Alkalin pil

Alkalin pil, çinko ve manganez dioksit (Zn / MnO₂) arasındaki reaksiyona bağlı olarak birincil pil türüdür.

Başka tür alkalin piller, özel olarak tasarlanmış hücrelerin tekrar kullanılmasına olanak tanıyan ikincil şarj edilebilir alkalin pillerdir.

Leclanché veya çinko klorür türlerinin çinko-karbon pilleri ile karşılaştırıldığında, alkalin piller aynı gerilimle daha yüksek bir enerji yoğunluğuna ve daha uzun bir raf ömrüne sahiptir.

Alkalin pil, çinko-karbon pillerin asitli amonyum klorürü veya çinko klorür elektroliti yerine, potasyum hidroksitin alkalin bir elektrolitine sahip olduğu için adını alır. Diğer pil sistemleri de alkalin elektrolitleri kullanır, ancak elektrotlar için farklı aktif maddeler kullanırlar.

Alkalin piller; ABD'de üretilen pillerin %80'ini, dünya çapında 10 milyarın üzerinde üretilen tek tek üniteyi oluşturmaktadır. Japonya'da alkalin piller tüm birincil pil satışlarının %46'sını oluşturuyor. İsviçre'de alkalin piller %68, İngiltere'de %60 ve AB'de ikincil ürünler de dahil olmak üzere tüm pil satışlarının %47'sini oluşturmaktadır.

Alkalin piller MP3 çalarlar, CD çalarlar, dijital kameralar, çağrı cihazları, oyuncaklar, ışıklar ve radyolar gibi birçok ev eşyasında kullanılır.

Tarihi

Asitten (alkali değil) alkali olan piller ilk olarak 1899'da Waldemar Jungner tarafından geliştirildi ve 1901'de Thomas Edison tarafından bağımsız olarak çalıştı. Çinko / manganez dioksit kimyasını kullanan modern alkalin pil, 1950'lerde Kanadalı mühendis Lewis Urry tarafından icat edildi. Cleveland, OH'deki Union Carbide'ın Eveready Pil bölümü için çalışırken Edison'un daha önceki çalışması üzerine kuruldu. 9 Ekim 1957'de Urry, Karl Kordesch ve P.A. Marsal, alkalin pil için ABD patenti (2.960.558) yayınladı. 1960'ta verildi ve Union Carbide Corporation'a atandı.

1960'ların sonunda piyasaya sürüldüğünde; alkalin piller, çinko anottaki yan reaksiyonları kontrol etmek için az miktarda toksik cıva amalgamı içeriyordu. Cıva içeriği kanunla azaltılır ve malzemelerin saflık ve tutarlılık düzeyinde iyileşmeler ile üreticiler modern hücrelerdeki cıva içeriğini azalttı.

Kimyası

Alkali bir pilde, negatif elektrot çinko, pozitif elektrot ise manganez dioksittir. Potasyum hidroksitin alkalin elektroliti reaksiyonun bir parçası değildir, sadece çinko ve mangan dioksit deşarj sırasında tüketilir. Potasyum hidroksitin alkali elektroliti kalır, zira eşit miktarlarda OH tüketilir.

Yarı reaksiyonlar şunlardır:

Zn (katı) + 2OH^- (sulu) → ZnO (s) + H₂O (l) +2e^- [Eoxidation° = +1.28 V]

2MnO₂ (katı) + H₂O (sıvı) +2e^-→ Mn₂0₃ (katı) +2OH^- (sulu) [İndirgeme ° = +0.15 V]

Genel reaksiyon:

Zn (katı) + 2MnO₂ (katı) ⇌ ZnO (katı) + Mn₂0₃ (katı) [e ° = +1.43 V]

Kapasite

Çeşitli boyutlarda düğme ve madeni para büyüklüğündeki piller. Bazıları alkali, bazıları ise gümüş oksittir. Boyut karşılaştırması olarak iki adet 9 V pil eklenmiştir. Gövde kod işaretlerini görmek için resmi büyütünüz.

Pilin voltajı kullanım sırasında sürekli azalır, dolayısıyla toplam kullanılabilir kapasite uygulamanın kesme voltajına bağlıdır. Bir alkalin pilin kapasitesi eşit büyüklükte bir Leclanché hücresinden veya çinko klorür hücresinden daha büyüktür, çünkü manganez dioksit daha saf ve daha yoğundur ve elektrotlar gibi iç bileşenlerin aldığı alan daha azdır. Bir alkalin pil üç ila beş kat kapasite sağlayabilir.

Alkalin pilin kapasitesi büyük ölçüde yüke bağlıdır. AA boyutlu alkalin pil, az güç tüketiminde 3000 mAh etkin kapasitesinde olabilir ancak dijital kameraların genellikle 1 amperlik yükünde kapasite 700 mAh’e kadar düşebilir.

