Zink-Kohlenstoff-Batterie | Arten von Zink-Kohlenstoff-Batterien | Vor- und Nachteile

Zink-Kohlenstoff-Batterie

Zink-Kohlenstoff-Batterie wird seit etwa 100 Jahren weit verbreitet eingesetzt. Es gibt im Allgemeinen zwei Arten von Zink-Kohlenstoff-Batterien – die Leclanche-Batterie und die Zinkchlorid-Batterie. Beide sind Primärzellen. Diese Batterie wurde 1866 von George Lionel Leclanche erfunden. Dies war die erste Batterie, in der ein wenig korrosives Elektrolyt wie Ammoniumchlorid verwendet wurde. Davor wurden nur starke Mineraliensäuren als Elektrolyte in Batteriesystemen verwendet.
In dieser Batteriezelle wurde ein Glasgefäß als Hauptbehälter verwendet. Der Behälter wurde mit einer Ammoniumchlorid-Lösung als Elektrolyt gefüllt. Ein amalgamierter Zinkstab wurde in dieses Elektrolyt als negativer Pol oder Anode getaucht. In dieser Leclanche-Batteriezelle wurde ein poröser Topf mit einem Mischverhältnis von 1:1 von Mangan(IV)-oxid und Kohlenstoffpulver gefüllt. Ein Kohlenstoffstab wurde in diese Mischung eingebracht.

Der poröse Topf zusammen mit der Mischung und dem Kohlenstoffstab diente als positiver Pol oder Kathode und wurde in der Ammoniumchlorid-Lösung im Glasgefäß platziert. Im Jahr 1876 verbesserte Leclanche selbst sein Prototypdesign der Zink-Kohlenstoff-Batterie. Hier mischte er einen Harzbinder mit Mangan(IV)-oxid und Kohlenstoffpulver, um durch hydraulischen Druck einen komprimierten festen Block der Mischung zu bilden. Aufgrund dieser festen Struktur des Kathodenmaterials war kein poröser Topf mehr in der Leclanche-Batteriezelle notwendig. Im Jahr 1888 entwickelte Dr. Carl Gassner die Konstruktion der Leclanche-Zelle weiter. Er verwendete eine Paste aus Gips und Ammoniumchlorid als Elektrolyt, anstelle einer flüssigen Ammoniumchlorid-Lösung. Statt einen Zinkstab in das Elektrolyt in einem Glasebehälter einzuführen, baute er den Behälter aus Zink selbst. Daher dient dieser Behälter auch als Anode der Batterie. Er minimierte lokale chemische Reaktionen in seiner Batterie, indem er Zinkchlorid-Ammoniumchlorid-sättigte Tücher um den zylindrischen Kathodenmischungsblock wickelte.

Später ersetzte er den Gips durch Weizenmehl im Elektrolytmischungsverhältnis. Dies war das erste kommerzielle Design einer trockenen Zink-Kohlenstoff-Batteriezelle. Das war jedoch nicht das Ende der Entwicklung. Die Leclanche-Batterie wurde weiterentwickelt, um den laufenden Marktbedarf im 20. Jahrhundert zu erfüllen. Später wurde Acetylen-Schwarzkohle als Kathodenstromsammler verwendet. Diese ist leitfähiger als Graphit. Auch bei der Trennervorrichtung und dem Ventilverschluss-System wurden Verbesserungen vorgenommen.

Nach 1960 wurden weitere Bemühungen in die Entwicklung der Zinkchlorid-Batteriezelle gesteckt. Dies ist auch eine beliebte Version der Zink-Kohlenstoff-Batterie. Hier wird Zinkchlorid als Elektrolyt anstelle von Ammoniumchlorid verwendet. Diese wurde entwickelt, um eine bessere Leistung bei schweren Entladungsanwendungen zu bieten. Mit anderen Worten, die Zinkchlorid-Batterie ist ein verbessertes Ersatzmittel für die Leclanche-Batterie in schweren Entladungsanwendungen.

Chemische Reaktion in der Zink-Kohlenstoff-Batterie

In der Leclanche-Batteriezelle wird Zink als Anode, Mangan(IV)-oxid als Kathode und Ammoniumchlorid als Hauptelektrolyt verwendet, aber es ist ein gewisser Prozentsatz von Zinkchlorid im Elektrolyt enthalten. In der Zinkchlorid-Batteriezelle wird Zink als Anode, Mangan(IV)-oxid als Kathode und Zinkchlorid als Elektrolyt verwendet.
In beiden Arten der Zink-Kohlenstoff-Batterie ist bei der Entladung der Zink-Anode eine Oxidationsreaktion beteiligt, und jedes Zinkatom, das an dieser Reaktion beteiligt ist, gibt zwei Elektronen ab.

Diese Elektronen gelangen über den externen Lastkreis zur Kathode.
In der Leclanche-Batteriezelle existiert Ammoniumchlorid (NH4Cl) im Elektrolytmischungsverhältnis als NH4+ und Cl–. In der Kathode wird MnO2 in Reaktion mit Ammoniumionen (NH4+) zu Mn2O3 reduziert. Zusätzlich zu Mn2O3 produziert diese Reaktion auch Ammoniak (NH3) und Wasser (H2O).

