Щелочные аккумуляторы устройство и принцип действия: Щелочные аккумуляторы и популярные вопросы о них

Щелочные аккумуляторы и популярные вопросы о них

Аккумулятор – один из химических источников тока, предназначенных для поддержания определенное время постоянного тока в сети. Щелочные аккумуляторные батареи плотно вошли в нашу жизнь.

Сегодня хотелось бы ответить на самые популярные вопросы, касающиеся щелочных аккумуляторов.

Что такое щелочной аккумулятор и для чего он нужен?

Щелочной аккумулятор – это наиболее распространенный вид аккумуляторов. Свое название получили от используемого электролита. Применяется едкий калий (КОН) и едкий натрий (NaOH). Специфика работы щелочного аккумулятора делают их практически незаменимыми в ряде отраслей народного хозяйства.

Область применения аккумуляторных батарей широка и разнообразна. Он является источником энергии для работы транспорта (трамваи, троллейбусы, электрокары), различной спецтехники, погрузочного транспорта (автотележки, погрузчики, штабелеры), шахтных электрических аппаратов (тягачи, комбайны, дрезины и прочие), солнечных электростанций, бытовых устройств.

Какие виды щелочных аккумуляторов чаще всего используются?

Самыми распространенными видами щелочных батарей являются никель-кадмиевые и никель-металлогидридные (никель-железные). Никель-кадмиевые аккумуляторы используются как судовые аккумуляторы (KL), щелочные аккумуляторы для ж/д транспорта (KL, KM, KPL, KPM, KPH и т.д.).

Важной особенностью является низкое сопротивление аккумулятора, поэтому он не нагревается при зарядке, даже если используется большой ток. Греться он начинает только тогда, когда зарядится полностью.

Никель-железные аккумуляторы в основном используются в качестве тяговых АКБ (ТНЖ), аккумуляторов для ж/д транспорта (ВНЖ, ТПНЖ), имеют длительный срок службы (до 3 тысяч циклов заряд-разряд), быстро заряжаются, стоимость ниже никель-кадмиевых.

Какими положительными и отрицательными сторонами обладают щелочные аккумуляторные батареи?

К преимуществам щелочных аккумуляторов относятся:

• длительный период эксплуатации, высокая энергоемкость, проще переносят глубокие разряды в сравнении со свинцовыми аккумуляторными батареями;
• можно длительно не подключать к зарядным устройствам, оставляя в состоянии полного разряда;
• устойчивы к механическим воздействиям, вибрациям.

К недостаткам можно отнести:

• химическая активность кадмия, который может засорять окружающую среду;
• щелочные аккумуляторы обладают «памятью»;
• для обслуживания тяговых аккумуляторов необходим штат профильных специалистов.

Какой срок службы тягового аккумулятора?

Продолжительная и успешная эксплуатация тяговой аккумуляторной батареи зависит от регулярного обслуживания аккумулятора. Тяговой батареи необходим современный контроль на предмет предотвращения возможных сбоев работы, очистки от загрязнений, проверки сопротивления изоляции между батареей и корпусом техники.

Срок службы щелочного тягового аккумулятора (4 тысячи циклов, до 25 лет работы), это значительно превышает показатели службы кислотных тяговых батарей. Благодаря высокому внутреннему сопротивлению щелочной тяговый аккумулятор более устойчив к короткому замыканию.

Как поступить с тяговым щелочным аккумулятором после выхода его из строя?

После того, как аккумуляторная батарея отработала свой срок ее необходимо утилизировать. Есть несколько вариантов. Щелочные аккумуляторы можно сдавать в специализированные фирмы или на перерабатывающие заводы, которые занимаются утилизационной деятельностью.

Главной целью утилизации щелочных аккумуляторов является снижение уровня опасности, которую наносят использованные аккумуляторы окружающей среде.

Конечно, раскрыть все интересующие вопросы в рамках одной статьи невозможно. Но Вы всегда можете позвонить нашим менеджерам по номеру 8 800 200 60 10, у них есть ответ на любой вопрос, всегда помогут определиться какой аккумулятор нужен именно Вам.

Компания ООО «Курс» предлагает широкий выбор щелочных аккумуляторов от российских производителей. Осуществляем доставку как по России, так и в страны СНГ.

Щелочной аккумулятор принцип работы и действия

щелочной, аккумулятор, принцип, действия

На электрокарах чаще всего применяют никель-железные и никель-кадмиевые щелочные аккумуляторы.
Никель-железный аккумулятор представляет собой железный сосуд (бак), внутри которого размещены положительные и отрицательные пластины, выполненные в виде коробок из плоских перфорированных лент, заполненных активной массой.
Активная масса положительных пластин состоит из смеси гидрата окиси никеля и графита, отрицательных пластин — из специально приготовленного железного порошка. В качестве электролита в этих аккумуляторах служит раствор едкого кали плотностью 1,19-1,21, в который добавляют моногидрат лития.
Процесс заряда и разряда щелочных аккумуляторов такой же, как и свинцовых. При заряде низшие окислы никеля переходят в высшие (на положительной пластине), а на отрицательной пластине образуется железо.
Во время разряда на положительной пластине высшие окислы никеля переходят в низшие, а на отрицательной — железо превращается в окись. Таким образом, реакции, происходящие в никель-железных аккумуляторах, состоят в переходе кислорода с одной пластины на другую. При заряде аккумулятора кислород с железной, или отрицательной, пластины переходит на никелевую, или положительную. Во время разряда происходит обратный процесс. В щелочном аккумуляторе в отличие от свинцового электролит не испытывает изменений ни в составе, ни в плотности, но электролит, находящийся в порах пластин, не остается постоянным.
Никель-кадмиевый аккумулятор имеет много общего с никель-железным. Активный материал положительных пластин, состав электролита и особенности конструкции одни и те же для аккумуляторов обоих типов. Однако у никель-кадмиевых аккумуляторов в отличие от никель-железных отрицательные пластины заполнены смесью губчатого кадмия с губчатым железом. Железо повышает мелкозернистость кадмия. При заряде и разряде аккумулятора кислород из активного материала одной пластины переходит к активному материалу другой пластины.
В процессе заряда активная масса положительных пластин окисляется, при этом гидрат закиси никеля переходит в гидрат окиси никеля, а активная масса отрицательных пластин, состоящая из гидрата закиси кадмия и железа, восстанавливается и превращается соответственно в губчатое железо и губчатый кадмий.
При разряде все процессы протекают в обратном направлении, т. е. активная масса положительных пластин восстанавливается, переходя в гидрат закиси никеля, а активная масса отрицательных пластин окисляется и превращается в гидрат закиси железа и гидрат закиси кадмия.
Никель-кадмиевые аккумуляторы обладают более высокой отдачей, чем никель-железные. Кроме того, внутреннее сопротивление их ниже, а саморазряд меньше и они менее чувствительны к низкой температуре.
Электродвижущая сила заряженного щелочного аккумулятора равна приблизительно 1,34-1,38 В. При разряде под нагрузкой нормальным режимом напряжение аккумулятора составляет примерно 1,25 В и падает в конце разряда до 1 В, а во время заряда поднимается до 1,7-1,8 В.
Электродвижущая сила щелочных аккумуляторов определяется состоянием активной массы и степенью ее окисления и почти не зависит от плотности электролита.
Емкость щелочного аккумулятора несколько уменьшается с увеличением разрядного тока. При понижении температуры электролита емкость аккумулятора также уменьшается в определенной пропорции.
С повышением температуры емкость увеличивается, но при нагреве электролита свыше 45°С аккумуляторы теряют значительную часть своей емкости.
Внутреннее сопротивление щелочных аккумуляторов вследствие меньшей проводимости активных веществ и электролита значительно выше свинцовых.
Отдача щелочных аккумуляторов по энергии и емкости ниже, чем свинцовых, и не превышает 65-70% по ампер-часам.
Потери, главным образом, получаются из-за высокого внутреннего сопротивления, разложения воды электролита и образования во время заряда веществ, которые затем самопроизвольно распадаются. Саморазряд в щелочном аккумуляторе очень невелик.
Преимуществом щелочного аккумулятора перед свинцовым является его большая механическая и электрическая прочность — он выдерживает большие перегрузки и колебания тока, не боится перезаряда и недозаряда, может длительно находиться в нерабочем состоянии и требует меньшего ухода.

Устройство щелочных аккумуляторов

Категория:

   Электротележки

Публикация:

   Устройство щелочных аккумуляторов

Читать далее:

Устройство щелочных аккумуляторов

Никель-железные аккумуляторы. К корпусу аккумулятора прямоугольной формы, выполненному из листовой стали, приварены дно и крышка. Наружная поверхность корпуса покрыта слоем никеля. Внутри размещены блоки положительных и отрицательных пластин, причем последних на одну больше, что позволяет помещать одну положительную пластину между двумя отрицательными.

Конструкция положительных и отрицательных пластин одинакова. Они состоят из стальных покрытых никелем перфорированных ламелей (коробочек), в которые впрессована активная масса. Ламели соединены между собой в замок и укреплены с обеих сторон ребрами, к которым приварена контактная пластина с отверстием, куда при сборке вставляют шпильку.

Перфорация в ламелях предусмотрена для лучшего доступа электролита к активной массе и выхода газов, возникающих при зарядке. Небольшой диаметр отверстий способствует удержанию активной массы в ламелях. В ламелях положительных пластин запрессована смесь гидроксида никеля и графита, а в ламелях отрицательных пластин — порошок, приготовленный из специального электрохимически активного железа.

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Одноименные пластины каждого блока надеты на шпильку и закреплены гайками. Между положительными и отрицательными пластинами в выштампованных углублениях устанавливают эбонитовые палочки для создания определенного зазора между разноименными пластинами, чтобы предохранить их от замыканий между собой.

Рис. 1. Щелочной никель-железный аккумулятор:
1 и 2 — гайки крепления межэлементного соединения и вывода, 3 — резиновый сальник, 4 и 5 — эбонитовая и металлическая шайбы, 6 — вывод, 7 — шпилька, 8 — гайка, стягивающая контактные пластины, 9 и 10 — пластины, 11 — эбонитовая изоляция, 12 — резиновый чехол, 13 — сосуд (корпус), 14 — дно корпуса, 15 — откидная крышка, 16 — эбонитовая палочка

Блоки положительных и отрицательных пластин изолированы от стенок корпуса листовым эбонитом. Каждый блок имеет по два контактных вывода 6, выходящих наружу через отверстия крышки. Выводы 6 изолированы от крышки эбонитовыми шайбами и укреплены на ней гайками. На крышке аккумулятора у выводов положительного блока выштампованы знаки, указывающие полярность блока и тип аккумулятора. Отрицательные выводы знака полярности не имеют.

Для заливки электролита и контроля за его уровнем и плотностью аккумулятор имеет горловину с откидной крышкой, снабженной клапаном для выхода газов.

На каждый аккумуляторный элемент надевают резиновый чехол, изолирующий один корпус от другого. При сборке аккумуляторов в батарею элементы соединяют межэлементными перемычками, выполненными из железа и покрытыми никелем.

Никель-железные аккумуляторы благодаря высокой прочности пластин и корпуса не боятся толчков и сотрясений, а их электролит не выделяет при заряде вредно действующих паров, удовлетворительно работают при температурах от —20 до +40 °С, способны выносить короткие замыкания и перегрузки, не требуют тщательного ухода при эксплуатации, не подвержены явлениям сульфата-ции и имеют срок службы больше, чем у свинцовых.

Никель-кадмиевые аккумуляторы. Эти аккумуляторы по конструкции почти аналогичны никель-железным, но отличаются от последних содержанием активного материала и расположением электродов. В никель-кадмиевом аккумуляторе положительных пластин на одну больше, чем отрицательных, и в собранном блоке положительные пластины оказываются крайними. Объясняется это тем, что для правильной работы такого аккумулятора активная масса положительных пластин должна занимать больший объем, чем отрицательных. Положительные пластины никель-кадмиевого аккумулятора несколько толще отрицательных.

При сборке блока между положительными и отрицательными пластинами прокладывают эбонитовые палочки (сепараторы). Собранный блок вставляют в корпус аккумулятора плотно, чтобы не было никаких перемещений, при этом крайние положительные пластины касаются корпуса аккумулятора, отрицательные же изолированы от него листовым эбонитом. Контактные выводы положительных и отрицательных пластин проходят через отверстия в крышке корпуса аккумулятора и изолируются от него втулками. Сборку аккумулятора производят со стороны дна, после ее окончания дно приваривают к корпусу и при эксплуатации аккумулятор не разбирают.

Для заливки электролита в крышке каждого аккумулятора имеется отверстие, закрываемое пробкой.

Безламельные никель-кадмиевые аккумуляторы. Эти аккумуляторы отличаются от ламельных отсутствием перфорированных стальных коробочек. Однако принцип действия их и химические процессы, происходящие в них, те же, что в обычных никель-кадмиевых аккумуляторах.

Каждый аккумулятор батареи состоит из положительного и отрицательного блоков, собранных из одноименных пластин. Пластина безламельного аккумулятора представляет собой стальную рамку с запрессованной в ней порошкообразной активной массой. Для придания необходимой структуры (пористости) и прочности пластины после прессовки формуют.

Преимущество этих пластин заключается в том, что их активная масса не замыкается в ламелях, которые, увеличивая механическую прочность пластин, уменьшают площадь соприкосновения активной массы с электролитом.

Так как емкость любого аккумулятора зависит от площади соприкосновения активной массы с электролитом, то емкость безла-мельного при прочих равных условиях значительно выше емкости ламельного аккумулятора. Емкость ламельного аккумулятора повышать нецелесообразно за счет увеличения числа и размеров отверстий в пластинах, так как зерна активной массы при этом будут вымываться из ламелей электролитом.

Рис. 2. Пластины безламельного аккумулятора:
1 — положительные, 2 — отрицательные

В ламельном аккумуляторе между пластинами помещены распорные эбонитовые палочки. Такая конструкция увеличивает расстояние между пластинами, а следовательно, и путь движения частиц среды при заряде и разряде. Кроме того, перемещению частиц среды препятствуют и сами ламели. Таким образом, перемещение частиц среды внутри ламельного аккумулятора затруднено, вследствие чего аккумулятор имеет большое внутреннее сопротивление. В безламелыюм аккумуляторе этого недостатка нет.

Применение безламельных пластин позволило увеличить емкость аккумулятора и одновременно уменьшить его размеры, а следовательно, и массу. Кроме того, удельная энергия у безламельных аккумуляторов значительно выше, чем у лучших кислотных и щелочных ламельных аккумуляторов.

Безламельные никель-кадмиевые аккумуляторы хорошо работают в качестве стартерных батарей, переносят низкие температуры, поэтому могут находиться на открытых площадках в любое время года. Основные недостатки безламельных аккумуляторов— небольшой срок службы, а также относительно высокая стоимость.

Рекламные предложения:

Читать далее: Характеристики аккумуляторных батарей, применяемых на электротележках и электропогрузчиках

Категория: —
Электротележки

Главная → Справочник → Статьи → Форум

что они собой представляют :: SYL.ru

В наш век электрификации сложно представить жизнь без технологий. Но они не работают на пустоте, им необходима своя специфическая «еда». И хорошо если есть подключение в электросети. Но что делать, когда нет доступа к источнику поддержки или пользоваться им постоянно неэффективно? В таких случаях спасают батареи и аккумуляторы. Про один из них и будет вестись разговор в рамках статьи.

Чем являются аккумуляторы щелочные

Что он собой представляет и что используется при его изготовлении? Щелочной аккумулятор – это накопитель электрической энергии. В нём активная масса отрицательного электрода — пластина, сделанная из пористого кадмия или железа. В качестве положительного используется никелевый каркас, который заполняет окисью трехвалентного этого же материала. Электролитом выступает 20% раствор едкого калия. Электрические свойства проявляются благодаря преобразования энергии из электрической в химической и наоборот. Первый процесс называется зарядкой. Второй – разрядкой. Зарядка щелочных аккумуляторов не вызывает проблем, если использовать качественно изготовленные средства, чтобы поддерживать батареи в рабочем состоянии.

Устройство

Как же устроен этот накопитель энергии? В общих чертах это было обрисовано, давайте остановимся более детально. Положительный электрод, когда он заряжен, является гидратом окиси никеля с добавками окиси бария и графита. Последний из них увеличивает электропроводимость. Окись бария позитивно сказывается на сроке службы электрода. Отрицательный же состоит главным образом из порошкового железа. Также могут быть его окиси, сернокислый никель и порошок кадмия. Электролит – это едкий калий, в который подмешан моногидрат лития (с расчетом в 20-30 грамм на один литр). Благодаря этой примеси увеличивается общий срок работы батареи. Вот такое устройство щелочного аккумулятора и оно обеспечивает характеристики, что делают данный тип источника энергии популярным.

Выпуск

Если говорить о том, что поставляет промышленность под маркой «щелочные аккумуляторы», то в первую очередь необходимо говорить о:

1. Никелево-железных. В этих аккумуляторах положительные панцирные пластины расположены между 2-мя отрицательными.
2. Никелево-кадмиевые. В этих аккумуляторах отрицательные пластины расположены между 2-мя положительными.

