Cink-karbon elem | Cink-karbon elemek típusai | Előnyök és hátrányok

Cink-karbon akkumulátor

Cink-karbon akkumulátor az elmúlt 100 év során népszerűvé vált. Általában két fajta cink-karbon akkumulátor létezik – a Leclanche-akkumulátor és a cink-klorid akkumulátor. Mindkettő elsődleges akkumulátor. Ez az akkumulátor 1866-ban Goerge Lionel Leclanche által lett feltalálva. Ez volt az első akkumulátor, amelyben alacsony korrodáló elektrolit, mint például a szilícium-hidrogénklorid használható. Addig csak erős vegyi savok használhatók voltak az akkumulátorrendszer elektrolitének.
Ebben az akkumulátor cellában egy üveg edény volt a fő tartály. A tartályt szilícium-hidrogénklorid oldattal töltöttek fel elektrolitként. Egy amalgamezett cink rudat merítettek ezen elektrolitbe negatív elektrodaként vagy anódaként. Ebben a Leclanche-akkumulátor cellában egy porózus edényt töltöttek meg mangán-dioxid és szénpor egyenlő arányban. Egy szénrudat helyeztek ebbe a keverékbe.

A porózus edény, a keverék és a szénrúd pozitív elektrodaként vagy katódaként működött, és ezt a szilícium-hidrogénklorid oldatba helyezték az edénybe. 1876-ban Leclanche magától fejlesztette tovább a cink-karbon akkumulátor prototípus tervezését. Itt egy rezinfogós kötőanyagot keverett mangán-dioxid és szénporral, hogy hidraulikus nyomás segítségével egy tömör, szilárd blokkot formáljon a keverékből. Ennek a szilárd katódkeveréknek köszönhetően már nincs szükség porózus edényre a Leclanche-akkumulátor cellában. 1888-ban Dr. Carl Gassner tovább fejlesztette a Leclanche-akkumulátor építését. Itt gipsz-por és szilícium-hidrogénklorid pasta volt az elektrolit, nem pedig folyékony szilícium-hidrogénklorid. A cink rudat nem behelyezte a szilícium-hidrogénkloridbe a üvegtartályban, hanem a tartályt cinkből készítette. Így ez a tartály is szolgált az akkumulátor anódjaként. A helyi kémiai reakció minimalizálása érdekében szilícium-klorid-szilícium-hidrogénklorid által telített ruhákba burkolta a hengeres katódkeverék blokkot.

Később a gipszt búzakenyérrel helyettesítette az elektrolit keverékben. Ez volt az első kereskedelmi száraz cink-karbon akkumulátor cella tervezése. Ez nem volt a fejlesztés végpontja. A Leclanche-akkumulátort tovább fejlesztették, hogy megfeleljen a piaci igénynek a 20. században. Később acetylen fekete szént használtak katód áramgyűjtőként. Ez vezetőbb, mint a grafit. Fejlesztést végeztek a szeparátorszerkezetben és a ventilációs zárrendszert is fejlesztették.

1960 után nagyobb erőfeszítést tettek a cink-klorid akkumulátor cella fejlesztésébe. Ez is egy népszerű verziója a cink-karbon akkumulátornak. Itt cink-klorid szolgált az elektrolitként, nem pedig szilícium-hidrogénklorid. Ez a fejlesztés jobb teljesítményt biztosított a nagy áramfelhasználás esetén. Más szavakkal, a cink-klorid akkumulátor javított alternatívaja a Leclanche-akkumulátorhoz nagy áramfelhasználás esetén.

Cink-karbon akkumulátor kémiai reakciója

A Leclanche-akkumulátor cellában cink van használatban anódaként, mangán-dioxid van használatban katódaként, és szilícium-hidrogénklorid van használatban fő elektrolitként, de van benne egy adott százalékú cink-klorid is. A cink-klorid akkumulátor cellában cink van használatban anódaként, mangán-dioxid van használatban katódaként, és cink-klorid van használatban elektrolitként.
A két cink-karbon akkumulátorban a cink anóda oxidációs reakcióban vesz részt, és minden cink atom, ami ebben a reakcióban részt vesz, kibocsát két elektront.

