Сухая батарея

Суха́я батаре́я — необслуживаемая батарея, содержащая элементы (гальванические элементы или аккумуляторы), в которых электролит малоподвижен или не растекается за счет наличия адсорбирующего вещества, впитывающего влагу, или загустителя^[1][2][3]. В отличие от элементов, содержащих жидкий электролит, сухие элементы содержат электролит в виде пасты или геля^[4], увлажненных лишь до состояния, которое необходимо для прохождения через них электрического тока, что предотвращает возможность утечки электролита и является, наряду с компактностью, главным достоинством сухих батарей. В конструкциях сухих батарей могут быть использованы химические источники тока разных типов➤. К сухим батареям так же иногда относят металл-воздушные топливные элементы^{[4][не соответствует источнику]}.

Первая конструкция сухой батареи, имевшей коммерческое применение, была разработана Карлом Гасснером в 1886 году^[5][a]➤. В настоящее время являются основным переносным источником электричества, используемым во многих устройствах^[7]. На начало 2000-х годов только в США продажи сухих батарей оценивались в 2,5 млрд долларов, их ежегодное производство составляло 3 млрд штук, они использовались более чем в 900 миллионах устройствах^[8]. Многие компоненты сухих батарей являются загрязнителями окружающей среды➤, в различных странах разработаны программы их утилизации и переработки➤.

В 1812 году Джузеппе Замбони описал в диссертационной работе "Сухая электрическая батарея" изобретенную им сухую гальваническую батарею, действующую без кислоты – Замбониев столб.^[9]

В 1886 году Карл Гасснер запатентовал гальванический элемент, состоявший из двух коаксиальных цилиндров: внешний был сделан из цинка , служившего анодом, и представлял собой корпус батареи, внутренний — из прессованного диоксида марганца MnO₂, выступавшего анодом, между которыми был электролит в виде пасты, состоящей из оксида цинка, хлорида аммония, гипса, использованного в качестве связующего, хлорида цинка и воды; в слой MnO₂ был погружён углеродный стержень, служивший для отвода вырабатываемого тока^[10]. Новация данного изобретения относительно, например, ранее разработанного элемента Лекланше со сходным химизмом процесса, использовавшего раствор хлорида аммония в качестве электролита, состояла в отсутствии у батареи Гасснера жидкого электролита, что увеличивало её портативность вследствие большей механической прочности, нечувствительности к наклону и перевороту, отсутствию протечек электролита, а также уменьшало коррозию цинкового анода, увеличивая долговечность батареи^[11]. Впоследствии подобные конструкции батарей получили широкое распространение и стали носить тривиальное название цинк—углеродные батареи, хотя, с точки зрения электрохимии происходящих в ней процессов, они относятся к типу батарей марганцево—цинкового типа. В 1890 году Вильгельм Хеллесен запатентовал общую конструкцию такого элемента, без конкретизации материалов катода и состава иммобилизованого электролита, назвав её "сухой батареей"^[12]. В 1896 году американская компания «National Carbon Company^[англ.]» (предшественник «Energizer Battery Company») выпустила на массовый рынок первую сухую батарею под маркой «Columbia» размеров в шесть дюймов (примерно 15 см), массой около 1 кг^[13] и напряжением 1,5 В; в 2005 году создание батареи «Columbia» было отнесено Американским химическим обществом к числу национальных исторически-важных химических достижений (National Historic Chemical Landmark^[англ.]) США^[11].

На сегодняшний день известны различные типы сухих батарей (элементов), относящихся как к первичным (не подлежащим перезарядке), так и вторичным (перезаряжаемым) элементам, которые отличаются используемыми в них химическими источниками тока (материалами катода, анода и иммобилизованного электролита). Международная электротехническая комиссия в рамках стандартов серии IEC 60086—2021, посвященной первичным сухим батареям^[14], провела их классификацию, в том числе по типу электрохимической системы^[15].

