Батарейка – это гальванический элемент, представляющий собой компактный автономный источник постоянного тока.
Данный элемент появился достаточно давно, первый источник электрического тока изобретен в конце 17 века итальянским ученым Луиджи Гальвани при исследовании реакции животных на внешние воздействия [1].
Было обнаружено возникновение и протекание тока при присоединении полосок из двух разных металлов к мышце лягушачьей лапки. Опыты Гальвани стали основой в исследованиях Алессандро Вольта. Он объяснил причину возникновения электрического тока – это химическая реакция, с пластинками металлов. Он сконструировал устройство, состоявшее из цинковой и медной пластин погруженных в емкость с соляным раствором. Это конструкция – первый в мире автономный элемент питания и, можно сказать, прародитель современных батареек (гальванические элементы).
Современные батарейки внешне имеют мало общего с конструкцией А. Вольта, но принцип работы остался неизменным. Батарея состоит из двух электродов (анод и катод) и электролита. Электрический ток возникает благодаря окислительно-восстановительной реакции между электродами. Параметры гальванических элементов зависят от выбранных материалов анода, катода и электролита, и конструкции батареи.
Промышленное производство первичных химических источников тока было заложено в 1865 г. французом Ж.Л. Лекланше, предложившим марганцево-цинковый элемент с солевым электролитом. В 1880 г. им создан марганцево-цинковый элемент с загущенным электролитом. Улучшение характеристик было получено при применении электролитического диоксида марганца на катоде и хлорида цинка в электролите. До 1940 г. марганцево-цинковый солевой элемент был практически единственным используемым первичным химическим источником тока, благодаря его относительно невысокой цене.
Важный фактор при разработке батарей – это достижение максимальной удельной емкости для элемента заданного (минимального) размера и веса. Химические реакции, протекающие внутри элемента, определяют и его емкость, и физические размеры. Вся история разработки батарей сводится к нахождению новых химических систем и упаковке их в корпуса как можно меньших размеров.
Первые экспериментальные партии батареек поступили на рынок в 1898 году благодаря американской компании Eveready. Компания производила батарейки как источник питания для радиоприемников, для использования в горной промышленности, в автомобилестроении, на флоте и еще чуть позднее в авиации.
В 1920-х годах компания «Duracell» наладила крупное производство батареек. К тому времени батарейки уже достаточно широко использовались в разного рода портативных электротехнических устройствах и потребность в них росла.
Сегодня производится множество разных типов элементов питания, некоторые из которых были разработаны еще в 19-м веке, а другие едва отметили десятилетие.
Рассмотрим основные виды современных батареек.
1. Никель-кадмиевые аккумуляторы (Ni-Cad). Анод – никель, катод – кадмиевый.
|
+ |
- |
|
Выдерживают 500 и даже 1000 зарядки-разрядки. Легкие и энергоемкие. Характеризуются очень низким внутренним сопротивлением, а потому могут подать на выход достаточно сильный ток, который, к тому же, практически не изменяется по мере разрядки. |
Содержат токсичный кадмий. Емкость может уменьшиться при повторной зарядке с неполной разрядкой. |
2. Никель-металлогидридные аккумуляторы (Ni-MH). Анод – никель, катод – гидриды (металлические сплавы, способные удерживать атомарный водород).
|
+ |
- |
|
Имеют лучшее соотношение емкости и габаритных размеров. |
Выдерживают меньшее количество циклов заряд-разряд и дороже никель-кадмиевых. Большая величина саморазряда – за сутки, без нагрузки, аккумуляторы данного типа умудрялись терять до 5 % от своей емкости. |
3. Литий-ионные аккумуляторы. Ионные аноды, литиевые катоды
|
+ |
- |
|
Литий – самый химически активный металл, используется в самых компактных системах, обеспечивающих энергией самую современную мобильную технику |
Батареи получаются не только очень емкие, они также имеют самое высокое номинальное напряжение. Может вспыхнуть – низкой надежность. |
4. Литий-полимерные аккумуляторы. Полимерные аноды, литиевые катоды.
|
+ |
- |
|
Отсутствие жидкого электролита, могут принимать практически любую форму, в отличие от цилиндрических батарей других типов. Могут хранить на 22 % больше энергии, чем аналогичные литий-ионные. Являются экологически безопасными и более легкими, за счет отсутствия внешнего металлического корпуса. |
Подвержены интенсивному старению, независимо от характера эксплуотации |
5. Литий-железодисульфидные батареи. Литиевый анод, железодисульфидный катод.