В них обоих электроды сделаны в виде рамок из стали. В их пазы были впрессованы пакеты, наполненные активной массой. Сами они сделаны из никелированной жести, в которой есть много различных мелких отверстий, через которые осуществляется взаимодействие содержимого с электролитом. Чтобы устранить возможность короткого замыкания между пластинами, устанавливаются сепараторы, которые выполнены в виде полихлорвиниловых сеток или эбонитовых стержней. Есть особенности и с корпусом. Так, чтобы пластины и электролит его не повредил, то он изготавливается из никелированной жести. Для выхода газов используется приваренная крышка, в которой есть отверстия.

Работа

Во время функционирования к положительным качествам, которыми обладают аккумуляторы щелочные, относят то, что компоненты, возникающие при заряде и разряде, почти не растворяются в электролите. Также они не вступают в химические реакции, которые могут повлиять на работоспособность батареи. Благодаря этому, также не расходуется электролит, то аккумуляторы щелочные имеют очень компактные размеры, по сравнению с другими. А что же про них говорят люди? Чем являются с точки зрения пользователей щелочные аккумуляторы? Отзывы дадут понять это:

1. При выборе важно было место, что будут занимать батареи. Аккумуляторы щелочные идеально подошли по всем условиям, как по напряжению, так и по компактности.
2. Батареи данного типа отличаются надёжностью работы, длительным сроком службы и рекомендуются всем, кому необходимо часто с ними работать.

Особенности эксплуатации

Что необходимо делать во время эксплуатации? Соблюдайте ряд правил, и риск возникновения проблем будет минимальным:

1. Периодически проверяйте уровень электролита и заряд аккумулятора.
2. Содержите в чистоте.
3. Периодически заряжайте батареи, даже если вы не используете их.

Про щелочные аккумуляторы можно сказать, что они весьма устойчивы к повреждениям, но лучше следить, чтобы с ними ничего не происходило. Также подзарядку при неиспользовании необходимо делать примерно раз в год (за это время рассеивается около 25-30% заряда).

Особенности эксплуатации щелочных аккумуляторных батарей

Характеристики щелочных аккумуляторов

В условном обозначении типа аккумулятора буквы означают электрохимическую систему аккумулятора:

• «НК» — никель-кадмиевая;
• «НЖ» — никель-железная;
• Цифры после букв — номинальную емкость аккумулятора в ампер-часах.

Характеристики щелочных аккумуляторных батарей

Введение в эксплуатацию аккумуляторов и батарей, не бывших в эксплуатации или хранившихся в разряженном состоянии без электролита:

• Перед пуском в эксплуатацию аккумуляторы, как единично работающие, так и комплектуемые в батареи, подвергнуть растренировке с целью получения номинальной емкости;
• С поверхности аккумуляторов и батарей удалите чистой ветошью пыль и соль, проверьте правильность последовательного соединения аккумуляторов в батарее и плотно затяните гайки межэлементных соединений. Следы ржавчины на деталях, не покрытых лаком, снимите ветошью, смоченной в керосине;
• Аккумуляторы залейте электролитом, дайте постоять не менее 2 ч (для пропитки пластин) и проверьте вольтметром напряжение на каждом из них. В случае отсутствия напряжения на аккумуляторе оставьте его еще на 10 ч, после чего вновь проверьте напряжение. В случае отсутствия его — аккумулятор замените;
• После 2-часовой пропитки проверьте уровень электролита над пластинами аккумуляторов, который должен быть не менее 5 и не более 12 мм над краем пластин.

Строгое соблюдение уровня электролита (не более 12 мм) требуется для предупреждения выплескивания электролита из аккумулятора во время заряда.

Примечание. Для уменьшения уровня электролита в аккумуляторе пользуйтесь резиновой грушей.

После установления уровня электролита аккумуляторам сообщите три тренировочных цикла токами согласно таблице.

Напряжение в конце разряда должно быть не менее одного вольта на худшем аккумуляторе. Если отданная емкость будет не ниже номинальной, аккумуляторы могут быть пущены в эксплуатацию.

Примечание. Рекомендуется для улучшения качества аккумуляторов перед пуском в эксплуатацию сменить электролит на свежий.

Иногда аккумуляторы после длительного бездействия имеют временное снижение емкости. В этих случаях после контрольного цикла дайте заряд нормальным режимом,
а разряд производите в течение восьми часов при постоянной силе тока, не обращая внимания на напряжение аккумуляторов.

В конце разряда нормальную силу тока поддерживайте с помощью внешнего источника тока.
Для этого аккумуляторы подключите к зарядному агрегату так, чтобы положительный полюс аккумулятора был соединен с минусом зарядного устройства,
а отрицательный — с плюсом. После такого глубокого разряда дайте заряд током нормального режима в течение 16 ч и аккумуляторы направьте в эксплуатацию.
Последующие заряды производите в течение 6 ч нормальным током в каждой батарее.

Введение в эксплуатацию аккумуляторов и батарей, хранившихся залитыми электролитом

Аккумуляторы, хранившиеся с электролитом не больше одного года, вводите в эксплуатацию без смены электролита (при условии его соответствия требованиям настоящей инструкции).

При более длительном хранении электролит смените. Введение в эксплуатацию производите как аккумуляторы, не бывшие в эксплуатации.

Заряд щелочных аккумуляторов и батарей

Заряд производите от л

Как зарядить щелочной аккумулятор самостоятельно: правила

Обзоры

Даже при эксплуатации в нормальных условиях автомобильная батарея может утрачивать заряд. В таком случае возникает вопрос, как зарядить щелочной аккумулятор в домашних условиях. Для этого существуют специальные устройства, подающие ток на выводы АКБ. При зарядке соблюдают ряд правил, делающих процесс эффективным и безопасным.

Характеристики щелочных аккумуляторных батарей

Щелочной аккумулятор можно зарядить самостоятельно.

Рассматриваемые источники питания отличаются следующими характеристиками:

1. Компактные размеры. Это позволяет уменьшить массу изделия.
2. Средний срок службы. При правильном использовании АКБ выходит из строя через 3 года. Эксплуатация в экстремальных условиях снижает этот показатель до полутора-двух лет.
3. Чувствительность к низким температурам. Если этот показатель составляет -15°С и ниже, емкость АКБ начинает уменьшаться на 0,4% на каждый градус.
4. Низкий КПД. Чаще всего этот параметр составляет 50-55%.
5. Возможность приема разных напряжений при зарядке. Подача 1-1,75 Вольт позволяет восстановить номинальную мощность без перегрева корпуса.

Процесс зарядки щелочного аккумулятора

Щелочные элементы питания с напряжением 12В заряжают как стандартными, так и альтернативными методами.

Стандартные режимы, рекомендованные производителями

Процесс в таком случае занимает не менее 12 часов. Аккумулятор заряжают в сухом отапливаемом помещении. Клеммы зарядного устройства подключают к токовыводам, после чего регулируют силу тока и напряжение. Допустимые параметры указываются на корпусе АКБ. Некоторые модели батарей поддерживают режимы ускоренной зарядки.

На первом этапе подают ток мощностью до 5 *С (С-номинальная емкость источника питания). Электролит прогревается, из-за чего процесс набора заряда ускоряется.

При быстрой зарядке нужно непрерывно отслеживать состояние аккумулятора. Ток высокой силы может перезарядить изделие и вывести его из строя.

Контроль осуществляют такими способами:

1. С помощью светодиодов.
   На корпусах некоторых аккумуляторов расположены индикаторы, меняющие цвет в зависимости от уровня заряда. Второй светодиод отражает уровень напряжения. Такой способ контроля не является точным, т. к. индикаторы не всегда правильно реагируют на изменение параметров АКБ.
2. Измерение напряжения.
   Этот параметр оценивают при наборе 80% заряда. До этого напряжение увеличивается медленно. Результат измерений может меняться в зависимости от температуры воздуха.
3. Измерение баланса емкости.
   Вычислить показатель несложно. Трудности возникают при оценке коэффициента отдачи, который меняется в зависимости от силы выдаваемого ЗУ тока, состояния батареи и условий окружающей среды.

Назначение и условия эксплуатации аккумуляторных батарей.

Замерить первоначальный уровень заряда получается не всегда. В таком случае время зарядки рассчитывают, беря за точку отсчета нулевой показатель.

Срок службы источника питания не учитывают. Если аккумулятор необслуживаемый, при зарядке измеряют давление электролита, напряжение на клеммах и температуру корпуса. Эти показатели во многом зависят от уровня заряда.

Компенсационный заряд

Существует 2 варианта компенсационной зарядки:

1. Подача тока малой силы.
   На первом этапе выполняется стандартная зарядка. Через 10 часов силу снижают до 0,05 *С. Так батарея медленно заряжается, что препятствует саморазряду. Способ используется при отправке изделия на кратковременное хранение. Не рекомендуется пребывание элемента питания в таком состоянии более недели. Это негативно отражается на емкости АКБ. Правило не относится к никель-кадмиевым элементам.
2. Резкое снижение силы тока.
   В течение первых 10 минут пускают 1 *С. По истечении этого времени параметр снижают в 10 раз. Зарядку продолжают в течение часа. Это помогает очистить пластины от сульфатного налета, насытить электролит кислородом и предотвратить миграцию кадмия. Не рекомендуется заряжать батарею этим методом в домашних условиях.

Нестационарные способы

В эту категорию входят методы, подразумевающие использование электроэнергии, параметры которой отличаются от заявленных в инструкции к АКБ. Подача переменного тока препятствует сульфатации пластин. В перерывах между импульсами наблюдается интенсивная выработка кислорода, ускоряющая процесс зарядки.

Характеристики электрической энергии остаются постоянными или меняются по мере набора заряда. Недостатком способа является невозможность применения для зарядки некоторых аккумуляторов, например AGM или гелевых.

Правила правильного хранения аккумулятора

При длительном хранении некоторые аккумуляторы утрачивают часть емкости, что отрицательно сказывается на рабочих характеристиках. Отправляя новое изделие на хранение, учитывают рекомендации, указанные в руководстве пользователя.

При прекращении применения уже установленной в автомобиль батареи выполняют такие рекомендации:

1. Перед отправкой на хранение корпус освобождают от электролита, ввинчивают пробки. Внешние поверхности очищают от загрязнений, обезжиривают, лакируют. Устройство предварительно разряжают до 1 В. На кратковременное хранение отправляют АКБ, утратившие половину заряда.
2. Аккумуляторы разных типов не размещают слишком близко друг от друга. Это может способствовать снижению емкости изделий.
3. Учитывают рекомендованные сроки хранения. Для никелевых батарей этот показатель составляет 5 лет. Если АКБ хранится не в помещении, значение уменьшается в 10 раз.
4. Исключают влияние низких температур и солнечных лучей. Корпус осматривают не реже раза в месяц. Появляющиеся загрязнения устраняют.

Как правильно заменить электролит в щелочном АКБ

После каждого сотого цикла разряда-заряда рекомендуется заменять щелочной наполнитель. Перед началом работы нужно разрядить элемент питания до 1 В.

Жидкое содержимое удаляют, переворачивая корпус. Емкости промывают щелочным раствором или очищенной водой.

Электролит для щелочного аккумулятора.

Заправленную новым электролитом батарею устанавливают в автомобиль не сразу. После трехчасовой пропитки нужно проверить уровень и плотность электролита. Лишенный наполнителя аккумулятор нельзя хранить со снятыми пробками.

Щелочной Пример

• В 2010 году на одноразовые батареи (например, щелочно-марганцевые и угольно-цинковые) приходилось 80% продаж батарей в США.
• На один ватт энергии выбросы парниковых газов от щелочно-марганцевой батареи примерно в 30 раз превышают выбросы угольной электростанции2.
• Экологическая нагрузка при переработке щелочных батарей часто превышает их экологическую выгоду.
• Производительность щелочных батарей увеличилась на 60% за последние сорок лет.4
• Важным достижением в области защиты окружающей среды, которое было достигнуто в производстве аккумуляторных батарей, стало устранение ртути из щелочных батарей в конце 1980-х — начале 1990-х годов.

Источник: Историческое общество Висконсина

Использование и применение

В эпоху, когда спрос на перезаряжаемые устройства, такие как сотовые телефоны, ноутбуки и iPad, быстро растет, неудивительно, что спрос на первичные батареи уже не тот, что был раньше.Сегодня одноразовые батарейки часто используются в фонариках, настенных часах, радио, игрушках и пультах дистанционного управления. Однако в прошлом такие одноразовые батареи использовались для питания гораздо более крупных устройств. Например, ячейка Лекланше, версия цинково-угольной батареи с мокрым аккумулятором, питала первые телефоны7. Термин «мокрый элемент» означает, что батарея содержит жидкий электролит, а не пасту или порошковый электролит, обнаруженные в сухом элементе. Первичные батареи использовались даже для питания самых ранних автомобилей.Роберт Андерсон, создатель первого электромобиля в 1830-х годах, реализовал свое изобретение на одноразовых батареях8.

Высокий спрос на перезаряжаемые устройства, достижения в области перезаряжаемых батарей и растущая озабоченность по поводу окружающей среды, которая продвигает такие принципы, как повторное использование, означают, что снижение продаж одноразовых батарей, вероятно, продолжится в таких странах, как Соединенные Штаты. Хотя использование одноразовых батарей в таких странах, как США, сокращается, они по-прежнему имеют большое значение в развивающихся странах.12 В местах, где отсутствует налаженная электрическая сеть, или где подача электроэнергии ненадежна, аккумуляторные устройства менее полезны. Спрос на 9-вольтовые щелочные батареи особенно высок, поскольку они могут использоваться для работы медицинских устройств.13 Даже в развитых странах одноразовые батареи все еще используются в таких ситуациях, как отключение электроэнергии.

Хронология

• 1866 — Джордж Лекланше изобретает элемент Лекланше, предшественник современных цинк-угольных батарей с сухими элементами. 4
• 1888 — Доктор Карл Гасснер изобретает первую сухую батарею. Его модель была похожа на модель угольно-цинковой батареи.
• 1898- На рынке представлена ​​батарея D-cell для использования в таких устройствах, как фонарики и радио.
• 1907 — Представлен первый AA для использования в небольших осветительных приборах и инструментах во время Первой мировой войны.
• 1920-е годы — Срок службы батареи остается коротким из-за проблем с коррозией в плохо герметичных элементах.
• 1930-е — 1940-е годы — методы герметизации ячеек совершенствуются, но образование газообразного водорода внутри ячейки становится новой причиной коррозии.14
• 1949 — Щелочно-марганцевую батарею изобретает Льюис Урри, сотрудник Eveready Battery Company.
• 1950-е — Щелочно-марганцевые батареи производят больше газообразного водорода, чем их углеродно-цинковые аналоги. Чтобы предотвратить коррозию газообразного водорода, ртуть добавляется в качестве ингибитора, что означает, что она предотвращает реакцию, которая приводит к образованию газообразного водорода14.
• 1954 — Представлена ​​меньшая батарея AAA для питания более эффективных и компактных устройств.10
• 1970-е годы — обеспокоенность общественности по поводу загрязнения ртутью растет после стихийных бедствий, таких как загрязнение залива Минамата в Японии14.
• 1979 — На рынок выходит первый Sony Walkman. Кассетный проигрыватель был частью новой эры потребительских электронных устройств, которая привела к росту продаж щелочных батарей16.
• 1996 — В Соединенных Штатах принят Закон 1996 года об обращении с ртутьсодержащими и перезаряжаемыми батареями, требующий поэтапного отказа от использования ртути в батареях.19
• 2015 — Выпущена батарея Energizer EcoAdvanced, на 4% состоящая из переработанных материалов27.

Краткая история

История одноразовых батарей восходит к самым ранним экспериментам с электричеством. В этом разделе освещаются пять ключевых поворотных моментов в истории щелочно-марганцевой батареи.

На диаграмме показаны продажи шести самых популярных размеров щелочных батарей в 2000 г.17 Источник: Слияния и поглощения: Текст и случаи.

Разработка стандартов

Часто мы думаем о батареях как о продукте современного мира, но первая батарея датируется примерно 2000 лет назад и представляет собой глиняный сосуд длиной 5 дюймов, содержащий медный цилиндр в железном стержне20. В начале двадцатого века. , размер одноразовых батарей был стандартизирован с использованием номенклатуры, с которой мы все еще знакомы сегодня, с различными размерами батарей. Размеры AA, AAA и D сейчас самые популярные.10 Благодаря стандартизации батарей в 1920-х годах, производители стали легко включать их в широкий спектр устройств, что сделало их одним из основных продуктов от радиоприемников до фонарей и пультов дистанционного управления.

