Baterija s cinkom in ogljenikom | Vrste baterij s cinkom in ogljenikom | Prednosti in slabosti

Baterija s cinkom in ogljikom

Baterija s cinkom in ogljikom baterija se je v zadnjih 100 letih široko uporabljala. Običajno obstajata dva vrsta baterije s cinkom in ogljikom – Leclanchejeva baterija in baterija s cinklom kloridom. Obe sta primarne baterije. To baterijo je izumil Goerge Lionel Leclanche leta 1866. To je bila prva baterija, v kateri je bil uporabljen elektrolit z nizko korozivnostjo, kot je amonijaklorski. Pred tem so bile uporabljane le močne mineralne kisline kot elektroliti baterijskih sistemov.
V tej baterijski celici je bil glasen lon uporabljen kot glavni posodelek. Posodelek je bil napolnjen s rešitvijo amonijaklorskega kot elektrolita. V ta elektrolit je bil potopljen amalgamirani cinkov rod kot negativna elektroda ali anoda. V tej Leclanchejevi baterijski celici je bil porozni lon napolnjen z mešanico manganskega dioksidu in ogljičnega prahu. V to mešanico je bil vstavljen ogljični rod.

Porozen lon skupaj s mešanico in ogljičnim rodom je služil kot pozitivna elektroda ali katoda in ta je bil postavljen v reševino amonijaklorskega v loncu. Leto 1876 je sam Leclanche izboljšal svoj prototip baterije s cinkom in ogljikom. Tu je zmeseval manganovega dioksida in ogljičnega prahu s vezivo gumenca, da bi oblikoval stisnjen trd blok mešanice s hidravličnim tlakom. Zaradi te trde strukture mešanice katode ni več potreben porozen lon v Leclanchejevi baterijski celici. Leto 1888 je dr. Carl Gassner nadalje razvil konstrukcijo Leclanchejeve celice. Tu je uporabil pasto s štukadlom in amonijaklorskim kot elektrolitom namesto tekočega amonijaklorskega. Namesto vstavljanja cinkovega roda v elektrolit v steklenem posodku, je posodek izdelal iz cinka. Tako je ta posodek služil tudi kot anoda baterije. Lokalne kemijske akcije v svoji bateriji je zmanjšal z obvlacenjem cilindričnega bloka mešanice katode z plenom, nasitjenim z cinklom kloridom in amonijaklorskim.

Kmalu je zamenjal štukadlo z pšenicno mukom v mešanici elektrolita. To je bil prvi komercialni dizajn suhe baterijske celice s cinkom in ogljikom. To ni bilo konec poti. Leclanchejeva baterija je bila nadalje razvijana, da bi odgovarjala nenehnemu povpraševanju na trgu v 20th stoletju. Kasneje je bil uporabljen acetileni črni ogljik kot priključnik tokov katode. Ta je bolj vodljiv kot grafit. Razvoj je bil opravljen tudi v dizajnu ločnika in sistema za ventili.

Po letu 1960 je bilo več naporov usmerjenih v razvoj baterijske celice s cinklom kloridom. To je tudi priljubljena različica baterije s cinkom in ogljikom. Tu je bil uporabljen cinkl klorid kot elektrolit namesto amonijaklorskega. To je bilo razvito, da bi zagotovilo boljše delovanje pri težkih odtokih. Drugače povedano, baterija s cinklom kloridom je izboljšana nadomestitev Leclanchejeve baterije pri težkih odtokih.

Kemijska reakcija v bateriji s cinkom in ogljikom

V Leclanchejevi baterijski celici je cink uporabljen kot anoda, manganski dioksid kot katoda in amonijaklorski kot glavni elektrolit, vendar je v elektrolitu nekaj odstotkov cinkl klorid. V baterijski celici s cinklom kloridom je cink uporabljen kot anoda, manganski dioksid kot katoda in cinkl klorid kot elektrolit.
Pri obema vrsti baterije s cinkom in ogljikom med razpoloževanjem cinkova anoda udeleži v oksidacijski reakciji, pri kateri vsak cinkov atom, ki je vključen v to reakcijo, izpušča dva elektrona.

