Магниевая батарея | Химическое строение магниевой батареи
Магний используется в качестве анодного материала в первичных батареях из-за его высокого стандартного потенциала. Это легкий металл. Он также легко доступен, будучи дешевым металлом. Батарея магний/диоксид марганца (Mg/MnO2) имеет в два раза больший срок службы, то есть емкость, чем батарея цинк/диоксид марганца (Zn/MnO2) того же размера. Она также может сохранять свою емкость во время хранения, даже при высоких температурах. Батарея на основе магния очень долговечна и подходит для хранения, так как на поверхности магниевого анода всегда образуется защитное покрытие.
Батарея на основе магния теряет свою способность к хранению после частичной разрядки, поэтому она не очень подходит для использования в длительных прерывистых приложениях. Это главная причина, по которой батарея на основе магния теряет популярность, а литий-ионные батареи занимают ее рынок.
Химия батареи на основе магния
В первичной батарее на основе магния используется сплав магния в качестве анода; диоксид марганца используется в качестве катодного материала. Однако диоксид марганца не обеспечивает необходимую проводимость катоду, поэтому с ним смешивают ацетиленовый черный, чтобы достичь требуемой проводимости. В качестве электролита используется перхлорат магния. Для предотвращения коррозии в электролит добавляются хроматы бария и лития. Гидроксид магния также добавляется в эту смесь в качестве буферного агента для улучшения хранения.
Окислительная реакция, происходящая на аноде, следующая:
Редукционная реакция, происходящая на катоде, следующая:
Общая реакция:
Напряжение открытого контура этой ячейки составляет около 2 вольт, но теоретическое значение потенциала ячейки составляет 2,8 вольта.
Вероятность коррозии магния очень мала, даже в экстремальных условиях окружающей среды. Необработанный магний реагирует с влагой и образует тонкую пленку Mg(OH)2 на своей поверхности.
Эта тонкая пленка пероксида магния служит защитным слоем от коррозии на магнии. Кроме того, обработка хроматом магния значительно улучшает эту защиту. Однако, когда этот защитный слой пероксида магния поврежден или удален вследствие разрядки батареи, происходит коррозия с образованием водородного газа.
Это основная химия батареи на основе магния.
Конструкция батареи на основе магния
По конструкции цилиндрическая батарея на основе магния похожа на цилиндрическую батарею на основе цинка-углерода. Здесь сплав магния используется в качестве основного контейнера батареи. Этот сплав состоит из магния и небольшого количества алюминия и цинка. Диоксид марганца используется в качестве катодного материала. Поскольку диоксид марганца имеет плохую проводимость, с ним смешивается ацетиленовый черный, чтобы улучшить его проводимость. Это также помогает удерживать воду внутри катода. В эту катодную смесь добавляется хромат бария в качестве ингибитора, а также гидроксид магния в качестве буфера pH. В качестве электролита используется перхлорат магния с хроматом лития, растворенный в воде. Углерод вставляется в катодную смесь в качестве сборника тока. Крафт-бумага, пропитанная раствором электролита, помещается между катодными и анодными материалами в качестве разделителя. Особое внимание следует уделить проектированию герметизации батареи на основе магния. Герметизация батареи не должна быть слишком пористой, чтобы влага внутри батареи не испарялась во время хранения, и не должна быть настолько непроницаемой, чтобы водород, образующийся при разрядке, не мог выходить из батареи. Поэтому герметизация батареи должна удерживать влагу внутри, и в то же время давать достаточный выход для водорода, образующегося при разрядке. Это можно сделать, сделав небольшое отверстие на верхней части пластиковой заглушки, закрывающейся под ретенционным кольцом. Когда избыточный газ выходит через это отверстие, ретенционное кольцо деформируется из-за давления, что позволяет газу выходить.
Анод из магния формирует внешнюю оболочку батареи, но существует также другая конструкция батареи на основе магния, где углерод формирует внешний контейнер батареи. Здесь типично сформированный контейнер из высоко проводящего углерода. Этот контейнер выполнен в форме цилиндрической чашки, и из его центра выступает стержень, как показано на картинке. Анод батареи образован цилиндром или барабаном из магния. Диаметр цилиндрического анода составляет примерно половину диаметра углеродной чашки. Катодная смесь помещается внутри этого цилиндрического анода и отделена от внутренней стенки цилиндра бумагой-разделителем. Пространство между внутренней поверхностью углеродной чашки и внешней поверхностью цилиндрического анода также заполнено катодной смесью, и здесь также внешняя поверхность цилиндрического анода отделена от катодной смеси бумагой-разделителем. Катодная смесь получается путем смешивания диоксида марганца, углеродного черного и небольшого количества водного бромида или перхлората магния в качестве электролита. Положительный контакт подключен к концу углеродной чашки. Отрицательный контакт подключен к концу анодного барабана. Вся система заключена в окантованный оловянно-покрытый стальной корпус.
Преимущества батареи на основе магния
У нее очень хорошая долговечность; она может храниться долго, даже при высоких температурах. Эти батареи можно хранить до 5 лет при температуре 20oC.
Емкость в два раза больше, чем у аналогичной по размеру батареи Ле-Кланше.
Высокое напряжение батареи, чем у цинково-углеродной батареи.
Стоимость также умеренная.
Недостатки батареи на основе магния
Задержка действия (задержка напряжения).
Выделение водорода при разрядке.
Выделение тепла при использовании.
Плохое хранение после частичной разрядки.
Батареи больше не производятся коммерчески.