Разработка щелочной батареи

В 1866 году Джордж Лекланше изобрел камеру Лекланше. Ячейка Лекланше была «влажной», что означало, что с ней нужно было обращаться с большой осторожностью, чтобы не пролить жидкий электролит. К 1888 году доктор Карл Гасснер изобрел первую «сухую» батарею, которая была более прочной версией батареи Лекланше и ее легче было коммерциализировать.«Сухая» ячейка была менее подвержена поломкам и утечкам. Несмотря на усовершенствование сухих элементов и быстрый рост рынка сухих аккумуляторов, угольно-цинковые элементы по-прежнему были подвержены утечкам, коррозии и колебаниям температуры4. Льюис изобрел щелочно-марганцевые батареи только в 1940 году. Урри из Eveready Battery Company (теперь известной как Energizer) .15 Во многих случаях щелочные батареи, которые стали обычным явлением в 1950-х годах, заменили угольно-цинковые батареи. Щелочные батареи, хотя и более дорогие, имеют более высокую плотность энергии, более длительный срок хранения и меньшую утечку.4

Неполадка в пути: негерметичные батареи

Даже в 1920-х годах, спустя годы после их изобретения, батареи страдали от коррозии, сокращая срок их службы и делая их ненадежными. К 1930-м и 1940-м годам исследователи разработали более совершенные методы уплотнения, чтобы предотвратить коррозию, но в результате возникла проблема с образованием коррозионного газообразного водорода. Чтобы уменьшить образование газообразного водорода, производители батарей добавляли в элементы ртуть, которая подавляла такие нежелательные реакции.Щелочные батареи, несмотря на их преимущества, имели один недостаток: им требовалось еще больше ртути, чтобы контролировать образование водорода. С учетом того, что батареи продаются миллиардами, небольшое количество ртути в батареях стало серьезной проблемой. В 1985 году на батареи приходилось 55% всего использования ртути в Соединенных Штатах14, 21

История Меркурия

После стихийных бедствий, таких как загрязнение залива Минамата в Японии, когда жители пострадали от отравления ртутью после употребления в пищу моллюсков, собранных в заливе, понимание опасности ртути возросло.14 В случае аккумуляторов основная проблема заключалась в том, что батареи, выброшенные в мусор, могут либо загрязнить почву, если захоронить на негерметичной свалке, либо воздух, если они сгорят в мусоросжигательной печи. Симптомы воздействия ртути варьируются от головных болей до повреждения мозга и паралича, в зависимости от продолжительности и концентрации воздействия.73 Ртуть также угрожает окружающей среде, убивая диких животных и снижая рождаемость. Один из распространенных способов воздействия ртути на людей — это рыба или дикие животные, которых они едят.74 В ответ на такую ​​озабоченность отрасль взяла на себя инициативу по разработке безртутных батарей в конце 1980-х — начале 1990-х гг.24. Власти приняли строгие законы, запрещающие использование ртути в Европейском союзе в 1991 году и в США в 1996 году. в результате поэтапного отказа от использования ртути в батареях мировое производство ртути упало на 68% с 1990 по 2013 год26.

Использование ртути в батареях в США значительно снизилось с момента пика ее использования в 1980-х годах.Источник: USGS.21

Утилизация батарей

Несмотря на то, что батареи были изобретены более века назад, инновации продолжаются. В период с 1960 по 2000 год емкость щелочной батареи увеличилась более чем на 60%, а батареи все еще улучшаются.4 В феврале 2015 года компания Energizer выпустила батарею EcoAdvanced, батарею AA, которая на 4% состоит из переработанного материала батареи и почти на 10%. переработанный активный ингредиент. Количество переработанного активного материала в EcoAdvanced является впечатляющим достижением, учитывая высокие стандарты чистоты, необходимые для производства батареи с 12-летним сроком хранения.27

Основные материалы

Одно из качеств, делающих щелочные батареи уникальными, заключается в том, что, в отличие от многих других типов батарей, щелочные батареи изготавливаются из относительно обычных материалов, таких как марганец и цинк, которые используются в других отраслях промышленности в гораздо больших объемах. Однако особые формы этих материалов часто уникальны для аккумуляторной промышленности. Например, хотя марганец является обычным промышленным товаром, электролитический диоксид марганца, используемый в батареях, является узкоспециализированным продуктом. По этим причинам трудно отследить последствия производства очень специализированных материалов, используемых в таких батареях, для здоровья человека и окружающей среды. Хотя исследовать добычу марганца, цинка или железа несложно, трудно узнать о конкретных производственных процессах, наиболее важных для аккумуляторов.

Что находится в щелочно-марганцевой батарее? По весу средняя батарея AA состоит из электролитического диоксида марганца (40%), никелированной стали (18%), порошкового цинка (18%), гидроксида калия (11%), графита (4%) и латунь (0.03%). 3 Надежность щелочных батарей зависит от высокого уровня чистоты сырья. Для достижения стандартов качества батарей необходима обширная обработка.

Следует отметить, что материалы, из которых изготовлена ​​щелочная батарея, не являются критичными. В случае марганца и цинка, например, вопрос о поставках не имеет большого значения28. Однако не так ясно, насколько легко доступны поставки специализированных материалов, таких как электролитический диоксид марганца. 29 В последние годы аккумуляторная промышленность США выразила обеспокоенность по поводу торговли как электролитическим диоксидом марганца, так и никелированной сталью.

Электролитический диоксид марганца (EMD)

В современных коммерческих элементах щелочных батарей в качестве катода используется электролитический диоксид марганца (EMD). EMD в значительной степени заменил встречающийся в природе диоксид марганца с середины двадцатого века, потому что он очень чистый. Такой высокий уровень чистоты важен для максимальной производительности и для уменьшения выделения водорода на аноде (проблема, для которой ртуть когда-то была несовершенным решением).4 При использовании EMD вместо встречающегося в природе диоксида марганца емкость щелочного марганцевого элемента увеличивается в 2–3 раза, а потребность в ртути снижается.30 Однако при использовании EMD увеличивается производительность аккумулятора, а его производство требует значительных затрат окружающей среды. Чтобы превратить сырую руду в EMD аккумуляторного качества, необходимы высокие уровни обработки, что делает ее наиболее энергоемким материалом для производства щелочных батарей.

EMD был изобретен в 1918 году и впервые был произведен для использования в батареях в США.S. Burgess Battery Company в конце 1930-х годов 30,31. Несмотря на то, что она была доступна и имела потенциал для улучшения характеристик батарей, рынок EMD в сухих батареях начал развиваться за годы. Несмотря на преимущества производительности, многим устройствам того времени не требовалась батарея большей емкости, и большинство потребителей сочли экономически нецелесообразным покупать более дорогую батарею, которая им действительно не нужна. Спрос на аккумуляторы на основе EMD начал расти в 1950-х годах, когда популярность портативной электроники выросла и в Японии началось крупномасштабное производство EMD.30, 31

Производство EMD — непростой процесс, так как его необходимо синтезировать, чаще всего из марганцевой руды. Марганцевую руду можно найти во многих частях мира, но крупнейшими производителями в порядке убывания являются Южная Африка, Австралия, Китай, Габон и Бразилия, из которых руда должна экспортироваться на заводы EMD.32 Синтез EMD начинается с восстановление марганцевой руды до оксида марганца, из которого она затем может быть растворена в серной кислоте, обработана для удаления примесей и подвергнута электролизу (процесс, при котором электрический ток используется для разделения металлов и ионов для получения более чистого продукта) .4 Поскольку EMD почти исключительно используется в щелочных батареях, спрос на батареи стимулирует спрос на EMD, который, в свою очередь, определяется спросом на портативную электронику.

Источник: USGS.

Южная Африка — производитель марганцевой руды номер один в мире. Источник: USGS.32

Хотя EMD является неотъемлемой частью щелочно-марганцевой батареи, производство щелочных батарей несет ответственность за очень небольшое общее потребление марганца. По оценкам, менее 7% видимого потребления марганца в США приходилось на производство аккумуляторов в 1990 году, и это число следует за значительным ростом в отрасли. Только с 1980 по 1990 год спрос на марганец для использования в батареях увеличился более чем вдвое по мере роста спроса на щелочные батареи34. Спрос продолжал снижаться до 2000-х годов, когда он внезапно упал, вероятно, в результате перехода на аккумуляторные батареи и спад производства в США.

По мере роста спроса на щелочно-марганцевые батареи с годами, растет и потребление марганца в батареях.Источник: USGS.21.

Цинк

В щелочной батарее порошкообразный цинк служит анодом, который является отрицательным электродом в элементе.4 По мере разряда батареи цинк превращается в оксид цинка в результате необратимой химической реакции.1 Производство цинка является вторым наиболее энергоемким компонентом щелочная батарея. Несмотря на то, что это второй по потребляемой энергии материал, для его производства требуется лишь около половины энергии электролитического диоксида марганца. Однако цинк является наиболее обременительным материалом с точки зрения его воздействия на экосистемы и здоровье человека, в основном из-за потенциальной токсичности, связанной с производством3.

Около 90% производимого сегодня цинка происходит из минерала, называемого сфалеритом.35 Сфалерит часто встречается вместе с галенитом (и его часто ошибочно принимают за), важным источником свинца.36 Поскольку они так часто встречаются вместе, они также добываются вместе, что является причиной того, что производство цинка может быть настолько опасным для здоровья человека и экосистем.

Производство цинка аккумуляторного качества требует обширной обработки. Чистый цинк получают путем термической дистилляции (процесс, в котором используется способность воды испаряться при низких температурах) или путем гальваники, из которого он впоследствии может быть превращен в очень чистый порошок. Однако получить чистый цинк крайне сложно. Даже очень чистый цинк для аккумуляторных батарей часто содержит около 500 частей на миллион свинца4. По состоянию на 2012 год большая часть мирового производства цинка приходится на Китай. Следующими после Китая крупнейшими производителями являются Австралия, Перу, Индия и США.Тем не менее, аккумуляторная промышленность в целом отвечает за менее 2% от общего потребления цинка в США.

Источник: Ведущие мировые производители цинка, 2012 г. Геологическая служба США.

Китай значительно опережает другие страны по производству цинковой руды. Источник: USGS.37

Гидроксид калия

Гидроксид калия — это электролит в щелочной батарее. Добавление гидроксида калия является одним из ключевых улучшений со времен батареи Leclanché, поскольку она более проводящая и менее склонна к выделению водорода.Кроме того, это позволяет использовать щелочную батарею как сухую батарею, поскольку гидроксид калия поставляется в виде пасты.

Чтобы получить гидроксид калия, хлорид калия необходимо подвергнуть электролизу. Электролиз — это процесс, при котором электрические токи используются для разделения элементов или ионов в растворе. Хотя гидроксид калия является важной частью щелочной батареи, только около 6% гидроксида калия, используемого в промышленности, идет на щелочные батареи38.

Хотя химические вещества в щелочных батареях не так токсичны, как в свинцово-кислотных или никель-кадмиевых батареях, они небезопасны.Гидроксид калия является химическим веществом, вызывающим особую озабоченность, поскольку со временем может вытечь. Несмотря на то, что технический прогресс снизил утечку, она все равно происходит39. Поскольку гидроксид калия является раздражающим и едким, с ним следует обращаться осторожно. Самое главное, если с ним нужно обращаться, следует надевать перчатки и никогда не вдыхать, проглатывать или контактировать с глазами38.

Примеры из практики

Щелочные батареи производятся из материалов со всего мира.Из-за секретности производства аккумуляторов и их поставщиков, а также повсеместного распространения материалов, используемых в щелочных батареях, трудно точно определить, откуда они взяты, но мы можем исследовать места, которые, вероятно, были важны для производства. одноразовых батарей.

Хотя электролитический диоксид марганца является наиболее распространенным химическим веществом в щелочной батарее, цинк представляет наибольшую угрозу для окружающей среды и социальной справедливости, в основном потому, что он часто добывается вместе со свинцом.Снижение рисков, связанных с добычей цинка, является одним из самых веских аргументов в пользу утилизации щелочных батарей.

Свинцово-цинковый округ в трех штатах

Свинцово-цинковый район трех штатов — это район на стыке Оклахомы, Канзаса и Миссури. Его площадь составляет 1188 квадратных миль, и в начале 20 века он был самым важным источником цинка и свинца в мире. Учитывая крупномасштабное производство цинка, вполне вероятно, что многие ранние батареи были сделаны из цинка, добытого в регионе Три штата.Производство этого цинка обошлось горнякам, населению и окружающей среде со значительными затратами. Эти затраты ощущаются и сегодня40,41.

Территория суперфонда Tar Creek, занимающая почти 50 квадратных миль, является одним из крупнейших мест хранения опасных отходов в стране. В течение восьми десятилетий активной добычи полезных ископаемых (с 1891 по 1970-е годы) на этом участке было произведено почти 8,8 миллиона тонн цинка и 1,7 миллиона тонн свинца, но это было связано со значительными потерями для окружающей экосистемы и жителей.42 Почвы региона имеют высокий уровень загрязнения кадмием и свинцом. В некоторых соседних дворах уровни свинца превышали 500 ppm, что представляло опасность для здоровья жителей, особенно детей. В воде также были обнаружены тревожно высокие уровни марганца, что вызывает беспокойство из-за ее нейротоксических свойств при более высоких уровнях воздействия42.

Слева: стопки чата. В центре: горняки. Справа: Кондукторская шахта, Джоплин, Миссури. Источник: Джеймс Тернер

Участок Суперфонда — это не только проблема окружающей среды, но и проблема социальной справедливости.Из-за нездоровых условий жизни многие жители были вынуждены покинуть свои дома, когда-то процветавший бизнес и жизнь, которую они построили для себя во время выкупа существующих домов при поддержке правительства в период с 2007 по 2011 год.

Шахта Red Dog

Рудник Red Dog, расположенный в отдаленном районе северной Аляски и управляемый компанией Teck Cominco, обеспечивает 5% мирового производства цинка и 79% производства цинковых рудников в США. Это делает его одним из трех крупнейших производителей цинка в мире и производителем цинка номер один в США.S..43

Управление загрязнением было сложной задачей для Red Dog. В начале 1990-х годов уровень содержания свинца в почве за пределами портовой площадки рудника был обнаружен на уровне 36 000 ppm, а уровень цинка — до 180 000 ppm. Для сравнения: почвенные стандарты Аляски составляют до 1000 ppm для свинца и 8100 ppm для цинка. Загрязнение воздуха также было проблемой для Red Dog. В 2001 году шахту оштрафовали на 300 000 долларов за нарушение нормативов качества воздуха44.

Концентрации цинка и свинца за пределами шахты Ред-Дог были намного выше, чем позволяют стандарты Аляски.44 Источник: Буланже и Горман (2004).

Загрязнение в районе Red Dog и вокруг него представляет особую угрозу для коренных жителей Аляски, некоторые из которых являются членами племени инупиак, которые зависят от ресурсов и земли в близлежащей местности. Постоянное беспокойство вызывает угроза загрязнения из-за разливов от самосвалов, следующих от рудника в порт.44 В декабре 2000 года в результате аварии произошла утечка 40 тонн цинкового концентрата. Непогода вызвала разлив, а также усложнила его очистку.Многие были обеспокоены тем, что ветер принесет цинковый концентрат в близлежащие водные пути.45 Водным путем, вызывающим особую озабоченность, является река Улик, которая протекает недалеко от шахты и снабжает деревню Кивалина питьевой водой44.

Red Dog Mine производит больше токсичных отходов, чем любое другое предприятие в США. 47 Источник: EPA.

Чрезмерное воздействие цинка в результате потребления может привести к головокружению, тошноте, боли в животе, анемии и рвоте.Однако вдыхание, которое вызывает большую озабоченность на шахте, может привести к боли в груди, лихорадке, тошноте и мышечным болям, но, к счастью, эти симптомы исчезают через три-четыре дня после окончания воздействия74. Хотя подвергаться воздействию вредно для здоровья Большое количество цинка вызывает большее беспокойство из-за воздействия свинца. Свинец особенно опасен для детей, которые еще растут и развиваются. В зависимости от тяжести и продолжительности воздействия это может привести к анемии, гипертонии, повреждению репродуктивной системы, нервной системы и головного мозга.75

Согласно инвентаризации выбросов токсичных веществ Агентства по охране окружающей среды, шахта Red Dog была производителем токсичных отходов номер один в США, опережая второе место по выбросу токсичных отходов более чем на 100 миллионов фунтов47. Хотя шахта имеет обширные технологии контроля загрязнения и существующей практики, многие проблемы, связанные с управлением отходами, возникли в ходе ее деятельности.

В 1998 году возросло беспокойство по поводу сброса отходов в близлежащие водные пути. Red Dog требовалось сократить выбросы загрязняющих веществ на том основании, что существует риск загрязнения водных путей и воздействия на водную жизнь.48 В 2005 году компания выплатила компенсацию в размере 33000 долларов США за разлив руды с конвейерной ленты в Чукотское море в порту, из которого Red Dog распространяет свою продукцию.49 Это также было предметом судебного разбирательства в Верховном суде в 2004 году, когда Тек Официальные лица Cominco не хотели соблюдать политику EPA по оснащению шахты наилучшими доступными технологиями для снижения загрязнения воды50.

Хотя рудник Ред-Дог намного более развит, чем горнодобывающие работы в регионе Трех штатов сто лет назад, он предлагает важное напоминание о том, что даже с годами технического прогресса горное дело не является полностью безопасным предприятием, как окружающая среда или люди.Загрязнение в Red Dog является проблемой как для окружающей среды, так и для социальной справедливости. Несмотря на то, что он расположен в чрезвычайно удаленном месте, он представляет особую угрозу для коренных жителей Аляски, которые живут рядом с землей и зависят от нее в своей деятельности, такой как охота, собирательство и рыбалка.

