Sinkkarbatteeri | Sinkkarbatteeri tüübid | Eelised ja puudused
Tsink-külvendiaaberi akku
Tsink-külvendiaaber akku on viimased 100 aastat laialdaselt kasutuses. Tavaliselt on kättesaadavad kaks tsink-külvendiaaberide tüüpi – Leclanche'i akk ja tsink-kloriid akk. Mõlemad need on primäärsed akud. See akk leiutas Goerge Lionel Leclanche 1866. aastal. See oli esimene akk, millel kasutati nõrgalt korroodeerivat elektrolüüt nagu ammoniumkloriid. Enne seda kasutati ainult tugevalt mineralsete sidikute kui akude elektrolüüti.
Akkus kasutati ühte klaasist purku peamise konteinerina. Konteiner täitis ammoniumkloriidilahusega kui elektrolüütiga. Amalgameeritud tsinkvarr pannuti selle elektrolüüti korda negatiivseks elektrodiks või anoodiks. Leclanche'i akkus täitis porose purk üheks üheks segunenud mangaanidioksiidi ja süsiniku pulveriga. Süsinikvarr pannuti selle segu korda.
Porose purk koos segue ja süsinikvarrega teenis positiivseks elektrodiks või katoodiks ja see paigutati ammoniumkloriidilahuse korda klaasist purk. 1876. aastal arendas Leclanche ise oma prototüübi disaini tsink-külvendiaaber. Siin segas ta resiinipahklase sidikuga mangaanidioksiidi ja süsiniku pulveri, et vormida kompaktset soliitu bloki hidraaulilise survega. Tänu sellele katoodi segu soliitstruktuurile ei ole enam vaja porose purk Leclanche'i akus. 1888. aastal arendas dr. Carl Gassner edasi Leclanche'i aku ehituse. Siin kasutas ta Parisi tseinipaasta ja ammoniumkloriidilahustele pasti kui elektrolüüt, selle asemel, et kasutada vedelikku ammoniumkloriidilahust. Selle asemel, et panustada tsinkvarri elektrolüüti korda klaasist konteineris, tegi ta konteineri tsinkist. Seega teenis see konteiner ka anoodina akus. Ta vähendas oma akus lokaalset keemilist toimimist, kattudes tsinkkloriid-ammoniumkloriidile segunenud riietega silindrilise katoodi segu blokiga.
Hiljem asendas ta Parisi tseinipaasta vehemaizena elektrolüüti segu. See oli esimene kaubanduslik disain kuiva tsink-külvendiaaberite akule. See ei olnud lõppjõudmik. Leclanche'i akk arendati edasi, et rahuldada selle jätkuvat turunõudlust 20nd sajandil. Hiljem kasutati katoodi voolu kogujana aseiteeni musta süsinikut. See on juhtivam kui graafit. Arendusi tehti ka segajate disainis ja ventilaatorisealises süsteemis.
Pärast 1960. aastat suunati rohkem jõupingutusi tsinkkloriidaku arendamiseks. See on ka populaarne versioon tsink-külvendiaaber. Siin kasutatakse tsinkkloriidit elektrolüütina asemel ammoniumkloriidist. See arendati, et pakkuda paremat jõudlust raske väljavoolu rakendustes. Teisisõnu, tsinkkloriid akk on Leclanche'i akule parandus rakenduses raskest väljavoolust.
Keemiline Reaktsioon Tsink-Külvendiaaberis
Leclanche'i akus kasutatakse tsinki anoodina, mangaanidioksiidi katoodina ja ammoniumkloriidit peamise elektrolüütina, kuid elektrolüütis on mõni protsent tsinkkloriidist. Tsinkkloriid akus kasutatakse tsinki anoodina, mangaanidioksiidi katoodina ja tsinkkloriidit elektrolüütina.
Mõlemas tsink-külvendiaaberis osaleb tsinki anood oxidatsioonireaktsioonis väljaütlemisel ja iga selles reaktsioonis osalev tsinkatom vabastab kaks elektront.
Need elektronid tulevad katoodi kaudu välislaadikringi kaudu.
