Pilha de Zinco-Carbono | Tipos de Pilha de Zinco-Carbono | Ventajas e Desvantaxes
Pilha de zinco-carbono
Pilha de zinco-carbono está sendo amplamente utilizada nos últimos 100 anos. Geralmente, existem dois tipos de pilha de zinco-carbono geralmente disponíveis – pilha Leclanche e pilha de cloruro de zinco. Ambas são pilhas primárias. Esta pilha foi inventada por Goerge Lionel Leclanche em 1866. Esta foi a primeira pilha na qual se usou um eletrólito pouco corrosivo como o cloreto de amônio. Antes disso, apenas ácidos minerais fortes eram usados como eletrólitos do sistema de pilhas.
Nesta célula de pilha, um frasco de vidro foi usado como recipiente principal. O recipiente foi preenchido com uma solução de cloreto de amônio como eletrólito. Um anodo de zinco amalgamado foi imerso neste eletrólito como eletrodo negativo. Nesta célula de pilha Leclanche, um pote poroso foi preenchido com uma mistura de dióxido de manganês e pó de carvão na proporção de um para um. Um eletrodo de carvão foi inserido nesta mistura.
O pote poroso junto com a mistura e o eletrodo de carvão serviram como eletrodo positivo ou cátodo e foram colocados na solução de cloreto de amônio no frasco. Em 1876, Leclanche melhorou seu próprio design prototipo de pilha de zinco-carbono. Aqui, ele misturou um aglutinante de resina gomosa com dióxido de manganês e pó de carvão para formar um bloco sólido comprimido da mistura por pressão hidráulica. Devido a esta estrutura sólida da mistura do cátodo, não há mais necessidade de pote poroso na célula de pilha Leclanche. Em 1888, Dr. Carl Gassner, desenvolveu ainda mais a construção da célula Leclanche. Aqui, ele usou uma pasta de gesso de Paris e cloreto de amônio como eletrólito, em vez de cloreto de amônio líquido. Em vez de inserir uma barra de zinco dentro do eletrólito em um recipiente de vidro, ele fez o recipiente de zinco. Portanto, este recipiente também serve como ânodo da pilha. Ele minimizou a ação química local em sua pilha envolvendo os panos saturados de cloreto de zinco – cloreto de amônio ao redor do bloco de mistura do cátodo cilíndrico.
Posteriormente, ele substituiu o gesso de Paris por farinha de trigo, na mistura do eletrólito. Este foi o primeiro design comercial de célula de pilha de zinco-carbono seca. Isso não foi o fim da jornada. A pilha Leclanche foi ainda mais desenvolvida para atender à sua crescente demanda de mercado no século 20th. Posteriormente, o carbono negro acetileno foi usado como coletor de corrente do cátodo. Este é mais condutivo que o grafite. Desenvolvimento também foi feito no design do separador e no sistema de vedação de ventilação.
Depois de 1960, mais esforços foram direcionados para o desenvolvimento da célula de pilha de cloruro de zinco. Esta também é uma versão popular de pilha de zinco-carbono. Aqui, o cloruro de zinco é usado como eletrólito em vez do cloreto de amônio. Isto foi desenvolvido para fornecer melhor desempenho em aplicações de drenagem pesada. Em outras palavras, a pilha de cloruro de zinco é uma substituta aprimorada da pilha de Leclanche em aplicações de drenagem pesada.
Reação Química na Pilha de Zinco-Carbono
Na célula de pilha Leclanche, o zinco é usado como ânodo, o dióxido de manganês é usado como cátodo e o cloreto de amônio é usado como eletrólito principal, mas há algum percentual de cloruro de zinco no eletrólito. Na célula de pilha de cloruro de zinco, o zinco é usado como ânodo, o dióxido de manganês é usado como cátodo e o cloruro de zinco é usado como eletrólito.
Em ambas as pilhas de zinco-carbono, durante a descarga, o ânodo de zinco participa de uma reação de oxidação e cada átomo de zinco envolvido nesta reação libera dois elétrons.