Компания по производству свинца и цинка Dongling

Свинцово-цинковая металлургическая компания Dongling находится в китайской провинции Шэньси. На протяжении многих лет Дунлинь обвиняли в загрязнении воды, воздуха и сельскохозяйственных культур.51

Последствия добычи и плавки в таких местах, как Red Dog или Dongling, часто остаются незамеченными. Но когда проблемы действительно привлекают внимание, это часто происходит из-за серьезных угроз для людей, особенно детей. В случае Дунлинга напряженность возросла в 2009 году, когда более 615 из 713 детей в этом районе дали положительный результат на отравление свинцом. Разочарованные отсутствием в компании мер безопасности, разъяренные родители взяли дело в свои руки, снесли заборы компании и заблокировали движение транспорта.Некоторые даже забросали камнями грузовики, доставлявшие сырье на завод51. К большому сожалению людей, протесты привели только к временному останову52.

Для тех, кто живет в окрестностях Донглинга, нет простых решений. Многие семьи не могут позволить себе переехать. Местные власти обещали переселить семьи, живущие поблизости, в течение двух лет, но два года — долгое ожидание для семей с маленькими детьми, которые находятся в наибольшей опасности51.

История Дунлинга стала распространенной в Китае.Быстрая индустриализация Китая обошлась дорогой ценой — человеческими жертвами и бесчисленным количеством людей, находящихся под угрозой, а также серьезным экологическим ущербом. Индустриализация неразрывно связана со спросом на сырье, такое как свинец и цинк, во всем мире. Производство цинка в конечном итоге ухудшает загрязнение воздуха в Китае и часто загрязняет то, что когда-то было чистой питьевой водой53. Хотя цинк может обеспечить нас многими современными удобствами, батареи являются лишь одним из многих, но за это приходится платить.

Марганец в ЮАР

Хотя марганец является элементом, который необходим человеческому организму для функционирования, его чрезмерное воздействие может повлиять на нервную систему, задержать интеллектуальное развитие или вызвать симптомы, похожие на болезнь Паркинсона.55 Например, исследование, проведенное в Мексике, показало, что у детей, живших рядом с марганцевой шахтой, уровень концентрации марганца в волосах был значительно выше, а IQ ниже, что предполагает потенциальную связь между ними.56

Поскольку почти 80 процентов мировых запасов марганца находится в Южной Африке, неудивительно, что по состоянию на 2012 год она занимала первое место в мире по производству марганцевой руды. Весьма вероятно, что большая часть марганцевой руды становится EMD для использования в батареях произведено в Южной Африке.55 Например, плавильный завод Ассманг привлек внимание в последнее десятилетие. В 2007 году у 30 сотрудников медеплавильного завода были симптомы отравления марганцем, и, хотя официально диагноз был поставлен только пяти, компания очень неохотно выплачивала компенсацию и в итоге отдала ее только трем работникам57.

Этот инцидент был не единственным случаем, когда компания подвергалась тщательной проверке на предмет безопасности рабочих. Медеплавильный завод Ассманга не начинал проверять сотрудников на наличие признаков болезни до 2005 года.Это было после 46 лет эксплуатации, спустя много времени после того, как была обнаружена токсичность марганца. Более того, инспекции в 2005 году, вероятно, начались только в этом году из-за специального отчета о токсичности марганца, выпущенного в этом году. Для многих рабочих просмотр телевизионного репортажа был первым случаем, когда они узнали, что марганец может быть опасным.58 Металлургический завод начал предупреждать своих сотрудников о профессиональных рисках только в следующем году, в 2006 году, когда они распространили первую брошюру, объясняющую опасность. риски работы с марганцем.59

Сырьевая компания Inc. (RMC)

Так же, как поиск сырья — важная часть истории аккумуляторов, так же как и управление их сроком службы. Raw Materials Company Inc. — это компания по переработке аккумуляторов в Порт-Колборне, Онтарио, которая получает все аккумуляторы, собранные Stewardship Ontario. Он восстанавливает 84% металлов, содержащихся в батареях, что почти вдвое больше, чем у Inmetco, расположенного в Пенсильвании. Это делает сырье одним из самых эффективных переработчиков аккумуляторов в Северной Америке.60 По сравнению со следующей лучшей доступной технологией, использование метода рециркуляции всех первичных батарей, проданных в Северной Америке, по методу компании Raw Materials Company Inc., позволило бы сэкономить достаточно энергии для питания более 18 000 домов и предотвратить образование отходов более 2300 мусоровозов (16 300 тонн) от попадания на свалки.61

RMC использует гидрометаллургический процесс для переработки щелочных батарей, что означает, что на предприятии используются вода и химикаты для разделения компонентов батареи.По сравнению с пирометаллургическим подходом, который зависит от высокотемпературной обработки, гидрометаллургические процессы не требуют такого количества энергии, не вызывают загрязнения воздуха, сбрасывают в 14 раз меньше воды (воду можно повторно использовать и рециркулировать в гидрометаллургии) и использовать немного меньше чем половина энергии.60

Несмотря на высокие уровни извлечения в RMC, качество извлеченных материалов недостаточно высокое, чтобы замкнуть круг производства батарей. В отличие от свинцово-кислотных батарей, которые перерабатываются в новые батареи, большая часть материалов, извлеченных из щелочных батарей, используется для других целей.Например, цинк, марганец и калий, полученные Сырьевая компания, повторно используются в сельскохозяйственных удобрениях62.

Окончание срока службы

Один из самых распространенных вопросов о щелочных батарейках — что с ними делать после того, как они разрядятся. Следует ли их переработать? Следует ли их выбрасывать в мусорное ведро? Их можно выбрасывать в мусорную корзину? Имеет ли переработка какие-либо преимущества для окружающей среды? Раньше большинство щелочных батарей просто выбрасывали.Но это начинает меняться по мере того, как вступают в силу правила, запрещающие утилизацию и требующие переработки.

Есть ли польза от вторичной переработки щелочных батарей?

Источник: Джеймс Тернер

Действительно ли переработка щелочных батарей приносит пользу окружающей среде? На этот вопрос нет простого ответа, потому что политика, технологии и практика утилизации быстро меняются, и часто выгоды зависят от особенностей того, как аккумуляторы собираются, отправляются и перерабатываются.

Например, если вы живете недалеко от Raw Materials Corporation в Канаде, выгоды от переработки, вероятно, перевешивают затраты. Но что, если вы живете в Аризоне, а использованные батареи нужно отправлять в Онтарио или Пенсильванию для обработки? Даже компании, производящие аккумуляторные батареи, неоднозначно относятся к утилизации. Duracell утверждает, что выбрасывать щелочные батареи в мусор совершенно безопасно.63 Energizer, с другой стороны, заявляет, что выбрасывать батареи в мусорное ведро только «разрешено», и подразумевает, что вторичная переработка приносит пользу.64

Медлить нельзя, прежде чем выбросить батарейки в мусорное ведро. Во многом это потому, что мы привыкли считать, что переработка автоматически становится чище, экологичнее и лучше, независимо от продукта. Тем не менее, остаются вопросы об эффективности программ утилизации щелочных батарей6.

Насколько экологична переработка щелочных батарей?

В 2011 году аккумуляторная промышленность поручила исследовательской группе Массачусетского технологического института изучить чистую выгоду от переработки щелочных батарей — взвесив экологическую нагрузку и преимущества — путем проведения полного анализа жизненного цикла.

Команда сравнила последствия жизненного цикла, связанные с выбросом батарей в мусор, с пятью различными сценариями утилизации. Три из этих сценариев были теми, которые существовали в Северной Америке, один требовал отправки для обработки в Европейском союзе, а пятый сценарий был основан на гипотетической программе рециркуляции с использованием имеющихся технологий. Каждый сценарий оценивался на основе совокупного спроса на энергию, потенциала глобального потепления, ущерба здоровью человека, ущерба качеству экосистемы и ущерба ресурсам.3

Исследование Массачусетского технологического института показывает, что принесет ли переработка аккумуляторов чистую экологическую выгоду, зависит от того, как аккумуляторы собираются, транспортируются и перерабатываются, и какие воздействия на окружающую среду являются наиболее важными. В некоторых случаях переработка оказалась полезной, в других — более обременительной. Например, если люди специально ездили в центр утилизации только для того, чтобы перерабатывать батареи, экологические последствия утилизации одноразовых батарей почти всегда перевешивают преимущества.Если внимание сосредоточено на сокращении выбросов углерода и влиянии на изменение климата и использование энергии, тогда может быть предпочтительнее выбросить батареи. Но если здоровье человека или экосистемы вызывает наибольшую озабоченность, утилизация щелочных батарей часто оказывается лучшим вариантом.

Независимо от экологических преимуществ утилизации одноразовых батарей, муниципалитет может предложить программу утилизации. Некоторые исследования показывают, что сбор одноразовых батарей может привести к увеличению сбора аккумуляторных батарей (которые зачастую более токсичны или ценны) на 25%, если они собираются одновременно.65 Кроме того, по мере того, как масштабы и эффективность переработки одноразовых аккумуляторов возрастают, это может стать чистым преимуществом для окружающей среды.

В настоящее время только одна одноразовая батарея на рынке явно повторно использует переработанные материалы в новых батареях — батарея Energizer EcoInvent. Однако, к сожалению, очень мало информации о том, как перерабатываются материалы в батарее EcoInvent и перевешивают ли выгоды от этого затраты.

Политика

U.S. Политика

В США одной из наиболее заметных политик в отношении щелочных батарей является Закон 1996 года об управлении ртутьсодержащими и перезаряжаемыми батареями, который запрещает продажу щелочных и угольно-цинковых батарей, содержащих в них ртуть. Это один из немногих федеральных законов в США, который применяется к одноразовым батареям.66 Хотя большинство крупных компаний, производящих батареи, уже прекратили использование ртути до введения политики, он сделал его обязательным для всех производителей и импортеров батарей.19

Большинство нормативных требований, касающихся окончания срока службы одноразовых батарей, находятся на государственном уровне. Наиболее заметные правила использования одноразовых аккумуляторов действуют в Вермонте и Калифорнии. Закон Вермонта об основных (одноразовых) аккумуляторах 2014 г. был первым законом штата, который требует от производителей одноразовых аккумуляторов финансировать сбор и переработку своей продукции.67 Политика в отношении первичных аккумуляторов в Калифорнии также уникальна, поскольку Калифорнийское правило универсальных отходов предусматривает Выбрасывать щелочные батареи вместе с твердыми бытовыми отходами запрещено.Вместо этого требуется, чтобы батареи были доставлены в специально отведенное место, например, на площадку для утилизации опасных отходов, в сборщик универсальных отходов или в переработчик.19, 67, 77

E.U. Политика

E.U. является лидером в области аккумуляторной политики с момента принятия в 1991 г. Директивы Совета Европейского Союза по аккумуляторным батареям. Эта политика ограничивала содержание ртути в щелочных батареях до 0,025% по весу. Основная цель закона заключалась в снижении токсичности аккумуляторов23. Через десять лет после вступления в силу была принята Директива Европейского Союза по батареям и аккумуляторам 2006 года.Эта директива заменила версию 1991 года, снизив допустимое содержание ртути до 0,0005%. Кроме того, директива установила правила сбора и переработки аккумуляторов: уровень сбора 25% к сентябрю 2012 года и 45% к сентябрю 2016 года. Директива также установила цель переработки 50% (средний вес) аккумуляторов, не являющихся свинцово-кислотными. или никель-кадмиевый, категория, включающая щелочные 25 EU Государства-члены успешно достигли цели 2012 года, но есть опасения, что цель в 45% к 2016 году будет достигнута.68

Политика Канады

В Канаде правила использования одноразовых аккумуляторов были разработаны на уровне провинций. В Британской Колумбии, например, Закон об охране окружающей среды: Регламент утилизации требует сбора любых батареек в электронных устройствах.69 Как и Директива Европейского Союза по батареям и аккумуляторам 2006 года, Закон также устанавливает целевые показатели сбора. ДО Н.Э. надеется достичь уровня сбора 12% к 2010 году и 40% к 2014 году. Для достижения этих целей провинция заключила контракт с Call2Recycle на разработку плана управления продуктом по сбору отработанных батарей.На сегодняшний день показатели собираемости не достигли этих целей. В 2014 г. они достигли 28 %70.

В Онтарио Закон 2002 года о перемещении отходов требовал от компании Waste Diversion Ontario разработки и реализации программ по удалению отходов. Программа Orange Drop в Онтарио, проводимая Stewardship Ontario, принимает одноразовые батареи для сбора вместе с другими различными предметами, такими как краски и удобрения. Все это потенциально опасные продукты, сбор которых предотвращает их безответственную утилизацию или способы, которые могут нанести вред людям или окружающей среде.Имея более 2500 мест сдачи аккумуляторов, программа упрощает утилизацию для потребителей, что является ключом к успеху72.

Устойчивое развитие и будущее щелочных батарей

При всей противоречивой информации об утилизации, переработке и использовании одноразовых батарей трудно решить, какую роль они могут сыграть в более экологически устойчивом будущем.

Сможет ли переработка щелочных батарей сделать их более экологичными?

Конечная цель одноразовых щелочных батарей — сделать их пригодными для вторичной переработки, чтобы использованные батареи можно было превратить в новые.После анонса EcoAdvanced Battery в 2015 году от Energizer такой шаг кажется возможным. Но прямо сейчас ясно, что существует большая неопределенность в отношении того, перевешивают ли экологические затраты на переработку аккумуляторов — их сбор, сортировку, обработку — экологические выгоды от сокращения добычи и переработки сырой руды. Без дополнительной информации никто не знает, действительно ли использование переработанных материалов в щелочных батареях полезно, и каким образом это может снизить потребление энергии, выбросы парниковых газов или воздействие токсичности на человека.Во многом эта неопределенность связана с отсутствием общедоступной информации о последствиях для жизненного цикла источников, производства и утилизации батарей.

Может ли использование перезаряжаемых щелочных батарей вместо одноразовых щелочных батарей быть лучшим выбором?

Хотя подавляющее большинство продаваемых щелочных батарей предназначены для одноразового использования, доступны перезаряжаемые щелочные батареи. Теоретически да, вариант с перезаряжаемой батареей был бы лучшим выбором как для окружающей среды, так и для кошелька потребителя, потому что это первоначальное вложение, которое окупается в долгосрочной перспективе и не требует использования дополнительных материалов.Однако с точки зрения жизненного цикла необходимо также учитывать материалы, используемые для изготовления зарядного устройства, и энергию, необходимую для его питания. Однако наиболее проблематичным является то, что одним из наиболее важных качеств щелочных батарей является то, что их не нужно заряжать. Например, щелочная батарея, которую потребитель забыл перезарядить, не поможет при отключении электроэнергии и не принесет никакой пользы кому-либо в развивающейся стране, не имеющей электросети. Если перезаряжаемая батарея вставляется в устройство и никогда не перезаряжается, она становится более обременительной, чем одноразовая щелочная батарея, из-за энергии и материалов, которые были затрачены на создание зарядного устройства, которое затем можно или не использовать.

Являются ли щелочные батареи принципиально неприемлемыми, учитывая, сколько энергии они тратят на производство?

Пожалуй, да. Расчетные выбросы парниковых газов на ватт энергии, которую обеспечивает щелочно-марганцевая батарея, примерно в 30 раз выше, чем у средней угольной электростанции2. Это может сбивать с толку, поскольку щелочные батареи не выделяют парниковых газов во время их использования. Именно в процессе производства происходит большая часть выбросов парниковых газов.

Список литературы

1. «Информационная база данных». Аккумуляторный саммит 2011 года. По состоянию на 22 июня 2015 г.
   http://recyclebattery.org/wp-content/themes/twentyten/pdfs/factbase.pdf.
2. Тернер, Джеймс Мортон и Лия Ньюджент. «Зарядка аккумуляторов Политика утилизации: Расширенная ответственность производителей одноразовых аккумуляторов в Европейском Союзе, Канаде и США». Журнал промышленной экологии , 2015.
3. Оливетти, Э., Дж. Грегори и Р. Кирчайн. «ВЛИЯНИЕ ЩЕЛОЧНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ НА СРОК СЛУЖБЫ С УЧЕТОМ СРОКА СЛУЖБЫ: ТЯГА» Кембридж, Массачусетс: Лаборатория систем материалов Массачусетского технологического института, июнь 2010 г.
4. Линден, Дэвид и Томас Б. Редди. Справочник аккумуляторов . Третий. McGraw-Hill, 1995.
   http://www.etf.unssa.rs.ba/~slubura/diplomski_radovi/Zavrsni_rad_MarkoSilj/Literatura/Handbook%20Of%20Batteries%203rd%20Edition.pdf.
5. «Потребительские и коммерческие товары | Ртуть | Агентство по охране окружающей среды США.»По состоянию на 4 июня 2015 г.
   http://www.epa.gov/mercury/consumer.htm#bat.
6. Национальная ассоциация производителей электроэнергии. «Надлежащее обращение с использованными первичными батареями». Россильн, Вирджиния: Национальная ассоциация производителей электрооборудования, ноябрь 2001 г.
7. «История батареи». Cleantech , июль 2009 г.
   http://www.cleantechinvestor.com/portal/energy-storage/3511-a-history-of-the-battery.html.
8. «Хронология: История электромобиля.» PBS . По состоянию на 30 июня 2015 г. http://www.pbs.org/now/shows/223/electric-car-timeline.html.

