باتری روی کربن | انواع باتری روی کربن | مزایا و معایب

باتری روی کربن

باتری روی کربن در طول ۱۰۰ سال گذشته محبوب بوده است. به طور کلی دو نوع از باتری روی کربن موجود هستند - باتری لکلانش و باتری کلرید روی. هر دو این نوع باتری‌ها از نوع ابتدایی هستند. این باتری توسط جورج لیونل لکلانش در سال ۱۸۶۶ اختراع شد. این اولین باتری بود که الکترولیتی با فرسایش پایین مانند کلرید آمونیوم استفاده می‌کرد. 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 شده است. این ظرف با محلول کلرید آمونیوم به عنوان الکترولیت پر شده است. یک میله روی آمالگام‌شده در این الکترولیت به عنوان الکترود منفی یا آند غوطه‌ور شده است. در این سلول باتری لکلانش، یک کوزه متخلخل با مخلوط یک به یک دی‌اکسید منگنز و پودر کربن پر شده است. یک میله کربن در این مخلوط قرار داده شده است.

کوزه متخلخل همراه با مخلوط و میله کربن به عنوان الکترود مثبت یا کاتد عمل می‌کرد و در محلول کلرید آمونیوم در جام قرار داده شده بود. در سال ۱۸۷۶، لکلانش خود طراحی نمونه اولیه خود را از باتری روی کربن بهبود بخشید. در اینجا او یک لایه‌ای از رزین چسبنده با دی‌اکسید منگنز و پودر کربن را برای تشکیل یک بلوک محکم از مخلوط با فشار هیدرولیکی ترکیب کرد. به دلیل ساختار محکم مخلوط کاتد، نیازی به کوزه متخلخل در سلول باتری لکلانش نبود. در سال ۱۸۸۸، دکتر کارل گاسنر، ساختار سلول لکلانش را بیشتر توسعه داد. در اینجا او از پاسته گچ پاریس و کلرید آمونیوم به عنوان الکترولیت استفاده کرد، به جای محلول کلرید آمونیوم. به جای قرار دادن یک میله روی در داخل الکترولیت در ظرف شیشه‌ای، او ظرف را با روی ساخت. بنابراین این ظرف نیز به عنوان آند باتری عمل می‌کرد. او واکنش شیمیایی محلی در باتری خود را با پوشاندن پارچه‌هایی که با کلرید روی-کلرید آمونیوم مشبک شده بودند، به بلوک مخلوط کاتد استوانه‌ای کاهش داد.

بعداً او گچ پاریس را با آرد گندم در مخلوط الکترولیت جایگزین کرد. این اولین طراحی تجاری سلول باتری خشک روی کربن بود. این پایان سفر نبود. باتری لکلانش برای برآورده کردن تقاضای بازار مداوم خود در قرن بیستم توسعه یافت. بعداً کربن سیاه آسیتیلن به عنوان جمع‌کننده جریان کاتد استفاده شد. این مواد بیشتر رسانا از سنگ‌گرافیت است. توسعه‌ای نیز در طراحی جداکننده و سیستم مهر و موم انجام شده است.

پس از سال ۱۹۶۰، تلاش بیشتری در توسعه سلول باتری کلرید روی صورت گرفت. این نیز یک نسخه محبوب از باتری روی کربن است. در اینجا، کلرید روی به عنوان الکترولیت به جای کلرید آمونیوم استفاده می‌شود. این برای ارائه عملکرد بهتر در کاربری‌های با تخلیه سنگین توسعه یافته است. به عبارت دیگر، باتری کلرید روی جایگزین بهبود یافته باتری لکلانش در کاربری‌های با تخلیه سنگین است.

واکنش شیمیایی در باتری روی کربن

در سلول باتری لکلانش، روی به عنوان آند، دی‌اکسید منگنز به عنوان کاتد و کلرید آمونیوم به عنوان الکترولیت اصلی استفاده می‌شود اما در الکترولیت درصدی از کلرید روی وجود دارد. در سلول باتری کلرید روی، روی به عنوان آند، دی‌اکسید منگنز به عنوان کاتد و کلرید روی به عنوان الکترولیت استفاده می‌شود.
در هر دو نوع باتری روی کربن، در زمان تخلیه، آند روی در واکنش اکسیداسیون شرکت می‌کند و هر اتم روی در این واکنش دو الکترون آزاد می‌کند.

این الکترون‌ها از طریق مدار بار خارجی به کاتد می‌رسند.
در سلول باتری لکلانش کلرید آمونیوم (NH4Cl) در مخلوط الکترولیت به صورت NH4+ و Cl – وجود دارد. در کاتد MnO2 به Mn2O3 کاهش می‌یابد در واکنش با یون آمونیوم (NH4+). 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 گاز آمونیا (NH3) و هیدروژن(H2) تولید می‌کنند.

در باتری روی کربن این گاز آمونیا با کلرید روی (ZnCl2) واکنش داده و کلرید آمونیوم روی جامد و گاز هیدروژن با دی‌اکسید منگنز واکنش داده و دی‌منگنز تری‌اکسید جامد و آب تولید می‌کند. این دو واکنش تشکیل فشار گاز در طی تخلیه باتری را جلوگیری می‌کنند.

واکنش کلی به صورت زیر است،

باتری کلرید روی یک نسخه بهبود یافته از باتری روی کربن است. این باتری‌ها معمولاً به عنوان باتری‌های سنگین مشهورند. یک سلول کلرید روی فقط پاسته کلرید روی (ZnCl2) به عنوان الکترولیت دارد. این باتری جریان بیشتر، ولتاژ بیشتر ولتاژ و عمر بیشتری نسبت به باتری روی کربن عمومی فراهم می‌کند. واکنش کاتد به صورت زیر است،

واکنش کلی به صورت زیر است،

ولتاژ نامی باتری روی کربن

ولتاژ استاندارد یک باتری روی کربن با توجه به نوع مواد آند و کاتد استفاده شده در سلول باتری تعیین می‌شود. در سلول باتری روی کربن، روی ماده آند و دی‌اکسید منگنز ماده کاتد است. 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 V باشد اما با در نظر گرفتن شرایط عملی زیاد، ولتاژ خروجی واقعی یک باتری روی کربن استاندارد بیش از ۱.۵ V نیست.

چگالی انرژی سلول باتری روی کربن

جرم مولی ماده کاتد، دی‌اکسید منگنز ۸۷ گرم/مول است. در اینجا در واکنش باتری مشاهده می‌شود که دو الکترون دو مولکول دی‌اکسید منگنز را کاهش می‌دهند. بنابراین، بر اساس ثابت فارادی ۲۸.۶ آمپر-ساعت توسط کاهش کامل یک مول یا ۸۷ گرم دی‌اکسید منگنز تحویل داده می‌شود. بنابراین، ۸۷/۲۶.۸ = ۳.۲۴ گرم دی‌اکسید منگنز برای تحویل ۱ آمپر-ساعت برق نیاز است.
جرم مولی آند، ماده روی ۶۵ گرم/مول است. در اینجا در واکنش باتری مشاهده می‌شود که دو الکترون یک اتم روی را اکسید می‌کنند. بنابراین، بر اساس ثابت فارادی ۲۸.۶ آمپر-ساعت توسط اکسیداسیون کامل یک مول یا ۶۵/۲ گرم یا ۳۲.۵ گرم روی تحویل داده می‌شود. بنابراین، ۳۲.۵/۲۶.۸ = ۱.۲۱ گرم روی برای تحویل ۱ آمپر-ساعت برق نیاز است.
چگالی انرژی کلی باتری روی کربن 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/ک