Ezek az elektronok a külső terhelési áramkörön keresztül jutnak a katódhoz.
A Leclanche-akkumulátor cellában a szilícium-hidrogénklorid (NH4Cl) létezik az elektrolit keverékben NH4+ és Cl – formában. A katódban a MnO2 redukálódik Mn2O3-ra a szilíciumion (NH4+) reakcióval. Emellett a Mn2O3-hez képest ez a reakció szintén szilíciumhidrogént (NH3) és vizet (H20) termel.

De ebben a kémiai folyamatban néhány szilíciumion (NH4+ ) közvetlenül elektronokkal redukálódik, és gázformú szilíciumhidrogént (NH3) és hidrogént (H2) formál.

A cink-karbon akkumulátorban ez a szilíciumgáz további reakcióba lép a cink-kloriddal (ZnCl2) és szilíciumklorid-cinkklorid szilíciumhidrogénklorid szilíciumhidrogént és vizet formál. Ezek a két reakció megakadályozzák a gáznyomás kialakulását az akkumulátor lemerülésekor.

Az összes reakció:

A cink-klorid akkumulátor a cink-karbon akkumulátor javított verziója. Ezeket az akkumulátort általában nehéz teendői akkumulátoroknak jelöljük. A cink-klorid cella csak cink-klorid (ZnCl2) pasta van az elektrolitként. Ez az akkumulátor több áramot, több feszültséget és több élettartamot biztosít, mint a cink-karbon akkumulátor. A katód reakció:

Az összes reakció:

A cink-karbon akkumulátor feszültségi értéke

A cink-karbon akkumulátor szabványos feszültségi értékét a használt anódák és katódák anyaga határozza meg. A cink-karbon akkumulátor cellában cink van használatban anódaként, és mangán-dioxid van használatban katódaként. A cink elektrodapotenciálya -0,7 V, míg a mangán-dioxid elektrodapotenciálya 1,28 V.
Tehát a cella egyenlete: - (-0,76) + 1,23 = 1,99 V, de gyakorlati feltételek figyelembevételével a cink-karbon akkumulátor valós feszültségi kimenete nem haladja meg 1,5 V-ot.

A cink-karbon akkumulátor energiasűrűsége

A katód anyaga, a mangán-dioxid moláris súlya 87 g/mol. A batteri reakció során két elektron redukálja két mangán-dioxid molekulát. Tehát Faraday konstans szerint 28,6 Ah szolgálhat ki egy mól vagy 87 g mangán-dioxid teljes redukálásával. Így 87/26,8 = 3,24 g mangán-dioxid szükséges 1 Ah áramtermeléshez.
Az anód anyaga, a cink moláris súlya 65 g/mol. A batteri reakció során két elektron oxidál egy cink atomot. Tehát Faraday konstans szerint 28,6 Ah szolgálhat ki egy mól vagy 65/2 g vagy 32,5 g cink teljes oxidációval. Így 32,5/26,8 = 1,21 g cink szükséges 1 Ah áramtermeléshez.
A cink-karbon akkumulátor teljes energiasűrűsége 3,24 g/Ah + 1,21 g/Ah = 4,45 g/Ah = 1 / 4,45 Ah/g = 0,224 Ah/g vagy 224 Ah/Kg. Ez abszolút elméleti számítás, de a gyakorlatban számos más anyag, mint például az elektrolit, a szénfekete, a víz be kell szerepeljen az akkumulátorban, amelyek súlya nem hagyható figyelmen kívül. Ezen felül számos más gyakorlati feltételnek is számítást be kell tartani. Mindezt figyelembe véve, egy gyakorlati alacsony lemerülésű Leclanche-akkumulátor cella energiasűrűsége 75 Ah/Kg, míg a nehéz teendői és megszakított lemerülésű akkumulátor esetében körülbelül 35 Ah/Kg.

Cink-karbon akkumulátor típusai