17.3.2 Ртутно-цинковые элементы

В ртутно-цинковых элементах используется пористый цинковый электрод, в который для уменьшения коррозии вводят до 10 % ртути, и катод из оксида ртути в смеси с графитом. Электролит представляет собой 30…40 % раствор КОН. Основные электродные процессы описываются уравнениями:

Zn + 2OH⁻ → Zn(OH)₂ + 2e⁻ (с последующим разложением

гидрооксида цинка на ZnО и воду) и

Hg + H₂O + 2e⁻ → Hg + 2OH⁻

Напряжение ртутно-цинкового элемента остается стабильным до конца разряда малыми токами (до 0,01 С_Н). При таких токах стабильное напряжение обеспечивается даже при 0⁰С. Это позволяет использовать их в качестве опорных элементов в измерительной аппаратуре. Элементы имеют одинаково хорошие характеристики, как при непрерывном, так и при прерывистом режимах работы. Типовые разрядные характеристики ртутно-цинковых элементов приведены на рис.17.7.

Напряжение разорванной цепи этих элементов составляет 1,35 В, рабочее напряжение – 1,22…1,25 В. Диапазон рабочих температур от −30 до +70⁰С. Конечное напряжение разряда составляет 0,9…1,0 В.

Наибольшее распространение получили ртутно-цинковые элементы в дисковом исполнении (рис.17.8), в которых положительный цинковый электрод 1 впрессовывается в стальной корпус, а отрицательный (активная масса) 2 – в крышку. В них нет свободного пространства, и водород, который выделяется при коррозии цинка, удаляется через герметизирующую прокладку 4 путем диффузии. Электролит при этом вытекать не должен.

Миниатюрные ртутно-цинковые элементы широко использовались в фототехнике, ручных электронных часах, калькуляторах и медицинской аппаратуре. Однако экологические проблемы, связанные с токсичностью ртути, привели повсеместно к прекращению производства этих элементов. Для их замены рекомендуется использовать серебряно-цинковые или литиевые гальванические элементы.

17.3.3 Серебряно-цинковые элементы

Серебряно-цинковые гальванические элементы обладают электрическими характеристиками близкими к характеристиками ртутно-цинковых элементов, стабильной разрядной характеристикой при высоком рабочем напряжении (1,5 В) и длительным сроком хранения. Однако, они менее чувствительны к повышению токовой нагрузки. Диапазон рабочих температур составляет от 0 до +40⁰С. Эти элементы наиболее безопасны для экологии, однако они относительно дороги.

Серебряно-цинковые элементы выпускаются в основном в дисковом исполнении и их конструкция подобна конструкции ртутно-цинковых элементов. Основное применение серебряно-цинковых элементов – ручные электронные часы. Параметры таких элементов основных производителей приведены в табл.17.7.

17.3.4 Воздушно-цинковые элементы

Воздушно-цинковые элементы отличаются от остальных первичных химических источников тока наличием специального отверстия, которое вскрывается при вводе в эксплуатацию для того, чтобы обеспечивать поступление внутрь элемента воздуха, кислород которого используется в качестве окислителя.

В качестве катода, на котором восстанавливается кислород воздуха, используются угольные электроды, модифицированные катализатором. Активным материалом анода является цинк, электролитом – раствор КОН или NaOH. Суммарная токообразующая реакция в элементе может быть записана:

Zn +1/2 H₂O + 2OH⁻ + H₂O → Zn(OH)₄²⁻

По мере растворения цинка и насыщения раствора цинкат-ионами Zn(OH)₄²⁻ разлагается с выпадением в осадок оксида цинка ZnO.

Напряжение разорванной цепи такого элемента составляет 1,4 В, а рабочее напряжение – 1,35 В.Диапазон рабочих температур составляет +10…+40⁰С.

Малогабаритные воздушно-цинковые элементы имеют дисковую конструкцию (рис.17.9) и в основном применяются для слуховых аппаратов. Анод изготавливается из порошкообразного цинка. Катод – тонкий из активированного угля, сажи и катализатора. Электролит обычно сгущенный. С помощью специальной мембраны воздух после вскрытия отверстия равномерно распределяется по поверхности катода. Электролит через гидрофорбный слой не проходит. Такие элементы изготавливаются емкостью от 50 до 6300 мА·ч.

Батареи из марганцево-воздушно-цинковых элементов в призматическом исполнении используются также для работы навигационного оборудования, например, серии «Лиман» или «Бакен».