Bateria cynkowo-węglowa | Rodzaje baterii cynkowo-węglowych | Zalety i wady
Bateria cynkowo-węglowa
Bateria cynkowo-węglowa bateria jest powszechnie używana od ostatnich 100 lat. Ogólnie dostępne są dwa typy baterii cynkowo-węglowej – bateria Leclanche i bateria cynkowo-chlorkowa. Oba te typy to baterie pierwotne. Ta bateria została wynaleziona przez Georges'a Leclanche'a w 1866 roku. Była to pierwsza bateria, w której użyto małokorodującego elektrolitu, takiego jak chlorek amonu. Przedtem jako elektrolit baterii używano tylko silnych kwasów mineralnych.
W tym elemencie baterii, jako główny pojemnik użyto jednego słoja szklanego. Pojemnik ten był wypełniony roztworem chlorku amonu jako elektrolitem. W tym elektrolicie zanurzono amalgamowany pręt cynkowy jako ujemny elektrod lub anodę. W tym elemencie baterii Leclanche, porowaty garnek był wypełniony mieszaniną dwutlenku manganu i proszku węglowego w stosunku jeden do jednego. Do tej mieszanki wstawiono pręt węglowy.
Porowaty garnek wraz z mieszaniną i prętem węglowym służył jako dodatnia elektroda lub katoda i został umieszczony w roztworze chlorku amonu w słoju. W 1876 roku Leclanche sam udoskonalił swój własny prototyp baterii cynkowo-węglowej. Tutaj zmieszał klej binder z dwutlenkiem manganu i proszkiem węglowym, aby utworzyć spresowany solidny blok mieszanki pod ciśnieniem hydraulicznym. Dzięki temu solidnemu struktury mieszanki katodowej, nie ma już potrzeby porowatego garnka w elemencie baterii Leclanche. W 1888 roku, dr Carl Gassner, dalej rozwinął konstrukcję komórki Leclanche. Tutaj użył pasty gipsu i chlorku amonu jako elektrolitu, zamiast płynnego chlorku amonu. Zamiast wkładania pręta cynkowego do elektrolitu w szklanym pojemniku, zrobił pojemnik z cynku. Stąd ten pojemnik również służy jako anoda baterii. Zminimalizował lokalną akcję chemiczną w swojej baterii, oplatając tkaniną nasączoną chlorkiem cynku i chlorkiem amonu cylindryczny blok mieszanki katodowej.
Później zastąpił gips mąką pszeniczną w mieszance elektrolitu. To była pierwsza komercyjna konstrukcja suchej baterii cynkowo-węglowej. To nie było końcem drogi. Bateria Leclanche była dalej rozwijana, aby spełnić jej trwającą popyt rynkowy w 20th wieku. Później jako zbieracz prądu katodowego używany był czarny acetylenowy węgiel. Jest on bardziej przewodzący niż grafity. Rozwój został również dokonany w zakresie projektu separatora i systemu szczelnienia wentylacyjnego.
Po 1960 roku więcej wysiłków skierowano na rozwój komórki baterii cynkowo-chlorkowej. To jest również popularna wersja baterii cynkowo-węglowej. Tutaj, jako elektrolit, zamiast chlorku amonu, używany jest chlorek cynku. Ta bateria została opracowana, aby zapewnić lepsze działanie w aplikacjach o dużym poborze prądu. Innymi słowy, bateria cynkowo-chlorkowa to ulepszona alternatywa dla baterii Leclanche w aplikacjach o dużym poborze prądu.
Reakcja chemiczna w baterii cynkowo-węglowej
W komórce baterii Leclanche, cynk jest używany jako anoda, dwutlenek manganu jako katoda, a chlorek amonu jako główny elektrolit, ale w elektrolicie znajduje się pewien procent chlorku cynku. W komórce baterii cynkowo-chlorkowej, cynk jest używany jako anoda, dwutlenek manganu jako katoda, a chlorek cynku jako elektrolit.
W obu typach baterii cynkowo-węglowych, podczas rozładowania, anoda cynkowa bierze udział w reakcji utleniania, a każdy atom cynku biorący udział w tej reakcji wydziela dwa elektrony.
Te elektrony docierają do katody poprzez obwód zewnętrznego obciążenia.
