알칼리 전지

Alkaline battery
알칼리 전지
Alkali battery 5.jpg
알칼리 전지 크기 비교(좌우): C, AA, AAA, N, PP3(9볼트).
자가 방전율0.3% 미만/월
시간 내구성5~10년
공칭 셀 전압1.5 V

알칼리 전지(IEC 코드: L)는 아연 금속과 이산화망간의 반응에서 에너지를 얻는 1차 전지입니다.

르클랑제 전지 또는 염화 아연 유형의 아연-탄소 배터리에 비해 알칼리 전지는 에너지 밀도가 높고 저장 수명이 길지만 동일한 전압을 제공한다.

알칼리 배터리는 아연-탄소 배터리의 산성 염화 암모늄(NHCl4) 또는 염화 아연(ZnCl2) 전해질 대신 수산화 칼륨(KOH)의 알칼리 전해질을 가지고 있기 때문에 이름이 붙여졌습니다.다른 배터리 시스템도 알칼리성 전해질을 사용하지만 전극에는 다른 활성 물질을 사용합니다.

알칼리 배터리는 미국에서 제조된 배터리의 80%를 차지하며, 전 세계적으로 100억 개 이상의 개별 유닛이 생산됩니다.일본에서는 알칼리성 배터리가 전체 기본 배터리 판매량의 46%를 차지하고 있습니다.스위스에서는 알칼리성 배터리가 68%, 영국에서는 60%, EU에서는 47%의 배터리 판매량을 차지하고 있습니다.[1][2][3][4][5]알칼리 배터리에는 아연(Zn)과 이산화망간(MnO2)(건강 코드 1)이 포함되어 있으며, 이는 누적 신경 독소로 고농도에서는 독성이 있을 수 있습니다.그러나 알칼리성 배터리의 독성은 다른 배터리에 비해 [6]중간 수준입니다.

알칼리 건전지는 MP3 플레이어, CD 플레이어, 디지털 카메라, 장난감, 손전등, 라디오와 같은 많은 가정용품에 사용된다.

역사

다음 항목도 참조하십시오.배터리 이력
1901년 토마스 에디슨이 개발한 "Exide"라는 브랜드로 제조된 토마스 에디슨의 니켈-철 배터리는 수산화칼륨 전해질을 사용했다.

알칼리성(산 대신) 전해질을 가진 배터리는 1899년 발데마르 융너에 의해 처음 개발되었고 1901년 토마스 에디슨에 의해 독립적으로 작동하였다.아연/망간 이산화물 화학을 사용하는 현대의 알칼리 건전지는 캐나다 엔지니어 루이스 우리에 의해 1950년대에 발명되었으며,[7][8] 그는 미국 오하이오주 클리블랜드에 있는 유니언 카바이드 에버레디 배터리 사업부에서 일하기 전에 에디슨의 초기 작업을 기반으로 만들어졌습니다.1957년 10월 9일, Urry, Karl Kordesch, P.A.마르살은 알칼리 배터리에 대한 미국 특허(2960,558)를 출원했다.1960년에 부여되어 유니온 카바이드 [9]사에 할당되었습니다.

1960년대 후반에 도입되었을 때, 알칼리 배터리의 아연 전극(당시 유비쿼터스 탄소-아연 전지와 공통)은 수은 아말감의 표면막을 가지고 있었다.그 목적은 불순물 현장의 전해 작용을 제어하여 저장 수명을 단축하고 누출을 촉진하는 것이었다.수은 함량의 감소가 여러 입법부에 의해 의무화됨에 따라,[10] 아연의 순도와 일관성을 크게 개선할 필요가 있게 되었습니다.

화학

알칼리성 전지에서 부극은 아연, 정극은 이산화망간(MnO2)이다.수산화칼륨의 알칼리성 전해질은 반응 중에 소비되지 않고 아연과 MnO만2 배출됩니다.수산화칼륨의 알칼리성 전해질은 소비되고− 생성되는 OH의 양이 같기 때문에 남아 있습니다.

반반응은 다음과 같습니다.

