Cinks karbona baterija | Cinka karbona baterijas veidi | Priekšrocības un trūkumi

Cinks carbons baterija

Cinks carbons baterija tiek plaši izmantota jau aptuveni 100 gadus. Parasti ir pieejami divi cinks carbons baterijas veidi – Leclanche baterija un cinka hlorīda baterija. Abas šīs ir primārās baterijas. Šo bateriju izgudroja Goerge Lionel Leclanche 1866. gada. Tas bija pirmā baterija, kurā tika izmantots zems korozijas līdzeklis, piemēram, amonija hlorīds. Līdz tam tikai stipri minerālākie sāļi tika izmantoti kā baterijas sistēmas elektrolītis.
Baterijas šķidrumā tika izmantots stikla burkāns kā galvenais konteiners. Konteineris tika aizpildīts ar amonija hlorīda šķidrumu kā elektrolītu. Amalgamēta cinka stienis tika ieietverts šajā elektrolītā kā negatīvā elektroda vai anoda. Šajā Leclanche baterijas šķidrumā poraina katle tika aizpildīta viena uz vienu manganā dioksīda un oglekļa pulvera sumes. Oglekļa stienis tika ievietots šajā sumē.

Porainā katle kopā ar sumu un oglekļa stieni palīdzēja kā pozitīvā elektroda vai katoda, un tā tika ievietota amonija hlorīda šķidrumā burkanā. 1876. gadā Leclanche pašos uzlaboja savu prototipa dizainu cinks carbons baterijai. Šeit viņš samaisīja resīnu gumijas saistošo materiālu ar manganā dioksīdu un oglekļa pulveri, lai veidotu komprimētu šīs sumes caurulveida bloku hidrauliskā spiediena rādījumā. Tā kā katodas sumes struktūra bija solīda, vairs nebija nepieciešama poraina katle Leclanche baterijas šķidrumā. 1888. gadā Dr. Carl Gassner vēl vairāk attīstīja Leclanche šķidruma konstrukciju. Šeit viņš izmantoja gipsa un amonija hlorīda pasta kā elektrolītu, nevis šķīdumu. Viņš nolaida cinka stieni šķīduma iekšpusē stikla konteinerī, bet izmantoja cinku kā pati konteineri. Tāpēc šis konteiners arī darbojas kā anoda baterijai. Viņš samazināja vietējo ķīmisko reakciju savā baterijā, apglabājot cinka hlorīda – amonija hlorīda satura audumus cilindriska katodas sumes bloka apkārt.

Vēlāk viņš aizvietoja gipsu ar rudzu maltu, elektrolīta sumē. Tas bija pirmā komerciālā saldenā cinka karbona baterijas šķidruma dizains. Tas nebija ceļojuma beigas. Leclanche bateriju turpināja attīstīt, lai atbilstu to pastāvīgai tirgus pieprasīšanai 20th gadsimtā. Vēlāk acētilēna melns ogleklis tika izmantots kā katodas strāvas savāknis. Tas ir labāks vedējs nekā grafitis. Attīstība tika veikta arī separatora dizainā un ventilācijas seguma sistēmā.

Pēc 1960. gada vēl lielākas pūles tika veltītas cinka hlorīda baterijas šķidruma attīstībai. Tas ir arī populārs cinks carbons baterijas veids. Šeit, cinka hlorīds tiek izmantots kā elektrolīts, nevis amonija hlorīds. Tas tika izstrādāts, lai nodrošinātu labāko veiktspēju smagā atlādes lietojumā. Citiem vārdiem sakot, cinka hlorīda baterija ir uzlabota aizstājēja Leclanche baterijai smagā atlādes lietojumā.

Cīnks carbons baterijas ķīmiskā reakcija

Leclanche baterijas šķidrumā kā anoda tiek izmantots cinks, kā katoda – mangāna dioksīds, un kā galvenais elektrolīts – amonija hlorīds, taču elektrolītā ir arī daži procenti no cinka hlorīda. Cinka hlorīda baterijas šķidrumā kā anoda tiek izmantots cinks, kā katoda – mangāna dioksīds, un kā elektrolīts – cinka hlorīds.
Abās cinka karbona baterijās, atdalot, cinka anoda iesaistās oksidācijas reakcijā, un katrs cinka atoms, kas iesaistīts šajā reakcijā, izdalīs divus elektronus.

