Batería de Zinc-Carbono | Tipos de Batería de Zinc-Carbono | Ventajas y Desventajas

Batería de Zinc-Carbono

Batería de zinc carbon ha sido ampliamente utilizada durante los últimos 100 años. Generalmente, existen dos tipos de batería de zinc carbono disponibles – la batería Leclanche y la batería de cloruro de zinc. Ambas son baterías primarias. Esta batería fue inventada por George Lionel Leclanche en 1866. Fue la primera batería en la que se utilizó un electrolito poco corrosivo como el cloruro de amonio. Antes de eso, solo se utilizaban ácidos minerales fuertes como electrolitos del sistema de batería.
En esta celda de batería, se utilizaba un frasco de vidrio como contenedor principal. El contenedor se llenaba con una solución de cloruro de amonio como electrolito. Un electrodo negativo o ánodo de amalgama de zinc se sumergía en este electrolito. En esta celda de batería Leclanche, un recipiente poroso se llenaba con una mezcla uno a uno de dióxido de manganeso y polvo de carbón. Se insertaba un electrodo de carbón en esta mezcla.

El recipiente poroso junto con la mezcla y el electrodo de carbón servían como electrodo positivo o cátodo y se colocaba en la solución de cloruro de amonio en el frasco. En 1876, Leclanche mejoró su propio diseño prototipo de batería de zinc carbono. Aquí mezcló un aglutinante de goma resina con dióxido de manganeso y polvo de carbón para formar un bloque sólido comprimido de la mezcla mediante presión hidráulica. Debido a esta estructura sólida de la mezcla del cátodo, ya no se necesita el recipiente poroso en la celda de batería Leclanche. En 1888, el Dr. Carl Gassner, desarrolló aún más la construcción de la celda Leclanche. Aquí utilizó una pasta de yeso de París y cloruro de amonio como electrolito, en lugar de cloruro de amonio líquido. En lugar de insertar un electrodo de zinc dentro del electrolito en un contenedor de vidrio, hizo el contenedor de zinc. Por lo tanto, este contenedor también sirve como ánodo de la batería. Minimizó la acción química local en su batería envolviendo telas saturadas de cloruro de zinc y cloruro de amonio alrededor del bloque de mezcla del cátodo cilíndrico.

Más tarde reemplazó el yeso de París por harina de trigo, en la mezcla del electrolito. Este fue el primer diseño comercial de celda de batería de zinc carbono seca. Esto no fue el final del viaje. La batería Leclanche fue desarrollada aún más para satisfacer su creciente demanda de mercado en el siglo 20th. Más tarde, se utilizó carbono negro acetileno como colector de corriente del cátodo. Este es más conductor que el grafito. También se han realizado desarrollos en el diseño del separador y el sistema de sellado de ventilación.

Después de 1960, se dirigió más esfuerzo al desarrollo de la celda de batería de cloruro de zinc. Esta es también una versión popular de batería de zinc carbono. Aquí, se utiliza cloruro de zinc como electrolito en lugar de cloruro de amonio. Esto se desarrolló para proporcionar un mejor rendimiento en aplicaciones de alto drenaje. En otras palabras, la batería de cloruro de zinc es un sustituto mejorado de la batería de Leclanche en aplicaciones de alto drenaje.

Reacción Química en la Batería de Zinc Carbono

En la celda de batería Leclanche, se utiliza zinc como ánodo, dióxido de manganeso como cátodo y cloruro de amonio como electrolito principal, pero hay un porcentaje de cloruro de zinc en el electrolito. En la celda de batería de cloruro de zinc, se utiliza zinc como ánodo, dióxido de manganeso como cátodo y cloruro de zinc como electrolito.
En ambas baterías de zinc carbono, durante la descarga, el ánodo de zinc participa en una reacción de oxidación y cada átomo de zinc involucrado en esta reacción libera dos electrones.

