Pile au carbone-zinc | Types de piles au carbone-zinc | Avantages et inconvénients

Pile au carbone-zinc

Pile au carbone-zinc est largement utilisée depuis les 100 dernières années. Généralement, il existe deux types de piles au carbone-zinc disponibles – la pile Leclanche et la pile au chlorure de zinc. Toutes deux sont des piles primaires. Cette pile a été inventée par Georges Lionel Leclanché en 1866. C'était la première pile à utiliser un électrolyte peu corrosif comme le chlorure d'ammonium. Avant cela, seules des acides minéraux forts étaient utilisés comme électrolytes dans les systèmes de piles.
Dans cette cellule de pile, un bocal en verre était utilisé comme conteneur principal. Le conteneur était rempli de solution de chlorure d'ammonium comme électrolyte. Un anode en alliage de zinc était immergée dans cet électrolyte. Dans cette cellule de pile Leclanche, un pot poreux était rempli d'un mélange égal de dioxyde de manganèse et de poudre de charbon. Une tige de charbon était insérée dans ce mélange.

Le pot poreux, avec le mélange et la tige de charbon, servait de cathode positive et était placé dans la solution de chlorure d'ammonium du bocal. En 1876, Leclanché améliora lui-même son prototype de pile au carbone-zinc. Il mélangea un liant de gomme résineuse avec du dioxyde de manganèse et de la poudre de charbon pour former un bloc solide compressé du mélange sous pression hydraulique. Grâce à cette structure solide du mélange cathodique, il n'y avait plus besoin de pot poreux dans la cellule de pile Leclanche. En 1888, le Dr Carl Gassner, développa davantage la construction de la cellule Leclanche. Il utilisa une pâte de plâtre de Paris et de chlorure d'ammonium comme électrolyte, au lieu d'une solution de chlorure d'ammonium liquide. Au lieu d'insérer une tige de zinc dans l'électrolyte dans un récipient en verre, il fabriqua le récipient en zinc lui-même. Ainsi, ce récipient servait également d'anode de la pile. Il minimisa l'action chimique locale dans sa pile en enveloppant le bloc de mélange cathodique cylindrique de chiffons saturés de chlorure de zinc et de chlorure d'ammonium.

Plus tard, il remplaça le plâtre de Paris par de la farine de blé dans le mélange électrolyte. C'était le premier design commercial de cellule de pile sèche au carbone-zinc. Ce n'était pas la fin du parcours. La pile Leclanche a été développée pour répondre à la demande croissante du marché au 20e siècle. Plus tard, le noir d'acétylène a été utilisé comme collecteur de courant cathodique. Celui-ci est plus conducteur que le graphite. Des améliorations ont également été apportées à la conception du séparateur et du système de scellement de ventilation.

Après 1960, plus d'efforts ont été consacrés au développement de la cellule de pile au chlorure de zinc. C'est également une version populaire de pile au carbone-zinc. Ici, le chlorure de zinc est utilisé comme électrolyte au lieu du chlorure d'ammonium. Cela a été développé pour offrir une meilleure performance dans les applications à forte décharge. En d'autres termes, la pile au chlorure de zinc est un substitut amélioré de la pile Leclanche dans les applications à forte décharge.

Réaction chimique dans la pile au carbone-zinc

Dans la cellule de pile Leclanche, le zinc est utilisé comme anode, le dioxyde de manganèse comme cathode et le chlorure d'ammonium comme électrolyte principal, mais il y a une certaine proportion de chlorure de zinc dans l'électrolyte. Dans la cellule de pile au chlorure de zinc, le zinc est utilisé comme anode, le dioxyde de manganèse comme cathode et le chlorure de zinc comme électrolyte.
Dans les deux types de piles au carbone-zinc, pendant la décharge, l'anode en zinc est impliquée dans une réaction d'oxydation et chaque atome de zinc impliqué dans cette réaction libère deux électrons.

Ces électrons arrivent à la cathode via le circuit de charge externe.
Dans la cellule de pile Leclanche, le chlorure d'ammonium (NH4Cl) existe dans le mélange électrolyte sous forme de NH4+ et Cl–. À la cathode, le MnO2 sera réduit en Mn2O3 en réaction avec l'ion ammonium (NH4+). En plus du Mn2O3, cette réaction produit également de l'ammoniac (NH3) et de l'eau (H20).

