Batteria al carbonio di zinco | Tipi di batteria al carbonio di zinco | Vantaggi e svantaggi

Batteria al carbonio-zinco

Batteria al carbonio-zinco è ampiamente utilizzata negli ultimi 100 anni. Generalmente esistono due tipi di batterie al carbonio-zinco disponibili - la batteria Leclanche e la batteria al cloruro di zinco. Entrambe sono batterie primarie. Questa batteria fu inventata da Goerge Lionel Leclanche nel 1866. Fu la prima batteria in cui venne utilizzato un elettrolita poco corrosivo come il cloruro di ammonio. Prima di allora, si utilizzavano solo acidi minerali forti come elettroliti del sistema di batteria.
Nella cella di questa batteria, un vaso di vetro veniva utilizzato come contenitore principale. Il contenitore era riempito con una soluzione di cloruro di ammonio come elettrolita. Un anodo di zinco amalgamato veniva immerso in questo elettrolita come elettrodo negativo. Nella cella della batteria Leclanche, un vaso poroso veniva riempito con una miscela uno a uno di biossido di manganese e polvere di carbone. Un rullo di carbone veniva inserito in questa miscela.

Il vaso poroso insieme alla miscela e al rullo di carbone fungeva da elettrodo positivo o catodo e veniva posizionato nella soluzione di cloruro di ammonio nel vaso. Nel 1876, Leclanche stesso migliorò il suo prototipo di batteria al carbonio-zinco. Qui mescolò un legante gommoso resinoso con biossido di manganese e polvere di carbone per formare un blocco solido compresso della miscela mediante pressione idraulica. A causa di questa struttura solida della miscela del catodo, non c'era più bisogno del vaso poroso nella cella della batteria Leclanche. Nel 1888, il dott. Carl Gassner sviluppò ulteriormente la costruzione della cella Leclanche. Qui utilizzò una pasta di gesso di Parigi e cloruro di ammonio come elettrolita, invece di cloruro di ammonio liquido. Invece di inserire un rullo di zinco all'interno dell'elettrolita in un contenitore di vetro, fece il contenitore stesso di zinco. Quindi, questo contenitore serviva anche come anodo della batteria. Minimizzò l'azione chimica locale nella sua batteria avvolgendo tessuti saturi di cloruro di zinco-cloruro di ammonio intorno al blocco misto del catodo cilindrico.

In seguito sostituì il gesso di Parigi con farina di grano, nella miscela elettrolitica. Questo fu il primo design commerciale di cella di batteria secca al carbonio-zinco. Questo non fu la fine del viaggio. La batteria Leclanche fu ulteriormente sviluppata per soddisfare la sua crescente domanda di mercato nel 20th secolo. Successivamente, venne utilizzato il carbonio nero acetilenico come raccoglitore di corrente del catodo. Questo è più conduttivo del grafite. Sono stati fatti anche sviluppi nel design del separatore e nel sistema di sigillatura di ventilazione.

Dopo il 1960, maggiori sforzi furono diretti allo sviluppo della cella di batteria al cloruro di zinco. Questo è anche una versione popolare di batteria al carbonio-zinco. Qui, viene utilizzato il cloruro di zinco come elettrolita invece del cloruro di ammonio. Questo è stato sviluppato per fornire una migliore prestazione nelle applicazioni ad alto consumo. In altre parole, la batteria al cloruro di zinco è un sostituto migliorato della batteria Leclanche nelle applicazioni ad alto consumo.

Reazione chimica nella batteria al carbonio-zinco

Nella cella della batteria Leclanche, lo zinco viene utilizzato come anodo, il biossido di manganese come catodo e il cloruro di ammonio come elettrolita principale, ma c'è una certa percentuale di cloruro di zinco nell'elettrolita. Nella cella della batteria al cloruro di zinco, lo zinco viene utilizzato come anodo, il biossido di manganese come catodo e il cloruro di zinco come elettrolita.
In entrambe le batterie al carbonio-zinco, durante lo scarico, l'anodo di zinco è coinvolto in una reazione di ossidazione e ogni atomo di zinco coinvolto in questa reazione rilascia due elettroni.

