Bateria de Zinco-Carbono | Tipos de Bateria de Zinco-Carbono | Vantagens e Desvantagens

Bateria de Zinco-Carbono

Bateria de zinco-carbono é amplamente utilizada há cerca de 100 anos. Geralmente, existem dois tipos de bateria de zinco-carbono disponíveis – Bateria Leclanche e Bateria de Cloruro de Zinco. Ambas são baterias primárias. Esta bateria foi inventada por Georges Lionel Leclanché em 1866. Foi a primeira bateria na qual um eletrólito pouco corrosivo, como o cloreto de amônio, foi utilizado. Antes disso, apenas ácidos minerais fortes eram usados como eletrólitos do sistema de bateria.
Nesta célula de bateria, um frasco de vidro era usado como recipiente principal. O recipiente era preenchido com uma solução de cloreto de amônio como eletrólito. Um anel de zinco amalgamado era imerso neste eletrólito como eletrodo negativo ou ânodo. Nesta célula de bateria Leclanche, um pote poroso era preenchido com uma mistura de dióxido de manganês e pó de carvão na proporção de um para um. Um bastão de carvão era inserido nesta mistura.

O pote poroso, juntamente com a mistura e o bastão de carvão, servia como eletrodo positivo ou cátodo e era colocado na solução de cloreto de amônio no frasco. Em 1876, Leclanche melhorou seu próprio design protótipo da bateria de zinco-carbono. Aqui, ele misturou um aglutinante de resina goma com dióxido de manganês e pó de carvão para formar um bloco sólido comprimido da mistura por pressão hidráulica. Devido a esta estrutura sólida da mistura do cátodo, não há mais necessidade de um pote poroso na célula de bateria Leclanche. Em 1888, Dr. Carl Gassner, desenvolveu ainda mais a construção da célula Leclanche. Aqui, ele usou uma pasta de gesso de Paris e cloreto de amônio como eletrólito, em vez de cloreto de amônio líquido. Em vez de inserir um anel de zinco dentro do eletrólito no recipiente de vidro, ele fez o recipiente de zinco. Portanto, este recipiente também serve como ânodo da bateria. Ele minimizou a ação química local em sua bateria, envolvendo panos saturados de cloruro de zinco - cloreto de amônio ao redor do bloco de mistura do cátodo cilíndrico.

Posteriormente, ele substituiu o gesso de Paris por farinha de trigo na mistura do eletrólito. Este foi o primeiro design comercial de célula de bateria de zinco-carbono seca. Isso não foi o fim da jornada. A bateria Leclanche foi ainda mais desenvolvida para atender à demanda de mercado contínua no século 20º. Posteriormente, o carbono acetylene black foi usado como coletor de corrente do cátodo. Este é mais condutivo que o grafite. Desenvolvimento também foi feito no design do separador e no sistema de vedação de ventilação.

Após 1960, mais esforços foram direcionados para o desenvolvimento da célula de bateria de cloruro de zinco. Esta é também uma versão popular da bateria de zinco-carbono. Aqui, o cloruro de zinco é usado como eletrólito em vez do cloreto de amônio. Isto foi desenvolvido para fornecer melhor desempenho em aplicações de drenagem pesada. Em outras palavras, a bateria de cloruro de zinco é uma substituta aprimorada da bateria de Leclanche em aplicações de drenagem pesada.

Reação Química na Bateria de Zinco-Carbono

Na célula de bateria Leclanche, o zinco é usado como ânodo, o dióxido de manganês é usado como cátodo e o cloreto de amônio é usado como eletrólite principal, mas há algum percentual de cloruro de zinco no eletrólite. Na célula de bateria de cloruro de zinco, o zinco é usado como ânodo, o dióxido de manganês é usado como cátodo e o cloruro de zinco é usado como eletrólite.
Nas duas baterias de zinco-carbono, durante a descarga, o ânodo de zinco participa de uma reação de oxidação e cada átomo de zinco envolvido nesta reação libera dois elétrons.

