Экологические аспекты элементов питания

В этой статье мы рассмотрим экологические аспекты сбора и переработки элементов питания. Не секрет, что элементы питания являются одним из самых экологически неблагополучных типов отходов, которые могут встречаться в быту. Связно это с принипом работы любой батарейки, так как ее характеристики зависят от типа электрохимической системы и добавок, так или иначе призванных улучшить качество и надежность батарейки. Рассмотрим принцип работы подробнее.

Принцип работы

На примере часовой батарейки мы продемонстрируем конструкцию элемента питания. Принцип аналогичный и для пальчиковых батареек, учитывая отличия в форме корпуса.

Как видим, в корпусе из двух элементов, разделенных диэлектриком, размещена электрохимическая система, в которой проходят реакции, порождающие ЭДС. Рассмотрим состав материалов, из которых сделаны все составляющие батарейки:

А теперь посмотрим, какие вещества изменились вследствие реакций при разрядке:

Как видим, цинк превратился в оксид цинка, а двуокись марганца - в закись марганца. Из-за того, что оксид цинка занимает больший обьем, чем образовавший его цинк, в корпусе создается избыточное давление, которое часто приводит к деформации корпуса, а иногда и к разрушению его. Из-за повышеного давления возможная утечка электролита через щели, образовавшиеся в герметичном диэлектрике между составляющими корпуса.

Откуда же при этом берется напряжение и энергия? Для понимания этого процесса рассмотрим химические реакции, протекающие в батарейке:

Как видно, происходит окисление цинка и восстановление оксида марганца. Вследствие реакции на катоде цинк окисляется, отдавая два электрона во внешнюю цепь, а оксид марганца восстанавливается на аноде, забирая из цепи 2 электрона на каждую молекулу. Поскольку области протекания реакций разделены диэлектриком, электронам ничего не остается, кроме как течь по проводникам от одного электрода к другому. Красными линиями показано движение электронов. Это и есть электрический ток. От чего же зависит напряжение на контактах батарейки? Дело в том, что энергия, выделяющаяся при реакции на катоде существенно больше, чем энергия, затрачивающаяся на протекание анодной реакции. Именно разница энергий и приводит электроны в движение. Допустим, если энергия, выделяющаяся при реакции на катоде равна 4 эВ на каждый атом цинка, а энергия, поглощающаяся при анодной реакции составляет 1 эВ на каждую молекулу двуокиси марганца, то два электрона приобретут энергию, составляющую разность энергий двух реакций, т.е. 3 эВ. А так как электрона два, то и энергию каждый получит в 1.5 эВ, то есть теоретические напряжение на не подключенной батарейке будет равно 1.5 вольта. Когда батарейка не подключена, то электрическое поле, создаваемое батарейкой, препятствует движению ионов сквозь электролит и протеканию реакций, и потому энергию батарейка отдает, только когда подключена.

Применение вредных материалов в конструкции

Параметры батарейки, такие, как рабочее напряжение, энергоемкость, характеристика разряда и т.д. зависят от типа электрохимической системы. Потому производители вынуждены использовать тяжелые металлы и вредные вещества для создания батарейки высокой емкости, надежности и долговечности, уменьшения саморазряда и т.д. Помимо основного тяжелого металла в составе батареек - цинка, к нему еще могут добавляться соли ртути и кадмия, которые препятствуют порче компонентов при хранении и протеканию паразитных реакций, добавляются также соединения, уменьшающие внутренее сопротивление и повышающие качество электролита. Сам корпус содержит никель, и при попадании во влажную среду он корродирует, а все металлы переходят в растворимые соединения и уносятся дождевыми водами в грунт. Наконец, ЭДС батарейки, хоть и разряженной, способствует быстрой коррозии одного из электродов корпуса, в дальнейшем приводя к вытеканию опасных компонентов электрохимической системы наружу. На даный момент полностью заменить соединения более безопасными не представляется возможным из-за решающего влияния их на характеристики батарейки, хотя исследовательские работы в этом направлении ведутся.

Перспективные варианты решения экологических проблем элементов питания

Несмотря на повышение уровня сознательности и экологической ответственности граждан всех стран мира, полностью решить проблему ненадлежащей утиизации элементов питания методами сбора не представляется возможным. Определенный процент батареек неизбежно теряется, попадая в окружающую среду. Потому основным решением, уменьшающим выбросы тяжелых металлов, является переход на качественно новые принципы работы элементов питания. Широкие перспективы имеет водород и насыщенные им соединения, ведь в результате его окисления образуется обычная вода. Кроме чистого водорода, некоторые органические соединения показали свою возможность быть использованными в качестве составляющих компонентов источников питания самых разных параметров и применений. Разрабатываются топливные элементы на основе метанола, этанола, в результате работы которых образуются вода и углекислый газ. Бурный рост испытывает индустрия нетрадиционных источников энергии, солнечные батареи сейчас встраиваются в некоторые модели мобильных телефонов, калькуляторы, часы и другие портативные электронные устройства. Это позволяет полностью или частично избавиться от батареек или существенно повысить срок службы.

Подводя итог, можно сказать, что экологичность элементов питания за последние года серьезно повысилась, как выросли и требования, предьявляемые к ним экологами и правительствами стран. Но все же не стоит легкомысленно относиться к обращению с таким видом отходов, как элементы питания и аккумуляторы, ведь каждая утилизированная батарейка спасает природу от негативного воздействия человека. А чистая природа, как известно, залог красоты и здорового человечества.