Zn(s) + 2OH−(aq) → ZnO(s) + HO2(l) + 2e− [Eoxidation° = +1.28V]
2MnO2(s) + HO2(l) + 2e− → MnO23(s) + 2OH−(aq) [Ereduction° = +0.15V]

전체적인 반응:

Zn(s) + 2MnO2(s) ⇌ ZnO(s) + MnO23(s) [e° = +1.43V]

용량.

버튼과 동전 셀의 크기가 다양합니다.어떤 것들은 알칼리성이고 다른 것들은 산화은이다.크기 비교로 9V 배터리 2개가 추가되었습니다.사이즈 코드 마크를 표시하려면 확대합니다.

알칼리성 배터리의 용량은 이산화망간이 더 순수하고 밀도가 높으며 전극과 같은 내부 구성요소가 차지하는 공간이 적기 때문에 동일한 크기의 르클랑제 셀 또는 염화 아연 셀보다 큽니다.알칼리성 전지는 산성 전지의 3~5배의 용량을 제공할 수 있다.

알칼리 배터리의 용량은 부하에 따라 크게 달라집니다.AA 크기의 알칼리 배터리는 낮은 방전 상태에서는 3000mAh의 유효 용량을 가질 수 있지만, 디지털 카메라에 공통적인 1암페어 부하에서는 용량이 700mAh에 불과할 수 있다.배터리의 전압은 사용 중에 꾸준히 감소하므로, 사용 가능한 총 용량은 애플리케이션의 차단 전압에 따라 달라집니다.

르클랑제 셀과 달리 알칼리 셀은 간헐적 또는 지속적인 광부하로 약 같은 용량을 제공합니다.고부하에서는 연속방전 시 간헐방전에 비해 용량이 감소하지만 감소량은 르클랑슈 세포에 비해 적다.

전압

제조업체 표준에 의해 설정된 새로운 알칼리 전지의 공칭 전압은 1.5V입니다.새 알칼리 배터리의 실제 제로 로드 전압은 사용되는 이산화망간 순도와 전해질 내 산화아연 함량에 따라 1.50~1.65V입니다.부하로 전달되는 전압은 소비 전류가 증가하고 셀이 방전됨에 따라 감소합니다.전압이 약 1.0V로 떨어지면 셀이 완전히 방전된 것으로 간주됩니다. 직렬로 연결된 셀은 각 셀의 전압 합계에 해당하는 전압을 생성합니다(예: [10]셀 3개가 새로 생겼을 경우 약 4.5V를 생성합니다).

AA 배터리 전압 대 용량, 제로 로드 및 330 mW 로드[11] 시
용량. 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%
제로로드 1.59V 1.44V 1.38V 1.34V 1.32V 1.30V 1.28V 1.26V 1.23V 1.20V 1.10V
330 mW 1.49V 1.35V 1.27V 1.20V 1.16V 1.12V 1.10V 1.08V 1.04V 0.98V 0.62V

현재의

알칼리 배터리가 공급할 수 있는 전류의 양은 물리적 크기에 거의 비례합니다.이는 셀 내부 표면적이 증가함에 따라 내부 저항이 감소하기 때문입니다.경험상 AA 알칼리 배터리는 700mA를 가열하지 않고도 공급할 수 있습니다.C 셀이나 D 셀과 같이 큰 셀은 더 많은 전류를 전달할 수 있습니다.강력한 휴대용 오디오 기기 등 여러 암페어의 전류를 필요로 하는 어플리케이션에서는 증가된 부하를 처리하기 위해 D사이즈 셀이 필요합니다.

건설

알칼리 전지

알칼리성 배터리는 아연-탄소 배터리와 교환 가능한 표준 원통 형태 및 버튼 형태로 제조됩니다.9V PP3 크기의 배터리와 같이 여러 개의 개별 셀을 상호 연결하여 진정한 "배터리"를 형성할 수 있습니다.