Estes elétrons chegam ao cátodo através do circuito de carga externa.
Na célula de pilha Leclanche, o cloreto de amônio (NH4Cl) existe na mistura do eletrólito como NH4+ e Cl –. No cátodo, o MnO2 será reduzido a Mn2O3 em reação com o íon de amônio (NH4+). Além do Mn2O3, esta reação também produz amônia (NH3) e água (H20).
Mas durante este processo químico, alguns íons de amônio (NH4+) são diretamente reduzidos pelos elétrons e formam amônia gasosa (NH3) e hidrogênio (H2).
Na pilha de zinco-carbono, este gás de amônia reage ainda mais com o cloruro de zinco (ZnCl2) para formar cloruro de zinco-amônio sólido e o gás de hidrogênio reage com o dióxido de manganês para formar óxido de dimanganês trióxido sólido e água. Estas duas reações impedem a formação de pressão de gás durante a descarga da pilha.
A reação global é,
Uma pilha de cloruro de zinco é uma versão aprimorada da pilha de zinco-carbono. Estas pilhas são geralmente rotuladas como pilhas de alta durabilidade. Uma célula de cloruro de zinco contém apenas pasta de cloruro de zinco (ZnCl2) como eletrólito. Esta pilha fornece mais corrente, mais voltagem e mais vida útil do que uma pilha de zinco-carbono de uso geral. A reação do cátodo é,
A reação global é,
Voltagem Nominal da Pilha de Zinco-Carbono
A voltagem nominal de uma pilha de zinco-carbono é determinada pelo tipo de materiais de ânodo e cátodo utilizados na célula da pilha. Na célula de pilha de zinco-carbono, o zinco é o material do ânodo e o dióxido de manganês é o material do cátodo. O potencial eletrodélico do zinco é -0,7 V, enquanto o potencial eletrodélico do dióxido de manganês é 1,28 V.
Portanto, a voltagem teórica de cada célula deveria ser -(-0,76) + 1,23 = 1,99 V, mas considerando muitas condições práticas, a voltagem real de saída de uma pilha de zinco-carbono padrão não é superior a 1,5 V.
Densidade de Energia da Célula de Pilha de Zinco-Carbono
O peso molecular do material do cátodo, dióxido de manganês, é 87 g/mol. Aqui, na reação da pilha, descobre-se que dois elétrons reduzem duas moléculas de dióxido de manganês. Portanto, de acordo com a constante de Faraday, 28,6 Ah podem ser fornecidos pela redução completa de um mol ou 87 g de dióxido de manganês. Portanto, 87/26,8 = 3,24 g de dióxido de manganês são necessários para fornecer 1 Ah de eletricidade.
O peso molecular do ânodo, material de zinco, é 65 g/mol. Aqui, na reação da pilha, descobre-se que dois elétrons oxidam um átomo de zinco. Portanto, de acordo com a constante de Faraday, 28,6 Ah podem ser fornecidos pela oxidação completa de um mol ou 65/2 g ou 32,5 g de zinco. Portanto, 32,5/26,8 = 1,21 g de zinco são necessários para fornecer 1 Ah de eletricidade.
A densidade de energia total da pilha de zinco-carbono é 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. Esta é absolutamente uma calculação teórica, mas na prática, muitos outros materiais, como eletrólito, carvão preto, água, devem ser incluídos na pilha, cujo peso não pode ser omitido. Além disso, muitas outras condições práticas devem ser consideradas em uma pilha. Considerando tudo, uma célula de pilha Leclanche de baixa descarga tem uma densidade de energia de 75 Ah/Kg, e a mesma para pilhas de alta durabilidade e descarga intermitente, é de cerca de 35 Ah/Kg.
Tipos de Pilha de Zinco-Carbono
Como dissemos anteriormente, existem dois tipos de pilha de zinco-carbono.
Pilha Leclanche
Pilha de cloruro de zinco.
