아연 탄소 건전지 | 아연 탄소 건전지의 종류 | 장점과 단점

아연 탄소 배터리

아연 탄소 배터리는 지난 100년 동안 널리 사용되어 왔습니다. 일반적으로 두 가지 유형의 아연 탄소 배터리가 있습니다 - 르클랑셰 배터리와 아연 염화물 배터리입니다. 이 두 가지 모두 일차 배터리입니다. 이 배터리는 1866년에 조지 리오넬 르클랑셰에 의해 발명되었습니다. 이것은 암모늄 클로라이드와 같은 저부식성 전해질을 사용한 최초의 배터리였습니다. 그 이전에는 강력한 무기산만이 배터리 시스템의 전해질로 사용되었습니다.
이 배터리 셀에서는 하나의 유리 용기가 주요 컨테이너로 사용되었습니다. 이 컨테이너는 암모늄 클로라이드 용액으로 가득 차 있었습니다. 아말감화된 아연 막대가 음극 또는 아노드로 이 전해질에 담겼습니다. 이 르클랑셰 배터리 셀에서는 다공성 포트가 산화망간과 탄소 분말의 혼합물로 채워졌습니다. 탄소 막대가 이 혼합물에 삽입되었습니다.

다공성 포트와 혼합물, 탄소 막대는 양극 또는 캐서드로서 작용했으며, 이는 유리 용기 안의 암모늄 클로라이드 용액에 배치되었습니다. 1876년, 르클랑셰 자신이 자신의 아연 탄소 배터리 프로토타입 설계를 개선했습니다. 여기서 그는 수지 젤 바인더를 산화망간과 탄소 분말과 혼합하여 수압으로 압축된 고체 블록을 형성했습니다. 이 캐서드 혼합물의 고체 구조 덕분에 르클랑셰 배터리 셀에서는 더 이상 다공성 포트가 필요하지 않았습니다. 1888년, 칼 가스너 박사는 르클랑셰 셀의 구조를 더욱 발전시켰습니다. 여기서 그는 액체 암모늄 클로라이드 대신 석고와 암모늄 클로라이드의 페이스트를 전해질로 사용했습니다. 유리 컨테이너 내부에 아연 막대를 삽입하는 대신, 그는 아연 자체로 컨테이너를 만들었습니다. 따라서 이 컨테이너는 배터리의 아노드 역할도 했습니다. 그는 원통형 캐서드 혼합물 블록을 아연 염화물-암모늄 클로라이드 포화 천으로 감싸서 배터리 내의 국소적인 화학적 반응을 최소화했습니다.

나중에 그는 전해질 혼합물에서 석고를 밀가루로 대체했습니다. 이것이 첫 번째 상업적인 건식 아연 탄소 배터리 셀 디자인이었습니다. 이것이 여정의 끝은 아니었습니다. 20세기에 르클랑셰 배터리는 지속적인 시장 수요를 충족하기 위해 더욱 발전했습니다. 나중에 아세틸렌 블랙 탄소가 캐서드 전류 수집기로 사용되었습니다. 이는 그래파이트보다 더 도전성이 좋습니다. 분리기 설계와 배기 밀봉 시스템에서도 개발이 이루어졌습니다.

1960년 이후, 아연 염화물 배터리 셀의 개발에 더 많은 노력을 기울였습니다. 이는 또한 아연 탄소 배터리의 인기 있는 버전입니다. 여기서는 암모늄 클로라이드 대신 아연 염화물을 전해질로 사용합니다. 이는 중량 배출 애플리케이션에서 더 나은 성능을 제공하기 위해 개발되었습니다. 즉, 아연 염화물 배터리는 중량 배출 애플리케이션에서 르클랑셰 배터리의 개선된 대안입니다.

아연 탄소 배터리의 화학 반응

르클랑셰 배터리 셀에서는 아연을 아노드로, 산화망간을 캐서드로, 암모늄 클로라이드를 주 전해질로 사용하지만, 전해질에 약간의 아연 염화물이 포함되어 있습니다. 아연 염화물 배터리 셀에서는 아연을 아노드로, 산화망간을 캐서드로, 아연 염화물을 전해질로 사용합니다.
두 가지 아연 탄소 배터리 모두 방전 중에 아연 아노드는 산화 반응에 참여하며, 이 반응에 참여하는 각 아연 원자는 두 개의 전자를 방출합니다.

