Pila de carboni i zinc | Tipus de piles de carboni i zinc | Avantatges i desavantatges
Bateria de zinc-carbó
Bateria de zinc-carbó ha estat popularment utilitzada durant els últims 100 anys. Generalment hi ha dos tipus de bateries de zinc-carbó generalment disponibles – la bateria Leclanche i la bateria de clorur de zinc. Ambdues són bateries primàries. Aquesta bateria va ser inventada per Goerge Lionel Leclanche el 1866. Va ser la primera bateria en la qual es va utilitzar un electròlit poc corrosiu com el clorur d'ammoni. Abans només es feien servir forts àcids minerais com a electròlits del sistema de bateries.
En aquesta cèl·lula de bateria, es va utilitzar un got de vidre com a recipient principal. El recipient es va omplir amb una solució de clorur d'ammoni com a electròlit. Es va immergir un barra de zinc amalgamada en aquest electròlit com a electrode negativa o anode. En aquesta cèl·lula de bateria Leclanche, es va omplir un pot porós amb una mescla d'òxid de mangany i pols de carbó en una proporció d'un a u. Es va inserir una barra de carbó dins aquesta mescla.
El pot porós juntament amb la mescla i la barra de carbó servia com a electrode positiva o catode i això es va col·locar en la solució de clorur d'ammoni al got. El 1876, Leclanche ell mateix va millorar el seu propi disseny prototip de bateria de zinc-carbó. Aquí va mesclar un aglutinant de goma resina amb òxid de mangany i pols de carbó per formar un bloc sòlid comprimit de la mescla mitjançant pressió hidràulica. Gràcies a aquesta estructura sòlida de la mescla del catode, ja no era necessari el pot porós en la cèl·lula de bateria Leclanche. El 1888, el Dr. Carl Gassner, va desenvolupar més el disseny de la cèl·lula Leclanche. Aquí va utilitzar una pasta de trep de París i clorur d'ammoni com a electròlit, en lloc de clorur d'ammoni líquid. En lloc d'inserir una barra de zinc dins l'electròlit en el recipient de vidre, va fer el recipient de zinc. Per tant, aquest recipient també serveix com a anode de la bateria. Va minimitzar l'acció química local en la seva bateria envoltant la mescla cilíndrica del catode amb draps saturats de clorur de zinc i clorur d'ammoni.
Més tard va substituir el trep de París per farina de blat, en la mescla d'electròlit. Això va ser el primer disseny comercial de cèl·lula de bateria de zinc-carbó seca. Això no va ser el final del viatge. La bateria Leclanche va ser més endavant desenvolupada per atendre la seva demanda de mercat en curs durant el 20è segle. Més tard, es va utilitzar carboni acetilènic com a col·lector de corrent del catode. Això és més conductor que el grafit. També s'ha fet desenvolupament en el disseny del separador i el sistema de sellat de ventilació.
Després del 1960, més esforços van ser dirigits al desenvolupament de la cèl·lula de bateria de clorur de zinc. Aquest és també una versió popular de bateria de zinc-carbó. Aquí, es fa servir clorur de zinc com a electròlit en lloc de clorur d'ammoni. Això es va desenvolupar per proporcionar un rendiment millor en aplicacions de gran descàrrega. En altres paraules, la bateria de clorur de zinc és una substituta millorada de la bateria de Leclanche en aplicacions de gran descàrrega.
Reacció Química en la Bateria de Zinc-Carbó
En la cèl·lula de bateria Leclanche, es fa servir zinc com a anode, òxid de mangany com a catode i clorur d'ammoni com a electròlit principal, però hi ha una certa percentatge de clorur de zinc en l'electròlit. En la cèl·lula de bateria de clorur de zinc, es fa servir zinc com a anode, òxid de mangany com a catode i clorur de zinc com a electròlit.
En ambdós tipus de bateria de zinc-carbó, durant la descàrrega, l'anode de zinc participa en una reacció d'oxidació i cada àtom de zinc involucrat en aquesta reacció allibera dos electrons.
