Baterija od cinka i ugljenka | Vrste baterija od cinka i ugljenka | Prednosti i nedostaci

Baterija s cinkom i ugljenom

Baterija s cinkom i ugljenom baterija popularno se koristi već više od 100 godina. Obično postoje dva vrste baterija s cinkom i ugljenom – Leclanche-ova baterija i baterija s cinkovim kloridom. Obe su primarne baterije. Ovu bateriju je izumio Goerge Lionel Leclanche 1866. godine. To je bila prva baterija u kojoj je korištena elektrolitna tečnost sa niskom korozivnom sposobnošću poput amonijaklora. Prije toga koristili su se samo jaki mineralni kiseline kao elektroliti baterijskog sustava.
U ovom baterijskom čeliku, stakleni posudu su koristili kao glavnu posudu. Posuda je bila ispuna rastvora amonijaklora kao elektrolita. U ovaj elektrolit uronjen je amalgamirani cinkov štap kao negativni elektrod ili anoda. U ovom Leclanche-ovom baterijskom čeliku, porozan lonac je bio ispunjen mješavinom oksida mangana i ugljena u omjeru 1:1. Ugljeni štap je ubacen u tu mješavinu.

Porozan lonac zajedno s mješavinom i ugljenim štapom služio je kao pozitivni elektrod ili katoda i smješten je u rastvor amonijaklora u posudi. 1876. godine, Leclanche sam unaprijedio svoj prototip baterije s cinkom i ugljenom. Tu je mješao vezivo gume sa oksidom mangana i ugljenom kako bi formirao komprimiranu čvrstu bloku mješavine hidrauličkim tlakom. Zbog čvrstog strukture mješavine katode, nema daljnje potrebe za poroznim loncem u Leclanche-ovom baterijskom čeliku. 1888. godine, dr. Carl Gassner, dalje razvio konstrukciju Leclanche-ovog čelika. Tamo je koristio pastu s gipsom i amonijaklora kao elektrolit, umjesto tečnog amonijaklora. Umjesto ubacivanja cinkovog štapa u elektrolit u staklenoj posudi, napravio je posudu od cinka. Stoga ta posuda služi i kao anoda baterije. Smanjio je lokalnu kemijsku aktivnost u svojoj bateriji tako što je obavijao platno namočeno cinkovim kloridom i amonijaklora oko cilindričnog bloka mješavine katode.

Kasnije je zamijenio gips brašnom u mješavini elektrolita. To je bio prvi komercijalni dizajn suhe baterije s cinkom i ugljenom. To nije bio kraj putovanja. Leclanche-ova baterija je dalje razvijala kako bi zadovoljila tržište tokom 20. vijeka. Kasnije se kao prihvatnik struje na katodi koristio acetilenski crni ugljen, koji je provodljiviji od grafitna. Razvoj je proveden i u dizajnu separatora i sustava za ventiranje i zatvaranje.

Nakon 1960. godine, više napore usmjereno je na razvoj baterijskog čelika s cinkovim kloridom. To je popularna verzija baterije s cinkom i ugljenom. Tamo se kao elektrolit koristi cinkov klorid umjesto amonijaklora. To je razvijeno kako bi se osigurala bolja performansa u aplikacijama s velikim otopinama. Drugim riječima, baterija s cinkovim kloridom je poboljšana zamjena Leclanche-ove baterije u aplikacijama s velikim otopinama.

Kemijska reakcija u bateriji s cinkom i ugljenom

U Leclanche-ovom baterijskom čeliku, cink se koristi kao anoda, oksid mangana kao katoda, a amonijaklor kao glavni elektrolit, ali postoji neki postotak cinkovog klorida u elektrolitu. U baterijskom čeliku s cinkovim kloridom, cink se koristi kao anoda, oksid mangana kao katoda, a cinkov klorid kao elektrolit.
U obje vrste baterija s cinkom i ugljenom, tijekom ispraznjava, anoda od cinka uključena je u oksidacijsku reakciju, a svaki atom cinka uključen u tu reakciju oslobađa dva elektrona.