|
+ |
- |
|
Маленький вес. Даже после десяти лет хранения они сохраняют почти весь свой заряд. В случае высоких токов нагрузки литий-железодисульфидные элементы могут работать в 2,5 раза дольше, чем алкалиновые батареи того же размера. |
В отличие от других литий-содержащих батарей, которые имеют выходное напряжение более 3В, у литий-железодисульфидных оно в два раза меньше. Нельзя перезаряжать! Созданы специально для использования в фотоаппаратах, мощных фонарях, а в будильник или радиоприемник лучше поставить щелочные батарейки. |
Исследование рынка батарей производилось в ноябре 2017 года. Был изучен ассортимент батареек крупных торговых сетей города Тобольска – это Эльдарадо, RBT, DNS, M-Vidio.
|
Название |
Цена, руб. |
Форм-фактор |
Напряжение, В. |
Емкость, мА•ч |
|
Duracell MN1500 |
299 |
AA |
1,5 |
1500 |
|
Duracell MN 1400 |
399 |
C |
1,5 |
3500 |
|
Duracell tyrbo MAX MX 2400 |
419 |
AAA |
1,5 |
2400 |
|
GP MN 21 |
169 |
A23 |
12 |
55 |
|
Renata |
1069 |
3 |
68 |
|
|
Renata |
1639 |
CR-1620 |
3 |
285 |
|
Трофи |
359 |
CR-2430 |
1,5 |
|
|
GP super alkaline |
50 |
AA |
1,5 |
|
|
Космос |
91 |
AA |
1,5 |
2600 |
|
Smart buy |
59 |
AA |
1,5 |
|
|
Duracell |
66 |
AA |
1,5 |
|
|
Mega |
143 |
AA |
1,5 |
2500 |
|
Focusray |
20 |
AA |
1,5 |
|
|
Smart buy |
35 |
AA |
2 |
Проблема утилизаций стоит во всем мире на одном из первых мест. Наша страна не исключение, на данный момент в России всего один завод по переработки батареек и тот находится на грани окупаемости (Челябинский завод «Мегаполисресурс»). Контейнеры для сборки батареек можно найти во многих крупных торговых центрах, магазинах супермаркетах электроники, которые заключили договор с заводом.
Батарейки опасны своим химическим составом. Со временем емкость элемента разлагается, что приводит к выбросу токсических веществ в окружающую среду. На свалках батарейки подвергаются процедуре сжигания, однако дым, содержащий диоксиды попадает в воздух.
Самый большой пункт приема батарей в России основан в 2004 году, непосредственно переработкой компания занимается с октября 2013 года. КПД завода по утилизации достигает 80 %, что на 20 % лучше, чем за рубежом. За 2013 год переработано 3 тонны [2].
Этапы утилизации:
1. Ручная сортировка для распределения по типам.
2. Контейнерная линия доставляет в дробилку.
3. Измельченное сырье попадает под магнитную ленту для отделения элементов металлического корпуса.
4. Повторное дробление оставшейся части.
5. Оставшаяся часть подвергается процессу нейтрализации.
6. Гидрометталургическая технология – отделяет сырье на раздельные компоненты и упаковывается.
7. Захоронятся на полигонах.
С появлением Челябинского завода по утилизации источников питания – проблему утилизации батареек можно считать частично решенной. Но один завод – очень мало.
Мы рассматриваем способ переработки батареек с наибольшей выгодой переработки материалов. Он заключается в переработке марганцевого катода и цинкового анода. Марганец и цинк способствуют росту некоторых злаковых и не только.
Разберем поэтапно идею процесса переработки батареек:
Сортировка: 80 % всех производимых это щелочные батарейки. Мы отсеиваем батарейки других видов, такие как никель-кадмиевые, свинцово-кислые.
Измельчение: батарейки дробим в молотковой дробилке
Просеивание: пере дробленые батарейки мы отправляем на вибрационное сито, где магниты вытягивают частицы стали, которые затем отправляются на промывку и переплавку, а мощный вихревой электрический ток выталкивает другие металлы такие как медь и бронза
А все что прошло через просевку это цинк и марганец, в дальнейшем станут удобрением.