W komórce baterii Leclanche, chlorek amonu (NH4Cl) istnieje w mieszaninie elektrolitu jako NH4+ i Cl –. W katodzie MnO2 zostanie zredukowany do Mn2O3 w reakcji z jonem amonu (NH4+). Oprócz Mn2O3 ta reakcja powoduje także powstanie amoniaku (NH3) i wody (H20).
Ale podczas tego procesu chemicznego niektóre jony amonu (NH4+ ) są bezpośrednio redukowane przez elektrony i tworzą gazowy amoniak (NH3) i wodór (H2).
W baterii cynkowo-węglowej ten gaz amoniak dalej reaguje z chlorkiem cynku (ZnCl2) tworząc stały chlorek amoniu cynku i gazowy wodór reaguje z dwutlenkiem manganu tworząc stałe di-mangan trioksyd i wodę. Te dwie reakcje zapobiegają powstaniu ciśnienia gazu podczas rozładowywania baterii.
Całkowita reakcja to,
Bateria cynkowo-chlorkowa to ulepszona wersja baterii cynkowo-węglowej. Te baterie są ogólnie oznaczane jako baterie o wysokiej wydajności. Komórka cynkowo-chlorkowa zawiera tylko pastę chlorku cynku (ZnCl2) jako elektrolit. Ta bateria zapewnia większy prąd, większe napięcie i dłuższy czas pracy niż bateria cynkowo-węglowa ogólnego przeznaczenia. Reakcja katodowa to,
Całkowita reakcja to,
Napięcie baterii cynkowo-węglowej
Standardowe napięcie baterii cynkowo-węglowej jest określone przez rodzaj materiałów anodowych i katodowych użytych w komórce baterii. W komórce baterii cynkowo-węglowej, cynk jest materiałem anodowym, a dwutlenek manganu jest materiałem katodowym. Potencjał elektrodowy cynku wynosi – 0.7 V, podczas gdy potencjał elektrodowy dwutlenku manganu wynosi 1.28 V.
Stąd teoretyczne napięcie każdej komórki powinno wynosić – (- 0.76) + 1.23 = 1.99 V, ale biorąc pod uwagę wiele praktycznych warunków, rzeczywiste wyjście napięcia standardowej baterii cynkowo-węglowej nie przekracza 1.5 V.
Gęstość energii komórki baterii cynkowo-węglowej
Masa molowa materiału katodowego, dwutlenku manganu wynosi 87 g/mol. W reakcji baterii stwierdzono, że dwa elektrony redukują dwa molekuły dwutlenku manganu. Zgodnie z stałą Faradaya 28.6 Ah może być dostarczone przez pełne zredukowanie jednego molu lub 87 g dwutlenku manganu. Stąd 87/26.8 = 3.24 g dwutlenku manganu jest wymagane do dostarczenia 1 Ah prądu.
Masa molowa materiału anodowego, cynku wynosi 65 g/mol. W reakcji baterii stwierdzono, że dwa elektrony utleniają jeden atom cynku. Zgodnie z stałą Faradaya 28.6 Ah może być dostarczone przez pełne utlenienie jednego molu lub 65/2 g lub 32.5 g cynku. Stąd 32.5/26.8 = 1.21 g cynku jest wymagane do dostarczenia 1 Ah prądu.
Całkowita gęstość energii baterii cynkowo-węglowej wynosi 3.24 g/Ah + 1.21 g/Ah = 4.45 g/Ah =1 / 4.45 Ah/g = 0.224 Ah/g lub 224 Ah/Kg. To jest absolutne obliczenie teoretyczne, ale w praktyce należy uwzględnić wiele innych materiałów, takich jak elektrolit, czarny węgiel, woda, których masa nie może być pominięta. Ponadto muszą być uwzględnione wiele innych praktycznych warunków w baterii. Uwzględniając wszystko, praktyczna komórka baterii Leclanche o niskim rozładowaniu ma gęstość energii 75 Ah/Kg, a dla baterii o wysokiej wydajności i przerywanym rozładowaniu wynosi około 35 Ah/Kg.
Typy baterii cynkowo-węglowej
Jak powiedzieliśmy wcześniej, istnieją dwa typy baterii cynkowo-węglowej.
