Zinkkarbonbatteri | Typer av zinkkarbonbatteri | Fordeler og ulemper
Zinkkarbonbatteri
Zinkkarbon-batteri har blitt populært brukt i de siste 100 årene. Generelt er det to typer zinkkarbonbatteri som vanligvis er tilgjengelige – Leclanche-batteri og zinkkloridbatteri. Begge disse er primære batterier. Dette batteriet ble oppfunnet av Goerge Lionel Leclanche i 1866. Dette var det første batteriet der et lavt korrosivt elektrolyt som ammoniumklorid ble brukt. Før det ble bare sterke mineral surer brukt som elektrolyt i batterisystemet.
I denne battericellen ble en glasjar brukt som hovedbeholder. Beholderen ble fylt med ammoniumkloridløsning som elektrolyt. En amalgamert zinkstang ble neddypt i dette elektrolytet som negativ elektrod eller anode. I denne Leclanche-battericellen ble en porøs pot fylt med en blanding på en til en av mangankdioxid og kuldepulver. En karbonstang ble sett inn i denne blandingen.
Den porøse poten sammen med blandingen og karbonstangen fungerte som positiv elektrod eller katod, og dette ble plassert i ammoniumkloridløsningen i glassjar. I 1876 forbedret Leclanche selv sin egen prototype design av zinkkarbonbatteri. Her blandet han en resingummibinder med mangankdioxid og kuldepulver for å danne en komprimert solid blokk av blandingen ved hjelp av hydraulisk trykk. På grunn av denne solide strukturen av katodblanding, var det ikke lenger behov for en porøs pot i Leclanche-battericellen. I 1888 utviklet Dr. Carl Gassner konstruksjonen av Leclanche-cellen videre. Her brukte han en pasta av gips og ammoniumklorid som elektrolyt, i stedet for flytende ammoniumklorid. I stedet for å sette inn en zinkstang inne i elektrolyten i en glasbeholder, lagde han beholdelsen av zink selv. Dermed fungerer også denne beholdelsen som anode i batteriet. Han reduserte lokal kjemisk virksomhet i sitt batteri ved å omvrikk zinkklorid–ammoniumkloridsaturerte klær rundt den sylindriske katodblandingsblokken.
Senere erstattet han gips med hvete mel, i elektrolytblandingen. Dette var den første kommersielle designen av tørt zinkkarbonbattericell. Dette var ikke slutten på reisen. Leclanche-batteriet ble videreutviklet for å møte det pågående markedskravet i det 20. århundre. Senere ble acetylensvart karbon brukt som katodstrømssamler. Dette er mer ledende enn grafitt. Utvikling har også skjedd i separator-design og ventileringssystem.
Etter 1960 rettet man mer innsats mot utviklingen av zinkkloridbattericell. Dette er også en populær versjon av zinkkarbonbatteri. Her brukes zinkklorid som elektrolyt i stedet for ammoniumklorid. Dette ble utviklet for å gi bedre ytelse i tungt drenasjeapplikasjoner. Med andre ord, er zinkkloridbatteriet en forbedret substitutt for Leclanches batteri i tungt drenasjeapplikasjoner.
Kjemisk reaksjon i zinkkarbonbatteri
I Leclanche-battericellen brukes zink som anode, mangankdioxid som katode og ammoniumklorid som hovedelektrolyt, men det er noen prosent zinkklorid i elektrolyten. I zinkkloridbattericellen brukes zink som anode, mangankdioxid som katode og zinkklorid som elektrolyt.
I begge typer zinkkarbonbatteri involveres zinkanoden i oksidasjonsreaksjon under løsning, og hver zinkatom som deltar i denne reaksjonen frigjør to elektroner.
Disse elektronene kommer til katoden gjennom eksternt lastkrets.
I Leclanche-battericellen eksisterer ammoniumklorid (NH4Cl) i elektrolytblanding som NH4+ og Cl –. I katoden vil MnO2 bli reduksjonert til Mn2O3 i reaksjon med ammoniumion (NH4+). I tillegg til Mn2O3 produserer denne reaksjonen også ammoniakk (NH3) og vann (H20).