원통형 셀은 캐소드 접속인 인발 스테인리스 캔에 수용된다.양극 혼합물은 전도성을 높이기 위해 탄소 분말을 첨가한 이산화망간 압축 페이스트입니다.페이스트는 캔에 압착되거나 프리몰드 링으로 부착될 수 있습니다.음극의 중공 중앙에는 전극 재료의 접촉과 셀의 단락을 방지하는 분리기가 있습니다.분리기는 셀룰로오스 또는 합성 폴리머의 부직포 층으로 만들어집니다.세퍼레이터는 이온을 전도하고 고알칼리성 전해질 용액에서 안정적인 상태를 유지해야 합니다.

음극은 수산화칼륨 전해질을 포함한 겔 내의 아연 분말의 분산으로 구성되어 있습니다.아연 분말은 금속 캔에 비해 화학 반응이 일어날 수 있는 더 많은 표면적을 제공한다.이것은 셀의 내부 저항을 낮춥니다.세포의 수명이 다했을 때 가스가 방출되는 것을 방지하기 위해 모든 아연과 반응하는 데 필요한 것보다 더 많은 이산화망간이 사용됩니다.또한 누출 저항성을 높이기 위해 일반적으로 플라스틱 개스킷을 추가합니다.

그런 다음 셀을 알루미늄 호일, 플라스틱 필름으로 감싸고, 드물게는 골판지로 감싼다. 골판지는 누출 방지의 최종 층 역할을 할 뿐만 아니라 로고와 레이블을 인쇄할 수 있는 표면을 제공합니다.

AAA, AA, C, 서브 C, D 사이즈의 셀을 기술할 때 음극은 플랫 엔드에 접속하고 양극 단자는 상승 버튼이 있는 엔드입니다.이것은 보통 버튼 셀에서는 반대이며, 평평한 끝의 원통형 단자가 양의 단자가 될 수 있습니다.

알칼리 배터리 충전

주요 기사:충전식 알칼리 전지

일부 알칼리 배터리는 여러 번 충전되도록 설계되어 있으며, 충전식 알칼리 배터리로 설명됩니다.표준 알칼리성 배터리를 충전하려고 하면 파열되거나 기기를 부식시킬 수 있는 위험한 액체가 누출될 수 있습니다.그러나 표준 알칼리성 배터리는 충전 후 용량이 감소하더라도 여러 번(일반적으로 10개 이하) 충전할 수 있다고 보고되고 있습니다. 충전기는 상업적으로 구입할 수 있습니다.영국 소비자 단체 Which?는 Energizer 알칼리 배터리로 두 개의 충전기를 테스트한 결과, 두 [12]번 충전한 후 배터리 용량이 원래 값의 평균 10%까지 감소했으며, 두 번 충전한 후에는 배터리 용량이 대폭 감소했다고 보고했습니다.

2017년 Gautam G. Yadav는 이론적으로 [clarification needed][13][14]이산화망간의 제2전자 용량 때문에 인터레이어에 구리 이온을 섞어 만든 알칼리 배터리가 6,000 사이클 이상 충전될 수 있다는 논문을 발표했다.구리 중간 이산화망간을 사용한 충전식 배터리의 에너지 밀도는 160Wh/L 이상이며, 이는 수성 기반 화학 제품 [14]중 가장 우수한 것으로 보고되었습니다.배터리의 아연 사용률이 [13]향상되면, 리튬 이온(> 250 Wh/L)에 필적하는 에너지 밀도를 실현할 수 있습니다.

누수

알칼리 배터리 내부 칼륨 화합물 누출

알칼리성 배터리는 호흡, 눈 및 피부에 [note 1]자극을 줄 수 있는 부식성 물질인 수산화칼륨이 누출되기 쉽습니다.일회용 알칼리성 셀을 충전하지 않거나, 같은 디바이스에서 다른 종류의 배터리를 혼합하지 않거나, 모든 배터리를 동시에 교체하거나, 건조한 장소와 실온에 배터리를 보관하거나, 디바이스를 보관하기 위해 배터리를 분리함으로써 이러한 위험을 줄일 수 있습니다.