Стандарты

9. , N.B.o. Спецификация американского стандарта для сухих элементов и батарей . Вашингтон, округ Колумбия: Министерство торговли США, 1937.
   http://hdl.handle.net/2027/mdp.3

   77303090.

10. Бухманн, Исидор. «BU-301: взгляд на старые и новые аккумуляторные блоки». Battery University , 11 февраля 2015 г.
    http: // batteryuniversity.ru / learn / article / battery_packaging_a_look_at_old_and_new_systems.
11. «Рынок аккумуляторов в США». По состоянию на 30 июня 2015 г.
    http://www.prnewswire.com/news-releases/us-batteries-market-234216531.html.
12. «К 2017 году мировой рынок бытовых аккумуляторов достигнет 55,4 млрд долларов». СОЛНЕЧНЫЙ СВЕТ . По состоянию на 30 июня 2015 г.
    http://www.systems-sunlight.com/blog/global-consumer-batteries-market-to-reach-55-4-billion-by-2017/.
13. Казанова, Алеся.«Сравнение мощности батарей для зарядки медицинских устройств в развивающихся странах». Материалы конференции 2009 (2009): 931–34.
14. Тельзров, Терри. «Сокращение выбросов ртути: история успеха в аккумуляторной промышленности». В Первом международном семинаре по обращению с отходами аккумуляторных батарей: трехдневный семинар и семинар, 6-8 ноября 1989 года: отель и конференц-центр Ocean Resort, Дирфилд-Бич, Флорида, под редакцией С. Вольски. с.н., 1989.
15. Бухманн, Исидор. «БУ-106: Первичные батареи.» Battery University , 19 июня 2015 г.
    http://batteryuniversity.com/learn/article/primary_batteries.
16. Хайре, Миган. «Walkman». Время . По состоянию на 23 июня 2015 г.
    http://content.time.com/time/nation/article/0,8599,1

4,00.html.

17. Бо, Кевин К. и Пол В. Бимиш. Слияния и поглощения: текст и дела . МУДРЕЦ, 2007.
18. Карапецца, Кирк. «Может ли Energizer продолжать работать, когда спрос на батареи падает?» NPR.org . По состоянию на 23 июля 2015 г.
    http://www.npr.org/2012/11/28/166054172/as-battery-demand-declines-can-energizer-keep-going.
19. «Законы и правила | Ртуть | Агентство по охране окружающей среды США». По состоянию на 4 июня 2015 г.
    http://www.epa.gov/mercury/regs.htm#laws.
20. Энерджайзер. «История батареи». По состоянию на 16 июня 2015 г.
    http://www.energizer.com/about-batteries/battery-history.
21. «Историческая статистика минеральных и материальных ценностей в Соединенных Штатах.» USGS , 2014.
    http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/historical-statistics/.
22. Поллак Андрей. «ЗАГРЯЗНЕНИЕ АККУМУЛЯТОРА БЕСПОКОИТ ЯПОНСКИХ.» The New York Times , 25 июня 1984 г., сек. Бизнес.
    http://www.nytimes.com/1984/06/25/business/battery-pollution-worries-japanese.html.
23. Европейская директива по аккумуляторам 1991 г. 91/157 / EEC . По состоянию на 17 июня 2015 г.
    http://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/ALL/?uri=CELEX:31991L0157.
24. «Законы и правила | Ртуть | Агентство по охране окружающей среды США». По состоянию на 4 июня 2015 г.
    http://www.epa.gov/mercury/regs.htm#laws.
25. Директива Европейского Союза 2006 г. по батареям и аккумуляторам. 2006/66 / EC . По состоянию на 17 июня 2015 г.
    http://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=CELEX:32006L0066.
26. «Статистика и информация по ртути». USGS . По состоянию на 14 июля 2015 г.
    http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/mercury/index.html # myb.
27. «Энерджайзер: Ecoadvanced». Энерджайзер . По состоянию на 16 июня 2015 г.
    http://www.energizer.ca/ecoadvanced.
28. Graedel, T. E., E. M. Harper, N. T. Nassar, Philip Nuss, and Barbara K. Reck. «Критичность металлов и металлоидов». Proceedings of the National Academy of Sciences 112, no. 14 (7 апреля 2015 г.): 4257–62. DOI: 10.1073 / pnas.1500415112.
29. Харпер, Э. М., Гоксин Кавлак, Лара Бурмейстер, Мэтью Дж.Экельман, Серкан Эрбис, Висенте Себастьян Эспиноза, Филип Нусс и Т. Э. Граедель. «Критичность геологического цинка, олова и семейства свинца». Journal of Industrial Ecology , 2014.
    http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/jiec.12213/full.
30. Кодзава, А. и Я Танабэ. «Историческое развитие электролитического MnO2 и химического MnO2 для сухих батарей». В материалах симпозиума по истории аккумуляторной технологии , под редакцией А.Дж. Салканд. Пеннингтон, Нью-Джерси: Электрохимическое общество, 1987.
31. Миядзаки, Кадзухидэ. «Ключевые исторические факты о производстве электролитического диоксида марганца в Японии». В материалах симпозиума по истории аккумуляторной технологии , под редакцией А.Дж. Салканд, 83–95. Пеннингтон, Нью-Джерси: Электрохимическое общество, 1987.
32. «Статистика и информация по марганцу». USGS . По состоянию на 14 июля 2015 г.
    http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/manganese/index.html#myb.
33. СШАКомиссия по международной торговле. «Электролитический диоксид марганца из Австралии и Китая». 4036, сентябрь 2008 г.
34. Джонс, Томас Стюарт. Модели потоков марганцевого материала . Министерство внутренних дел США, Горное управление, 1994.
    http://pubs.usgs.gov/usbmic/ic-9399/9399.pdf.
35. «Свинец и цинк». Энергетический и экологический профиль горнодобывающей промышленности США. По состоянию на 3 июня 2015 г.
    http://energy.gov/sites/prod/files/2013/11/f4/lead_zinc.pdf.
36. Геологический факультет. «Галенит.» Миннесотский университет . По состоянию на 4 июня 2015 г.
    https://www.esci.umn.edu/courses/1001/minerals/galena.shtml.
37. «Статистика и информация о цинке». USGS . По состоянию на 14 июля 2015 г.
    http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/zinc/index.html#myb.
38. Лаханиский, доктор Тали. «Гидроксид калия.» Берн, Швейцария, ноябрь 2001 г.
    http://www.inchem.org/documents/sids/sids/potassiumhyd.pdf.
39. «Советы по очистке батарей фонаря от коррозии | Видео.» Университет фонарей . По состоянию на 24 июня 2015 г.
    http://www.flashlightuniversity.com/cleaning-a-corroded-flashlight/.
40. «Свинцово-цинковый округ трех штатов». Историческое общество Оклахомы , н.д.
    http://www.okhistory.org/publications/enc/entry.php?entry=TR014.
41. Бейер, В. Н., Дж. Далгарн, С. Даддинг, Дж. Б. Френч, Р. Матео, Дж. Миснер, Л.Силео и Дж. Спанн. «Отравление цинком и свинцом у диких птиц в горнодобывающем округе трех штатов (Оклахома, Канзас и Миссури)». Архив загрязнения окружающей среды и токсикологии 48, нет. 1 (январь 2005 г.): 108–17. DOI: 10.1007 / s00244-004-0010-7.
42. Ху, Ховард, Джеймс Шайн и Роберт О. Райт. «Проблема, создаваемая для здоровья детей смесью токсичных отходов: сайт суперфонда Tar Creek в качестве примера». Педиатрическая клиника Северной Америки 54, no.1 (февраль 2007 г.): 155 — х. DOI: 10.1016 / j.pcl.2006.11.009.
43. «Цинк и свинец». Операции Red Dog , н.д.
    http://www.reddogalaska.com/Generic.aspx?PAGE=Red+Dog+Site%2FZinc+and+Lead.
44. Буланже, Эми и Александра Горман. «Добыча твердых пород: риски для здоровья населения». «Женские голоса за Землю», сентябрь 2004 г.
    http://www.earthworksaction.org/files/publications/MiningHealthReport_WVE.pdf?pubs/MiningHealthReport_WVE.pdf.
45. Оро, Рэйчел Д.«Несчастный случай разлил 40 тонн цинкового концентрата возле шахты Рэд Дог». Peninsula Clarion , 31 декабря 2000 г.
    http://peninsulaclarion.com/stories/123100/ala_123100ala0080001.shtml#.VYMV9mTF_NU.
46. Infomine.com. Английский: Red Dog Mine, Аляска , 17 октября 2014 г. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Red_Dog_Mine,_Alaska.jpg.
47. «Национальный анализ EPA 2011 TRI». Слайды брифинга, 9 января 2012 г.
    http://www2.epa.gov/sites/production/files/documents/2011_tri_national_analysis_briefing_slides.pdf.
48. «30.07.1998: Требуется шахта Red Dog на Аляске для сокращения выбросов загрязняющих веществ», 30 июля 1998 года.
49. «09.02.2005: Горнодобывающая компания Аляски соглашается заплатить 33 000 долларов США за сбросы в Чукотское море», 9 февраля 2005 г. опендокумент.
50. Гинзбург. Департамент охраны окружающей среды Аляски против Эпа (Заключение суда), 540 U.S. 461 (Верховный суд США, 2004 г.).
51. Ассошиэйтед Пресс. «Свинцовое отравление детей в Китае ведет к беспорядкам». The New York Times , 18 августа 2009 г., сек. Международный / Азиатско-Тихоокеанский регион.
    http://www.nytimes.com/2009/08/18/world/asia/18china.html.
52. «Китайская компания Dongling вновь откроет свинцово-цинковый завод». Новости. China Daily , 12 марта 2010 г.
    http://www.chinadaily.com.cn/bizchina/2010-03/12/content_9582504.htm.
53. «Китай закроет плавильные заводы в случаях отравления свинцом». CNN , н.д.
    http://www.cnn.com/2009/WORLD/asiapcf/08/20/china.lead/index.html?iref=24hours.
54. Карни, Тони. «Все еще ждем ответов — Меркурий». Независимый онлайн . По состоянию на 14 июля 2015 г.
    http://www.iol.co.za/mercury/still-waiting-for-answers-1.1457211#.VaV-FWTF_e0.
55. Блаурок-Буш, Э.«Воздействие на окружающую среду и токсичность металлов, Южная Африка и глобальные проблемы», без даты.
    http://www.nwu.ac.za/sites/www.nwu.ac.za/files/files/v-news/documents/Forums/Environmental_Exposure_Article_E_Busch.pdf.
56. «Интеллектуальная функция у мексиканских детей, живущих в горнодобывающей зоне и экологически подверженных воздействию марганца», без даты.
    http://www.researchgate.net/profile/Rodolfo_Solis-Vivanco/publication/47385867_Intellectual_Function_in_Mexican_Children_Living_in_a_Mining_Area_and_Environmentally_Exposed_to_Manganese/linkbc70000ext.pdf.
57. «Марганец — отравление марганцем». Новости окружающей среды Южной Африки . По состоянию на 2 июля 2015 г.
    http://www.environment.co.za/poisoning-carcinogens-heavy-metals-mining/manganism-manganese-poisoning.html.
58. «Отравление марганцем: переговоры сорваны». Интернет-магазин M&G . По состоянию на 12 июля 2015 г.
    http://mg.co.za/article/2008-02-13-manganese-poisoning-negotiations-falter/.
59. 15:17, 13 апреля 2007 г., по адресу.«« Рабочие узнали об отравлении марганцем по телевидению »- Южная Африка | Новости IOL». Независимый онлайн . По состоянию на 12 июля 2015 г.
    http://www.iol.co.za/news/south-africa/workers-learnt-of-manganese-poisoning-on-tv-1.323026#.VaGx_JTF_e0.
60. «Управление канадскими отходами батарей». CM Consulting, май 2012 г.
    http://www.cmconsultinginc.com/wp-content/uploads/2012/05/Battery_high_res.pdf.
61. «Президент сырьевой компании признан лидером в области устойчивого развития вторичной переработки аккумуляторов на саммите Clean50.»По состоянию на 10 июля 2015 г.
    http://www.prnewswire.com/news-releases/raw-materials-company-president-recognized-as-sustainability-leader-for-battery-recycling-at-clean50-summit- 280103262.html>.
62. «РМЦ Техника». Raw Materials Company Inc. , n.d.
    http://www.rawmaterials.com/page/technology/.
63. «Уход и утилизация аккумуляторов». Duracell: Уход за батареями и утилизация . По состоянию на 3 июня 2015 г.
    http://www.duracell.com/en-us/battery-care-and-disposal/disposing-of-general-purpose-and-alkaline-batteries.
64. «Могу ли я безопасно выбрасывать батареи в бытовой мусор?» Энерджайзер . По состоянию на 3 июня 2015 г.
    http://www.energizer.com/about-batteries/battery-faq/lists/battery-faqs/can-i-dispose-of-batteries-safely-in-my-household-trash .
65. Смит, C. 2014. Личное общение с Карлом Смитом, генеральным директором Call2Recycle. 15 июля 2014 г.
66. Клуг, Скотт. «Текст — H.R.2024 — 104-й Конгресс (1995-1996): Закон об обращении с ртутьсодержащими и перезаряжаемыми батареями.»Законодательство, 13 мая 1996 г.
    https://www.congress.gov/bill/104th-congress/house-bill/2024/text.
67. «Карта законов об утилизации | Call2Recycle | США.» Call2Recycle . По состоянию на 21 июня 2015 г.
    http://www.call2recycle.org/recycling-law-map/.
68. «Сбор отработанных портативных аккумуляторов в Европе с учетом достижимости целевых показателей сбора, установленных Директивой о батареях 2006/66 / EC». Perchards, 20 августа 2013 г.
    http: // www.epbaeurope.net/documents/Perchards_Sagis-EPBA_collection_target_report_-_Final.pdf.
69. Закон об управлении окружающей средой: Правила утилизации. ДО Н.Э. Рег. 449/2004 , 2004.
    http://www.bclaws.ca/Recon/document/ID/freeside/449_2004.
70. «Продление плана Call2Recycle по сбору и переработке всех аккумуляторов для Британской Колумбии на 2015–2019 годы». Call2Recycle Canada, Inc., 12 сентября 2014 г.
    http://www.call2recycle.ca/wp-content/uploads/BC-Plan-Renewal-Final-.pdf.
71. «Закон о перемещении отходов, 2002 г., SO 2002, c 6.» По состоянию на 23 июня 2015 г.
    https://www.canlii.org/en/on/laws/stat/so-2002-c-6/latest/so-2002-c-6.html.
72. «О апельсиновой капле». Управление Онтарио . По состоянию на 23 июня 2015 г.
    http://stewardshipontario.ca/about-orange-drop/.
73. «ВОЗ | Ртуть и здоровье». ВОЗ . По состоянию на 24 июля 2015 г. http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs361/en/.
74. Воздействие на окружающую среду | Меркурий | Агентство по охране окружающей среды США.»По состоянию на 24 июля 2015 г.
    http://www.epa.gov/mercury/eco.htm.
75. Слива, Лаура М., Лотар Ринк и Хаджо Хаасе. «Существенный токсин: влияние цинка на здоровье человека». Международный журнал экологических исследований и общественного здравоохранения 7, no. 4 (апрель 2010 г.): 1342-65. DOI: 10.3390 / ijerph7041342.
76. «ВОЗ | Отравление свинцом и здоровье». ВОЗ . По состоянию на 25 июля 2015 г.
    http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs379/en/.
77. Управление универсальными отходами в Калифорнии.»Департамент по контролю за токсичными веществами, июль 2008 г.
    https://www.dtsc.ca.gov/HazardousWaste/EWaste/upload/HWM_FS_UWR.pdf.

Все карты созданы с помощью amCharts.

Как правильно заряжать щелочные батареи (без утечек!)

Наконец, теперь вы можете найти несколько специальных зарядных устройств, которые не только заряжают аккумуляторные батареи, но и позволяют заряжать и щелочные батареи !

Когда я был маленьким мальчиком, у меня был друг, чей отец был гением электрика.Он всегда создавал электронных макетов .

Одним из таких проектов было зарядное устройство, которое заряжало разряженные щелочные батареи.

Я в значительной степени игнорировал это воспоминание как сон, пока я недавно не проводил некоторое исследование в Интернете и не наткнулся на ветку о зарядных устройствах, которые могут перезарядить мертвые щелочные батареи .

Определение щелочных батарей

Щелочная батарея относится к типу батареи, которая построена из щелочного электролита оксида калия, а не из цинка или хлорида аммония, которые на содержат кислотные элементы и компоненты .Он может быть перезаряжаемым или одноразовым и обычно имеет 1,5 В на элемент .