이 전자들은 외부 부하 회로를 통해 캐서드로 이동합니다.
르클랑셰 배터리 셀에서는 암모늄 클로라이드 (NH4Cl)가 전해질 혼합물에서 NH4+ 및 Cl – 형태로 존재합니다. 캐서드에서 MnO2는 암모늄 이온 (NH4+)과의 반응에서 Mn2O3으로 환원됩니다. 이외에도 Mn2O3 이외에도 이 반응은 암모니아 (NH3)와 물 (H20)을 생성합니다.

그러나 이러한 화학 과정 중 일부 암모늄 이온 (NH4+)은 전자에 의해 직접 환원되어 가스상 암모니아 (NH3)와 수소 (H2)를 형성합니다.

아연 탄소 배터리에서는 이 암모니아 가스가 아연 염화물 (ZnCl2)과 반응하여 고체 아연 암모늄 염화물을 형성하고, 가스상 수소는 산화망간과 반응하여 고체 이산화망간 삼산화물과 물을 형성합니다. 이 두 가지 반응은 배터리 방전 중 가스 압력의 형성을 방지합니다.

전반적인 반응은,

아연 염화물 배터리는 아연 탄소 배터리의 개선된 버전입니다. 이러한 배터리는 일반적으로 중량 배출 배터리로 표기됩니다. 아연 염화물 셀은 아연 염화물 (ZnCl2) 페이스트만을 전해질로 사용합니다. 이 배터리는 일반적인 목적의 아연 탄소 배터리보다 더 많은 전류, 더 많은 전압, 그리고 더 오래 지속되는 수명을 제공합니다. 캐서드 반응은,

전반적인 반응은,

아연 탄소 배터리의 전압 등급

아연 탄소 배터리의 표준 전압 등급은 배터리 셀에서 사용되는 아노드와 캐서드 재료의 종류에 따라 결정됩니다. 아연 탄소 배터리 셀에서는 아연이 아노드 재료이고, 산화망간이 캐서드 재료입니다. 아연의 전극 전위는 -0.7 볼트이며, 산화망간의 전극 전위는 1.28볼트입니다.
따라서, 각 셀의 이론적인 전압은 -(-0.76) + 1.23 = 1.99V이지만, 여러 실용적인 조건을 고려하면, 표준 아연 탄소 배터리의 실제 전압 출력은 1.5V를 넘지 않습니다.

아연 탄소 배터리 셀의 에너지 밀도

캐서드 재료인 산화망간의 몰 질량은 87 g/mol입니다. 여기서 배터리의 반응에서 두 개의 전자가 두 개의 산화망간 분자를 환원시키는 것으로 알려져 있습니다. 따라서, 파라데이 상수에 따르면 28.6 Ah의 전류를 87 g의 산화망간을 완전히 환원시켜 제공할 수 있습니다. 따라서 87/26.8 = 3.24 g의 산화망간이 1 Ah의 전기를 제공하는데 필요합니다.
아노드 재료인 아연의 몰 질량은 65 g/mol입니다. 여기서 배터리의 반응에서 두 개의 전자가 한 개의 아연 원자를 산화시키는 것으로 알려져 있습니다. 따라서, 파라데이 상수에 따르면 28.6 Ah의 전류를 65/2 g 또는 32.5 g의 아연을 완전히 산화시켜 제공할 수 있습니다. 따라서 32.5/26.8 = 1.21 g의 아연이 1 Ah의 전기를 제공하는데 필요합니다.
아연 탄소 배터리의 총 에너지 밀도는 3.24 g/Ah + 1.21 g/Ah = 4.45 g/Ah = 1 / 4.45 Ah/g = 0.224 Ah/g 또는 224 Ah/Kg입니다. 이는 완전히 이론적인 계산이지만, 실제로는 전해질, 탄소 검정, 물 등 많은 다른 재료들이 배터리에 포함되며, 이러한 재료들의 무게는 무시할 수 없습니다. 또한 배터리에서는 많은 다른 실용적인 조건들을 고려해야 합니다. 모든 것을 고려하면, 실용적인 저방전 르클랑셰 배터리 셀의 에너지 밀도는 75 Ah/Kg이며, 중량 배출 및 간헐적 배출 배터리의 경우 약 35 Ah/Kg입니다.

아연 탄소 배터리의 유형

앞서 말했듯이, 두 가지 유형의 아연 탄소 배터리가 있습니다.

1. 르클랑셰 배터리

2. 아연 염화물 배터리

또한 르클랑셰 배터리는 주로 두 가지 유형으로 나뉩니다: