше всего подходят для устройств с низким уровнем разряда, таких как настенные часы, радиоприемники и пульты дистанционного управления.

Какие батарейки называют алкалиновыми, или щелочными

Щелочные батарейки типа АА – популярный выбор для многих бытовых и портативных электронных устройств благодаря длительному сроку хранения и относительно высокой энергетической плотности. Свое название «щелочные» они получили из-за используемого щелочного электролита – гидроксида калия (KOH). Ниже дано подробное описание конструкции и состава щелочных батареек типа АА.

Электроды

Катод (положительный электрод): материал катода обычно состоит из диоксида марганца (MnO2). При разряде батареи диоксид марганца восстанавливается.

Анод (отрицательный электрод): анод изготавливается из цинкового порошка. Использование порошкообразного цинка обеспечивает большую площадь поверхности для химических реакций, что увеличивает емкость батареи. Во время разряда цинк окисляется.

Электролит

В качестве электролита в щелочных аккумуляторах используется гидроксид калия (KOH), который является щелочным по своей природе. Электролит способствует перемещению ионов между анодом и катодом во время работы батареи.

Сепаратор

Сепаратор является важнейшим компонентом, выполняющим роль барьера между анодом и катодом для предотвращения прямого короткого замыкания. Он достаточно пористый, чтобы пропускать ионы. Сепаратор в щелочных аккумуляторах изготавливается из материала, который остается стабильным в щелочном электролите.

Корпус

Внешний корпус: внешний корпус обычно изготавливается из стали или другого металла и обеспечивает структурную целостность. На него также наносится покрытие для предотвращения коррозии.

Внутренний корпус: внутренняя поверхность корпуса батареи обычно покрыта слоем цинка, который также играет определенную роль в химических реакциях батареи.

Электроды

Обычно это латунные штырьки, расположенные в верхней части батареи. Они находятся в контакте с материалом катода и служат для отвода электрического тока из батареи, подключаясь к устройствам.

Прокладка

Для предотвращения утечки электролита и поддержания внутреннего давления в верхней части аккумулятора имеется уплотнение. Оно предназначено для сохранения внутренних элементов в безопасности даже в условиях, которые могут привести к утечке в батареях других типов.

Преимущества

Длительный срок хранения: при правильном хранении щелочные батарейки могут сохранять заряд в течение нескольких лет.

Высокая плотность энергии: они способны отдавать больше энергии, чем цинково-углеродные батарейки того же размера.

Недостатки

Могут протекать. Со временем, особенно если оставлять их в устройствах на длительное время после разрядки, щелочные батареи протекают.

Применение

Алкалиновые батарейки подходят для широкого спектра применений – от игрушек и фонариков до цифровых камер и пультов дистанционного управления.

Сравниваем солевые и алкалиновые батарейки

Чем отличаются солевые батарейки от алкалиновых? И солевые (цинк-углеродные), и щелочные (алкалиновые) батарейки являются первичными, т. е. обычно используются один раз, а затем выбрасываются. Однако они имеют разные химические составы и эксплуатационные характеристики. Вот их подробное сравнение:

Электрохимический состав

Углеродные (цинк-углеродные) батареи

Анод: цинк (Zn).

Катод: Диоксид марганца (MnO2).

Электролит: Паста из хлорида аммония (NH4Cl) или хлорида цинка (ZnCl2).

Коллектор тока: центральный угольный стержень.

Щелочные батареи

Анод: Цинк (Zn), часто в порошкообразной форме для увеличения площади поверхности.

Катод: Диоксид марганца (MnO2).

Электролит: Гидроксид калия (KOH).

Плотность энергии

Солевые (цинк-углеродные) батареи: эти батареи обычно имеют более низкую энергетическую плотность, т. е. они могут хранить и отдавать меньше энергии при заданном размере по сравнению со щелочными батареями.

Щелочные батарейки: имеют более высокую плотность энергии, что делает их предпочтительным выбором для устройств, которым требуется большая мощность или длительное время работы.

Срок годности

Солевые (цинково-углеродные) батарейки: более короткий срок хранения по сравнению со щелочными батарейками, особенно в условиях повышенной влажности.

Щелочные батарейки: более длительный срок хранения, при правильном хранении часто составляет несколько лет.

Стоимость

Солевые (цинково-углеродные) батареи: обычно дешевле в производстве и приобретении.

Щелочные батарейки: обычно дороже солевых, но эта стоимость часто компенсируется более длительным сроком службы и более высокой энергоотдачей.

Лучшие примеры использования

Солевые (цинково-углеродные) батареи: лучше всего подходят для устройств с низким уровнем разряда, таких как настенные часы, радиоприемники и базовые пульты дистанционного управления.

