Цинк-карбонова батерия | Видове цинк-карбонови батерии | Предимства и недостатъци

Цинк-карбонова батерия

Цинк-карбоновата батерия е широко използвана в продължение на последните 100 години. Обикновено има два вида цинк-карбонови батерии – Leclanche и Цинк-хлоридна. И двете са первични батерии. Тази батерия е изобретена от Goerge Lionel Leclanche през 1866 г. Това беше първата батерия, в която е използван слабо корозивен електролит като хлорид амоняк. До този момент само силни минерални киселини са използвани като електролити в батериите.
В тази батерийна клетка, един стъклен съд е използван като основен контейнер. Контейнерът е напълнен с разтвор на хлорид амоняк като електролит. Амалгамирана цинкова пръчка е потопена в този електролит като отрицателен електрод или анод. В тази Leclanche батерийна клетка, пореста кутия е напълнена с едно към едно смес от диоксид на манган и карбонен прах. Карбонова пръчка е поставена в тази смес.

Порестата кутия заедно със смеса и карбоновата пръчка служат като положителен електрод или катод и е поставена в разтвора на хлорид амоняк в съда. През 1876 г., Leclanche сам усъвършенства собствения си прототип на цинк-карбоновата батерия. Тук той смеси резинова дъвчаща добавка с диоксид на манган и карбонен прах, за да образува компресирана твърда блока от сместа под хидравлическо налягане. Благодарение на тази твърда структура на катодната смес, вече няма нужда от пореста кутия в Leclanche батерийната клетка. През 1888 г., д-р Carl Gassner допълнително развива конструкцията на Leclanche клетката. Тук той използва паста от гипс и хлорид амоняк като електролит, вместо течен хлорид амоняк. Вместо да вмъкне цинкова пръчка в електролита в стъкленият контейнер, той направи контейнера от цинк. Следователно този контейнер също служи като анод на батерията. Той намали местната химическа реакция в батерията, обвивайки хлорид цинк – насятан хлорид амоняк с платнени кърпи около цилиндричния катоден блок.

По-късно той замести гипса с житна нишка в електролитната смес. Това беше първата комерсиална конструкция на суха цинк-карбонова батерийна клетка. Това не беше краят на пътуването. Leclanche батерията беше допълнително развита, за да удовлетвори непрекъснатата пазарна потребност в 20и век. По-късно ацетилен черен карбон е използван като колектор на катодния ток. Той е по-проводив от графит. Развитие е осъществено и в дизайна на разделителите и системата за вентилация и запечатване.

След 1960 г., повече усилия са насочени към развитието на цинк-хлоридната батерийна клетка. Това е популярна версия на цинк-карбоновата батерия. Тук, цинк-хлорид е използван като електролит вместо хлорид амоняк. Това е разработено, за да предостави по-добро изпълнение при приложения с голям разход. С други думи, цинк-хлоридната батерия е подобряващ заместител на Leclanche' батерията при приложения с голям разход.

Химически реакции в цинк-карбоновата батерия

В Leclanche батерийната клетка, цинк е използван като анод, диоксид на манган е използван като катод, а хлорид амоняк е използван като основен електролит, но в електролита има някакъв процент цинк-хлорид. В цинк-хлоридната батерийна клетка, цинк е използван като анод, диоксид на манган е използван като катод, а цинк-хлорид е използван като електролит.
В двете цинк-карбонови батерии, при разрядване, цинковият анод участва в окислителна реакция и всеки цинков атом, участващ в тази реакция, отделя две електрона.

Тези електрони достигат до катода чрез външната нагрузна верига.
В Leclanche батерийната клетка хлорид амоняк (NH4Cl) съществува в електролитната смес като NH4+ и Cl –. В катода MnO2 ще бъде сведена до Mn2O3 в реакция с амонийния йон (NH4+). Освен Mn2O3 тази реакция също произвежда амоняк (NH3) и вода (H20).

Но по време на този химически процес някои амонийни йони (NH4+ ) са директно сведени от електрони и формират газов амоняк (NH3) и водород (H2).

В цинк-карбоновата батерия, този газов амоняк допълнително реагира с цинк-хлорид (ZnCl2) за да образува твърд цинк-амоний хлорид, а газовият водород реагира с диоксид на манган, за да образува твърд ди-манган триоксид и вода. Тези две реакции предотвратяват формирането на газово налягане по време на разрядването на батерията.

Общата реакция е,

Цинк-хлоридната батерия е подобряваща версия на цинк-карбоновата батерия. Тези батерии обикновено са маркирани като батерии за тежки задачи. Цинк-хлоридната клетка съдържа само паста от цинк-хлорид (ZnCl2) като електролит. Тази батерия предоставя повече ток, повече напруга и по-дълъг живот от обикновената цинк-карбонова батерия. Реакцията на катода е,

Общата реакция е,

Напрегнатост на цинк-карбоновата батерия

Стандартната напрегнатост на цинк-карбоновата батерия е определена от типа на анодните и катодните материали, използвани в батерийната клетка. В цинк-карбоновата батерийна клетка, цинк е материалът на анода, а диоксид на манган е материалът на катода. Електродният потенциал на цинка е – 0.7 волта, докато електродният потенциал на диоксида на манган е 1.28.
Следователно теоретичната напрегнатост на всяка клетка трябва да е – (- 0.76) + 1.23 = 1.99 V, но като се вземат предвид много практически условия, реалната напрегнатост на стандартната цинк-карбонова батерия не надхвърля 1.5 V.

Енергийна плътност на цинк-карбоновата батерийна клетка

Моларната маса на катодния материал, диоксид на манган, е 87 г/мoл. Тук, в реакцията на батерията, се установява, че два електрона сведват две молекули диоксид на манган. Следователно, според константата на Фарадей, 28.6 Ah могат да бъдат доставени при пълното сведене на една мол или 87 г диоксид на манган. Следователно, 87/26.8 = 3.24 г диоксид на манган са необходими, за да бъдат доставени 1 Ah електричество.
Моларната маса на анодния материал, цинк, е 65 г/мoл. Тук, в реакцията на батерията, се установява, че два електрона окисляват една цинкова атом. Следователно, според константата на Фарадей, 28.6 Ah могат да бъдат доставени при пълното окисление на една мол или 65/2 г или 32.5 г цинк. Следователно, 32.5/26.8 = 1.21 г цинк са необходими, за да бъдат доставени 1 Ah електричество.
Общата енергийна плътност на цинк-карбоновата батерия е 3.24 г/Ah + 1.21 г/Ah = 4.45 г/Ah =1 / 4.45 Ah/g = 0.224 Ah/g или 224 Ah/Кг. Това е абсолютно теоретично изчисление, но в практиката много други материали, като електролит, черен карбон, вода, трябва да бъдат включени в батерията, теглото на които не може да бъде изпуснато. Освен това, много други практически условия трябва да бъдат взети предвид в батерията. При вземане на всичко под внимание, практическата батерийна клетка с ниско разрядване Leclanche има енергийна плътност от 75 Ah/Кг, а за батерии с тежки задачи и интермитентно разрядване, тя е около 35 Ah/Кг.