Leclanché pillerinden farklı olarak, alkalin pil, aralıklı veya sürekli hafif yüklerde yaklaşık olarak aynı kapasiteyi sağlar. Ağır bir yükte aralıklı deşarj ile karşılaştırıldığında sürekli deşarjda kapasite azalır, ancak azalma Leclanché pillerinden daha düşüktür.

Yeni alkalin hücrenin üreticinin standartlarına göre nominal gerilimi 1,5 V'dir. Bununla birlikte, boşaltılmamış bir alkalin pilin etkin sıfır yük voltajı, kullanılan manganez dioksitin saflığına ve kullanılan saf metalin pürüzüne bağlı olarak 1.50 V ila 1.65 V arasında değişir. Yük altındaki ortalama voltaj deşarj seviyesine ve çekilen akımın miktarına bağlı olarak 1.1 V ila 1.3 V arasında değişir. Tamamen boşalmış olan hücrenin gerilim 0.8 V ila 1.0 V aralığında hâlâ geride kalır.

Voltaj

Taze bir alkalin pilin üretici standartlarına göre belirlenen nominal voltajı 1,5 V'dur. Yeni alkalin pilin gerçek sıfır yük voltajı, kullanılan manganez dioksitin saflığına ve elektrolitteki çinko oksit içeriğine bağlı olarak 1,50 ila 1,65 V arasında değişir. Yüke iletilen voltaj, çekilen akım arttıkça ve pil boşaldıkça azalır. Gerilim yaklaşık 0,9 V'a düştüğünde pilin tamamen boşaldığı kabul edilir. Seri olarak bağlanan piller, her bir pilin voltajlarının toplamına eşit voltaj üretir (örneğin üç pil yeniyken yaklaşık 4.5 V üretir).

Sıfır yükte ve 330 mW yükte AA pil voltajı ve kapasite karşılaştırması

Kapasite	100%	90%	80%	70%	60%	50%	40%	30%	20%	10%	0%
Sıfır-yük	1.59	1.44	1.38	1.34	1.32	1.30	1.28	1.26	1.23	1.20	1.10
330 mW	1.49	1.35	1.27	1.20	1.16	1.12	1.10	1.08	1.04	0.98	0.62

Akım

Bir alkalin pilin verebileceği elektrik akım miktarı kabaca pilin fiziksel boyutuyla orantılıdır. Bu, pilin iç yüzey alanı arttıkça iç direncin azalmasının sonucudur. Temel kural, AA alkalin pilin önemli bir ısınma olmadan 700 mA verebilmesidir. C ve D pilleri gibi daha büyük piller daha çok akım verebilir. Güçlü taşınabilir ses ekipmanı gibi birkaç amper akım gerektiren uygulamalar, artan yükü kaldırabilmek için D boyutlu pillere gerek duyar.

Karşılaştırıldığında, Lityum-iyon ve Ni-MH piller standart AA boyutunda 2 amper akımı kolaylıkla verebilir.

Yapısı

Alkalin piller çinko-karbon pilleri ile değiştirilebilen standart silindir biçiminde ve düğme biçiminde üretilmektedir. El fenerleri ve 9 volt transistör-radyo batarya ile birlikte satılanlar gibi birkaç bireysel hücre, gerçek bir "pil" oluşturmak üzere birbirine bağlanabilir.

Silindirik bir hücre, katot bağlantısı olan çizilmiş bir paslanmaz çelik kutu içinde bulunur. Pozitif elektrot karışımı, artan iletkenlik için eklenen karbon tozu ile manganez dioksitten oluşan sıkıştırılmış bir macundur. Macun kutuya bastırılabilir veya önceden kalıplanmış halkalar şeklinde depolanabilir. Katodun içi boş merkezi, elektrot malzemelerinin temasını ve hücrenin kısa devresini önleyen bir ayırıcı ile kaplanmıştır. Ayırıcı dokumasız bir selüloz katından veya sentetik bir polimerden yapılır. Ayırıcı, iyonları iletmeli ve yüksek alkali elektrolit çözeltisinde kararlı kalmalıdır.

Negatif elektrot, potasyum hidroksit elektroliti içeren bir jel içinde bir çinko tozu dağılımından oluşur. Çinko tozu, metal kutuya kıyasla, kimyasal reaksiyonların gerçekleşmesi için daha fazla yüzey alanı sağlar. Bu, hücrenin dahili direncini düşürür. Ömrünün sonunda hücrenin gazlanmasını önlemek için, tüm çinko ile reaksiyona girmek için gerekli olandan daha fazla manganez dioksit kullanılır. Ayrıca, sızdırmazlığı artırmak için genellikle plastikten yapılmış conta eklenmiştir.

Alüminyum folyo, batarya imalatının son işlemi olarak, bir dekorasyon olarak sarılır ve bataryanın koruma özelliğini geliştirir.

AAA, AA, C, alt C ve D boyut hücrelerini tanımlarken, negatif elektrot düz uca, pozitif terminal ise yükseltilmiş düğme ile son bulur. Bu genellikle düğme hücrelerinde tersine döner, düz uçlu silindirik kutu pozitif terminal olur.