Aquests electrons arriben al catode a través del circuit de càrrega extern.
En la cèl·lula de bateria Leclanche, el clorur d'ammoni (NH4Cl) existeix en la mescla d'electròlit com NH4+ i Cl –. Al catode, MnO2 es reduirà a Mn2O3 en reacció amb l'ió d'ammoni (NH4+). A més de Mn2O3, aquesta reacció també produeix amoníac (NH3) i aigua (H20).
Però durant aquest procés químic, alguns ions d'ammoni (NH4+ ) són reduïts directament pels electrons i formen amoníac gasós (NH3) i hidrogen (H2).
En la bateria de zinc-carbó, aquest gas d'ammoni reacciona més endavant amb clorur de zinc (ZnCl2) per formar clorur de zinc-ammoni sòlid i el gas hidrogen reacciona amb òxid de mangany per formar òxid de di-mangany triòxic sòlid i aigua. Aquestes dues reaccions eviten la formació de pressió de gas durant la descàrrega de la bateria.
La reacció total és,
Una bateria de clorur de zinc és una versió millorada de la bateria de zinc-carbó. Aquestes bateries generalment s'etiqueten com a bateries de gran capacitat. Una cèl·lula de clorur de zinc conté només pasta de clorur de zinc (ZnCl2) com a electròlit. Aquesta bateria proporciona més corrent, més voltatge i més vida útil que una bateria de zinc-carbó d'ús general. La reacció del catode és,
La reacció total és,
Voltatge de la Bateria de Zinc-Carbó
El voltatge estàndard d'una bateria de zinc-carbó es determina pel tipus de materials d'anode i catode utilitzats en la cèl·lula de bateria. En la cèl·lula de bateria de zinc-carbó, el zinc és el material de l'anode i l'òxid de mangany és el material del catode. El potencial d'electrode del zinc és - 0.7 volts mentre que el potencial d'electrode de l'òxid de mangany és 1.28.
Així doncs, el voltatge teòric de cada cèl·lula hauria de ser - (- 0.76) + 1.23 = 1.99 V, però considerant moltes condicions pràctiques, la sortida real de voltatge d'una bateria de zinc-carbó estàndard no és més de 1.5 V.
Densitat Energètica de la Cèl·lula de Bateria de Zinc-Carbó
El pes molar del material del catode, òxid de mangany, és 87 g/mol. Aquí, en la reacció de la bateria, es troba que dos electrons redueixen dues molècules d'òxid de mangany. Per tant, segons la constant de Faraday, 28.6 Ah podrien ser lliurats per la reducció completa d'un mol o 87 g d'òxid de mangany. Per tant, 87/26.8 = 3.24 g d'òxid de mangany són necessaris per lliurar 1 Ah d'electricitat.
El pes molar del material de l'anode, zinc, és 65 g/mol. Aquí, en la reacció de la bateria, es troba que dos electrons oxidan un àtom de zinc. Per tant, segons la constant de Faraday, 28.6 Ah podrien ser lliurats per la oxidació completa d'un mol o 65/2 g o 32.5 g de zinc. Per tant, 32.5/26.8 = 1.21 g de zinc són necessaris per lliurar 1 Ah d'electricitat.
La densitat energètica total de la bateria de zinc-carbó és 3.24 g/Ah + 1.21 g/Ah = 4.45 g/Ah =1 / 4.45 Ah/g = 0.224 Ah/g o 224 Ah/Kg. Això és un càlcul absolutament teòric, però en la pràctica molts altres materials com, electròlit, carboni negre, aigua han d'incloure's en la bateria, el pes dels quals no es pot ometre. A més a més, en una bateria s'han de tenir en compte moltes altres condicions pràctiques. Considerant-ho tot, una cèl·lula de bateria Leclanche de baixa descàrrega té una densitat energètica de 75 Ah/Kg i la mateixa per a bateries de gran capacitat i descàrrega intermitent, és d'aproximadament 35 Ah/Kg.
Tipus de Bateries de Zinc-Carbó
Com hem dit abans, hi ha dos tipus de bateries de zinc-carbó.
