Батарейка з цинк-карбоновай састаўнай | Тыпы батарэек з цинк-карбонавай састаўнай | Прыгождзенні і недастаткі
گرمی کربنی باتری
گرمی کربنی باتری در طول ۱۰۰ سال گذشته به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته است. عموماً دو نوع گرمی کربنی باتری موجود هستند – باتری لکلانچ و باتری کلرید روی. هر دو این باتریها از نوع اولیه هستند. این باتری توسط جورج لیونل لکلانچ در سال ۱۸۶۶ اختراع شد. این اولین باتری بود که الکترولیتی با خوردگی پایین مانند کلرید آمونیوم استفاده شد. قبل از آن فقط اسیدهای معدنی قوی به عنوان الکترولیت سیستم باتری استفاده میشد.
در این سلول باتری، یک جام شیشهای به عنوان ظرف اصلی استفاده شد. ظرف با محلول کلرید آمونیوم به عنوان الکترولیت پر شد. یک میله روی آمالگام شده در این الکترولیت به عنوان الکترود منفی یا آنود غوطه ور شد. در این سلول باتری لکلانچ، یک کوزه متخلخل با مخلوط یک به یک از دیاکسید منگنز و پودر کربن پر شد. یک میله کربنی در این مخلوط وارد شد.
کوزه متخلخل همراه با مخلوط و میله کربنی به عنوان الکترود مثبت یا کاتود عمل کرد و در محلول کلرید آمونیوم در جام قرار گرفت. در سال ۱۸۷۶، لکلانچ خود طراحی نمونه اولیه گرمی کربنی باتری را بهبود بخشید. او در اینجا یک رزین چسبنده با دیاکسید منگنز و پودر کربن مخلوط کرد تا یک بلوک فشرده از مخلوط با فشار هیدرولیکی تشکیل شود. به دلیل ساختار جامد مخلوط کاتودی، نیازی به کوزه متخلخل در سلول باتری لکلانچ نیست. در سال ۱۸۸۸، دکتر کارل گاسنر، ساختار سلول لکلانچ را توسعه داد. او در اینجا یک پاست از گچ پاریس و کلرید آمونیوم به عنوان الکترولیت استفاده کرد، به جای محلول کلرید آمونیوم. به جای وارد کردن یک میله روی در داخل الکترولیت در ظرف شیشهای، او ظرف را با روی ساخت. بنابراین این ظرف همچنین به عنوان آنود باتری عمل میکند. او واکنش شیمیایی محلی در باتری خود را با پوشاندن پارچههایی که با کلرید روی - کلرید آمونیوم مشبک شدهاند به بلوک مخلوط کاتودی استوانهای کاهش داد.
بعداً او گچ پاریس را با آرد گندم در مخلوط الکترولیت جایگزین کرد. این اولین طراحی تجاری سلول باتری خشک گرمی کربنی بود. این پایان سفر نبود. باتری لکلانچ برای برآورده کردن تقاضای بازار در قرن بیستم توسعه یافت. بعداً کربن سیاه آستیلن به عنوان جمعکننده جریان کاتودی استفاده شد. این مواد رساناتر از گرافیت هستند. توسعهای نیز در طراحی جداکننده و سیستم بستهبندی و تنفس صورت گرفته است.
پس از سال ۱۹۶۰، تلاش بیشتری در توسعه سلول باتری کلرید روی صورت گرفت. این نیز یک نسخه محبوب از گرمی کربنی باتری است. در اینجا، کلرید روی به عنوان الکترولیت به جای کلرید آمونیوم استفاده میشود. این برای ارائه عملکرد بهتر در کاربردهای با تخلیه سنگین توسعه یافته است. به عبارت دیگر، باتری کلرید روی جایگزین بهبود یافته باتری لکلانچ در کاربردهای با تخلیه سنگین است.
واکنش شیمیایی در باتری گرمی کربنی
در سلول باتری لکلانچ، روی به عنوان آنود، دیاکسید منگنز به عنوان کاتود و کلرید آمونیوم به عنوان الکترولیت اصلی استفاده میشود اما در الکترولیت مقداری کلرید روی وجود دارد. در سلول باتری کلرید روی، روی به عنوان آنود، دیاکسید منگنز به عنوان کاتود و کلرید روی به عنوان الکترولیت استفاده میشود.
در هر دو نوع باتری گرمی کربنی، در حین تخلیه، آنود روی در واکنش اکسیداسیون شرکت میکند و هر اتم روی که در این واکنش شرکت میکند دو الکترون آزاد میکند.