모든 배터리는 (장치에 장착되었는지 여부에 관계없이) 점차적으로 자가 방전되며, 결국 방전된 배터리가 누출됩니다.또한 온도가 매우 높으면 배터리가 파열되거나 누출될 수 있으며(여름철 차량 등), 배터리의 저장 수명을 단축할 수 있습니다.

누출의 이유는 배터리가 사용 또는 점진적인 자가 방전을 통해 방전됨에 따라 전지의 화학 작용이 변화하여 일부 수소 가스가 생성되기 때문입니다.이 배기 가스는 배터리의 압력을 증가시킵니다.결국 과도한 압력으로 인해 배터리 끝의 절연 씰이나 외부 금속 캐니스터 또는 둘 다 파열됩니다.또한 배터리가 노후화됨에 따라 강철 외부 캐니스터가 점차 부식되거나 녹슬 수 있으며, 이는 격납 건물 고장의 원인이 될 수 있습니다.

일단 외부 강철 껍데기의 부식으로 인해 누출이 발생하면 수산화칼륨은 공기 중의 이산화탄소를 흡수하여 시간이 지남에 따라 성장 및 확산되는 탄산칼륨의 깃털 같은 결정 구조를 형성하고, 금속 전극을 따라 회로 기판에 구리 트랙 및 기타 Co의 산화를 시작합니다.컴포넌트 때문에 회로에 영구적인 손상이 발생합니다.

누출 결정성 성장물은 배터리 커버 주변의 이음새에서 나와 장치 외부에 털로 코팅되어 누출 장치와 접촉하는 물체를 부식시킬 수도 있습니다.

처리.

1996년 수은 감소로 일부 지역에서는 알칼리성 배터리를 일반 가정 폐기물로 처리할 수 있게 되었습니다.그러나 수은이 함유된 구형 알칼리 배터리 및 모든 배터리(신품 및 구형)의 나머지 중금속 및 부식성 화학물질은 여전히 폐기 문제가 있으며 특히 [15][16]매립지에서 폐기 문제가 발생합니다.또한 가장 유독성이 높은 폐기물이 일반 폐기물 흐름에서 빠져나갈 수 있도록 배터리 폐기를 간소화해야 하는 문제도 있습니다.

폐기는 관할구역에 따라 다릅니다.예를 들어 캘리포니아 주에서는 폐기 시 모든 배터리를 유해 폐기물로 간주하고 다른 가정용 [17]폐기물과 함께 배터리를 폐기하는 것을 금지하고 있습니다.유럽에서는 배터리 폐기가 WEEE 지침 및 배터리 지침 규정에 의해 관리되므로 알칼리성 배터리를 가정용 폐기물과 함께 버려서는 안 됩니다.EU에서는 배터리를 판매하는 대부분의 상점들이 재활용을 위해 오래된 배터리를 받아들이도록 법으로 규정되어 있다.

재활용

일회용 배터리의 사용은 매년 5~6%씩 증가하고 있습니다.과거에 사용한 배터리는 매립지에 폐기되었지만, 2004년에는 EU의 규제에 의해 매립지의 알칼리성 배터리의 폐기가 금지되었다.EU 회원국은 2016년까지 알칼리 배터리의 50%를 재활용할 것을 약속하고 있습니다.따라서 재활용의 필요성은 연간 125,000톤에 달한다.알칼리성 배터리의 점유율은 전체의 [citation needed]약 80%입니다.

미국에서는 캘리포니아 한 주에서만 모든 알칼리 배터리를 재활용해야 합니다.버몬트는 또한 주 전체의 알칼리 배터리 수집 프로그램을 [18]가지고 있다.미국의 다른 주에서는 개인이 배터리를 재활용 업체에 배송하는 데 사용되는 배터리 재활용 키트를 구입할 수 있습니다.IKEA와 같은 몇몇 상점들은 재활용을 위해 알칼리 건전지를 모으기도 한다.그러나 배터리 재활용을 광고하는 일부 체인점(예: Best Buy)에서는 충전식 배터리만 사용할 수 있으며 일반적으로 알칼리성 [19]배터리를 사용할 수 없습니다.

