亜鉛炭素電池 | 亜鉛炭素電池の種類 | 長所と短所
亜鉛炭素電池
亜鉛炭素電池は、過去100年間広く使用されてきました。一般的には、主に2種類の亜鉛炭素電池があります。それはルクランシェ電池と亜鉛塩化物電池です。どちらも一次電池です。この電池は1866年にジョージ・ライオネル・ルクランシェによって発明されました。これは、アンモニウム塩酸のような低腐食性の電解質を使用した最初の電池でした。それ以前には、電池システムの電解質として強力な鉱物酸のみが使用されていました。
この電池セルでは、ガラス製の容器が主な容器として使用されました。この容器にはアンモニウム塩酸溶液が電解質として満たされました。アマルガムされた亜鉛棒が負極またはアノードとしてこの電解質に浸漬されました。このルクランシェ電池セルでは、多孔性の壺にマンガン酸化物とカーボン粉末の1対1の混合物が詰められました。カーボン棒がこの混合物に挿入されました。
多孔性の壺と混合物、そしてカーボン棒は正極またはカソードとして機能し、これが容器内のアンモニウム塩酸溶液に配置されました。1876年、ルクランシェ自身が自分の亜鉛炭素電池のプロトタイプ設計を改善しました。ここで彼は、マンガン酸化物とカーボン粉末に樹脂ガムバインダーを混ぜて、水圧で圧縮した固体ブロックを作りました。カソード混合物のこの固体構造により、ルクランシェ電池セルには多孔性の壺が不要になりました。1888年、カル・ガスナー博士がルクランシェセルの構造をさらに発展させました。ここでは、液体のアンモニウム塩酸の代わりにパリ石膏とアンモニウム塩酸のペーストを使用しました。ガラス容器内の電解質に亜鉛棒を挿入する代わりに、亜鉛自体で容器を作りました。したがって、この容器は電池のアノードとしても機能します。彼は、円筒形のカソード混合物ブロックに亜鉛塩化物-アンモニウム塩酸飽和布を巻きつけることで、電池内の局所的な化学反応を最小限に抑えることに成功しました。
その後、彼は電解質混合物に小麦粉をパリ石膏の代わりに使用しました。これが最初の商業的な乾式亜鉛炭素電池セルのデザインでした。これが旅の終わりではありませんでした。ルクランシェ電池は、20世紀の継続的な市場需要に対応するためにさらに発展しました。その後、アセチレンブラックカーボンがカソード電流コレクターとして使用されるようになりました。これはグラファイトよりも導電性が高いです。また、セパレータ設計やベンティングシールシステムにも改良が加えられました。
1960年以降、亜鉛塩化物電池セルの開発にさらに力を入れるようになりました。これも亜鉛炭素電池の一種です。ここでは、アンモニウム塩酸の代わりに亜鉛塩化物が電解質として使用されます。これは、大容量放電アプリケーションでの性能向上のために開発されました。つまり、亜鉛塩化物電池は、大容量放電アプリケーションにおけるルクランシェ電池の改良版です。
亜鉛炭素電池の化学反応
ルクランシェ電池セルでは、亜鉛がアノード、マンガン酸化物がカソード、アンモニウム塩酸が主な電解質として使用されますが、電解質には亜鉛塩化物が一部含まれています。亜鉛塩化物電池セルでは、亜鉛がアノード、マンガン酸化物がカソード、亜鉛塩化物が電解質として使用されます。
両方の亜鉛炭素電池では、放電時に亜鉛アノードが酸化反応に関与し、この反応に関与する各亜鉛原子から2つの電子が放出されます。
これらの電子は外部負荷回路を通じてカソードに到達します。
ルクランシェ電池セルでは、アンモニウム塩酸（NH4Cl）が電解質混合物中にNH4+およびCl –として存在します。カソードのMnO2は、アンモニウムイオン（NH4+）との反応でMn2O3に還元されます。Mn2O3の生成だけでなく、この反応はアンモニア（NH3）と水（H20）も生成します。
しかし、この化学過程中には、一部のアンモニウムイオン（NH4+）が電子によって直接還元され、気体のアンモニア（NH3）と水素（H2）を形成します。
亜鉛炭素電池では、このアンモニアガスが亜鉛塩化物（ZnCl2）と反応して固体の亜鉛アンモニウム塩化物を形成し、気体の水素がマンガン酸化物と反応して固体の二マンガン三酸化物と水を形成します。これらの2つの反応により、電池の放電中にガス圧が形成されることを防ぎます。
全体的な反応は、
亜鉛塩化物電池は、亜鉛炭素電池の改良版です。これらの電池は通常、重役電池と呼ばれます。亜鉛塩化物セルには、亜鉛塩化物（ZnCl2）ペーストのみが電解質として使用されます。この電池は、より多くの電流、より多くの電圧、およびより長い寿命を提供します。カソード反応は、
全体的な反応は、
亜鉛炭素電池の電圧評価
亜鉛炭素電池の標準電圧評価は、電池セルで使用される陽極と陰極材料の種類によって決定されます。亜鉛炭素電池セルでは、亜鉛が陽極材料、マンガン酸化物が陰極材料です。亜鉛の電極電位は-0.7Vであり、マンガン酸化物の電極電位は1.28Vです。
したがって、各セルの理論上の電圧は-(-0.76) + 1.23 = 1.99Vとなるべきですが、多くの実際の条件を考慮すると、標準的な亜鉛炭素電池の実際の電圧出力は1.5Vを超えないことがわかります。
亜鉛炭素電池セルのエネルギー密度
カソード材料であるマンガン酸化物のモル質量は87g/molです。ここでは、電池の反応において、2つの電子が2つのマンガン酸化物分子を還元することが分かります。したがって、ファラデー定数によれば、1モルまたは87gのマンガン酸化物の完全還元により28.6Ahが供給されます。したがって、87/26.8 = 3.24gのマンガン酸化物が必要です。
アノード材料である亜鉛のモル質量は65g/molです。ここでは、電池の反応において、2つの電子が1つの亜鉛原子を酸化することが分かります。したがって、ファラデー定数によれば、1モルまたは65/2gまたは32.5gの亜鉛の完全酸化により28.6Ahが供給されます。したがって、32.5/26.8 = 1.21gの亜鉛が必要です。
亜鉛炭素電池の総エネルギー密度は3.24g/Ah + 1.21g/Ah = 4.45g/Ah = 1 / 4.45Ah/g = 0.224Ah/gまたは224Ah/kgです。これは完全に理論的な計算ですが、実際には電解質、カーボンブラック、水などの他の多くの材料が電池に含まれ、その重量を無視することはできません。さらに、電池には多くの他の実際の条件を考慮する必要があります。すべてを考慮すると、実際の低放電ルクランシェ電池セルのエネルギー密度は約75Ah/kgであり、重役用および断続放電電池の場合は約35Ah/kgです。
亜鉛炭素電池の種類
先ほど述べたように、主に2種類の亜鉛炭素電池があります。
ルクランシェ電池
亜鉛塩化物電池
また、ルクランシェ電池は主に2種類あり、汎用セルと重役セルがあります。
汎用の低コストルクランシェ電池では、純粋な亜鉛がアノード、アンモニウム塩酸が主な電解質として使用され、一部の亜鉛塩化物が含まれます。ここでは天然のマンガン酸化物がカソード材料として使用されます。これらの電池は、コストが性能よりも重要な要素である場合に一般的に使用されます。
重役ルクランシェ電池の用途は、亜鉛塩化
