Zinkkarbonbatteri | Typer af zinkkarbonbatterier | Fordele og ulemper
Zinkkarbonbatteri
Zinkkarbon batteri har været populært brugt i de sidste 100 år. Generelt findes der to typer zinkkarbonbatterier – Leclanche-batteri og zinkchloridbatteri. Begge er primære batterier. Dette batteri blev opfundet af Goerge Lionel Leclanche i 1866. Dette var det første batteri, hvor en lav korrosiv elektrolyt som ammoniumchlorid blev brugt. Før da blev kun stærke mineraliske syrer brugt som elektrolyt i batterisystemer.
I dette battericelle blev et glasflaske anvendt som hovedbeholder. Beholderen blev fyldt med ammoniumchlorid-løsning som elektrolyt. En amalgameret zinkstang blev neddyppet i denne elektrolyt som negativ elektrod eller anode. I dette Leclanche-battericelle blev en porøs krukke fyldt med en blanding på 1:1 mellem mangandioxid og kulstofpulver. En kulstofstang blev indsat i denne blanding.
Den porøse krukke sammen med blandingen og kulstofstangen fungerede som positiv elektrod eller katod, og denne blev placeret i ammoniumchlorid-løsningen i flasken. I 1876 forbedrede Leclanche selv sin egen prototypdesign af zinkkarbonbatteri. Her blandede han en resingummi-bindende med mangandioxid og kulstofpulver for at danne en komprimeret solid blok af blandingen ved hydraulisk pres. På grund af denne solide struktur af katodblanding var der ikke længere behov for en porøs krukke i Leclanche-battericellen. I 1888 videreudviklede Dr. Carl Gassner konstruktionen af Leclanche-cellen. Her brugte han en pasta af gips og ammoniumchlorid som elektrolyt i stedet for flydende ammoniumchlorid. I stedet for at indsætte en zinkstang i elektrolyten i glasbeholderen, lavede han beholdere af zink. Derfor fungerer denne beholder også som anode i batteriet. Han reducerede lokal kemisk aktivitet i sit batteri ved at omhylle den cylindriske katodblandingsblok med klædede zinkchlorid – ammoniumchlorid-saturated tøj.
Senere erstattede han gips med hvedemel i elektrolytmixen. Dette var det første kommercielle design af et tørt zinkkarbonbattericelle. Dette var ikke slutningen på rejsen. Leclanche-batteriet blev yderligere udviklet for at møde dets fortsatte markedsbehov i det 20. århundrede. Senere blev acetylen sort kul anvendt som katodstrømforsyningsleder. Dette er mere ledende end grafitt. Udvikling er også sket i separator-design og ventilationsseal-system.
Efter 1960 blev mere indsats rettet mod udviklingen af zinkchloridbattericeller. Dette er også en populær version af zinkkarbonbatteri. Her bruges zinkchlorid som elektrolyt i stedet for ammoniumchlorid. Dette blev udviklet for at give bedre ydeevne i høje strømforbruget applikationer. Med andre ord er zinkchloridbatteriet en forbedret erstatning for Leclanche-batteri i høje strømforbrugets applikationer.
Kemisk Reaktion i Zinkkarbonbatteri
I Leclanche-battericelle bliver zink anvendt som anode, mangandioxid som katod, og ammoniumchlorid som hovedelektrolyt, men der er en vis procentdel zinkchlorid i elektrolyten. I zinkchloridbattericelle bliver zink anvendt som anode, mangandioxid som katod, og zinkchlorid som elektrolyt.
I begge typer zinkkarbonbatterier involveres zinkanoden i oksideringsreaktion under udladning, og hver zinkatom involveret i denne reaktion frigiver to elektroner.
Disse elektroner kommer til katoden gennem ekstern belastningskredsløb.
I Leclanche-battericelle findes ammoniumchlorid (NH4Cl) i elektrolytmixen som NH4+ og Cl –. I katoden vil MnO2 blive reduceret til Mn2O3 i reaktion med ammoniumion (NH4+). Udover Mn2O3 producerer denne reaktion også ammoniak (NH3) og vand (H20).