Он также доступен в широком диапазоне размеров. Вы можете видеть, что эти щелочные батареи часто используются в повседневной электронике. Однако, прежде чем использовать этот тип аккумулятора, необходимо больше узнать о его плюсах и минусах:

Преимущества:

• Более длительный срок хранения по сравнению с батареями с хлоридным электролитом
• Более высокая плотность энергии по сравнению с другими батареями. Имея такое преимущество, вы можете ожидать, что эта батарея будет обеспечивать аналогичный уровень энергии, но при этом более долговечна по сравнению с другими батареями.

• Можно использовать сотни раз — это возможно для перезаряжаемой щелочной батареи, если вы перезарядите ее после того, как будет израсходовано только 25% всей ее емкости.
• Дешевле по сравнению с другими сложными типами, содержащими кадмий и никель
• Утилизируется как обычные отходы, не требуя специальных методов утилизации
• Обеспечивает невероятную производительность даже при использовании при низких температурах
• Он может прослужить до 2 лет при хранении при комнатной температуре, сохраняя при этом около 90% своей первоначальной емкости.

Вы также можете ожидать, что щелочные батареи идеально подходят для приложений с обычно низким током . Эти приложения включают устройства, которые работают без потребности в огромном количестве энергии, а также гаджеты, которые используются только периодически, например радио и пульты дистанционного управления. Вам также не нужно беспокоиться о том, что это испортится из-за возраста, так как вероятность того, что это произойдет, мала.

Помимо срока хранения, щелочная батарея может похвастаться более длительным сроком службы по сравнению с аналогами, поэтому нет необходимости слишком часто заменять ее.Однако он также имеет несколько недостатков, например:

Недостатки:

• Высокое внутреннее сопротивление, минимизирует время работы и создает предварительное предупреждение о низком заряде батареи в большинстве устройств.
• Не такой продолжительный при использовании в приложениях с высокими требованиями к пусковому току или при необходимости большого количества энергии при использовании
• Перезаряжаемый вариант имеет более низкую производительность по сравнению со стандартными щелочными батареями.

Несмотря на это, щелочные батареи продолжают набирать обороты.

Можно ли перезарядить щелочные батареи?

Зарядка или перезарядка щелочных батарей — не рекомендуется , хотя это возможно с помощью специального щелочного зарядного устройства, которое можно использовать для перезаряжаемых щелочных батарей. Есть несколько причин, по которым не рекомендуется заряжать аккумулятор.

Одна из них заключается в том, что заряженные могут обеспечить только несколько циклов перезарядки.То, что вы получаете, это дюжина из циклов перезарядки , иногда даже меньше. Это не то же самое с настоящим аккумулятором, таким как NiMH , так как вы также можете заряжать его сотни или тысячи раз.

Щелочные батареи также склонны к потере емкости за цикл зарядки . Это означает, что каждый раз, когда вы заряжаете аккумулятор, время его работы также уменьшается. Разнообразие перезаряжаемых щелочных батарей также обычно имеет меньшую емкость по сравнению с настоящими батареями, а также аккумуляторные батареи NiMH .Перезарядка также увеличит вероятность протечки.

Хорошая новость заключается в том, что, несмотря на то, что заряжать щелочные батареи не рекомендуется, все же есть специальные зарядные устройства , которые вы можете использовать для этого. Обратите внимание, что необходимо приобрести специальное высококачественное зарядное устройство, специально разработанное для зарядки щелочных батарей, если вы настаиваете на этом.

Избегайте использования зарядного устройства для NiCd, NiZN или NiMH .Вам необходимо зарядное устройство, которое специально предназначено для работы с щелочными батареями.

Универсальное быстрое зарядное устройство Maximal Power FC999

Универсальное быстрое зарядное устройство Maximal Power FC999 использует 8-битный микропроцессор и передовую архитектуру RISC со встроенным преобразователем и многоканальными высокоскоростными портами ввода / вывода для интеллектуального мониторинга и управления всем процессом зарядки в режиме реального времени, что позволяет предотвратить перезарядку. Он также имеет встроенную функцию отключения отрицательного треугольника V и защиту от короткого замыкания.

Это зарядное устройство по сути представляет собой компьютер, поэтому оно может оптимизировать циклы кондиционирования и зарядки для каждой отдельной батареи. Во время тестирования этого зарядного устройства они смогли зарядить некоторые щелочные батареи до 75-90% от первоначальной емкости до 30 раз и более! БОЛЕЕ 30 РАЗ ! Это не гарантия, но, как показывает практика, пробег может отличаться.

Когда вы вставляете аккумулятор в это зарядное устройство, он определяет состояние аккумулятора и либо начинает зарядку, если он хороший, либо предупреждает вас о состоянии, если он плохой.

Зарядное устройство Maximal Power Charger заряжает следующие типы аккумуляторов:

Способность этого зарядного устройства заряжать различные типы батарей, в том числе щелочные батареи, которые в прошлом нельзя было перезаряжать, и перезаряжаемые щелочные марганцевые батареи, доказывает его универсальность.Зарядное устройство также отлично работает благодаря высокоскоростным портам для зарядки и разрядки. С его микрочипом вы можете быть уверены, что он будет отслеживать зарядку и подзарядку аккумуляторов умно и разумно.

Еще одно преимущество, которое я заметил в этом специальном зарядном устройстве, заключается в том, что его скорость зарядки составляет , довольно высокая , поэтому я могу заверить большинство пользователей, что использование занимает меньше времени, чем . Он может похвастаться своей функцией отключения по треугольнику, что очень хорошо, потому что он автоматически останавливает процесс зарядки, когда батареи уже полностью заряжены, тем самым предотвращая короткое замыкание.

Характеристики и функции FC999 просты и удобны в использовании. Вам даже понравятся его светодиодные индикаторы и ЖК-дисплеи , способные отображать статистику заряда аккумулятора после того, как вы поместите его в отсек для зарядки.

Аккумуляторная станция ChargeIt Pro

Зарядное устройство ChargeIt Battery Station Pro Battery Charger использует ту же микропроцессорную технологию, что и Maximal Charger, но также имеет 2 встроенных порта USB, позволяющих заряжать мобильные устройства! Это зарядное устройство также выполняет проверки, когда аккумулятор вставлен, чтобы определить, хороший он или плохой, и предупредить вас о состоянии аккумулятора.

Зарядное устройство ChargeIt заряжает аккумуляторы следующих типов:

Как и предыдущее специальное зарядное устройство от Maximal, это гибкое и универсальное , так как оно может заряжать широкий спектр аккумуляторов.Он способен заряжать как аккумуляторные NiCD или NiMH батареи, так и одноразовые щелочные батареи. Вам понравятся его 4 универсальные зарядные станции, способные заряжать разные типы аккумуляторов.

Еще одним преимуществом этого специального зарядного устройства является то, что оно способно одновременно заряжать максимум 5 аккумуляторов , благодаря его 4 универсальным портам , а также еще одному порту, который вы можете найти в порту 9V.

Он также оснащен парой USB-портов , которые можно использовать для подключения и зарядки устройств.Я уверен, что вам понравится ЖК-экран этого специального зарядного устройства, так как он может отображать уровень заряда аккумулятора и его состояние зарядки.

Заключительные слова

Хотя некоторые производители не рекомендуют и не поддерживают подзарядку щелочных батарей из-за опасностей, которые они могут вызвать, все еще можно заряжать с помощью доступных зарядных устройств, специально созданных для них . Просто убедитесь, что вы выбрали для специальное высококачественное зарядное устройство , которое может неплохо подзарядить вашу щелочную батарею.

Также обратите внимание, что емкость перезаряжаемой щелочной батареи имеет более высокий риск снижения в результате нескольких перезарядок . Это основная причина, по которой вам все равно нужно о них заботиться, особенно если вы часто их заряжаете. Следует иметь в виду, что щелочные батареи не предназначены для перезарядки, поэтому некоторые из них могут протекать.

После зарядки оставьте их на безопасной поверхности и в течение нескольких дней следите за утечкой. Это важно для предотвращения утечек в ваших электронных устройствах. Более дешевые батареи, кажется, делают это больше, чем качественные.

С небольшой солнечной установкой вы можете заряжать аккумуляторные батареи, но добавление этого зарядного устройства в смесь откроет дверь для повторного использования щелочных батарей, которые большинство людей выбрасывают, не задумываясь.

Возможность подзаряжать обычные (щелочные) батареи очень пригодится, сэкономит ваши деньги и убережет эти батареи от захоронения.Это переработка, поэтому хорошо для окружающей среды и умной подготовки !

Батарейки

См. Также Люминесцентные лампы и трубки и
Универсальные отходы.

Батареи считаются опасными отходами в Калифорнии при утилизации. Сюда входят батареи AAA, AA, C, D, кнопочные, 9-вольтовые и все другие батареи, как перезаряжаемые, так и одноразовые. Все батареи необходимо утилизировать или сдать в опасный дом.
объект по утилизации отходов, универсальный переработчик отходов (например,g., хранилище или брокер) или уполномоченный объект по переработке.

См. Список всех отходов, запрещенных к вывозу.

Батареи считаются опасными из-за содержащихся в них металлов и / или других токсичных или коррозионных материалов. Аккумуляторы потенциально являются ценным источником металла, пригодного для вторичной переработки.

Согласно отчету Универсальные бытовые отходы
Generation in California, в 2001 году в Калифорнии было продано 507 259 000 аккумуляторов. Согласно отчету, только 0.55 процентов этих батарей были переработаны.

Нормативы по опасным отходам определяют категорию опасных отходов, которая называется «универсальные отходы». В эту категорию входят батареи, люминесцентные лампы, электронно-лучевые трубки, инструменты, содержащие ртуть, и другие предметы.

Связаться с
Калифорнийский Департамент по контролю за токсичными веществами (DTSC) для получения дополнительной информации. См. Также веб-страницу DTSC по универсальным отходам.

Где перерабатывать или безопасно утилизировать батареи

• Местные решения
• Другие решения
  • Большой зеленый ящик .Big Green Box ™ — это национальная программа, которая предлагает компаниям, потребителям, муниципалитетам и другим производителям недорогую, простую и гибкую
    способ утилизации аккумуляторов и портативных электронных устройств. После покупки Big Green Box ™ все расходы на транспортировку, обработку и переработку включены в стоимость. Big Green Box ™ включает одобренный ООН контейнер с предварительной маркировкой,
    предоплата за доставку на предприятие по переработке и обратно, и, конечно же, все сборы за переработку.
  • Решения для аккумуляторов .Решения по переработке аккумуляторов для предприятий, государственных учреждений и потребителей.
  • Retriev Technologies Inc . Эта компания перерабатывает батареи большинства типов и размеров, включая щелочные, литиевые, ртутные, никель-кадмиевые, свинцовые и другие.
  • Братья Кинсбурские . Предприятие по переработке батарей, разрешенное Агентством по охране окружающей среды США, в Калифорнии.
  • Аква Металс . Эта компания перерабатывает свинцово-кислотные аккумуляторы путем акваочистки.

ПРИМЕЧАНИЕ : CalRecycle предоставляет этот список вариантов утилизации батарей только в информационных целях.Ни CalRecycle, ни штат Калифорния не поддерживают перечисленные компании или технологии, которые они используют при переработке батарей.

Другие способы помочь

• Приобретите аккумуляторы и зарядное устройство . Устройства, работающие от обычных батареек AAA, AA, C, D и 9 В, могут питаться от аккумуляторных батарей этих размеров.
• Ищите портативные электронные устройства, в которых не используются батареи . В некоторых устройствах вместо батарей используется конденсатор, который заряжается, как правило, встряхиванием устройства или при нормальном использовании.См. Дополнительную информацию в разделе «Альтернативные источники энергии».
• Уменьшить . Используйте одноразовые батареи с умом, чтобы избежать ненужной замены и утилизации.

Объявления для государственных служб CalRecycle (PSA)

Аккумуляторы : Утилизировать аккумуляторы так просто! Батареи считаются опасными из-за содержащихся в них металлов и / или других токсичных или коррозионных материалов. Аккумуляторы потенциально являются ценным источником металла, пригодного для вторичной переработки. Все
В Калифорнии аккумуляторы необходимо сдать на предприятие по утилизации опасных бытовых отходов, в центр обработки универсальных отходов или в уполномоченный объект по переработке.

• Переработка — это просто:
  YouTube, 00:24 (2007)
• Переработка 101:
  YouTube, 00:23) (2007)

CalRecycle Resourcess

CalRecycle Publications

Свинцово-кислотные батареи, опасное и ответственное использование . Негативное воздействие на здоровье и окружающую среду неправильного обращения с аккумуляторами, советы по обслуживанию свинцово-кислотных аккумуляторов,
и информация о переработке свинцово-кислотных аккумуляторов.

Плакат
10 X 14.5 дюймов

Плакат об аккумуляторах Подробная информация и загрузка

Не выбрасывайте аккумуляторы в мусор. Свяжитесь с местным агентством по утилизации опасных бытовых отходов. Включает батарейки AAA, AA, C, D, кнопочные, 9 В и все остальные батареи, как перезаряжаемые, так и одноразовые. Защитите окружающую среду и помогите восстановить ресурсы. Для большего
информация, посещение
Веб-сайт Калифорнийского Департамента по контролю за токсичными веществами.

Наклейка
5 X 5 дюймов

Наклейка на батарею Примечание. Эта наклейка подходит для использования на контейнерах для мусора внутри и вне помещений.

Подробная информация и загрузка

Батареи. Не попадать в корзину. Свяжитесь с местным агентством по утилизации опасных бытовых отходов. Для получения дополнительной информации посетите
Веб-сайт Калифорнийского Департамента по контролю за токсичными веществами.

См. Также Плакаты и наклейки с люминесцентными лампами и лампами.

Другие ресурсы

Другие документы

Веб-сайты

Транспортировка гидроксида в анионообменных мембранах для щелочных топливных элементов

Как было представлено в предыдущих разделах, хорошей альтернативой разработке эффективных анионообменных мембран является реализация теоретических моделей для выявлять, анализировать и дополнять экспериментальные данные о явлениях переноса в них.Однако исследований такого типа немного, а характеристики таких явлений переноса малоизвестны и до сих пор обсуждаются [29]. Чтобы идентифицировать их, исследования транспорта ионов гидроксония (H ₃ O ⁺ ) в гидратированных протонообменных мембранах были взяты в качестве отправной точки при условии, что характеристики ионного транспорта как для анионных, так и для протонных мембран могли быть похожи (что не совсем так) [30, 31]. Таким образом, на рисунке 3 схематически показаны основные механизмы транспорта гидроксид-ионов через анионообменные мембраны, которые были предложены в литературе.К ним относятся диффузия, которая состоит из молекулярной диффузии или диффузии в массе , структурной диффузии или механизма Гроттуса и прыжков по поверхностным сайтам; миграция и конвекция.

3.1. Диффузия

Она определяется как перенос молекул за счет градиента химического потенциала одного или нескольких компонентов в отсутствие электрического поля [32]. Внутри гидратированной анионообменной мембраны ионы гидроксида могут диффундировать тремя способами: традиционной диффузией в массе , механизмом Гроттуса и прыжками по поверхностным сайтам.Первые два механизма реализуются в объеме молекул воды (обычно в средней области пор мембраны и вдали от ее основной цепи и боковых цепей), а второй — на поверхности катионных функциональных цепей полимера [33]. Визуализация того, как ионы гидроксида могут диффундировать с помощью этих механизмов, изображена в виде электрической цепи на рисунке 4.

Рисунок 4.

Электрическая схема, аналогичная транспортным механизмам, с помощью которых ионы гидроксида могут диффундировать через анионообменные мембраны.Печатается с разрешения J. Electrochem. Soc., 2005; 152 (3): E123. Авторское право 2005 г., Электрохимическое общество.

В которой NOH — это полный поток гидроксид-ионов, переносимых через мембрану, NOH-Surf — поток гидроксид-ионов, переносимых через поверхность полимерных цепей, а NOH-Bulk — поток гидроксид-ионов, переносимых через область объемной воды. . Кроме того, DOH-Surf и DOH-Grott — это вклады в общий коэффициент диффузии от механизмов прыжков по поверхностным узлам и механизмов Гроттуса, в то время как DOH-, WM и DW, OH-M — соответственно вклады от в массе диффузии гидроксид-ионов и молекул воды.

Вклад каждого механизма в общую диффузию сильно зависит от наноструктуры и содержания воды в анионообменной мембране [33, 34]. С одной стороны, при низких уровнях гидратации поры полимера узкие, а катионные боковые цепи очень близки друг к другу. Вследствие этого сольватация молекул воды и взаимодействие между ними и гидроксид-ионами посредством водородных связей очень низки по сравнению с электростатическими силами, действующими на катионные цепи на последних.Следовательно, транспорт гидроксид-ионов с большей вероятностью будет происходить на поверхности полимерных цепей за счет прыжков по поверхностным сайтам и молекулярной диффузии с низкими скоростями. Кроме того, ионная проводимость анионообменной мембраны будет очень низкой. С другой стороны, при высоких уровнях гидратации поры полимера набухают и уступают место широким непрерывным каналам, в которых могут образовываться области объемной воды. Катионные функциональные цепи будут более разделены, таким образом, их влияние на гидроксид-ионы будет уменьшено, и диссоциация в результате сольватации молекул воды будет более вероятной.Следовательно, перенос гидроксид-ионов происходит в основном за счет переноса дефекта заряда (механизм Гроттуса) в области объемной воды с высокими скоростями: ионная проводимость анионообменной мембраны в этих условиях достигает своих самых высоких значений [34].

