بطارية الزنك الكربونية | أنواع بطاريات الزنك الكربونية | المزايا والعيوب
بطارية الزنك الكربونية
بطارية الزنك الكربونية تستخدم بشكل شائع منذ مائة عام. عادةً ما يكون هناك نوعان من بطارية الزنك الكربونية متوفرين - بطارية لكلانش وبطارية كلوريد الزنك. وكلاهما بطارية أولية. تم اختراع هذه البطارية بواسطة جورج ليونيل لاكلانش في عام 1866. كانت هذه هي البطارية الأولى التي استخدم فيها كهربائي قليل التآكل مثل كلوريد الأمونيوم. قبل ذلك، كان يتم استخدام فقط الأحماض المعدنية القوية ككهربائي لنظام البطارية.
في خلية هذه البطارية، تم استخدام جرة زجاجية كحاوية رئيسية. تم ملء الحاوية بمحلول كلوريد الأمونيوم ككهربائي. تم غمر قضيب الزنك الممزوج في هذا الكهربائي كقطب سالب أو أنود. في خلية بطارية لكلانش، تم ملء وعاء مسامي بمزيج بنسبة واحد إلى واحد من أكسيد المنغنيز ومادة الكربون. تم إدخال قضيب كربوني في هذا الخليط.
تم استخدام الوعاء المسامي مع الخليط وقضيب الكربون كقطب موجب أو كاثود وتم وضعه في محلول كلوريد الأمونيوم في الجرة. في عام 1876، قام لاكلانش بنفسه بتحسين تصميم نموذجه الأولي لـ بطارية الزنك الكربونية. هنا قام بخلط رابطة صمغية مع أكسيد المنغنيز ومادة الكربون لتشكيل كتلة صلبة مضغوطة من الخليط تحت ضغط هيدروليكي. بسبب هذه البنية الصلبة لمزيج الكاثود، لم يعد هناك حاجة للوعاء المسامي في خلية بطارية لاكلانش. في عام 1888، طور الدكتور كارل جاسنر بناء خلية لاكلانش. هنا استخدم معجونًا من جص باريس وكلوريد الأمونيوم ككهربائي بدلاً من كلوريد الأمونيوم السائل. بدلاً من إدخال قضيب الزنك داخل الكهربائي في الحاوية الزجاجية، صنع الحاوية من الزنك نفسه. وبالتالي فإن هذه الحاوية تخدم أيضًا كأنود للبطارية. قلل من التفاعل الكيميائي المحلي في بطاريته عن طريق تغليف الأقمشة المشبعة بكلوريد الزنك - كلوريد الأمونيوم حول كتلة الخليط الكاثودي الأسطوانية.
لاحقًا، استبدل جص باريس بالدقيق، في خليط الكهربائي. كانت هذه هي التصميم التجاري الأول لخلية بطارية الزنك الكربونية الجافة. لم يكن هذا هو نهاية الرحلة. تم تطوير بطارية لاكلانش بشكل أكبر لتلبية الطلب المستمر عليها في السوق في القرن العشرين. فيما بعد، تم استخدام الكربون الأسود الاسيتيليني كجامع للتيار الكاثودي. هذا أكثر توصيلًا من الغرافيت. تم أيضًا تطوير تصميم الفاصل والنظام الختمي للتهوية.
بعد عام 1960، تم توجيه المزيد من الجهود نحو تطوير خلية بطارية كلوريد الزنك. هذا هو أيضًا إصدار شائع من بطارية الزنك الكربونية. هنا، يتم استخدام كلوريد الزنك ككهربائي بدلاً من كلوريد الأمونيوم. تم تطوير هذا لتوفير أداء أفضل في التطبيقات ذات التفريغ الثقيل. بمعنى آخر، تعتبر بطارية كلوريد الزنك بديلاً محسنًا لبطارية لاكلانش في التطبيقات ذات التفريغ الثقيل.
رد فعل كيميائي في بطارية الزنك الكربونية
في خلية بطارية لاكلانش، يتم استخدام الزنك كأنود وأكسيد المنغنيز ككاثود وكلوريد الأمونيوم ككهربائي رئيسي ولكن يوجد بعض النسبة من كلوريد الزنك في الكهربائي. في خلية بطارية كلوريد الزنك، يتم استخدام الزنك كأنود وأكسيد المنغنيز ككاثود وكلوريد الزنك ككهربائي.
في كلا نوعي بطارية الزنك الكربونية، خلال التفريغ، يشارك الزنك الأنود في رد فعل أكسدة ويطلق كل ذرة من ذرات الزنك المشاركة في هذا الرد فعل إلكترونين.
تأتي هذه الإلكترونات إلى الكاثود عبر دائرة الحمل الخارجية.
في خلية بطارية لاكلانش، يوجد كلوريد الأمونيوم (NH4Cl) في خليط الكهربائي ك NH4+ و Cl –. في الكاثود، سيتحول MnO2 إلى Mn2O3 في التفاعل مع أيون الأمونيوم (NH4+). بالإضافة إلى Mn2O3، ينتج هذا التفاعل أيضًا الأمونيا (NH3) والماء (H20).
