Термин аккумулятор относится к совокупности отдельных клетки, которые могут генерировать электричество посредством химических реакций. Клетки подразделяются на первичный or вторичный. В первичных ячейках химические реакции, вызывающие поток электронов, необратимы, и поэтому ячейки нелегко перезарядить. И наоборот, вторичные элементы должны быть заряжены перед их использованием, что достигается пропусканием электрического тока через элемент. Преимущество вторичных элементов заключается в том, что их часто можно многократно перезаряжать и разряжать в процессе использования.

Классическим первичным аккумулятором для повседневного использования является сухой элемент Лекланше, названный так потому, что электролит представляет собой пасту, а не жидкость. Ячейка Лекланше типична для цилиндрических батарей, используемых в фонариках, портативных радиоприемниках, калькуляторах, электрических игрушках и т.п. В последние годы щелочные батареи, такие как элементы из диоксида цинка и марганца, стали более распространенными для такого типа использования. Миниатюрные или «кнопочные» батарейки нашли применение в слуховых аппаратах, компьютерах, часах, фотоаппаратах и ​​другом электронном оборудовании. Ячейка из оксида серебра и цинка, ртутная ячейка, ячейка из цинка и воздуха и ячейка из литий-диоксида марганца являются некоторыми примерами. На рисунке 1 показан вид в разрезе типичной миниатюрной щелочной батареи.

Рисунок 1. Вид миниатюрной щелочной батареи в разрезе

Классическая вторичная или аккумуляторная батарея — это свинцово-кислотная батарея, широко используемая в транспортной отрасли. Вторичные батареи также используются на электростанциях и в промышленности. Перезаряжаемые инструменты, работающие от батареек, зубные щетки, фонарики и тому подобное — это новый рынок вторичных элементов. Никель-кадмиевые вторичные элементы становятся все более популярными, особенно в карманных элементах для аварийного освещения, запуска дизельных двигателей, а также в стационарных и тяговых устройствах, где надежность, длительный срок службы, частая перезарядка и низкотемпературные характеристики перевешивают их дополнительную стоимость.

Аккумуляторы, разрабатываемые для использования в электромобилях, используют сульфид лития-железа, цинк-хлор и натрий-серу.

В таблице 1 приведен состав некоторых распространенных батарей.

Таблица 1. Состав обычных батарей

Производственные процессы

Хотя существуют явные различия в производстве различных типов батарей, есть несколько общих процессов: взвешивание, измельчение, смешивание, прессование и сушка составляющих ингредиентов. На современных заводах по производству аккумуляторов многие из этих процессов закрыты и в высокой степени автоматизированы с использованием герметичного оборудования. Таким образом, воздействие различных ингредиентов может происходить во время взвешивания и загрузки, а также во время очистки оборудования.

На старых заводах по производству аккумуляторов многие операции по измельчению, смешиванию и другим операциям выполняются вручную, либо вручную осуществляется перенос ингредиентов с одного этапа процесса на другой. В этих случаях высок риск вдыхания пыли или контакта кожи с коррозионными веществами. Меры предосторожности в отношении пылеобразующих операций включают полное ограждение и механизированное обращение с порошками и их взвешивание, местную вытяжную вентиляцию, ежедневную влажную уборку и/или уборку пылесосом, а также ношение респираторов и других средств индивидуальной защиты во время проведения работ по техническому обслуживанию.

Шум также представляет опасность, так как прессовальные и упаковочные машины издают шум. Необходимы методы борьбы с шумом и программы сохранения слуха.

Электролиты во многих аккумуляторах содержат едкий гидроксид калия. Ограждение и защита кожи и глаз являются указанными мерами предосторожности. Воздействие может также происходить от частиц токсичных металлов, таких как оксид кадмия, ртуть, оксид ртути, никель и соединения никеля, а также литий и соединения лития, которые используются в качестве анодов или катодов в определенных типах батарей. Свинцово-кислотная аккумуляторная батарея, иногда называемая аккумулятором, может быть сопряжена со значительной опасностью воздействия свинца и обсуждается отдельно в статье «Производство свинцово-кислотных аккумуляторов».

Металлический литий обладает высокой реакционной способностью, поэтому литиевые батареи необходимо собирать в сухой атмосфере, чтобы избежать реакции лития с водяным паром. Диоксид серы и тионилхлорид, используемые в некоторых литиевых батареях, опасны для органов дыхания. Газообразный водород, используемый в никель-водородных батареях, пожаровзрывоопасен. Они, а также материалы в недавно разработанных батареях потребуют особых мер предосторожности.