Для более глубокого понимания упомянутых механизмов распространения в следующих подразделах дано общее описание каждого из них и их реализация в математических моделях.

3.1.1. в массе диффузия

Молекулярное движение гидроксид-ионов из-за градиентов концентрации (или активности) может быть описано в соответствии с законом Фика:

NOH − M = −DOH−, WM∇cOH − E4

, в котором NOH− Неправильный поток гидроксид-ионов из-за диффузии по массе и cOH — их соответствующая концентрация.Однако, поскольку молекулы воды также диффундируют по своему собственному градиенту, и существуют также фрикционные взаимодействия с мембраной, более строго использовать многокомпонентное уравнение Стефана-Максвелла для учета этих эффектов в массовой диффузии гидроксид-ионов [29, 32]:

∇xi = ∑j ≠ inxiNj − xjNicTDi, jM − NicTDi, AEMME5

, где xi — мольная доля вида i , cT — общая концентрация всех видов, Di, jM — массовый коэффициент диффузии между видами . i и j и Di, AEMM — массовый коэффициент диффузии между веществом i и структурой мембраны.Выражая уравнение. (5) для гидроксид-ионов в гидратированной мембране это становится:

∇xOH− = xOH − NW − xWNOH − cTDOH−, WM − NOH − cTDOH−, AEMME6

Первый член правой части уравнения. (6) соответствует взаимодействию между молекулами воды и гидроксид-ионами, а другой — фрикционным эффектам мембраны. Кроме того, для учета диффузии Кнудсена коэффициенты бинарной диффузии можно выразить как параллельное сопротивление в следующей форме [32]:

Di, jM, eff = 11Di, jM + 1DKiE7

Коэффициент диффузии Кнудсена (DKi) может можно аппроксимировать из кинетической теории газов [32]:

DKi = d38RTπMiE8

, где dis — диаметр пор мембраны, R — идеальная газовая постоянная, T — температура и Mit — молекулярная масса частиц i .В качестве альтернативы, эффективный коэффициент диффузии уравнения. (7) может быть выражено через пористость (ε) и извилистость (τ) следующим соотношением [35]:

Di, jM, eff = ετDi, jME9

или с помощью модели перколяции Бруггемана, первоначально использовавшейся для ионы гидроксония в протонообменных мембранах, но позже распространились на ионы гидроксида в анионообменных мембранах [29]:

Di, jM, eff = vw − vw, oqDi, jME10

, где vw — объемная доля в мембране, vw , o объемная доля воды на пределе перколяции (минимальное содержание воды, необходимое для переноса гидроксид-ионов через мембрану) и qпостоянная Брюггемана.

Двоичные коэффициенты диффузии (Di, jMand Di, AEMM) должны быть получены либо из экспериментальных измерений, либо из эмпирических корреляций. Включая эффективные коэффициенты диффузии в уравнение. (6) он принимает следующий вид:

∇xOH− = xOH − NW − xWNOH − cTDOH−, WM, eff − NOH − cTDOH−, AEMM, effE11

Чтобы получить профили потока и мольной доли для гидроксид-ионы из уравнения. (11) ее необходимо решать одновременно с уравнением Стефана-Максвелла для воды:

∇xW = xWNOH −− xOH − NWcTDW, OH − M, eff − NWcTDW, AEMM, effE12

Кроме того, должны быть соответствующие граничные условия. быть установленным.Их можно получить, связав транспортную модель формул. (11) и (12) с глобальной моделью для AEMFC.

3.1.2. Механизм Гроттуса

Также известный как структурная диффузия и прыжки протонов, это транспортный механизм, с помощью которого протонный избыток (например, гидроксоний (H ₃ O ⁺ )) или дефект (гидроксид (OH ^—), например) ) ионного вещества диффундирует через сеть водородных связей молекул воды посредством реактивного процесса, вызванного флуктуациями координационных связей между ионами и водой, которые включают образование и разрыв водородных связей [36, 37, 38, 39].

В настоящее время точное описание механизма Гроттуса для гидроксид-ионов все еще обсуждается, и были предложены различные теории. Среди них наиболее точным описанием на сегодняшний день считается теория динамической гиперкоординации. Однако он постулируется для чистой водной среды и не распространяется на наличие анионообменной мембраны.

Шаги механизма Гроттуса в соответствии с теорией динамической гиперкоординации показаны на рисунке 5.Он основан на концепции предварительной сольватации, которая устанавливает, что частицы с дефектами заряда должны сначала сольватироваться молекулами воды, чтобы осуществить перенос дефектов заряда [38, 40]. Для простой воды ее молекулы образуют тетраэдрические гиперкоординированные комплексы с соседними молекулами, отдавая и получая две водородные связи соответственно [41, 42], как показано на рисунке 6. Согласно теории гиперкоординации, когда ион гидроксида входит в водную сеть, он принимает плоско-квадратную топологию (рис. 5a), в которой его атом кислорода принимает четыре водородные связи от соседних молекул воды (образуя анион H ₉ O ₅ ^— ).Кроме того, атом водорода гидроксид-иона делокализован вокруг атома кислорода и остается без образования координационных связей. Чтобы осуществить перенос дефекта заряда, гидроксид-ион должен сначала уменьшить свое координационное число, разорвав одну из водородных связей, полученных от молекулы воды, а затем установив связь между своим атомом водорода и другой соседней молекулой воды. Это позволяет иону принять топологию полностью скоординированной молекулы воды, способствуя переносу анионного дефекта на соседнюю молекулу в процессе, в котором временно образуется комплекс H ₃ O ₂ ^— (рис. 5b). ).Когда перенос завершен, принимающая молекула перестраивается, принимая предпочтительную квадратно-плоскую конфигурацию гидроксид-иона, тем самым завершая процесс переноса (рис. 5c) [36, 37, 38, 40].

Рис. 5.

Механизм Гроттуса для гидроксид-ионов в чистой воде соответствует теории динамической гиперкоординации. Код цвета: кислород молекул воды — красный, кислород молекул с дефектами заряда — желтый, водород — серый. Перепечатано с разрешения Springer Customer Service Center GmbH: Springer Nature, Природа и механизм переноса гидратированных гидроксид-ионов в водном растворе, M.Э. Такерман, Д. Маркс, Copyright 2002.

Рис. 6.

Слева: связь молекулы воды с четырьмя соседними молекулами воды. Электронные облака обозначены зеленым цветом. Справа: тетраэдрическое представление молекулы воды с указанием донированной (D) и принятой (A) водородных связей. Из Д. Маркса: Бросание четырехгранных игральных костей. Наука. 2004; 303: 634–636. Печатается с разрешения AAAS.

Считается, что механизм Гроттуса имеет преобладающий вклад в подвижность гидроксидов через гидратированные мембраны согласно: (а) экспериментальным исследованиям подвижности гидроксидов в чистой водной среде [43, 44], (б) теоретическим исследованиям подвижности гидроксидов в чистой водной среде. среда с ab initio Molecular Dynamics (AIMD) [37, 38] и (c) аналогичные исследования для PEMFCs [33, 45, 46, 47, 48].

3.1.3. Прыжки по поверхностным сайтам

Он включает в себя перемещение гидроксид-ионов посредством последовательных прыжков от одной боковой цепи мембраны к другой из-за сильных электростатических сил притяжения, оказываемых катионными функциональными группами на ионы [3, 29, 33]. Этот процесс протекает следующим образом: сначала ион гидроксида, присоединенный к катионной функциональной группе, сольватируется и диссоциирует молекулами воды. После этого соседняя боковая цепь притягивает сольватированный ион к своей поверхности, после чего процесс повторяется.Это приводит к чистому перемещению иона гидроксида через мембрану, равному расстоянию между двумя катионными боковыми цепями.

Хотя этот механизм более вероятен при низком содержании воды в мембране, он считается вторичным процессом из-за сильного взаимодействия между молекулами воды в системе и гидрофильными катионными функциональными группами, которые действуют как барьер для гидроксид-ионов. взаимодействуют и достигают поверхности последних. Это снижает вероятность того, что этот механизм имеет место по сравнению с другими [29].

Как механизм Гроттуса, так и перескок сайтов на поверхности имеют место на атомной длине и в масштабе времени и могут быть эффективно изучены только с помощью методов квантовой физики, таких как AIMD, из-за природы этого явления. На макроуровне их вклад в общую диффузию в математических моделях можно учесть следующим образом: механизм Гроттуса, имеющий место в объеме молекул воды, можно объяснить, расширив выражение для эффективной массовой диффузии гидроксид-ионов в воде ( Уравнение(7)) как:

DOH−, Weff = 11DOH−, WM, eff + 1DOH − GrottE13

Перескок сайтов на поверхности можно учесть путем применения эмпирических поправок к влиянию структуры мембраны на подвижность гидроксидов (то есть DOH− , AEMM, eff), чтобы включить не только эффекты трения, но и поверхностные явления [29]. Применяя уравнение. (13) и соответствующая поправка к DOH-, AEMM, effinto Eq. Из (11) получаем:

∇xOH− = xOH − NW − xWNOH − cTDOH−, Weff − NOH − cTDOH−, AEMeffE14

, в котором DOH−, AEMeff — эффективный коэффициент диффузии между гидроксид-ионами и мембраной, который составляет прыжки на поверхность.Уравнение (14) в сочетании с формулой. (13) являются строгими выражениями, которые учитывают все диффузионные явления, которым могут подвергаться гидроксид-ионы. Однако его полное применение очень ограничено, потому что механизм Гроттуса и перескок сайтов на поверхности не были формально охарактеризованы для анионообменных мембран, и, таким образом, нет точных корреляций для их представления (т.е. выражения для DOH-Гроттто объясняют механизм Гроттуса и либо DOH-, AEMeffor DOH-Surfin, рис. 4 для учета перескока сайтов на поверхности), как для протонообменных мембран (см., например, исследование Choi et al.[33]). По этой причине современные транспортные модели аппроксимируют DOH-, Weffby, комбинируя значение бинарного коэффициента диффузии гидроксид-ионов в чистой жидкой воде при 25 ° C (5,3 × 10 ^-9 м ² / с) с эмпирическими корреляциями с учитывать влияние температуры, давления и содержания воды, что на практике хорошо работает для получения точных решений для моделей переноса, но при этом отслеживает, как именно происходит диффузия гидроксид-ионов и как она изменяется с температурой, давлением и содержанием воды.

3.2. Конвекция

Конвективный перенос может происходить в основном из-за градиента давления между границами анодного и катодного диффузионных слоев топливного элемента и мембраны. Это также связано с электроосмотическим сопротивлением, при котором поток молекул воды индуцируется движением гидроксид-ионов в отсутствие градиентов концентрации (т.е. градиентами электрического потенциала) [3, 20, 29].

В электрохимических системах скорость конвекции может быть определена с помощью уравнения Шогеля [29]:

νconv = Boη∇P + inziciF∇ϕE15

, где Bo — гидравлическая проницаемость d ‘Arcy, η динамическая вязкость, Fthe Постоянная Фарадея, точное число зарядов частиц и и ϕ электрический потенциал.Члены в скобках в правой части уравнения. (15) — соответственно вклады в конвекцию градиентов давления и электроосмотического сопротивления. Важно отметить, что уравнение Шегеля предполагает, что заряженные частицы в радиальном направлении пор мембраны распределены равномерно, поэтому градиентами потенциала пренебрегают. Это действительно так для обменных мембран, в которых размеры пор малы, поэтому нет значительных локализованных изменений в радиальном направлении [29].

Если перенос конвекцией и диффузией происходит одновременно, уравнение. (15) можно объединить с формулой. (5):

∇xi = ∑j ≠ inxiNj − xjNicTDi, jeff − NicTDi, AEMeff − BoηDi, AEMeff∇P + ∑inziciF∇ϕE16

, в котором бинарный коэффициент диффузии был заменен на эффективные коэффициенты диффузии, чтобы включить эффект мембраны. структура и все возможные механизмы диффузии, влияющие на виды и (как описано в разделе 3.1). Кроме того, термин конвекция разделен на Di, AEMeff, чтобы учесть любое фрикционное влияние мембраны на этот механизм.Применяя вышеупомянутые определения к уравнениям. (11) и (12) получается следующая система уравнений:

∇xOH− = xOH − NW − xWNOH − cTDOH−, Weff − NOH − cTDOH−, AEMeff − BoηDOH−, AEMeff∇P + cOH − F ∇ϕE17

∇xW = xWNOH −− xOH − NWcTDW, OH − M, eff − NWcTDW, AEMM, eff − BoηDW, AEMM, eff∇P + cOH − F∇ϕE18

Перенос конвекцией особенно важен при высокой гидратации уровни, на которых пористая структура мембраны набухает настолько, что уступает место непрерывным каналам, соединяющим анод с катодом, поэтому может быть установлен эффективный градиент давления.Кроме того, необходимо учитывать конвекцию за счет электроосмотического сопротивления при высоких концентрациях гидроксид-ионов, когда градиенты электрического потенциала могут быть значительными.

3.3. Migration

Он определяется как движение заряженных частиц из-за градиентов электрического потенциала, возникающих в результате электростатических взаимодействий между ними. Перенос за счет миграции можно описать в соответствии с законом Ома:

i = −σ∇ϕE19

, где σ — ионная проводимость мембраны, ϕ — электрический потенциал и плотность тока.Последний может быть связан с молярным потоком следующим определением:

i = F∑inziNiE20

Когда диффузия или конвекция происходит одновременно с миграцией, обобщенные уравнения Стефана-Максвелла (GSME) для системы n-частиц могут используется [29]:

ciRT∇μ˜i = ∑j ≠ inxiNj − xjNiDi, jeff − NiDi, AEMeff − BociηDi, AEMeff∇P + ∑inziciF∇ϕE21

, что аналогично уравнению. (16), но выраженные в терминах градиентов электрохимического потенциала:

∇µ˜i = ∇µi + ziF∇ϕE22

В качестве альтернативы можно применять подходы разбавленного раствора или концентрата-раствора.В приближении разбавленного раствора взаимодействия между молекулами растворенного вещества не учитываются, и можно использовать уравнение Нернста-Планка [32]:

Ni = −ziuiFci∇ϕ − Di∇ci + ciνconvE23

, в котором ui — подвижность частиц я. Члены справа соответствуют соответственно миграции, диффузии и конвекции (в которых электроосмотическое сопротивление не учитывается). Кроме того, уравнение Нернста-Эйнштейна можно использовать, чтобы связать ионную подвижность (и проводимость) с коэффициентом диффузии и уменьшить количество транспортных свойств в уравнении.(23) [32]:

Di = RTuiE24

Однако уравнения. (23) и (24) строго применяются даже при бесконечном разбавлении (<0,01 моль / дм ³ [49]), что в большинстве случаев не относится к мембране в AEMFC. Поэтому теория концентрированных растворов предпочтительна, если имеется достаточно информации о требуемых параметрах и транспортных свойствах [32]. При таком подходе можно получить следующую систему уравнений для гидроксид-ионов и воды (подробный вывод см. В работах.[50, 51]):

iOH — = — σ∇ϕOH −− σξF∇μwE25

Nw = −σξF∇ϕOH −− α + σξ2F2∇μwE26

, где ξ — коэффициент электроосмотического сопротивления, а α — коэффициент переноса, который может быть связан либо с градиентом гидравлического давления, либо с градиентом концентрации через определение химического потенциала [32]:

∇μw = RT∇lnaw + V¯w∇PE27

, где aw — активность, а V¯ молярный объем. Наряду с диффузией перенос путем миграции обычно оказывает сильное влияние на подвижность гидроксид-ионов даже при низких концентрациях ионов.Следовательно, применение теории концентрированных растворов можно считать существенным для правильного описания явлений полного переноса гидроксид-ионов. Однако отсутствие информации о большинстве транспортных свойств и параметров в модели анионообменных мембран сильно ограничивает ее использование. Следовательно, математические выражения для этих свойств в анионообменных мембранах основаны на корреляциях, полностью охарактеризованных и подтвержденных для протонообменных мембран [29], на том основании, что явления переноса в обеих системах должны быть эквивалентными, как упоминалось в начале этого раздела. .

Принцип работы и разработка солнечных батарей

Теплые подсказки: слово в этой статье составляет около 2600, а время чтения — около 15 минут.

Резюме

В связи с постоянной потребностью человечества в возобновляемых источниках энергии, люди стремятся разрабатывать новые источники энергии. Энергия, которую солнце светит на поверхность Земли за 40 минут, может быть использована в течение одного года со скоростью, соответствующей текущему глобальному потреблению энергии. Разумное использование солнечной энергии станет долгосрочной стратегией развития человечества для решения энергетических проблем. также является одной из наиболее изученных горячих точек.В этой статье будут представлены различные типы новых солнечных элементов, а также принцип и развитие солнечных элементов. Заодно сравним эффективность конверсии и перспективы их развития.