Während dieses chemischen Prozesses werden einige Ammoniumionen (NH4+) direkt durch Elektronen reduziert und bilden gasförmiges Ammoniak (NH3) und Wasserstoff (H2).

In der Zink-Kohlenstoff-Batterie reagiert dieses Ammoniak-Gas weiter mit Zinkchlorid (ZnCl2), um festes Zinkammoniumchlorid zu bilden, und das gasförmige Wasserstoff reagiert mit Mangan(IV)-oxid, um festes Dimangantrioxid und Wasser zu bilden. Diese beiden Reaktionen verhindern die Bildung von Gasdruck während der Entladung der Batterie.

Die Gesamtreaktion lautet:

Eine Zinkchlorid-Batterie ist eine verbesserte Version der Zink-Kohlenstoff-Batterie. Diese Batterien werden im Allgemeinen als Hochleistungsbatterien bezeichnet. Eine Zinkchlorid-Zelle enthält nur Zinkchlorid (ZnCl2)-Paste als Elektrolyt. Diese Batterie bietet mehr Strom, mehr Spannung und längere Lebensdauer als eine allgemeine Zink-Kohlenstoff-Batterie. Die Kathodenreaktion lautet:

Die Gesamtreaktion lautet:

Spannungsangabe der Zink-Kohlenstoff-Batterie

Die Standard-Spannungsangabe einer Zink-Kohlenstoff-Batterie wird durch die Art der Anode- und Kathodmaterialien in der Batteriezelle bestimmt. In der Zink-Kohlenstoff-Batteriezelle wird Zink als Anodematerial und Mangan(IV)-oxid als Kathodematerial verwendet. Das Elektrodenpotential von Zink beträgt – 0,7 Volt, während das Elektrodenpotential von Mangan(IV)-oxid 1,28 beträgt.
Daher sollte die theoretische Spannung jeder Zelle – (- 0,76) + 1,23 = 1,99 V betragen, aber unter Berücksichtigung vieler praktischer Bedingungen beträgt die tatsächliche Spannungsabgabe einer standardmäßigen Zink-Kohlenstoff-Batterie nicht mehr als 1,5 V.

Energiedichte der Zink-Kohlenstoff-Batteriezelle

Das Molgewicht des Kathodenmaterials, Mangan(IV)-oxid, beträgt 87 g/mol. In der Reaktion der Batterie wird festgestellt, dass zwei Elektronen zwei Mangan(IV)-oxid-Moleküle reduzieren. Daher kann gemäß Faradayscher Konstante 28,6 Ah durch die vollständige Reduktion eines Mols oder 87 g Mangan(IV)-oxid geliefert werden. Daher sind 87/26,8 = 3,24 g Mangan(IV)-oxid erforderlich, um 1 Ah Strom zu liefern.
Das Molgewicht des Anodenmaterials, Zink, beträgt 65 g/mol. In der Reaktion der Batterie wird festgestellt, dass zwei Elektronen ein Zinkatom oxidieren. Daher kann gemäß Faradayscher Konstante 28,6 Ah durch die vollständige Oxidation eines Mols oder 65/2 g oder 32,5 g Zink geliefert werden. Daher sind 32,5/26,8 = 1,21 g Zink erforderlich, um 1 Ah Strom zu liefern.
Die gesamte Energiedichte der Zink-Kohlenstoff-Batterie beträgt 3,24 g/Ah + 1,21 g/Ah = 4,45 g/Ah = 1 / 4,45 Ah/g = 0,224 Ah/g oder 224 Ah/Kg. Dies ist eine rein theoretische Berechnung, aber in der Praxis müssen viele andere Materialien wie Elektrolyt, Schwarzruß, Wasser in die Batterie einbezogen werden, deren Gewicht nicht vernachlässigt werden kann. Darüber hinaus müssen viele andere praktische Bedingungen in einer Batterie berücksichtigt werden. Wenn alles berücksichtigt wird, hat eine praktische, niedrig entladene Leclanche-Batteriezelle eine Energiedichte von 75 Ah/Kg, und für eine hoch belastbare und intermittierend entladene Batterie beträgt sie etwa 35 Ah/Kg.

Arten von Zink-Kohlenstoff-Batterien

Wie bereits erwähnt, gibt es zwei Arten von Zink-Kohlenstoff-Batterien.

1. Leclanche-Batterie

2. Zinkchlorid-Batterie.

Die Leclanche-Batterien gibt es in zwei Hauptarten: allgemeine Zwecke und Hochleistungszellen.
Allgemeine, kostengünstige Leclanche-Batterien verwenden reines Zink als Anode, Ammoniumchlorid als Hauptelektrolyt sowie einen Prozentsatz von Zinkchlorid. Hier wird natürliches Mangan(IV)-oxid als Kathodenmaterial verwendet. Diese Batterien werden in der Regel dort eingesetzt, wo die Kosten wichtiger sind als ihre Leistung.
Die Anwendung von Hochleistung-Leclanche-Batterien wird