Ti elektroni pridejo do katode skozi zunanjega nabornega obvod.
V Leclanchejevi baterijski celici obstaja amonijaklorski (NH4Cl) v mešanici elektrolita kot NH4+ in Cl –. V katodi se MnO2 reducira v Mn2O3 v reakciji z ammonijevim jonom (NH4+). Poleg Mn2O3 ta reakcija proizvede tudi amonijak (NH3) in vodo (H20).

Toda med to kemijsko procesom se nekateri ammonijevi joni (NH4+ ) neposredno reducirajo z elektroni in oblikujejo plinski amonijak (NH3) in vodik(H2).

V bateriji s cinkom in ogljikom ta plinski amonijak nadalje reagira z cinklom kloridom (ZnCl2) in oblikuje trd cinkl amonijaklorski, medtem ko plinski vodik reagira z manganskim dioksidom in oblikuje trd dimanganski trioksid in vodo. Ti dve reakciji preprečita oblikovanje plinskog tlaka med razpoloževanjem baterije.

Splošna reakcija je,

Baterija s cinklom kloridom je izboljšana različica baterije s cinkom in ogljikom. Te baterije so običajno označene kot težke duševne baterije. Celička s cinklom kloridom vsebuje samo pasto s cinklom kloridom (ZnCl2) kot elektrolit. Ta baterija zagotavlja več toka, več napetosti in dlje življenje kot splošno namenska baterija s cinkom in ogljikom. Reakcija katode je,

Splošna reakcija je,

Napetostna ocena baterije s cinkom in ogljikom

Standardna napetostna ocena baterije s cinkom in ogljikom je določena glede na vrsto materialov anode in katode, uporabljenih v baterijski celici. V baterijski celici s cinkom in ogljikom je cink material anode, manganski dioksid pa material katode. Elektrodni potencial cinka je – 0,7 volt, medtem ko je elektrodni potencial manganskega dioksida 1,28.
Zato bi moral teoretični tok vsake celice biti – (- 0,76) + 1,23 = 1,99 V, toda ob upoštevanju mnogih praktičnih pogojev dejanski izhod napetosti standardne baterije s cinkom in ogljikom ni večji od 1,5 V.

Energija gostota baterijske celice s cinkom in ogljikom

Molska teža materiala katode, manganskega dioksida, je 87 g/mol. V reakciji baterije se je zaznalo, da dva elektrona reducirata dve molekuli manganskega dioksida. Zato po Faradayevem konstantu 28,6 Ah lahko poda popolna redukcija ene moleküle ali 87 g manganskega dioksida. Torej, 87/26,8 = 3,24 g manganskega dioksida je potrebno za podajanje 1 Ah električnosti.
Molska teža materiale anode, cinka, je 65 g/mol. V reakciji baterije se je zaznalo, da dva elektrona oksidirata en atom cinka. Zato po Faradayevem konstantu 28,6 Ah lahko poda popolna oksidacija ene moleküle ali 65/2 g ali 32,5 g cinka. Torej, 32,5/26,8 = 1,21 g cinka je potrebno za podajanje 1 Ah električnosti.
Celotna energijska gostota baterije s cinkom in ogljikom je 3,24 g/Ah + 1,21 g/Ah = 4,45 g/Ah =1 / 4,45 Ah/g = 0,224 Ah/g ali 224 Ah/Kg. To je popolnoma teoretično računanje, toda v praksi je treba upoštevati še mnoge druge materiale, kot so elektrolit, črni ogljik, voda, ki mora biti vključena v baterijo, teža, ki jo ni mogoče izpustiti. Poleg tega je treba upoštevati še mnoge druge praktične pogoje v bateriji. Če je vse skupaj v obračunu, ima praktična baterijska celica s nizkim odtokom Leclanchejevih baterij energijsko gostoto 75 Ah/Kg, ista za težke duševne in intermitentne odtokove baterij pa je približno 35 Ah/Kg.

Vrste baterij s cinkom in ogljikom

Kot smo rekli prej, obstajata dve