재활용 시에는 분쇄된 알칼리 전지로부터의 금속을 기계적으로 분리하여 폐흑괴를 화학적으로 처리하여 아연, 이산화망간 및 수산화칼륨을 분리한다.

「 」를 참조해 주세요.

메모들

  1. ^ 이 알칼리는 특히 손전등의 일반적인 재료인 알루미늄을 공격합니다.알칼리성 배터리의 누출로 인해 손상될 수 있습니다.

레퍼런스

  1. ^ Olivetti, Elsa; Jeremy Gregory; Randolph Kirchain (February 2011). "Life Cycle Impacts of Alkaline Batteries with a Focus on End-of-Life - EBPA-EU" (PDF). Massachusetts Institute of Technology, Materials Systems Lab. p. 110. Archived from the original (PDF) on 2011-10-07. Retrieved 29 July 2014.
  2. ^ "BAJ Website - Monthly battery sales statistics". Battery Association of Japan. Mar 2011. Archived from the original on 2010-12-06. Retrieved 29 July 2014.
  3. ^ "Absatzzahlen 2008" (PDF) (in German). Interessenorganisation Batterieentsorgung. Archived from the original (PDF) on March 25, 2012. Retrieved 29 July 2014.
  4. ^ Fisher, Karen; Wallén, Erika; Laenen, Pieter Paul; Collins, Michael (18 October 2006). "Battery Waste Management Life Cycle Assessment Final Report for Publication" (PDF). Environmental Resources Management, DEFRA. p. 230. Archived from the original (PDF) on 8 October 2013. Retrieved 29 July 2014.
  5. ^ "EPBA Battery Statistics - 2000". European Portable Battery Association. 2000. Archived from the original on March 21, 2012. Retrieved 29 July 2014.
  6. ^ Health Effects. Agency for Toxic Substances and Disease Registry (US). September 2012.
  7. ^ "Science.ca : Lew Urry".
  8. ^ Baird, Gabriel (2011-08-03). "Thomas Edison provided Lew Urry spark of idea for better alkaline battery: Greater Cleveland Innovations". cleveland.com. Retrieved 17 November 2014.
  9. ^ 미국 특허 2960558 (영어)
  10. ^ a b Reddy, David Linden, Thomas B. (2001). Linden's handbook of batteries (3 ed.). New York: McGraw-Hill. pp. 10–12. ISBN 978-0-07-135978-8.
  11. ^ SK Loo and Keith Keller (Aug 2004). "Single-cell Battery Discharge Characteristics Using the TPS61070 Boost Converter" (PDF). Texas Instruments.
  12. ^ Ryan Shaw (February 2016). "Battery Chargers - What You Need To Know". Which?. Retrieved 20 May 2019.
  13. ^ a b Yadav, G.G. (2017). "Regenerable Cu-intercalated MnO2 layered cathode for highly cyclable energy dense batteries". Nature Communications. 8: 14424. Bibcode:2017NatCo...814424Y. doi:10.1038/ncomms14424. PMC 5343464. PMID 28262697.
  14. ^ a b Yadav, Gautam (2017). "A conversion-based highly energy dense Cu2+ intercalated Bi-birnessite/Zn alkaline battery". Journal of Materials Chemistry A. 5 (30): 15845. doi:10.1039/C7TA05347A.
  15. ^ Environmental Services Department. "Battery Recycling". City of San Diego. Retrieved 5 September 2012.
  16. ^ Raw Materials Company. "Frequently Asked Questions". Archived from the original on 6 October 2012. Retrieved 5 September 2012.
  17. ^ "Batteries". Waste Prevention Information Exchange of ion due to graphite. California Department of Resources Recycling and Recovery (CalRecycle). Retrieved 5 September 2012.
  18. ^ "Battery Care, Use and Disposal Duracell Batteries".
  19. ^ RecycleNation (2014-03-18). "How to Recycle Alkaline Batteries". RecycleNation. Retrieved 2018-06-09.

외부 링크

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