Estes elétrons chegam ao cátodo através do circuito de carga externa.
Na célula de bateria Leclanche, o cloreto de amônio (NH4Cl) existe na mistura do eletrólito como NH4+ e Cl–. No cátodo, o MnO2 será reduzido a Mn2O3 na reação com o íon de amônio (NH4+). Além do Mn2O3, esta reação também produz amônia (NH3) e água (H20).

Mas durante este processo químico, alguns íons de amônio (NH4+) são diretamente reduzidos pelos elétrons e formam amônia gasosa (NH3) e hidrogênio (H2).

Na bateria de zinco-carbono, este gás de amônia reage ainda mais com o cloruro de zinco (ZnCl2) para formar cloruro de zinco-amônio sólido e o gás de hidrogênio reage com o dióxido de manganês para formar óxido de dimanganês trióxido sólido e água. Estas duas reações impedem a formação de pressão de gás durante a descarga da bateria.

A reação geral é,

Uma bateria de cloruro de zinco é uma versão aprimorada da bateria de zinco-carbono. Essas baterias são geralmente rotuladas como baterias de alta resistência. Uma célula de cloruro de zinco contém apenas pasta de cloruro de zinco (ZnCl2) como eletrólito. Esta bateria fornece mais corrente, mais voltagem e mais vida útil do que uma bateria de zinco-carbono de uso geral. A reação do cátodo é,

A reação geral é,

Voltagem Nominal da Bateria de Zinco-Carbono

A voltagem nominal padrão de uma bateria de zinco-carbono é determinada pelo tipo de materiais do ânodo e do cátodo usados na célula da bateria. Na célula de bateria de zinco-carbono, o zinco é o material do ânodo e o dióxido de manganês é o material do cátodo. O potencial de eletrodo do zinco é – 0,7 volt, enquanto o potencial de eletrodo do dióxido de manganês é 1,28.
Portanto, a voltagem teórica de cada célula deve ser – (- 0,76) + 1,23 = 1,99 V, mas considerando muitas condições práticas, a voltagem real de saída de uma bateria de zinco-carbono padrão não é superior a 1,5 V.

Densidade Energética da Célula de Bateria de Zinco-Carbono

O peso molecular do material do cátodo, dióxido de manganês, é 87 g/mol. Aqui, na reação da bateria, descobriu-se que dois elétrons reduzem duas moléculas de dióxido de manganês. Portanto, de acordo com a constante de Faraday, 28,6 Ah podem ser fornecidos pela redução completa de um mol ou 87 g de dióxido de manganês. Portanto, 87/26,8 = 3,24 g de dióxido de manganês são necessários para fornecer 1 Ah de eletricidade.
O peso molecular do material do ânodo, zinco, é 65 g/mol. Aqui, na reação da bateria, descobriu-se que dois elétrons oxidam um átomo de zinco. Portanto, de acordo com a constante de Faraday, 28,6 Ah podem ser fornecidos pela oxidação completa de um mol ou 65/2 g ou 32,5 g de zinco. Portanto, 32,5/26,8 = 1,21 g de zinco são necessários para fornecer 1 Ah de eletricidade.
A densidade energética total da bateria de zinco-carbono é 3,24 g/Ah + 1,21 g/Ah = 4,45 g/Ah = 1 / 4,45 Ah/g = 0,224 Ah/g ou 224 Ah/Kg. Esta é absolutamente uma cálculo teórico, mas na prática, muitos outros materiais, como eletrólito, carvão preto, água, devem ser incluídos na bateria, cujo peso não pode ser omitido. Além disso, muitas outras condições práticas devem ser consideradas em uma bateria. Considerando tudo, uma célula de bateria Leclanche de baixa descarga tem uma densidade energética de 75 Ah/Kg e a mesma para bateria de alta resistência e descarga intermitente é de aproximadamente 35 Ah/Kg.

Tipos de Bateria de Zinco-Carbono

Como dissemos anteriormente, existem dois tipos de bateria de zinco-carbono.

1. Bateria Leclanche

2. Bateria de cloruro de zinco.