Цинк карбондік батарея | Цинк карбондік батареяның түрлері | Асқа және салбырауы
Цинк-карбон батарея
Цинк-карбон батарея популярно используется последние 100 лет. Обычно доступны два вида цинк-карбоновых батарей – батарея Ле-Кланше и батарея с хлоридом цинка. Оба этих типа являются первичными батареями. Эта батарея была изобретена Джорджем Лионелем Ле-Кланше в 1866 году. Это была первая батарея, в которой использовался малоагрессивный электролит, такой как хлорид аммония. До этого в качестве электролита батарейных систем использовались только сильные минеральные кислоты.
В этой батарее в качестве основного контейнера использовалась стеклянная банка. Контейнер заполнялся раствором хлорида аммония в качестве электролита. В этот электролит погружалась сплавленная цинковая пластина в качестве отрицательного электрода или анода. В этом элементе батареи Ле-Кланше пористый горшок заполнялся смесью двуокиси марганца и угольного порошка в соотношении один к одному. В эту смесь вставлялась угольная палочка.
Пористый горшок вместе со смесью и угольной палочкой служил положительным электродом или катодом, и это помещалось в раствор хлорида аммония в банке. В 1876 году Ле-Кланше сам улучшил свой прототип цинк-карбоновой батареи. Здесь он смешал связующий компонент из смолы с двуокисью марганца и угольным порошком, чтобы сформировать твердый блок смеси под гидравлическим давлением. Благодаря этому твердому строению катодной смеси, больше не требовался пористый горшок в элементе батареи Ле-Кланше. В 1888 году доктор Карл Гасснер еще больше разработал конструкцию элемента Ле-Кланше. Здесь он использовал пасту из гипса и хлорида аммония в качестве электролита вместо жидкого хлорида аммония. Вместо того, чтобы вставить цинковую палочку внутрь электролита в стеклянном контейнере, он сделал контейнер из цинка. Таким образом, этот контейнер также служил анодом батареи. Он минимизировал местное химическое действие в своей батарее, обернув ткань, насыщенную хлоридом цинка и хлоридом аммония, вокруг цилиндрического блока катодной смеси.
Позже он заменил гипс пшеничной мукой в смеси электролита. Это был первый коммерческий дизайн сухой цинк-карбоновой батареи. Это не было концом пути. Батарея Ле-Кланше была еще больше разработана, чтобы удовлетворить ее продолжающийся рыночный спрос в 20м веке. Позже для сбора тока катода использовался ацетиленовый черный углерод. Это более проводящий, чем графит. Развитие также было сделано в дизайне разделителя и системы герметизации.
После 1960 года больше усилий было направлено на развитие элемента батареи с хлоридом цинка. Это также популярная версия цинк-карбоновой батареи. Здесь в качестве электролита используется хлорид цинка вместо хлорида аммония. Это было разработано, чтобы обеспечить лучшую производительность при высоких нагрузках. Другими словами, батарея с хлоридом цинка является улучшенной заменой батареи Ле-Кланше в условиях высоких нагрузок.
Химическая реакция в цинк-карбоновой батарее
В элементе батареи Ле-Кланше используется цинк в качестве анода, двуокись марганца в качестве катода и хлорид аммония в качестве основного электролита, но в электролите есть некоторое количество хлорида цинка. В элементе батареи с хлоридом цинка используется цинк в качестве анода, двуокись марганца в качестве катода и хлорид цинка в качестве электролита.
Во время разряда обоих типов цинк-карбоновых батарей, цинковый анод участвует в окислительной реакции, и каждый атом цинка, участвующий в этой реакции, выпускает два электрона.
Эти электроны попадают на катод через внешнюю цепь нагрузки.
В элементе батареи Ле-Кланше хлорид аммония (NH4Cl) существует в смеси электролита как NH4+ и Cl–. В катоде MnO2 будет восстановлен до Mn2O3 в реакции с аммонийным ионом (NH4+). Кроме Mn2O3 эта реакция также производит аммиак (NH3) и воду (H20).
Но во время этого химического процесса некоторые аммонийные ионы (NH4+) напрямую восстанавливаются электронами и образуют газообразный аммиак (NH3) и водород (H2).
В цинк-карбоновой батарее этот аммиачный газ далее реагирует с хлоридом цинка (ZnCl2), образуя твердый цинк-аммоний-хлорид, а газообразный водород реагирует с двуокисью марганца, образуя твердый ди-марганец триоксид и воду. Эти две реакции предотвращают образование газового давления при разряде батареи.
Общая реакция:
Батарея с хлоридом цинка является улучшенной версией цинк-карбоновой батареи. Эти батареи обычно маркируются как тяжелые батареи. Элемент батареи с хлоридом цинка содержит только пасту хлорида цинка (ZnCl2) в качестве электролита. Эта батарея предоставляет больше тока, больше напряжения и больше срока службы, чем общего назначения цинк-карбоновая батарея. Реакция катода:
Общая реакция:
Напряжение цинк-карбоновой батареи
Стандартное напряжение цинк-карбоновой батареи определяется типом материалов анода и катода, используемых в элементе батареи. В элементе цинк-карбоновой батареи используется цинк в качестве материала анода и двуокись марганца в качестве материала катода. Электродный потенциал цинка составляет -0,7 вольт, тогда как электродный потенциал двуокиси марганца составляет 1,28.
Таким образом, теоретическое напряжение каждого элемента должно быть -(-0,76) + 1,23 = 1,99 В, но, учитывая многие практические условия, фактическое выходное напряжение стандартной цинк-карбоновой батареи не превышает 1,5 В.
Энергетическая плотность элемента цинк-карбоновой батареи
Молярная масса катодного материала, двуокиси марганца, составляет 87 г/моль. В реакции батареи обнаружено, что два электрона восстанавливают две молекулы двуокиси марганца. Следовательно, согласно постоянной Фарадея, 28,6 Ач могут быть выданы полным восстановлением одного моля или 87 г двуокиси марганца. Таким образом, 87/26,8 = 3,24 г двуокиси марганца требуется для выдачи 1 Ач электричества.
Молярная масса анодного материала, цинка, составляет 65 г/моль. В реакции батареи обнаружено, что два электрона окисляют одну атом цинка. Следовательно, согласно постоянной Фарадея, 28,6 Ач могут быть выданы полным окислением одного моля или 65/2 г или 32,5 г цинка. Таким образом, 32,5/26,8 = 1,21 г цинка требуется для выдачи 1 Ач электричества.
Общая энергетическая плотность цинк-карбоновой батареи составляет 3,24 г/Ач + 1,21 г/Ач = 4,45 г/Ач = 1 / 4,45 Ач/г = 0,224 Ач/г или 224 Ач/кг. Это абсолютно теоретический расчет, но на практике необходимо учитывать многие другие материалы, такие как электролит, угольный черный, вода, которые должны быть включены в батарею, вес которых нельзя исключить. Кроме того, на батарею влияют многие другие практические условия. Учитывая все, практическая низкоразрядная батарея Ле-Кланше имеет энергетическую плотность 75 Ач/кг, а для тяжелых и прерывистых разрядных батарей она составляет около 35 Ач/кг.
Типы цинк-карбоновых батарей
Как мы уже говорили, существуют два вида цинк-карбоновых батарей.