Estos electrones llegan al cátodo a través del circuito de carga externa.
En la celda de batería Leclanche, el cloruro de amonio (NH4Cl) existe en la mezcla de electrolito como NH4+ y Cl–. En el cátodo, el MnO2 se reducirá a Mn2O3 en reacción con el ion de amonio (NH4+). Además de Mn2O3, esta reacción también produce amoníaco (NH3) y agua (H20).

Pero durante este proceso químico, algunos iones de amonio (NH4+) se reducen directamente por los electrones y forman amoníaco gaseoso (NH3) e hidrógeno (H2).

En la batería de zinc carbono, este gas de amoníaco reacciona aún más con el cloruro de zinc (ZnCl2) para formar cloruro de zinc y amonio sólido, y el hidrógeno gaseoso reacciona con el dióxido de manganeso para formar óxido de dimanganeso trióxido sólido y agua. Estas dos reacciones previenen la formación de presión de gas durante la descarga de la batería.

La reacción general es,

Una batería de cloruro de zinc es una versión mejorada de la batería de zinc carbono. Estas baterías generalmente se etiquetan como baterías de alta resistencia. Una celda de cloruro de zinc contiene solo pasta de cloruro de zinc (ZnCl2) como electrolito. Esta batería proporciona más corriente, más voltaje y más vida útil que una batería de zinc carbono de uso general. La reacción del cátodo es,

La reacción general es,

Voltaje Nominal de la Batería de Zinc Carbono

El voltaje nominal estándar de una batería de zinc carbono se determina por el tipo de materiales anódicos y catódicos utilizados en la celda de la batería. En la celda de batería de zinc carbono, el zinc es el material del ánodo y el dióxido de manganeso es el material del cátodo. El potencial de electrode de zinc es -0.7 voltios, mientras que el potencial de electrode del dióxido de manganeso es 1.28.
Por lo tanto, el voltaje teórico de cada celda debería ser -(-0.76) + 1.23 = 1.99 V, pero considerando muchas condiciones prácticas, el voltaje de salida real de una batería de zinc carbono estándar no es más de 1.5 V.

Densidad Energética de la Celda de Batería de Zinc Carbono

El peso molar del material del cátodo, el dióxido de manganeso, es 87 g/mol. Aquí, en la reacción de la batería, se encuentra que dos electrones reducen dos moléculas de dióxido de manganeso. Por lo tanto, según la constante de Faraday, 28.6 Ah pueden ser entregados por la reducción completa de un mol o 87 g de dióxido de manganeso. Por lo tanto, 87/26.8 = 3.24 g de dióxido de manganeso son necesarios para entregar 1 Ah de electricidad.
El peso molar del ánodo, el zinc, es 65 g/mol. Aquí, en la reacción de la batería, se encuentra que dos electrones oxidan un átomo de zinc. Por lo tanto, según la constante de Faraday, 28.6 Ah pueden ser entregados por la oxidación completa de un mol o 65/2 g o 32.5 g de zinc. Por lo tanto, 32.5/26.8 = 1.21 g de zinc son necesarios para entregar 1 Ah de electricidad.
La densidad energética total de la batería de zinc carbono es 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. Este es un cálculo absolutamente teórico, pero en la práctica, muchos otros materiales como el electrolito, el carbón negro, el agua deben incluirse en la batería, cuyo peso no puede omitirse. Además, muchas otras condiciones prácticas deben considerarse en una batería. Considerando todo, una celda de batería de Leclanche de bajo descargo tiene una densidad energética de 75 Ah/Kg y la misma para baterías de alta resistencia y descargo intermitente, es de aproximadamente 35 Ah/Kg.

Tipos de Batería de Zinc Carbono

Como dijimos antes, existen dos tipos de batería de zinc carbono.

1. Batería de Leclanche

2. Batería de cloruro de zinc.

Nuevamente, las baterías de Leclanche son principalmente de dos tipos, células de uso general y cél