Щелочные батарейки: идеально подходят для устройств с высоким уровнем разряда и регулярного использования, таких как игрушки, фонарики и цифровые фотоаппараты.

Воздействие на окружающую среду

Солевые (цинково-углеродные) батарейки: эти батарейки наносят меньший вред окружающей среде при утилизации, главным образом, потому что содержат меньше токсичных материалов.

Щелочные батарейки: хотя современные щелочные батарейки не содержат ртути, при неправильной утилизации они все равно могут представлять опасность для окружающей среды.

Стабильность характеристик

Солевые батареи: напряжение может значительно снижаться по мере разрядки батареи.

Щелочные батареи: обеспечивают более стабильное напряжение на протяжении всего срока службы, что гарантирует стабильную работу.

Риск утечки электролита

Солевые батареи: имеют риск утечки с течением времени, но в целом безопасны.

Щелочные батареи: могут протекать, особенно если их оставлять в устройствах на длительное время после разрядки. Однако современные конструкции позволяют повысить устойчивость к утечкам.

Вывод

И солевые, и щелочные батарейки служат для питания портативных устройств, однако их пригодность зависит от требований пользователя. Щелочные батареи, обладающие более высокой плотностью энергии и большим сроком службы, как правило, более популярны для широкого круга применений. Однако углеродные батареи сохраняют свою актуальность благодаря своей экономичности и пригодности для использования в специфических устройствах с малым разрядом. Для минимизации воздействия на окружающую среду важна правильная утилизация обоих типов батарей.

Литиевые батарейки

Литий-железо-дисульфидные (Li-FeS2) батареи, обычно выпускаемые в формате AA, обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными щелочными и другими типами первичных батарей, включая более высокую плотность энергии и более длительный срок хранения. Эти преимущества обусловлены электрохимическими реакциями между литием и дисульфидом железа. Рассмотрим конструкцию и состав батарейки Li-FeS2 AA.

Электроды

Анод (отрицательный электрод): состоит из лития (Li) – металла, известного своим высоким электрохимическим потенциалом. Литий легок и способен накапливать большое количество энергии, что обусловливает высокую плотность энергии этих батарей.

Катод (положительный электрод): в качестве материала катода используется дисульфид железа (FeS2). В процессе разряда дисульфид железа реагирует с литием, образуя сульфид лития (Li2S) и железо.

Электролит

В литиевых аккумуляторах используются различные электролиты, которые обычно состоят из солей лития, растворенных в органическом растворителе. Точный состав может варьироваться в зависимости от конкретной конструкции батареи и производителя. Электролит обеспечивает перенос ионов лития между анодом и катодом во время работы батареи.

Преимущества

Высокая плотность энергии: Li-FeS2 аккумуляторы обладают более высокой плотностью энергии по сравнению со щелочными аккумуляторами, что позволяет увеличить время работы устройства.

Широкий диапазон рабочих температур: эти батареи могут эффективно работать при более низких температурах, что делает их идеальным решением для оборудования, находящегося вне помещений, или в условиях, когда другие батареи могут выйти из строя.

Долгий срок хранения: скорость саморазряда литиевых батарей достаточно низкая, что позволяет им сохранять заряд в течение длительного времени.

Недостатки

Цена: как правило, Li-FeS2 аккумуляторы дороже щелочных аналогов.

Применение

Учитывая их характеристики, Li-FeS2 батареи AA особенно подходят для устройств с высоким потреблением (например, цифровых фотоаппаратов) или устройств, используемых в экстремальных условиях (например, GPS-навигаторов или туристического снаряжения).

Особые типы батареек

Литий-марганцево-диоксидные (Li-MnO2)

Преимущества: высокая плотность энергии и очень большой срок хранения. Кроме того, они могут работать в широком диапазоне температур.

Применение: устройства, требующие стабильной работы в течение длительного времени или в экстремальных условиях, например, некоторые медицинские приборы или оборудование для наружной установки.

Цинково-воздушные батареи

Преимущества: высокая плотность энергии, поскольку в качестве реактива используется кислород из воздуха.

Применение: хотя чаще всего они используются в виде дисковых элементов, существуют версии AA, применяемые в специфических ситуациях, когда требуется длительный срок службы.

Хлор-цинковые батарейки

Преимущества: усовершенствованная версия цинково-углеродной батареи, обладающая несколько большим сроком службы и лучшими общими характеристиками.

Применение: базовая бытовая электроника, аналогично цинково-углеродным.

Серебряно-оксидные аккумуляторы (Ag2O)

Преимущества: очень высокая плотность энергии и стабильное напряжение разряда.

Применение: чаще всего встречаются в формате дисковых элементов для часов и медицинских инструментов, но существуют и варианты AA для специальных случаев.