Ovi elektroni dolaze do katode kroz vanjski opterećeni krug.
U Leclanche-ovom baterijskom čeliku amonijaklor (NH4Cl) postoji u mješavini elektrolita kao NH4+ i Cl –. Na katodi MnO2 bit će reduciran na Mn2O3 u reakciji s amonijevim jonom (NH4+). Pored Mn2O3 ova reakcija također proizvodi amonijak (NH3) i vodu (H20).

Ali tijekom ovog kemijskog procesa neki amonijevi joni (NH4+ ) direktno se reduciraju elektronima i formiraju plinski amonijak (NH3) i vodik (H2).

U bateriji s cinkom i ugljenom, ovaj plin amonijak dalje reagira s cinkovim kloridom (ZnCl2) kako bi formirao čvrsti cinkov amonijaklorski i plinski vodik reagira s oksidom mangana kako bi formirao čvrsti di-mangan trioksid i vodu. Ove dvije reakcije sprečavaju formiranje tlaka gasa tijekom ispraznjava baterije.

Ukupna reakcija je,

Baterija s cinkovim kloridom je poboljšana verzija baterije s cinkom i ugljenom. Ove baterije općenito se označavaju kao baterije za teške poslove. Celičić s cinkovim kloridom sadrži samo pastu od cinkovog klorida (ZnCl2) kao elektrolit. Ova baterija pruža veći strujni tok, veće napon i duži životni vijek od opće namjene baterije s cinkom i ugljenom. Reakcija na katodi je,

Ukupna reakcija je,

Naponsko ograničenje baterije s cinkom i ugljenom

Standardno naponsko ograničenje baterije s cinkom i ugljenom određeno je vrstom materijala anode i katode korištenih u baterijskom čeliku. U baterijskom čeliku s cinkom i ugljenom, cink je materijal anode, a oksid mangana materijal katode. Elektrode potencijal cinka je – 0.7 volt, dok je elektrode potencijal oksida mangana 1.28.
Stoga, teoretski napon svakog čelika trebao bi biti – (- 0.76) + 1.23 = 1.99 V, ali uzimajući u obzir mnoge praktične uvjete, stvarni naponski izlaz standardne baterije s cinkom i ugljenom nije veći od 1.5 V.

Energetska gustoća baterijskog čelika s cinkom i ugljenom

Molekularna masa materijala katode, oksida mangana, je 87 g/mol. U reakciji baterije utvrđeno je da dva elektrona reduciraju dva molekula oksida mangana. Stoga, prema Faradayevom konstantu 28.6 Ah može se dostaviti potpunom redukcijom jedne mole ili 87 g oksida mangana. Stoga, 87/26.8 = 3.24 g oksida mangana potrebno je za dostavljanje 1 Ah električne energije.
Molekularna masa materijala anode, cinka, je 65 g/mol. U reakciji baterije utvrđeno je da dva elektrona oksidiraju jedan atom cinka. Stoga, prema Faradayevom konstantu 28.6 Ah može se dostaviti potpunom oksidacijom jedne mole ili 65/2 g ili 32.5 g cinka. Stoga, 32.5/26.8 = 1.21 g cinka potrebno je za dostavljanje 1 Ah električne energije.
Ukupna energetska gustoća baterije s cinkom i ugljenom je 3.24 g/Ah + 1.21 g/Ah = 4.45 g/Ah =1 / 4.45 Ah/g = 0.224 Ah/g ili 224 Ah/Kg. Ovo je apsolutno teoretski izračun, ali u praksi moraju se uključiti mnogi drugi materijali poput elektrolita, crnog ugljena, vode koje se ne mogu izostaviti u bateriji. Osim toga, u bateriji treba uzeti u obzir mnoge druge praktične uvjete. Uzimajući sve u obzir, praktična baterijska celica s niskim otopinama ima energetsku gustoću od 75 Ah/Kg, a isto za teške poslove i intermitentne otopine, iznosi oko 35 Ah/Kg.

Vrste baterija s cinkom i ugljenom

Kao što smo rekli ranije, postoje dvije vrste baterija s cinkom i ugljenom.