Цинково-угольная батарея | Типы цинково-угольных батарей | Преимущества и недостатки
Цинково-угольная батарея
Цинково-угольная батарея широко используется на протяжении последних 100 лет. Обычно доступны два типа цинково-угольной батареи – батарея Ле Кланше и цинково-хлоридная батарея. Оба этих типа являются первичными батареями. Эта батарея была изобретена Жоржем Лионелем Ле Кланше в 1866 году. Это была первая батарея, в которой использовался слабый коррозионный электролит, такой как хлорид аммония. До этого в качестве электролита батарейных систем использовались только сильные минеральные кислоты.
В этом элементе батареи в качестве основного контейнера использовалась стеклянная банка, заполненная раствором хлорида аммония в качестве электролита. В этот электролит погружался амальгамированный цинковый стержень в качестве отрицательного электрода или анода. В этом элементе батареи Ле Кланше пористый горшок был заполнен смесью диоксида марганца и угольного порошка в соотношении один к одному. Угольный стержень был вставлен в эту смесь.
Пористый горшок вместе со смесью и угольным стержнем служил положительным электродом или катодом, и это было помещено в раствор хлорида аммония в банке. В 1876 году Ле Кланше сам улучшил свой собственный прототип цинково-угольной батареи. Здесь он смешал связующий гуммиарабик с диоксидом марганца и угольным порошком, чтобы образовать спрессованный твердый блок смеси под гидравлическим давлением. Благодаря этому твердому строению катодной смеси, больше не нужен пористый горшок в элементе батареи Ле Кланше. В 1888 году доктор Карл Гасснер еще больше разработал конструкцию элемента Ле Кланше. Здесь он использовал пасту из гипса и хлорида аммония в качестве электролита, вместо жидкого хлорида аммония. Вместо того, чтобы вставить цинковый стержень внутрь электролита в стеклянном контейнере, он сделал контейнер из цинка. Таким образом, этот контейнер также служит анодом батареи. Он минимизировал местное химическое воздействие в своей батарее, обернув цинковым хлоридом – насыщенными хлоридом аммония тканями вокруг цилиндрического блока катодной смеси.
Позже он заменил гипс пшеничной мукой в смеси электролита. Это был первый коммерческий дизайн сухой цинково-угольной батареи. Это не было концом пути. Батарея Ле Кланше была еще больше разработана, чтобы удовлетворить ее текущий рыночный спрос в 20м веке. Позже для сбора тока катода использовали акетиленовый черный углерод. Это более проводящий, чем графит. Развитие также было сделано в дизайне разделителя и системы герметизации вентиляции.
После 1960 года больше усилий было направлено на развитие цинково-хлоридного элемента батареи. Это также популярная версия цинково-угольной батареи. Здесь в качестве электролита используется хлорид цинка вместо хлорида аммония. Это было разработано, чтобы обеспечить лучшую производительность при высоких нагрузках. Другими словами, цинково-хлоридная батарея является улучшенной заменой батареи Ле Кланше в условиях высоких нагрузок.
Химическая реакция в цинково-угольной батарее
В элементе батареи Ле Кланше в качестве анода используется цинк, в качестве катода – диоксид марганца, а в качестве основного электролита – хлорид аммония, но в электролите есть некоторое количество хлорида цинка. В элементе цинково-хлоридной батареи в качестве анода используется цинк, в качестве катода – диоксид марганца, а в качестве электролита – хлорид цинка.
В обоих типах цинково-угольных батарей при разряде цинковый анод участвует в окислительной реакции, и каждый цинковый атом, участвующий в этой реакции, выпускает два электрона.
Эти электроны приходят к катоду через внешнюю нагрузочную цепь.
В элементе батареи Ле Кланше хлорид аммония (NH4Cl) существует в виде NH4+ и Cl –. В катоде MnO2 будет восстановлен до Mn2O3 в реакции с ионом аммония (NH4+). Кроме Mn2O3 эта реакция также производит аммиак (NH3) и воду (H20).
Но в ходе этого химического процесса некоторые ионы аммония (NH4+ ) напрямую восстанавливаются электронами и образуют газообразный аммиак (NH3) и водород (H2).
В цинково-угольной батарее этот аммиачный газ далее реагирует с хлоридом цинка (ZnCl2), образуя твердый цинковый аммонийный хлорид, а газообразный водород реагирует с диоксидом марганца, образуя твердый димарганцевый триоксид и воду. Эти две реакции предотвращают образование газового давления во время разряда батареи.
Общая реакция:
Цинково-хлоридная батарея является улучшенной версией цинково-угольной батареи. Эти батареи обычно маркируются как тяжелые батареи. Цинково-хлоридный элемент содержит только пасту хлорида цинка (ZnCl2) в качестве электролита. Этот тип батареи обеспечивает больший ток, большее напряжение и больший срок службы, чем обычная цинково-угольная батарея. Реакция на катоде:
Общая реакция:
Напряжение цинково-угольной батареи
Стандартное напряжение цинково-угольной батареи определяется типом материалов анода и катода, используемых в элементе батареи. В элементе цинково-угольной батареи в качестве материала анода используется цинк, а в качестве материала катода – диоксид марганца. Электродный потенциал цинка составляет –0,7 В, тогда как электродный потенциал диоксида марганца составляет 1,28 В.
Таким образом, теоретическое напряжение каждого элемента должно быть –(–0,76) + 1,23 = 1,99 В, но, учитывая многие практические условия, фактическое выходное напряжение стандартной цинково-угольной батареи не превышает 1,5 В.
Энергетическая плотность элемента цинково-угольной батареи
Молярная масса материала катода, диоксида марганца, составляет 87 г/моль. В реакции батареи обнаружено, что два электрона восстанавливают две молекулы диоксида марганца. Следовательно, согласно постоянной Фарадея, 28,6 А·ч могут быть выданы полным восстановлением одного моля или 87 г диоксида марганца. Таким образом, 87/26,8 = 3,24 г диоксида марганца требуются для выдачи 1 А·ч электричества.
Молярная масса материала анода, цинка, составляет 65 г/моль. В реакции батареи обнаружено, что два электрона окисляют один атом цинка. Следовательно, согласно постоянной Фарадея, 28,6 А·ч могут быть выданы полным окислением одного моля или 65/2 г или 32,5 г цинка. Таким образом, 32,5/26,8 = 1,21 г цинка требуется для выдачи 1 А·ч электричества.
Общая энергетическая плотность цинково-угольной батареи составляет 3,24 г/А·ч + 1,21 г/А·ч = 4,45 г/А·ч = 1 / 4,45 А·ч/г = 0,224 А·ч/г или 224 А·ч/кг. Это абсолютно теоретический расчет, но на практике необходимо учесть многие другие материалы, такие как электролит, углеродный черный, вода, которые должны быть включены в батарею, вес которых нельзя игнорировать. Кроме того, на практике следует учитывать многие другие практические условия. Учитывая все, низкоразрядный элемент батареи Ле Кланше имеет энергетическую плотность 75 А·ч/кг, а для тяжелых и периодических разрядных батарей она составляет около 35 А·ч/кг.
Типы цинково-угольных батарей
Как мы уже говорили, существует два типа цинково-угольных батарей.