Mais pendant ce processus chimique, certains ions ammonium (NH4+) sont directement réduits par les électrons et forment de l'ammoniac gazeux (NH3) et de l'hydrogène (H2).

Dans la pile au carbone-zinc, ce gaz d'ammoniac réagit ensuite avec le chlorure de zinc (ZnCl2) pour former du chlorure d'ammonium de zinc solide, et le gaz d'hydrogène réagit avec le dioxyde de manganèse pour former de l'oxyde de dimanganèse trioxigène solide et de l'eau. Ces deux réactions empêchent la formation de pression de gaz pendant la décharge de la pile.

La réaction globale est,

Une pile au chlorure de zinc est une version améliorée de la pile au carbone-zinc. Ces piles sont généralement étiquetées comme des piles de haute puissance. Une cellule de pile au chlorure de zinc contient uniquement une pâte de chlorure de zinc (ZnCl2) comme électrolyte. Cette pile fournit plus de courant, plus de tension et plus de durée de vie qu'une pile au carbone-zinc à usage général. La réaction cathodique est,

La réaction globale est,

Tension nominale de la pile au carbone-zinc

La tension nominale standard d'une pile au carbone-zinc est déterminée par le type de matériaux d'anode et de cathode utilisés dans la cellule de pile. Dans la cellule de pile au carbone-zinc, le zinc est le matériau d'anode et le dioxyde de manganèse est le matériau de cathode. Le potentiel d'électrode du zinc est de – 0,7 volt tandis que celui du dioxyde de manganèse est de 1,28.
Ainsi, la tension théorique de chaque cellule devrait être – (- 0,76) + 1,23 = 1,99 V, mais en tenant compte de nombreuses conditions pratiques, la tension de sortie réelle d'une pile au carbone-zinc standard ne dépasse pas 1,5 V.

Densité d'énergie de la cellule de pile au carbone-zinc

Le poids molaire du matériau de cathode, le dioxyde de manganèse, est de 87 g/mol. Dans la réaction de la pile, on constate que deux électrons réduisent deux molécules de dioxyde de manganèse. Par conséquent, selon la constante de Faraday, 28,6 Ah peuvent être livrés par la réduction complète d'un mole ou 87 g de dioxyde de manganèse. Ainsi, 87/26,8 = 3,24 g de dioxyde de manganèse sont nécessaires pour fournir 1 Ah d'électricité.
Le poids molaire de l'anode, le zinc, est de 65 g/mol. Dans la réaction de la pile, on constate que deux électrons oxydent un atome de zinc. Par conséquent, selon la constante de Faraday, 28,6 Ah peuvent être livrés par l'oxydation complète d'un mole ou 65/2 g ou 32,5 g de zinc. Ainsi, 32,5/26,8 = 1,21 g de zinc sont nécessaires pour fournir 1 Ah d'électricité.
La densité d'énergie totale de la pile au carbone-zinc est de 3,24 g/Ah + 1,21 g/Ah = 4,45 g/Ah = 1 / 4,45 Ah/g = 0,224 Ah/g ou 224 Ah/Kg. C'est un calcul purement théorique, mais en pratique, de nombreux autres matériaux tels que l'électrolyte, le noir de carbone, l'eau doivent être inclus dans la pile, dont le poids ne peut pas être omis. De plus, de nombreuses autres conditions pratiques doivent être prises en compte dans une pile. En tenant compte de tout, une cellule de pile Leclanche à faible décharge a une densité d'énergie de 75 Ah/Kg, et celle d'une pile de haute puissance et à décharge intermittente est d'environ 35 Ah/Kg.

Types de piles au carbone-zinc

Comme nous l'avons dit précédemment, il existe deux types de piles au carbone-zinc.

1. Pile Leclanche

2. Pile au chlorure de zinc.

De plus, les piles Leclanche se divisent principalement en deux types, les piles à usage général et les piles de haute puissance.
Dans les piles Leclanche à bas coût à usage général, du zinc pur est utilisé comme anode, le chlorure d'ammonium comme électrolyte principal, ainsi qu'une certaine proportion de chlor