Alkalisk batteri

Størrelsessammenligning av alkaliske batterier (fra venstre mot høyre): C, AA, AAA, N, PP3 (9 volt).

Et alkalisk batteri er en type primærbatteri som henter sin energi fra reaksjonen mellom sinkmetall og mangandioksid.

Sammenlignet med sink-karbonbatterier av Leclanché-cellen eller sinkkloridtyper, har alkaliske batterier høyere energitetthet og lengre holdbarhet, men gir likevel den samme spenningen.

Det alkaliske batteriet får navnet sitt fordi det har en alkalisk elektrolytt av kaliumhydroksid i stedet for det sure ammoniumkloridet eller sinkkloridelektrolytten av sink-karbonbatteriene. Andre batterisystemer bruker også alkaliske elektrolytter, men de bruker forskjellige aktive materialer til elektrodene.

Alkaliske batterier utgjør 80% av produserte batterier i USA og over 10 milliarder individuelle enheter produsert over hele verden. I Japan utgjør alkaliske batterier 46% av alt primærbatterisalg. I Sveits står alkaliske batterier for 68%, i Storbritannia 60% og i EU 47% av alt batterisalg inkludert sekundære typer. Alkaliske batterier inneholder sink og mangandioksid, som kan være giftige i høye konsentrasjoner. Imidlertid er toksisiteten til alkaliske batterier moderat sammenlignet med andre batterityper.

Alkaliske batterier brukes i mange husholdningsartikler, for eksempel MP3-spillere, CD-spillere, digitale kameraer, leker, lommelykter og radioer.

Historie

Thomas Edisons nikkel-jernbatterier brukte en kaliumhydroksidelektrolytt produsert mellom 1972 og 1975 under merket "Exide", opprinnelig utviklet i 1901 av Thomas Edison.

Batterier med alkalisk (i stedet for syre) elektrolytt ble først utviklet av Waldemar Jungner i 1899, og uavhengig på nytt av Thomas Edison i 1901. Det moderne alkaliske tørrbatteriet ved bruk av sink/mangandioksidkjemi ble oppfunnet av den kanadiske ingeniøren Lewis Urry på 1950-tallet i Canada allerede før han begynte å jobbe for Union Carbides Eveready Batteri-divisjon i Cleveland, OH, og bygde videre på tidligere arbeid av Edison. 9. oktober 1957 ble Urry, Karl Kordesch og P.A. Marsal innlevert amerikansk patent (2 960 558) for det alkaliske batteriet. Den ble gitt i 1960 og ble tildelt Union Carbide Corporation.

Når den ble introdusert på slutten av 1960-tallet, hadde sinkelektroden til alkaliske batterier (til felles med de allestedsnærværende karbon-sinkcellene) en overflatefilm av kvikksølvamalgam. Hensikten var å kontrollere elektrolytisk handling på urenheter, noe som ville redusere holdbarheten og fremme lekkasje. Da reduksjoner i kvikksølvinnhold ble pålagt av forskjellige lovgivere, ble det nødvendig å forbedre sinkens renhet og konsistens.

Kjemi

Snitt gjennom et alkalisk batteri.

I et alkalisk batteri er den negative elektroden sink og den positive elektroden mangandioksid (MnO₂). Den alkaliske elektrolytten av kaliumhydroksid er ikke en del av reaksjonen, bare sink og MnO₂ forbrukes under utladning. Den alkaliske elektrolytten av kaliumhydroksid forblir, ettersom det er like store mengder OH-forbrukes og produseres.

Halvreaksjonen er:

$\mathrm{Z}\mathrm{n}(\mathrm{s})+2\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-}(\mathrm{a}\mathrm{q})⟶\mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{O}(\mathrm{s})+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}(\mathrm{l})+2\mathrm{e}{\phantom{A}}^{-}[\mathrm{E}{\phantom{A}}_{\mathrm{o}\mathrm{k}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{d}\mathrm{a}\mathrm{s}\mathrm{j}\mathrm{o}\mathrm{n}}{\phantom{A}}^0=+1,28\mathrm{V}]$

$2\mathrm{M}\mathrm{n}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2(\mathrm{s})+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}(\mathrm{l})+2\mathrm{e}{\phantom{A}}^{-}⟶\mathrm{M}\mathrm{n}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_3(\mathrm{s})+2\mathrm{O}\mathrm{H}{\phantom{A}}^{-}(\mathrm{a}\mathrm{q})[\mathrm{E}{\phantom{A}}_{\mathrm{r}\mathrm{e}\mathrm{d}\mathrm{u}\mathrm{k}\mathrm{s}\mathrm{j}\mathrm{o}\mathrm{n}}{\phantom{A}}^0=+0,15\mathrm{V}]$

Generell reaksjon:

$\mathrm{Z}\mathrm{n}(\mathrm{s})+2\mathrm{M}\mathrm{n}\mathrm{O}{\phantom{A}}_2(\mathrm{s})\stackrel{-\rightharpoonup }{\leftharpoondown -}\mathrm{Z}\mathrm{n}\mathrm{O}(\mathrm{s}){\phantom{A}}^{+}\mathrm{M}\mathrm{n}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}{\phantom{A}}_3(\mathrm{s})[\mathrm{e}{\phantom{A}}^0=+1,43\mathrm{V}]$

Den kjemiske energien lagres hovedsakelig i sinkmetallet, hvis sammenhengende frie energi per atom er minst 225 kJ/mol høyere (mindre stabil) enn de tre oksidene.