Baterie s uhličitanem zinku | Typy baterií s uhličitanem zinku | Výhody a nevýhody

Cinková baterie

Cinková baterie je již více než 100 let široce používána. Obecně existují dva typy cinkové baterie – Leclancheova baterie a cinkochloridová baterie. Oba tyto typy jsou primární baterie. Tuto baterii vynalezl Georges Lionel Leclanché v roce 1866. Byla to první baterie, ve které byl použit méně korozi způsobující elektrolyt jako chlorid amonného drasťanu. Před tím byly jako elektrolyty používány pouze silné minerální kyseliny.
V této bateriové článku byl jako hlavní kontejner použit skleněný soud. Kontejner byl naplněn roztokem chloridu amonného drasťanu jako elektrolytem. Amalgamovaný cínový hrot byl ponořen do tohoto elektrolytu jako negativní elektroda nebo anoda. V tomto Leclancheově bateriovém článku byl porézní nádoba naplněna směsí dusičnanu manganu a uhlíkového prášku v poměru 1:1. Do této směsi byl vložen uhlíkový hrot.

Porézní nádoba spolu se směsí a uhlíkovým hrotem sloužila jako pozitivní elektroda nebo katoda a byla umístěna v roztoku chloridu amonného drasťanu v nádobě. V roce 1876 Leclanché sám vylepšil svůj vlastní prototyp cinkové baterie. Zde smíchal s vázaným koženým gumovým vazivem dusičnan manganu a uhlíkový prášek, aby tímto hydraulickým tlakem vytvořil stlačený pevný blok směsi. Díky tomuto pevnému stavu směsi katody není dále potřeba porézní nádoby v Leclancheově bateriovém článku. V roce 1888 Dr. Carl Gassner dále vyvinul konstrukci Leclancheovy buňky. Zde použil pastu ze sádry a chloridu amonného drasťanu jako elektrolytu místo kapalného chloridu amonného drasťanu. Místo vložení cínového hrotu do elektrolytu v skleněné nádobě, udělal nádobu z cínu. Proto tato nádoba také slouží jako anoda baterie. Minimalizoval lokální chemickou reakci v baterii obalením cínových chlorid-chlorid amonného drasťanu nasycených plátnů na válcový blok směsi katody.

Později nahradil sádru pšeničnou moukou v směsi elektrolytu. Byl to první komerční návrh suché cinkové baterie. To nebyl konec cesty. Leclancheova baterie byla dále vyvíjena, aby splnila její trvalou tržní poptávku v 20. století. Později byl jako sběrač proudů katody použit acetylenový uhlíkový černý. Je to vodivější než grafit. Byly také provedeny vylepšení v návrhu separátoru a systému pro výfuk a uzavření.

Po roce 1960 bylo více úsilí vynaloženo na vývoj cinkochloridové baterie. Je to také populární verze cinkové baterie. Zde je místo chloridu amonného drasťanu použit chlorid cínu. Byl vyvinut, aby poskytl lepší výkon v aplikacích s vysokým odebírání. Jinými slovy, cinkochloridová baterie je vylepšená náhrada za Leclancheovu baterii v aplikacích s vysokým odebíráním.

Chemická reakce v cinkové baterii

V Leclancheově bateriovém článku se jako anoda používá cín, jako katoda dusičnan manganu a jako hlavní elektrolyt chlorid amonného drasťanu, ale v elektrolytu je i nějaký podíl chloridu cínu. V cinkochloridové baterii se jako anoda používá cín, jako katoda dusičnan manganu a jako elektrolyt chlorid cínu.
V obou typech cinkové baterie se při výběru cínová anoda zapojuje do oxidační reakce a každý atom cínu zapojený do této reakce uvolňuje dva elektrony.

Tyto elektrony přicházejí na katodu přes externí okruh zatížení.
V Leclancheově bateriovém článku existuje chlorid amonného drasťanu (NH4Cl) v směsi elektrolytu jako NH4+ a Cl –. Na katodě MnO2 bude redukován na Mn2O3 v reakci s amonným iontem (NH4+). Kromě Mn2O3 tato reakce také produkuje amoniak (NH3) a vodu (H20).

Ale během tohoto chemického procesu některé amonné ionty (NH4+ ) jsou přímo redukovány elektrony a formují plynný amoniak (NH3) a vodík (H2).

V cinkové baterii tento plyn amoniaku dále reaguje s chloridem cínu (ZnCl2) a tvoří pevný cinkový amonný chlorid a plynný vodík reaguje s dusičnanem manganu a tvoří pevný di-mangan trioxid a vodu. Tyto dvě reakce zabrání vytvoření tlaku plynu během výběru baterie.

Celková reakce je,

Cinkochloridová baterie je vylepšenou verzí cinkové baterie. Tyto baterie jsou obecně označovány jako vysokovýkonné baterie. Cinkochloridová buňka obsahuje pouze pasta chloridu cínu (ZnCl2) jako elektrolyt. Tato baterie poskytuje větší proud, větší napětí a delší životnost než baterie obecného určení. Reakce katody je,

Celková reakce je,

Napěťové hodnocení cinkové baterie

Standardní napěťové hodnocení cinkové baterie je určeno typem materiálů anody a katody použitých v bateriovém článku. V cinkovém bateriovém článku se jako materiál anody používá cín a jako materiál katody dusičnan manganu. Elektrodový potenciál cínu je -0,7 volt, zatímco elektrodový potenciál dusičnanu manganu je 1,28.
Tedy teoretické napětí každého článku by mělo být -(-0,76) + 1,23 = 1,99 V, ale s ohledem na mnoho praktických podmínek skutečné výstupní napětí standardní cinkové baterie není vyšší než 1,5 V.

Hustota energie cinkové baterie

Molární hmotnost materiálu katody, dusičnanu manganu, je 87 g/mol. V reakci baterie se zjistilo, že dva elektrony redukují dva molekuly dusičnanu manganu. Podle Faradayova konstantu 28,6 Ah mohou být dodány kompletní redukcí jednoho molu nebo 87 g dusičnanu manganu. Proto je požadováno 87/26,8 = 3,24 g dusičnanu manganu, aby bylo dodáno 1 Ah elektřiny.
Molární hmotnost materiálu anody, cínu, je 65 g/mol. V reakci baterie se zjistilo, že dva elektrony oxidují jeden atom cínu. Podle Faradayova konstantu 28,6 Ah mohou být dodány kompletní oxidací jednoho molu nebo 65/2 g nebo 32,5 g cínu. Proto je požadováno 32,5/26,8 = 1,21 g cínu, aby bylo dodáno 1 Ah elektřiny.
Celková hustota energie cinkové baterie je 3,24 g/Ah + 1,21 g/Ah = 4,45 g/Ah = 1 / 4,45 Ah/g = 0,224 Ah/g nebo 224 Ah/Kg. Toto je absolutně teoretický výpočet, ale v praxi musí být zahrnuty mnohé další materiály, jako jsou elektrolyty, uhlíkový černý, voda, jejichž hmotnost nelze vynechat. Kromě toho musí být v baterii zohledněny mnohé další praktické podmínky. S ohledem na všechno má praktická baterie s nízkým výběrem Leclanche' nízkou hustotu energie 75 Ah/Kg a stejně tak pro vysokovýkonné a přerušované baterie je to asi 35 Ah/Kg.

Typy cinkové baterie

Jak jsme řekli dříve, existují dva