Šie elektroni nonāk katodā caur ārējo slodzes shēmu.
Leclanche baterijas šķidrumā amonija hlorīds (NH4Cl) eksistē kā NH4+ un Cl –. Katodā MnO2 tiks samazināts līdz Mn2O3 reakcijā ar amonija jonu (NH4+). Papildus Mn2O3 šī reakcija arī producē amoniāku (NH3) un ūdeni (H20).

Tomēr šajā ķīmiskajā procesā daži amonija joni (NH4+ ) tiek tieši samazināti ar elektroniem un veido gāzveida amoniāku (NH3) un ūdeņraugu (H2).

Cinka karbona baterijā šis amoniaka gāze turpina reaģēt ar cinka hlorīdu (ZnCl2), lai veidotu solidu cinka amonija hlorīdu un gāzveida ūdeņraugs reaģē ar mangāna dioksīdu, lai veidotu solidu div-mangāna trioksidu un ūdeni. Šīs divas reakcijas novērš gāzspiediena formēšanos baterijas atlādes laikā.

Kopējā reakcija ir,

Cinka hlorīda baterija ir uzlabota versija no cinka karbona baterijas. Šīs baterijas parasti tiek etiķetētas kā smagas pienākuma baterijas. Cinka hlorīda šķidrumā ir tikai cinka hlorīda (ZnCl2) pasta kā elektrolīts. Šī baterija sniedz lielāku strāvu, lielāku spriegumu un ilgāku dzīveslaiku nekā vispārēja izmantošanas cinka karbona baterija. Katodas reakcija ir,

Kopējā reakcija ir,

Cinka karbona baterijas sprieguma rādījums

Standarta cinka karbona baterijas sprieguma rādījums tiek noteikts pēc anoda un katodas materiālu veida, kas tiek izmantoti baterijas šķidrumā. Cinka karbona baterijas šķidrumā kā anoda materiāls tiek izmantots cinks, bet kā katoda materiāls – mangāna dioksīds. Elektrodas potenciāls cinka ir – 0.7 volti, bet mangāna dioksīda elektrodas potenciāls ir 1.28.
Tāpēc, teorētiskais katras šķidrumas spriegums vajadzētu būt – (- 0.76) + 1.23 = 1.99 V, bet, ņemot vērā daudzas praktiskas apstākļus, standarta cinka karbona baterijas faktiskais spriegums nav vairāk nekā 1.5 V.

Cinka karbona baterijas šķidruma enerģijas blīvums

Katoda materiāla, mangāna dioksīda, molārais svars ir 87 g/mol. Šeit baterijas reakcijā ir atrasts, ka divi elektroni samazina divus mangāna dioksīda molekulās. Tāpēc, saskaņā ar Faradeja konstanti 28.6 Ah var tikt nodrošināts, pilnībā samazinot vienu molu vai 87 g mangāna dioksīda. Tāpēc, 87/26.8 = 3.24 g mangāna dioksīda ir nepieciešams, lai nodrošinātu 1 Ah elektrību.
Anoda, cinka, materiāla molārais svars ir 65 g/mol. Šeit baterijas reakcijā ir atrasts, ka divi elektroni oksidē vienu cinka atomu. Tāpēc, saskaņā ar Faradeja konstanti 28.6 Ah var tikt nodrošināts, pilnībā oksidējot vienu molu vai 65/2 g vai 32.5 g cinka. Tāpēc, 32.5/26.8 = 1.21 g cinka ir nepieciešams, lai nodrošinātu 1 Ah elektrību.
Cinka karbona baterijas kopējais enerģijas blīvums ir 3.24 g/Ah + 1.21 g/Ah = 4.45 g/Ah =1 / 4.45 Ah/g = 0.224 Ah/g vai 224 Ah/Kg. Tas ir absolūti teorētisks aprēķins, bet praksē jāiekļauj daudzi citi materiāli, piemēram, elektrolīts, melns ogleklis, ūdens, ko nevar izlaist no baterijas. Papildus šiem jāņem vērā daudzi citi praktiski apstākļi baterijā. Ņemot vērā visu, praktiskā zema atlādes Leclanche baterijas šķidruma enerģijas blīvums ir 75 Ah/Kg, un tas pašāds ir arī smagā un periodiskā atlādes baterijai, aptuveni 35 Ah/Kg.