Men under denne kemiske proces bliver nogle ammoniumioner (NH4+ ) direkte reduceret af elektroner og dannet gasformet ammoniak (NH3) og brint(H2).
I zinkkarbonbatteriet reagerer denne ammoniakgas yderligere med zinkchlorid (ZnCl2) for at danne solidt zinkammoniumchlorid, og gasformet brint reagerer med mangandioxid for at danne solid di-mangantrioxid og vand. Disse to reaktioner forebygger dannelse af gastryk under udladning af batteriet.
Den samlede reaktion er,
Et zinkchloridbatteri er en forbedret version af zinkkarbonbatteri. Disse batterier er generelt mærket som tungt arbejdsbatteri. Et zinkchloridcelle indeholder kun zinkchlorid (ZnCl2) pasta som elektrolyt. Dette batteri giver mere strøm, mere spænding og mere levetid end et alment formål zinkkarbonbatteri. Katodreaktionen er,
Den samlede reaktion er,
Spændingsklasse for Zinkkarbonbatteri
Standard spændingsklasse for et zinkkarbonbatteri bestemmes af typen af anode- og katodematerialer, der anvendes i battericellen. I zinkkarbonbattericellen er zink anodematerialet, og mangandioxid er katodematerialet. Elektrodens potentiale for zink er – 0,7 volt, mens elektrodens potentiale for mangandioxid er 1,28.
Derfor bør den teoretiske spænding for hver celle være – (- 0,76) + 1,23 = 1,99 V, men med mange praktiske betingelser er den faktiske spændingsoutput for et standard zinkkarbonbatteri ikke mere end 1,5 V.
Energitæthed for Zinkkarbonbattericelle
Molarmassen af katodematerialet, mangandioxid, er 87 g/mol. Her i batteriets reaktion findes det, at to elektroner reducerer to mangandioxid-molekyler. Derfor kan ifølge Faradays konstant 28,6 Ah levereres ved fuldstændig reduktion af en mol eller 87 g mangandioxid. Derfor kræves 87/26,8 = 3,24 g mangandioxid for at levere 1 Ah elektricitet.
Molarmassen af anodematerialet, zink, er 65 g/mol. Her i batteriets reaktion findes det, at to elektroner oxiderer et zincatom. Derfor kan ifølge Faradays konstant 28,6 Ah levereres ved fuldstændig oxidation af en mol eller 65/2 g eller 32,5 g zink. Derfor kræves 32,5/26,8 = 1,21 g zink for at levere 1 Ah elektricitet.
Den totale energitæthed for zinkkarbonbatteri er 3,24 g/Ah + 1,21 g/Ah = 4,45 g/Ah = 1 / 4,45 Ah/g = 0,224 Ah/g eller 224 Ah/Kg. Dette er absolut en teoretisk beregning, men i praksis skal mange andre materialer, som elektrolyt, sort kul, vand inkluderes i batteriet, hvis vægt ikke kan udelades. Udover disse skal mange andre praktiske betingelser tages i betragtning i et batteri. Når man tager alt i betragtning, har et praktisk lav udladnings Leclanche-battericelle en energitæthed på 75 Ah/Kg, og det samme for tungt arbejds- og intermittente udladningsbatteri er omkring 35 Ah/Kg.
Typer af Zinkkarbonbatteri
Som vi sagde tidligere, findes der to typer zinkkarbonbatteri.
Leclanche’ batteri
Zinkchloridbatteri.
Igen findes der to hovedtyper af Leclanche’ batteri, generelle formål celler og tungt arbejdsceller.
I generelle formål, billige Leclanche’ batterier, anvendes rent zink som anode, ammoniumchlorid som hovedelektrolyt sammen med en procentdel zinkchlorid. Her anvendes naturligt mangandioxid råmateriale som katodematerial. Disse batterier anvendes generelt, hvor kostnad er en mere vital faktor end deres ydeevne.
Anvendelsen af tungt arbejdsceller domineres af zinkchloridbatterier, men