Клетки Лекланше

Сухие батареи Leclanché изготавливаются, как показано на рисунке 2. Положительный электрод или катодная смесь содержит от 60 до 70% диоксида марганца, а остальное состоит из графита, ацетиленовой сажи, солей аммония, хлорида цинка и воды. Сухой мелкоизмельченный диоксид марганца, графит и ацетиленовую сажу взвешивают и подают в измельчитель-смеситель; добавляют электролит, содержащий воду, хлорид цинка и хлорид аммония, и приготовленную смесь прессуют на таблетировочном или агломерирующем прессе с ручной подачей. В некоторых случаях смесь сушат в печи, просеивают и повторно увлажняют перед таблетированием. Таблетки проверяют и упаковывают на машинах с ручной подачей после того, как им дают затвердеть в течение нескольких дней. Затем агломераты помещают в лотки и пропитывают электролитом, после чего они готовы к сборке.

Рисунок 2. Производство аккумуляторных батарей Лекланше

Анод представляет собой цинковый корпус, который изготавливается из цинковых заготовок на горячем прессе (или цинковые листы сгибаются и привариваются к корпусу). Органическую желеобразную пасту, состоящую из крахмала кукурузы и муки, пропитанного электролитом, смешивают в больших чанах. Ингредиенты обычно засыпают из мешков без взвешивания. Затем смесь очищают цинковой стружкой и диоксидом марганца. В электролит добавляется хлорид ртути, образующий амальгаму с внутренней частью цинкового контейнера. Эта паста образует проводящую среду или электролит.

Ячейки собираются путем автоматической заливки необходимого количества желатиновой пасты в цинковые корпуса для формирования внутреннего покрытия рукава на цинковом контейнере. В некоторых случаях гильзы хромируют путем заливки и опорожнения смеси хромовой и соляной кислоты перед добавлением студенистой пасты. Затем катодный агломерат помещают в центр корпуса. Углеродный стержень помещается в центр катода и действует как токосъемник.

Затем цинковую ячейку герметизируют расплавленным воском или парафином и нагревают пламенем для лучшего уплотнения. Ячейки затем свариваются вместе, чтобы сформировать батарею. Реакция батареи:

2MnO₂ + 2 НХ₄Cl + Zn → ZnCl₂ + H₂O₂ + Мн₂O₃

Рабочие могут подвергаться воздействию диоксида марганца при взвешивании, загрузке смесителя, измельчении, очистке печи, просеивании, ручном прессовании и упаковке в зависимости от степени автоматизации, герметичности корпуса и местной вытяжной вентиляции. При ручном прессовании и влажном обертывании возможно воздействие влажной смеси, которая при высыхании образует вдыхаемую пыль; дерматит может возникнуть из-за воздействия слегка агрессивного электролита. Меры личной гигиены, перчатки и средства защиты органов дыхания для уборки и технического обслуживания, душевые и отдельные шкафчики для рабочей и уличной одежды могут снизить эти риски. Как упоминалось выше, упаковочный и таблетировочный пресс может создавать опасность шума.

Смешивание происходит автоматически во время изготовления желатиновой пасты, и воздействие происходит только во время добавления материалов. При добавлении хлорида ртути в студенистую пасту существует риск вдыхания и всасывания через кожу, а также возможное отравление ртутью. LEV или средства индивидуальной защиты необходимы.

Возможно также воздействие разливов хромовой и соляной кислот при хромировании и воздействие сварочного дыма и дыма от нагревания герметика. Подходящими мерами предосторожности являются механизация процесса хромирования, использование перчаток и LEV для термосварки и сварки.

Никель-кадмиевые батареи

В настоящее время наиболее распространенным методом изготовления никель-кадмиевых электродов является осаждение материала активного электрода непосредственно на пористую спеченную никелевую подложку или пластину. (См. рис. 3.) Пластина изготавливается путем вдавливания пасты из спеченного никелевого порошка (часто получаемого путем разложения карбонила никеля) в открытую сетку из никелированной перфорированной листовой стали (или никелированной сетки или никелированной стальной сетки). а затем спекание или сушка в печи. Затем эти пластины можно разрезать, взвесить и отчеканить (сжать) для определенных целей или свернуть в спираль для ячеек бытового типа.