این الکترونها از طریق مدار بار خارجی به کاتود میرسند.
در سلول باتری لکلانچ کلرید آمونیوم (NH4Cl) در مخلوط الکترولیت به صورت NH4+ و Cl – وجود دارد. در کاتود MnO2 به Mn2O3 در واکنش با یون آمونیوم (NH4+) کاهش مییابد. علاوه بر Mn2O3 این واکنش همچنین آمونیا (NH3) و آب (H20) تولید میکند.
اما در طی این فرآیند شیمیایی برخی از یونهای آمونیوم (NH4+ ) مستقیماً توسط الکترونها کاهش یافته و آمونیا گازی (NH3) و هیدروژن (H2) تولید میکنند.
در باتری گرمی کربنی این گاز آمونیا با کلرید روی (ZnCl2) واکنش میدهد و کلرید آمونیوم روی جامد و هیدروژن گازی با دیاکسید منگنز واکنش میدهد و دیاکسید منگنز سهگانه جامد و آب تولید میکند. این دو واکنش از تشکیل فشار گازی در طی تخلیه باتری جلوگیری میکنند.
واکنش کلی:
باتری کلرید روی نسخه بهبود یافته باتری گرمی کربنی است. این باتریها معمولاً به عنوان باتری سنگین دستهبندی میشوند. یک سلول کلرید روی فقط پاست کلرید روی (ZnCl2) به عنوان الکترولیت دارد. این باتری جریان بیشتر، ولتاژ بیشتر و عمر بیشتری نسبت به باتری گرمی کربنی عمومی ارائه میدهد. واکنش کاتودی:
واکنش کلی:
ولتاژ باتری گرمی کربنی
ولتاژ استاندارد یک باتری گرمی کربنی با توجه به نوع مواد آنود و کاتود استفاده شده در سلول باتری تعیین میشود. در سلول باتری گرمی کربنی، روی به عنوان ماده آنود و دیاکسید منگنز به عنوان ماده کاتود استفاده میشود. پتانسیل الکترودی روی -۰.۷ ولت و پتانسیل الکترودی دیاکسید منگنز ۱.۲۸ ولت است.
بنابراین، ولتاژ نظری هر سلول باید -(-۰.۷۶) + ۱.۲۳ = ۱.۹۹ ولت باشد اما با توجه به شرایط عملی زیادی، ولتاژ خروجی واقعی یک باتری گرمی کربنی استاندارد بیش از ۱.۵ ولت نیست.
چگالی انرژی سلول باتری گرمی کربنی
جرم مولی ماده کاتودی، دیاکسید منگنز ۸۷ گرم بر مول است. در اینجا در واکنش باتری مشاهده شده است که دو الکترون دو مولکول دیاکسید منگنز را کاهش میدهند. بنابراین، طبق ثابت فارادی ۲۸.۶ آمپر ساعت میتواند با کاهش کامل یک مول یا ۸۷ گرم دیاکسید منگنز تحویل داده شود. بنابراین، ۸۷/۲۶.۸ = ۳.۲۴ گرم دیاکسید منگنز برای تحویل ۱ آمپر ساعت برق نیاز است.
جرم مولی ماده آنودی، روی ۶۵ گرم بر مول است. در اینجا در واکنش باتری مشاهده شده است که دو الکترون یک اتم روی را اکسید میکنند. بنابراین، طبق ثابت فارادی ۲۸.۶ آمپر ساعت میتواند با اکسیداسیون کامل یک مول یا ۶۵/۲ گرم یا ۳۲.۵ گرم روی تحویل داده شود. بنابراین، ۳۲.۵/۲۶.۸ = ۱.۲۱ گرم روی برای تحویل ۱ آمپر ساعت برق نیاز است.
چگالی انرژی کل باتری گرمی کربنی ۳.۲۴ گرم/آمپر ساعت + ۱.۲۱ گرم/آمپر ساعت = ۴.۴۵ گرم/آمپر ساعت = ۱ / ۴.۴۵ آمپر ساعت/گرم = ۰.۲۲۴ آمپر ساعت/گرم یا ۲۲۴ آمپر ساعت/کیلوگرم است. این محاسبه کاملاً نظری است، اما در عمل مواد دیگری مانند الکترولیت، کربن سیاه، آب و غیره باید در باتری شامل شوند که وزن آنها نمیتواند نادیده گرفته شود. علاوه بر این شرایط عملی دیگری نیز در یک باتری باید در نظر گرفته شود. با در نظر گرفتن همه چیز، چگالی انرژی