Men under denne kjemiske prosessen blir noen ammoniumioner (NH4+ ) direkte reduksjonert av elektroner og dannes gassformig ammoniakk (NH3) og hydrogen(H2).
I zinkkarbonbatteri reagerer denne ammoniakkgassen videre med zinkklorid (ZnCl2) for å danne fast zinkammoniumklorid, og gassformig hydrogen reagerer med mangankdioxid for å danne fast dimanganktryoksid og vann. Disse to reaksjonene forhindrer dannelsen av gasstryk under løsning av batteriet.
Den totale reaksjonen er,
Et zinkkloridbatteri er en forbedret versjon av zinkkarbonbatteri. Disse batteriene er generelt merket som tungt bruksbatteri. En zinkkloridcelle inneholder bare zinkklorid (ZnCl2) pasta som elektrolyt. Dette batteriet gir mer strøm, mer spenning og mer levetid enn et generelt formål zinkkarbonbatteri. Katodreaksjonen er,
Den totale reaksjonen er,
Spenning på zinkkarbonbatteri
Standard spenning på et zinkkarbonbatteri bestemmes av typen anodematerial og katodematerial som brukes i battericellen. I zinkkarbonbattericellen brukes zink som anodematerial og mangankdioxid som katodematerial. Elektrodens potensial for zink er – 0.7 volt, mens elektrodens potensial for mangankdioxid er 1.28.
Derfor bør teoretisk spenning for hver celle være – (- 0.76) + 1.23 = 1.99 V, men med tanke på mange praktiske forhold, er den faktiske spenning fra en standard zinkkarbonbatteri ikke mer enn 1.5 V.
Energitetthet av zinkkarbonbattericell
Molarmassen av katodematerial, mangankdioxid, er 87 g/mol. Her i reaksjonen i batteriet finnes det at to elektroner reduserer to molekyler av mangankdioxid. Så ifølge Faradays konstant kan 28.6 Ah leveres ved full reduksjon av ett mol eller 87 g mangankdioxid. Derfor kreves 87/26.8 = 3.24 g mangankdioxid for å levere 1 Ah elektrisitet.
Molarmassen av anodematerial, zink, er 65 g/mol. Her i reaksjonen i batteriet finnes det at to elektroner oksiderer én zinkatom. Så ifølge Faradays konstant kan 28.6 Ah leveres ved full oksidasjon av ett mol eller 65/2 g eller 32.5 g zink. Derfor kreves 32.5/26.8 = 1.21 g zink for å levere 1 Ah elektrisitet.
Total energitetthet av zinkkarbonbatteri er 3.24 g/Ah + 1.21 g/Ah = 4.45 g/Ah =1 / 4.45 Ah/g = 0.224 Ah/g eller 224 Ah/Kg. Dette er absolutt teoretisk beregning, men i praksis må mange andre materialer som elektrolyt, svart karbon, vann inkluderes i batteriet, vekten av disse kan ikke utelates. I tillegg til dette må mange andre praktiske forhold tas i betraktning i et batteri. Når alt tas i betraktning, har en praktisk lavt drenasje Leclanche-battericell en energitetthet på 75 Ah/Kg, og samme for tungt bruks- og intermitterende drenajebatteri, er omtrent 35 Ah/Kg.
Typer av zinkkarbonbatteri
Som vi sa tidligere, er det to typer zinkkarbonbatteri.
Leclanche-batteri
Zinkkloridbatteri.
Igjen er Leclanche-batterier av to hovedtyper, generelle formål celler og tungt bruksceller.
I generelle formål, billige Leclanche-batterier, brukes ren zink som anode, ammoniumklorid som hovedelektrolyt sammen med en prosent zinkklorid. Her brukes naturlig mangankdioxid ore som katodematerial. Disse batteriene brukes generelt der kostnad er en viktigere faktor enn yteevnen.
Anvendelsen av tungt bruks Leclanche-batterier domineres av