Сухие батареи вносят значительный вклад в загрязнение окружающей среды, выступая одним из видов бытовых отходов. Агентство по защите окружающей среды США выделяло следующие основные типы сухих батарей, входящих в состав твердых бытовых отходов: марганцево—цинковые (в том числе щелочные), ртуть—цинковые, серебряно—цинковые и литий ионные первичные батареи, а также сухие никель—кадмиевые и герметичные свинцово—кислотные вторичные батареи для портативных устройств. При этом вклад сухих батарей в общие выбросы ртути в составе бытовых отходов в 1989 году составлял 88 %, кадмия —- 52 %^[29]. Важно отметить, что в это время ртуть в виде оксида входила в состав не только ртуть—цинковых сухих батарей, но и в состав электролита марганцево—цинковых элементов^[30]. В начале 1990-х годов в США был введён запрет на утилизацию любых батарей, содержащих ртуть, в составе твёрдых бытовых отходов, также жесткие ограничения были наложены на реализацию ртуть-содержащих марганцево—цинковых элементов, а также ртутно—цинковых батарей, содержащих оксид ртути (в части маркировки и информирования населения о способах утилизации)^[31][32]; в результате к середине 1990-х годов потребление ртути в сухих батареях снизилось почти в десять раз, а к 2000 году ртуть перестали массово использовать в данных устройствах^[29].

Одна из технологий переработки (BATENUS process), используемая в США, включает первичную сортировку смеси использованных сухих батарей различных типов — марганцево–цинковых (в том числе щелочных), никель–кадмиевых и литий-ионных, криогенную и многостадийную механическую обработку с последующим использованием гидрометаллургических процессов для выделения отдельных компонентов. После криогенной обработки батареи становятся хрупкими, и их измельченные после механической обработки части разделяют по размерам, плотности и магнитным характеристикам. Порошковые компоненты далее экстрагируют раствором  серной кислоты, металлы извлекают из экстракта методами электролиза и электродиализа^[8]. Батареи, содержащие металлическую ртуть, отделяют и перерабатывают отдельно^[8]; выделение ртути проводят путем обжига батарей и дальнейшего улавливания её паров^[33].

В Германии с 1997 года используют подход к переработке сухих батарей, основанный на сочетании процессов жидкофазной экстракции, ионного обмена и мембранных технологий^[8].

• Химический источник тока
• Гальванические элементы
• Электрический аккумулятор
• Топливные элементы
• Типоразмеры гальванических элементов

• ГОСТ Р МЭК 60050-482—2011 Источники тока химические. Термины и определения.
• ГОСТ Р 15596-82 Источники тока химические. Термины и определения.
• Specification for Dry Cells and Batteries. National Bureau of Standards Handbook 71 : [англ.]. — Washington, D.C. : US Government Printing Office, 1959. — 20 p.
• Williams J. B. The Electric Century : How the Taming of Lightning Shaped the Modern World. — Chichester, UK : Springer—Praxis Publishing. — 2 : Chaotic Beginnings / J. B. Williams. — P. 4—10. — 216 p. — ISBN 978-3-319-51154-2. — doi:10.1007/978-3-319-51155-9_2.
• EN IEC 60086-1:2021 Primary batteries - Part 1: General.
• ГОСТ Р МЭК 61951-1-2019 Аккумуляторы и аккумуляторные батареи, содержащие щелочной или другие некислотные электролиты. Герметичные аккумуляторы и аккумуляторные батареи для портативных применений. Часть 1. Никель–кадмий.
• Greenwood N., Earnshaw A. Chemistry of the Elements (англ.) — 2nd Ed. — Oxford: Butterworth–Heinemann, 1997. — 1341 p. — ISBN 978-0-08-037941-8
• Balasubramanian V. Energy Sources : Fundamentals of Chemical Conversion Processes and Applications : [англ.]. — Elsevier, 2016. — 12 : Batteries. — P. 265—313. — 394 p. — ISBN 978-0-444-56353-8. — doi:10.1016/C2011-0-05048-2.
• Encyclopedia of Electrochemical Power Sources : [англ.] / J. Garche. — 2009. — Vol. 1 : Chemistry, Electrochemistry and Electrochemical Applications, Silver / Cameron D. S.. — P. 876—882. — 4538 p. — ISBN 978-0-444-52093-7. — doi:10.1016/B978-044452745-5.00064-2.
• Bockris J. O'Mé. Comprehensive treatise of electrochemistry : [англ.]. — New-York : Springer, 1981. — Vol. 3 : Electrochemical Energy Conversion and storage / Eds. J. O'M Bockris, B. E. Conway, E. Yeager, R. E. White, 5 : Primary Batteries—Sealed Mercurial Cathode Dry Cells / S. Ruben. — P. 233—245. — 540 p. — ISBN 978-1-4615-6689-2. — doi:10.1007/978-1-4615-6687-8_7.
• US Public Law 104-142 - Mercury-Containing and Rechargeable Battery Management Act : [англ.]. — Legislative History--H.R. 2024 (S. 619). — 1996.