ولكن خلال هذه العملية الكيميائية، بعض أيونات الأمونيوم (NH4+) يتم اختزالها مباشرة بواسطة الإلكترونات وتكون غاز الأمونيا (NH3) والهيدروجين (H2).
في بطارية الزنك الكربونية، يتفاعل غاز الأمونيا مع كلوريد الزنك (ZnCl2) لتكوين كلوريد الزنك الأمونيوم الصلب ويتفاعل الهيدروجين الغازي مع أكسيد المنغنيز لإنتاج أكسيد المنغنيز الثلاثي الصلب والماء. يمنع هذان التفاعلان تكوين ضغط الغاز أثناء تفريغ البطارية.
الرد فعل الكلي هو،
تعتبر بطارية كلوريد الزنك نسخة محسنة من بطارية الزنك الكربونية. عادةً ما يتم تصنيف هذه البطاريات كبطاريات ذات واجب ثقيل. تحتوي الخلية على معجون كلوريد الزنك (ZnCl2) فقط ككهربائي. توفر هذه البطارية تيارًا أعلى، و جهدًا أعلى وحياة أطول من بطارية الزنك الكربونية العامة. رد فعل الكاثود هو،
الرد فعل الكلي هو،
تصنيف الجهد لبطارية الزنك الكربونية
يتم تحديد الجهد القياسي لبطارية الزنك الكربونية بناءً على نوع المواد المستخدمة للأنود والكاثود في خلية البطارية. في خلية بطارية الزنك الكربونية، يتم استخدام الزنك كمادة لأنود وأكسيد المنغنيز كمادة لكاثود. الجهد الكهربائي للزنك هو – 0.7 فولت بينما الجهد الكهربائي لأكسيد المنغنيز هو 1.28.
لذلك، يجب أن يكون الجهد النظري لكل خلية – (- 0.76) + 1.23 = 1.99 فولت ولكن باعتبار العديد من الظروف العملية، فإن الجهد الفعلي للإخراج لبطارية الزنك الكربونية القياسية لا يتجاوز 1.5 فولت.
كثافة الطاقة لخلية بطارية الزنك الكربونية
وزن الذرة للأكسيد المنغنيز، وهو مادة الكاثود، هو 87 جرام / مول. هنا في تفاعل البطارية، تم العثور على أن إلكترونين يختزلان جزيئين من أكسيد المنغنيز. لذا، وفقًا لثابت فاراداي، يمكن تسليم 28.6 أمبير ساعة بواسطة اختزال كامل لمول واحد أو 87 جرامًا من أكسيد المنغنيز. لذلك، يتطلب 87/26.8 = 3.24 جرام من أكسيد المنغنيز لتسليم 1 أمبير ساعة من الكهرباء.
وزن الذرة للزنك، وهو مادة الأندود، هو 65 جرام / مول. هنا في تفاعل البطارية، تم العثور على أن إلكترونين يأكسدان ذرة واحدة من الزنك. لذا، وفقًا لثابت فاراداي، يمكن تسليم 28.6 أمبير ساعة بواسطة أكسدة كاملة لمول واحد أو 65/2 جرام أو 32.5 جرام من الزنك. لذلك، يتطلب 32.5/26.8 = 1.21 جرام من الزنك لتسليم 1 أمبير ساعة من الكهرباء.
كثافة الطاقة الإجمالية لبطارية الزنك الكربونية هي 3.24 جرام / أمبير ساعة + 1.21 جرام / أمبير ساعة = 4.45 جرام / أمبير ساعة = 1 / 4.45 أمبير ساعة / جرام = 0.224 أمبير ساعة / جرام أو 224 أمبير ساعة / كيلوغرام. هذا حساب نظري تمامًا، ولكن في الواقع يجب الأخذ في الاعتبار العديد من المواد الأخرى مثل الكهربائي والكربون الأسود والماء التي يجب إضافتها إلى البطارية، وزنها لا يمكن تجاهله. بالإضافة إلى ذلك، يجب مراعاة العديد من الظروف العملية الأخرى في البطارية. عند النظر في كل شيء، تكون كثافة الطاقة لخلية بطارية لاكلانش منخفضة التفريغ حوالي 75 أمبير ساعة / كيلوغرام، وهي حوالي 35 أمبير ساعة / كيلوغرام للبطاريات ذات الوظائف الثقيلة والتفريغ المتقطع.
أنواع بطارية الزنك الكربونية
كما قلنا سابقًا، هناك نوعان من بطارية الزنك الكربونية.
بطارية لاكلانش
بطارية كلوريد الزنك.
وبالمثل، هناك نوعان رئيسيان من بطارية لاكلانش، وهما الخلايا العامة والأخرى ذات الوظائف الثقيلة.
في الخلايا العامة ذات التكلفة المنخفضة من بطارية لاكلانش، يتم استخدام الزنك النقي كأنود وكلوريد الأمونيوم ككهربائي أساسي مع نسبة من كلوريد الزنك. هنا يتم استخدام خام أكسيد المنغنيز