Рисунок 3. Производство никель-кадмиевых аккумуляторов

Затем спеченную пластину пропитывают раствором нитрата никеля для положительного электрода или нитратом кадмия для отрицательного электрода. Эти пластины промывают и сушат, погружают в гидроксид натрия с образованием гидроксида никеля или гидроксида кадмия, снова промывают и высушивают. Обычно следующим шагом является погружение положительного и отрицательного электродов в большую временную ячейку, содержащую от 20 до 30% гидроксида натрия. Для удаления примесей выполняются циклы зарядки-разрядки, электроды удаляются, промываются и высушиваются.

Альтернативным способом изготовления кадмиевых электродов является приготовление пасты из оксида кадмия, смешанного с графитом, оксидом железа и парафином, которую измельчают и окончательно уплотняют между валками для образования активного материала. Затем его прессуют в движущуюся перфорированную стальную полосу, которую сушат, иногда сжимают и разрезают на пластины. На этом этапе можно прикрепить ушки.

Следующие шаги включают сборку элемента и батареи. Для больших батарей отдельные электроды затем собираются в группы электродов с пластинами противоположной полярности, чередующимися с пластиковыми разделителями. Эти группы электродов могут быть скреплены болтами или сварены вместе и помещены в корпус из никелированной стали. Совсем недавно были представлены пластиковые корпуса аккумуляторов. Ячейки заполнены раствором электролита гидроксида калия, который также может содержать гидроксид лития. Затем элементы собираются в батареи и скрепляются болтами. Пластиковые ячейки могут быть склеены или склеены вместе. Каждая ячейка соединена свинцовым соединителем с соседней ячейкой, оставляя положительный и отрицательный полюса на концах батареи.

Для цилиндрических батарей пропитанные пластины собираются в группы электродов путем намотки положительных и отрицательных электродов, разделенных инертным материалом, в герметичный цилиндр. Затем электродный цилиндр помещают в никелированный металлический корпус, добавляют электролит гидроксида калия и ячейку герметизируют сваркой.

Химическая реакция, происходящая при зарядке и разрядке никель-кадмиевых аккумуляторов, выглядит следующим образом:

Основное потенциальное воздействие кадмия происходит при работе с нитратом кадмия и его раствором при изготовлении пасты из порошка оксида кадмия и при работе с высушенными активными порошками. Воздействие также может происходить при регенерации кадмия из металлолома. Ограждение и автоматизированное взвешивание и смешивание могут уменьшить эти опасности на ранних этапах.

Аналогичные меры могут контролировать воздействие соединений никеля. Производство спеченного никеля из карбонила никеля, хотя и осуществляется в герметичном оборудовании, связано с потенциальным воздействием чрезвычайно токсичного карбонила никеля и монооксида углерода. Процесс требует постоянного наблюдения за утечками газа.

Работа с едким калием или гидроксидом лития требует соответствующей вентиляции и средств индивидуальной защиты. Сварка производит дым и требует LEV.

Воздействие на здоровье и модели заболеваний

Наиболее серьезную опасность для здоровья при традиционном производстве батарей представляет воздействие свинца, кадмия, ртути и диоксида марганца. Опасности, связанные со свинцом, обсуждаются в других разделах этой главы. Энциклопедия. Кадмий может вызывать заболевания почек и является канцерогеном. Было обнаружено, что воздействие кадмия широко распространено на заводах по производству никель-кадмиевых аккумуляторов в США, и многие рабочие были вынуждены быть удалены по медицинским показаниям в соответствии с положениями Стандарта кадмия Управления по охране труда и здоровья из-за высокого уровня кадмия в крови и моче (McDiarmid et al. 1996) . Ртуть влияет на почки и нервную систему. Чрезмерное воздействие паров ртути было показано в ходе исследований на нескольких заводах по производству ртутных аккумуляторов (Telesca 1983). Было показано, что воздействие диоксида марганца является высоким при смешивании порошков и обращении с ними при производстве щелочных сухих элементов (Wallis, Menke and Chelton 1993). Это может привести к нейрофункциональному дефициту у работающих на батареях (Roels et al., 1992). Марганцевая пыль может при поглощении в чрезмерных количествах привести к расстройствам центральной нервной системы, подобным синдрому Паркинсона. Другие металлы, вызывающие озабоченность, включают никель, литий, серебро и кобальт.

Ожоги кожи могут возникнуть в результате воздействия растворов хлорида цинка, гидроксида калия, гидроксида натрия и гидроксида лития, используемых в электролитах батарей.

Назад