Leclanche'i akus eksisteerib ammoniumkloriid (NH4Cl) elektrolüüti segu kui NH4+ ja Cl –. Katoodis MnO2 vähendatakse Mn2O3 reaktsioonis ammoniumioni (NH4+). Lisaks Mn2O3 toodetakse sellest reaktsioonist ammuonia (NH3) ja vett (H20).
Kuid selle keemilise protsessi ajal mõned ammoniumionid (NH4+ ) vähendatakse otse elektronide poolt ja moodustavad gaasiline ammuonia (NH3) ja vesiniku(H2).
Tsink-külvendiaaberis reageerib see ammuugaga edasi tsinkkloriidiga (ZnCl2) moodustades soliitu tsinkammuuniumkloriid ja gaasiline vesinik reageerib mangaanidioksiidi koga moodustades soliitu di-mangaantrioksiidi ja vett. Need kaks reaktsiooni takistavad gaasipressiooni tekkimist akus väljaütlemisel.
Üldine reaktsioon on,
Tsinkkloriid akk on tsink-külvendiaaberis parandatud versioon. Need akud on tavaliselt märgistatud kui raske töö akud. Tsinkkloriid elemendis sisaldub ainult tsinkkloriid (ZnCl2) pasta kui elektrolüüt. See akk pakub rohkem voolu, rohkem pinget ja pikema eluea kui üldkasutuslik tsink-külvendiaaber. Katoodi reaktsioon on,
Üldine reaktsioon on,
Tsink-külvendiaaberi Pingereiting
Tsink-külvendiaaberi standardpingereiting määratakse aku elementide kasutatavate anoodi ja katoodi materjalide tüübina. Tsink-külvendiaaberis on tsink anoodimaterjal ja mangaanidioksid katoodimaterjal. Tsinki elektrode potentsiaal on – 0.7 volt, samas kui mangaanidioksiidi elektrode potentsiaal on 1.28.
Nende valguses peaks igas elemendis teoreetiline pingereiting olema – (- 0.76) + 1.23 = 1.99 V, kuid arvestades paljusid praktilisi tingimusi, on tavaline tsink-külvendiaaberi tegelik väljundpinge mitte suurem kui 1.5 V.
Tsink-külvendiaaberi Energiatihedus
Katoodimaterjali mangaanidioksiidi molmass on 87 g/mol. Aku reaktsioonis leidub, et kaks elektront vähendavad kaks mangaanidioksiidi molekuli. Seega, Faraday konstandi järgi saab täieliku mangaanidioksiidi molekuli (87 g) vähendamisel 28.6 Ah. Seega, 87/26.8 = 3.24 g mangaanidioksiidi on vaja, et andestada 1 Ah elektrit.
Anoodimaterjali tsinki molmass on 65 g/mol. Aku reaktsioonis leidub, et kaks elektront oksideerivad ühe tsinki atoomi. Seega, Faraday konstandi järgi saab täieliku tsinki molekuli (65/2 g või 32.5 g) oksideerimisel 28.6 Ah. Seega, 32.5/26.8 = 1.21 g tsinki on vaja, et andestada 1 Ah elektrit.
Tsink-külvendiaaberi kogu energiatihedus on 3.24 g/Ah + 1.21 g/Ah = 4.45 g/Ah = 1 / 4.45 Ah/g = 0.224 Ah/g või 224 Ah/Kg. See on täpselt teoreetiline arvutus, kuid praktikas tuleb arvestada palju muud materjali, nagu elektrolüüt, must süsinik, vesi, mille kaalu ei saa ignoreerida. Lisaks tuleb arvestada palju praktilisi tingimusi akus. Kõik asjad arvesse võttes, on madala väljavoolu Leclanche'i aku energiatihedus umbes 75 Ah/Kg ja sama raske töö ja lõhkeline väljavoolu akul, umbes 35 Ah/Kg.
Tsink-külvendiaaberi Tüübid
Nagu me varem ütlesime, on kaks tsink-külvendiaaberi tüüpi.
Leclanche'i akk
Tsinkkloriid akk.