Questi elettroni arrivano al catodo attraverso il circuito di carico esterno.
Nella cella della batteria Leclanche, il cloruro di ammonio (NH4Cl) esiste nella miscela elettrolitica come NH4+ e Cl –. Nel catodo, il MnO2 sarà ridotto a Mn2O3 in reazione con l'ione ammonio (NH4+). Oltre al Mn2O3, questa reazione produce anche ammine (NH3) e acqua (H20).

Ma durante questo processo chimico, alcuni ioni ammonio (NH4+ ) vengono ridotti direttamente dagli elettroni e formano ammine gassose (NH3) e idrogeno (H2).

Nella batteria al carbonio-zinco, questo gas amminico reagisce ulteriormente con il cloruro di zinco (ZnCl2) per formare cloruro di zinco-ammonio solido e l'idrogeno gassoso reagisce con il biossido di manganese per formare triossido di dimanganese solido e acqua. Queste due reazioni impediscono la formazione di pressione di gas durante lo scarico della batteria.

La reazione complessiva è,

Una batteria al cloruro di zinco è una versione migliorata della batteria al carbonio-zinco. Queste batterie sono generalmente etichettate come batterie pesanti. Una cella al cloruro di zinco contiene solo pasta di cloruro di zinco (ZnCl2) come elettrolita. Questa batteria fornisce maggiore corrente, maggiore tensione e maggiore durata rispetto a una batteria al carbonio-zinco generica. La reazione del catodo è,

La reazione complessiva è,

Tensione nominale della batteria al carbonio-zinco

La tensione nominale standard di una batteria al carbonio-zinco è determinata dal tipo di materiali anodici e catodici utilizzati nella cella di batteria. Nella cella della batteria al carbonio-zinco, lo zinco è il materiale anodico e il biossido di manganese è il materiale catodico. Il potenziale elettrodo dello zinco è – 0,7 volt mentre il potenziale elettrodo del biossido di manganese è 1,28.
Pertanto, la tensione teorica di ogni cella dovrebbe essere – (- 0,76) + 1,23 = 1,99 V, ma considerando molte condizioni pratiche, la tensione effettiva di una batteria al carbonio-zinco standard non supera i 1,5 V.

Densità energetica della cella della batteria al carbonio-zinco

Il peso molecolare del materiale catodico, il biossido di manganese, è 87 g/mol. Nella reazione della batteria, si trova che due elettroni riducono due molecole di biossido di manganese. Pertanto, secondo la costante di Faraday, 28,6 Ah possono essere forniti dalla riduzione completa di un molo o 87 g di biossido di manganese. Quindi, 87/26,8 = 3,24 g di biossido di manganese sono necessari per fornire 1 Ah di elettricità.
Il peso molecolare dell'anodo, lo zinco, è 65 g/mol. Nella reazione della batteria, si trova che due elettroni ossidano un atomo di zinco. Pertanto, secondo la costante di Faraday, 28,6 Ah possono essere forniti dall'ossidazione completa di un molo o 65/2 g o 32,5 g di zinco. Quindi, 32,5/26,8 = 1,21 g di zinco sono necessari per fornire 1 Ah di elettricità.
La densità energetica totale della batteria al carbonio-zinco è 3,24 g/Ah + 1,21 g/Ah = 4,45 g/Ah = 1 / 4,45 Ah/g = 0,224 Ah/g o 224 Ah/Kg. Questo è un calcolo assolutamente teorico, ma in pratica molti altri materiali come elettroliti, carbonio nero, acqua devono essere inclusi nella batteria, il peso dei quali non può essere omesso. Inoltre, molte altre condizioni pratiche devono essere considerate in una batteria. Considerando tutto, una cella di batteria Leclanche a scarico basso ha una densità energetica di 75 Ah/Kg e la stessa per batterie pesanti e intermittenti, è circa 35 Ah/Kg.

Tipi di batterie al carbonio-zinco

Come abbiamo detto in precedenza, esistono due tipi di batterie al carbonio-zinco.

1. Batteria Leclanche

2. Batteria al cloruro di zinco.