Каталоги

Введение

I. Задний слой солнечного элемента

Энергетика — это не только основная отрасль народного хозяйства, но и высокотехнологичная отрасль. « Безопасный, эффективный и низкоуглеродистый » воплощает в себе характеристики современных энергетических технологий, а также является основным направлением для достижения господствующей высоты будущих энергетических технологий.

В настоящее время разработка новых источников энергии в основном сосредоточена на возобновляемых источниках энергии, таких как солнечная энергия, водородная энергия, энергия ветра и геотермальная энергия, среди которых ресурсы солнечной энергии широко распространены и являются наиболее перспективными возобновляемыми источниками энергии. В связи с глобальным дефицитом энергии и проблемами загрязнения окружающей среды, такими как все более заметные проблемы, солнечная фотоэлектрическая энергия привлекла внимание всего мира и сосредоточила внимание на развитии новых отраслей промышленности из-за ее чистых, безопасных, удобных, эффективных и других характеристик.

С момента открытия французским ученым Э. Беккерелем в 1839 году фотоэлектрического эффекта жидкости (так называемого фотоэлектрического явления) солнечные элементы претерпели долгую историю развития, насчитывающую более 160 лет. Что касается общего развития, как фундаментальные исследования, так и технический прогресс сыграли положительную роль в их продвижении. Практическое применение солнечных элементов сыграло решающую роль с момента успешной разработки монокристаллических кремниевых солнечных элементов, сделанных тремя учеными из Bell Laboratories США, что является важной вехой в истории развития солнечных элементов.Пока что основная структура и механизм солнечных элементов не изменились.

Из-за постоянной потребности человечества в возобновляемых источниках энергии люди стремятся разрабатывать новые источники энергии. Энергия, которую солнце светит на поверхность Земли за 40 минут, может быть использована в течение одного года со скоростью, соответствующей текущему глобальному потреблению энергии. Разумное использование солнечной энергии станет долгосрочной стратегией развития человечества для решения энергетических проблем, а также одной из наиболее изученных горячих точек исследований.В этой статье будут представлены различные типы новых солнечных элементов, а также принцип и развитие солнечных элементов. Заодно сравним эффективность конверсии и перспективы их развития.

II. Типы солнечных элементов

1. Кремниевый солнечный элемент

Кремниевые солнечные элементы подразделяются на солнечные элементы из монокристаллического кремния, тонкопленочные солнечные элементы из поликристаллического кремния и тонкопленочные солнечные элементы из аморфного кремния.

Солнечные элементы из монокристаллического кремния обладают эффективностью преобразования элементов, чья технология также является наиболее зрелой.Наивысшая эффективность преобразования в лаборатории составляет 24,7%, а производительность в масштабе производства составляет 15%. Он по-прежнему доминирует в крупномасштабных приложениях и промышленном производстве. Однако из-за дороговизны монокристаллического кремния резко удешевить его очень сложно. В целях экономии кремниевых материалов, поликристаллический кремний и пленка из аморфного кремния появились как заменители монокристаллических кремниевых солнечных элементов.

По сравнению с монокристаллическим кремнием, тонкопленочный солнечный элемент из поликристаллического кремния имеет более низкую стоимость.Между тем, он имеет более высокий КПД, чем тонкопленочный элемент из аморфного кремния. Его максимальная эффективность преобразования составляет 18% в лабораторных условиях и 10% в промышленных масштабах. В результате поликристаллические кремниевые тонкопленочные батареи скоро будут доминировать на рынке солнечной энергии.

Тонкопленочные солнечные элементы из аморфного кремния обладают огромным потенциалом благодаря низкой стоимости, высокой эффективности преобразования и простоте массового производства. Однако из-за эффекта спада фотоэлектрической эффективности, вызванного материалом, стабильность невысока, что напрямую влияет на его практическое применение.Если мы сможем решить проблему стабильности и повысить коэффициент конверсии, то солнечные элементы из аморфного кремния, несомненно, станут одним из основных направлений развития солнечных элементов.

2. Многокомпонентные тонкопленочные солнечные элементы

Материал многосоставных тонкопленочных солнечных элементов состоит из неорганических солей, включая соединения арсенида галлия III-V, сульфид кадмия, сульфид кадмия и тонкопленочный элемент из окклюдированного медью селена.

Поликристаллические тонкопленочные элементы из сульфида кадмия и теллурида кадмия обеспечивают более высокий КПД, чем тонкопленочные солнечные элементы из аморфного кремния, более низкую стоимость, чем элементы из монокристаллического кремния, а также просты в массовом производстве.Однако кадмий очень токсичен, что приведет к серьезному загрязнению окружающей среды; Следовательно, это не идеальная замена солнечным элементам из кристаллического кремния.

Эффективность преобразования составных элементов GaAs III-V может достигать 28%. Соединения GaAs имеют очень хорошую оптическую запрещенную зону и высокую эффективность поглощения. Они обладают сильной антирадиационной способностью и нечувствительны к нагреву, что подходит для производства высокоэффективных однопереходных элементов.Однако цена материалов на основе GaAs высока, что в значительной степени ограничивает популярность ячеек на основе GaAs.

Ячейки с тонкой пленкой из селенида меди и индия (называемые CIS) подходят для фотоэлектрического преобразования. Проблем фото деградации нет. У них такая же эффективность преобразования, как у поликремния. Благодаря низким ценам, хорошей производительности, простоте процесса и т. Д. СНГ станет важным направлением будущего развития солнечных элементов. Единственная проблема — это источник материала, поскольку индий и селен являются относительно редкими элементами, поэтому разработка таких батарей должна быть ограничена.

3. Полимерный многослойный модифицированный электродный солнечный элемент

Замена неорганических материалов на органические полимеры — это исследовательское направление недавно начатого производства солнечных элементов. Обладая такими преимуществами, как хорошая гибкость, простота изготовления, широкий спектр источников материалов и низкая стоимость, органические материалы имеют большое значение для крупномасштабного использования солнечной энергии и обеспечения недорогой электроэнергии. Тем не менее, исследования по производству солнечных элементов из органических материалов только начались, их срок службы и эффективность батарей несравнимы с неорганическими материалами, особенно с кремниевыми элементами.Вопрос о том, можно ли из него превратить в практический продукт, еще предстоит изучить.

4. Нанокристаллические солнечные элементы

Нанокристаллический TiO 2 Химия Солнечный элемент — это недавно разработанный продукт. К его достоинствам можно отнести невысокую стоимость, простой процесс и стабильную работу. В то же время его фотоэлектрическая эффективность стабильна на уровне выше 10%, а стоимость производства составляет от 1/5 до 1/10 от кремниевого солнечного элемента, а срок его службы может достигать более 20 лет.

Однако, поскольку исследования и разработки таких элементов только начались, предполагается, что в ближайшем будущем на рынок постепенно выйдут нанокристаллические солнечные элементы.

5. Органические солнечные элементы

Органические солнечные элементы, как следует из названия, представляют собой солнечные элементы, которые образуют органические материалы. Мы не знакомы с органическими солнечными элементами, что вполне разумно. Более 95% современных солнечных элементов основаны на кремнии, в то время как менее 5% остальных солнечных элементов изготовлены из других неорганических материалов.

Вот таблица эффективности преобразования различных типов солнечных элементов:

Деталь

III.Необычные конструкции солнечных батарей

1. Электронный сберегательный аккумулятор

E-Saving Battery имеет идеальный баланс площади солнечных элементов (эффективность выработки электроэнергии) и портативности. Этот продукт не сильно отличается от обычного портативного пауэрбанка. Он по-прежнему имеет форму колонны и выводится через USB-порт, но он имеет встроенные гибкие солнечные элементы, при необходимости удерживающие заднюю часть стержня, и вы можете вытащить солнечный элемент, как катушку, чтобы получить максимальную световую площадь. таким образом повышается эффективность выработки электроэнергии.В мирное время тоже можно поставить панель, что и удобно, и не занято.

2. Складной фотоэлемент

В разделе «Электронная энергосберегающая батарея» мы упомянули гибкий солнечный элемент, который можно свернуть. Тогда можно ли свернуть солнечную батарею? Еще в 2009 году американец по имени Фредерик Кребс создал солнечную пленку, которую можно скручивать или выпрямлять, к которой даже прикрепили ультратонкую литиевую батарею и светодиод. В течение дня вы можете выпрямить его и прикрепить к стене, и он сможет преобразовывать солнечную энергию в электричество и накапливать.вечером можно поставить в доме как комнатное освещение. При желании его также можно свернуть в трубку как фонарик. Согласно видению Кребса, стоимость каждой из них будет меньше 7 долларов США при окончательном массовом производстве такой солнечной светодиодной пленки.

3. SunCats

SunCats — это дизайн Кнута Карлсена. На самом деле, это больше похоже на солнечную наклейку, чем на солнечный элемент, который эквивалентен солнечным элементам, прикрепленным к поверхности обычной аккумуляторной батареи.Поэтому, когда он выключен, бросьте его на подоконник и пусть он поймает немного солнечного света, все будет в порядке.

4. Солнечный свет

Солнечный свет разработан немецким дизайнером Германом Эске. Основной корпус sunLight — это солнечная панель, которую можно свернуть вместе. Помимо прямой зарядки электроники, как у большинства солнечных устройств, у него есть и другие особые функции. Если вы посмотрите на него крупным планом, вы обнаружите, что он выглядит немного иначе. Сзади шесть полых цилиндров.Все загадки скрываются в этих цилиндрах, любой из которых можно представить как небольшой светодиодный фонарик, питаемый от двух встроенных аккумуляторных батарей AAAA и свернутый как мощный фонарик с шестью светодиодами.

IV. Принцип работы солнечных элементов

Солнечные элементы, тип полупроводникового устройства, которое эффективно поглощает солнечное излучение и преобразует его в электрическую энергию, также известны как фотоэлектрические элементы из-за их фотоэлектрического эффекта , использующего различные потенциальные барьеры.Ядром этих устройств является полупроводник с высвобождением электронов. Наиболее часто используемый полупроводниковый материал — кремний. Поскольку запасы кремния в земной коре богаты, можно сказать, что он неисчерпаем. Когда солнечный свет освещает поверхность полупроводника, валентные электроны атомов в N- и P-областях полупроводника возбуждаются солнечными фотонами, а энергия, превышающая ширину запрещенной зоны Eg, получается оптическим облучением. Таким образом, в зоне проводимости образуется много электронно-дырочных пар, находящихся в несбалансированном состоянии внутри полупроводникового материала.Эти фотовозбужденные электроны и дырки свободно сталкиваются или рекомбинируют в полупроводнике до состояния равновесия. Композитный процесс не проявляет внешнего проводящего эффекта. Это часть автоматической потери энергии солнечных элементов. Небольшое количество носителей в фотовозбужденных носителях может перемещаться в область P-N-перехода и дрейфовать в противоположную область из-за эффекта притяжения неосновных носителей P-N-перехода, и формируется противоположное направление, противоположное электрическому полю фотоэлектрического поля барьера P-N перехода.После подключения к внешней цепи вы можете получить выходную мощность. Когда большое количество таких небольших солнечных фотоэлектрических элементов объединяется последовательно и параллельно, чтобы сформировать модуль фотоэлектрических элементов, под действием солнечной энергии выдается достаточно большая электрическая мощность. Важно, чтобы полупроводниковые материалы для солнечных элементов имели подходящую ширину запрещенной зоны. Полупроводник с разной шириной запрещенной зоны поглощает только часть энергии солнечного излучения для генерации электронно-дырочных пар. Чем меньше ширина запрещенной зоны, тем большая часть солнечного спектра будет поглощена, и в то же время количество потерянной энергии будет больше вблизи пиков солнечного спектра.Видно, что более эффективно использовать солнечный спектр можно только путем выбора полупроводниковых материалов с подходящей шириной запрещенной зоны. Поскольку полупроводник с прямым переносом имеет более высокую эффективность поглощения света, чем полупроводник с непрямым переносом, предпочтительно, чтобы он был полупроводником с прямым переносом.

Анализ

В. Фотоэлектрический эффект

Как упоминалось выше, здесь нам нужно объяснить фотоэлектрический эффект.

Вот видео о фотоэлектрическом эффекте:

Доцент кафедры материаловедения и инженерии Джефф Гроссман объясняет фотоэлектрические элементы / солнечные элементы

Так называемый фотогальванический эффект — это когда объект освещается, распределение заряда в пределах изменения состояния объекта влияет на электродвижущую силу и ток. Когда солнечный свет или другой свет попадает на PN-переход полупроводника, по обе стороны от PN-перехода появляется напряжение, которое называется фотоиндуцированным напряжением.

Когда свет попадает на PN-переход, образуется электронно-дырочная пара. Носители, генерируемые вблизи PN-перехода в полупроводнике, не рекомбинируются для достижения области пространственного заряда. Из-за притяжения внутреннего электрического поля электрон течет в N-область, а дырка — в P-область. В результате избыточные электроны накапливаются в области N, а избыточные дырки присутствуют в области P. Они образуют фотогенерируемое электрическое поле напротив барьера вблизи p-n-перехода.В дополнение к частичному противодействию роли электрического поля потенциального барьера, фотогенерированное электрическое поле также делает P-область положительной, а N-область — отрицательной. Затем создает электродвижущую силу между тонким слоем в области N и P, что является фотоэлектрическим эффектом.

Книжная Рекомендация

Эта книга представляет собой всестороннее введение в физику фотоэлектрических элементов. Он подходит для студентов, аспирантов и исследователей, плохо знакомых с этой областью.Он охватывает: основы физики полупроводников в фотоэлектрических устройствах; физические модели работы солнечных элементов; характеристики и конструкция распространенных типов солнечных элементов; и подходы к повышению эффективности солнечных элементов. В тексте объясняются термины и концепции физики устройств на солнечных элементах и ​​показано, как формулировать и решать соответствующие физические проблемы. Включены упражнения и отработанные решения. Содержание: Фотоны входят, электроны выходят: основные принципы фотоэлектрической системы; Электроны и дырки в полупроводниках; Генерация и рекомбинация; Узлы; Анализ p n перехода; Монокристаллические солнечные элементы; Тонкопленочные солнечные элементы; Управляющий свет; Превышение предела: стратегии повышения эффективности.

— Дженни Нельсон (Автор)

Основное внимание уделяется кремниевым устройствам с одним переходом, но также описаны некоторые полупроводники III-V. В основном освещается физика солнечных элементов, но есть некоторая информация по практическим вопросам установки.

— Мартин А. Грин (Автор)

Актуальная информация по теме «Принцип работы и разработка солнечных батарей»

О статье «Принцип работы и развитие солнечной батареи», Если у вас есть лучшие идеи, не стесняйтесь писать свои мысли в следующей области комментариев.Вы также можете найти больше статей об электронных полупроводниках через поисковую систему Google или обратиться к следующим связанным статьям.

Емкость аккумулятора

Емкость аккумулятора

Вот некоторые консервативные значения мощности для щелочно-марганцевой кислоты хорошего качества.
диоксидные батареи доступны в местном продуктовом магазине.

Емкость батареи будет лучше при меньших токах утечки.Чтобы определить
Срок службы батареи, разделите емкость на фактический ток нагрузки, чтобы получить часы работы. А
Схема, потребляющая 10 мА, питаемая от прямоугольной батареи на 9 В, будет работать около 50
часов: 500 мАч / 10 мА = 50 часов Напряжение щелочных элементов постоянно падает с
использование от 1,54 вольт до примерно 1 вольта в разряженном состоянии. Напряжение около 1,25 вольт при
точка сброса 50%. Щелочные элементы проявляют немного повышенную емкость при нагревании.
и производительность значительно падает при температуре ниже точки замерзания.Меркурий и серебро
оксидные батареи имеют почти вдвое большую емкость, чем щелочные батареи того же размера, но
текущие рейтинги значительно ниже. Щелочные батареи также имеют хороший срок хранения.
что делает их идеальными для домашних электронных проектов. Аккумуляторные батареи имеют меньше
емкость, чем у первичных ячеек, как показано в следующей таблице. Эта диаграмма показывает емкость
в процентах от емкости щелочной батареи тех же размеров.

Новый тип перезаряжаемых щелочных батарей выходит на рынок во время
это письмо и может предложить лучшее соотношение цены и качества, чем ni-cads.Никель-кадмиевые элементы имеют
номинальное напряжение 1,2 вольт и обычно заряжаются при 1/10 ампер-часа. В
зарядка занимает более 10 часов, так как этот тариф может зависеть от зарядки
неэффективность. Полная зарядка обычно занимает не менее 14 часов. Специальные ячейки Ni-CAD могут
выдерживают скорость зарядки, приближающуюся к номинальной ампер-час, но специальные зарядные устройства, которые сокращают
требуется зарядный ток, когда аккумулятор нагревается. Свинцово-кислотные клетки имеют
номинальное напряжение 2 В и может заряжаться с высокой скоростью, обычно выше ампер-часа
показатель.Зарядное устройство может быть простым источником напряжения с ограничением по току, обеспечивающим 2,33 В на каждый
ячейка при комнатной температуре с температурным коэффициентом -4 мВ / C.

Разные емкости аккумуляторов

См .