Baterija od cinka i ugljenja | Vrste baterija od cinka i ugljenja | Prednosti i nedostaci

Baterija od cinka i ugljeniha

Baterija od cinka i ugljeniha se popularno koristi već više od 100 godina. Obično postoje dva tipa baterije od cinka i ugljeniha - Leclancheova baterija i baterija sa cinkovim kloridom. Obe su primarne baterije. Ovu bateriju je izumio Goerge Lionel Leclanche 1866. godine. To je bila prva baterija u kojoj se koristio elektrolit s niskom korozivnom sposobnošću, kao što je amonijak klorid. Pre toga se samo jaki mineralni kiseline koristile kao elektroliti baterijskih sistema.
U ovoj baterijskoj celiji, jedna staklena posuda je korišćena kao glavni kontejner. Kontejner je ispunjen rastvorom amonijak klorida kao elektrolita. Amalgamirani cinkov štap je uronjen u ovaj elektrolit kao negativni elektrod ili anoda. U ovoj Leclancheovoj baterijskoj celiji, poraznat posudica je ispunjena mješavinom manganz dioksida i ugljenihrane prah. Ugleni štap je ubacen u tu mješavinu.

Poraznata posudica zajedno s mješavinom i ugljenihranim štapom služila kao pozitivni elektrod ili katoda, a to je postavljeno u rastvor amonijak klorida u posudi. 1876. godine, Leclanche sam poboljšao svoj prototip dizajna baterije od cinka i ugljeniha. Ovdje je smiješao vezivački gume s manganz dioksidom i ugljenihranim prahom kako bi formirao komprimiran čvrsti blok mješavine hidrauličkim pritiskom. Zbog ove čvrste strukture mješavine katode, više nije potrebna poraznata posudica u Leclancheovoj baterijskoj celiji. 1888. godine, dr. Carl Gassner, dalje razvio konstrukciju Leclancheove celije. Ovdje je koristio pastu od gipsa i amonijak klorida kao elektrolit, umjesto tekućeg amonijak klorida. Umjesto ubacivanja cinkovog štapa unutar elektrolita u staklenom spremniku, napravio je spremnik od cinka. Stoga ovaj spremnik također služi kao anoda baterije. On je smanjio lokalnu kemijsku aktivnost u svojoj bateriji tako što je obavijao platno nasiteno cinkovim kloridom i amonijak kloridom oko cilindričnog bloka mješavine katode.

Kasnije je zamijenio gips brašnom u mješavini elektrolita. To je bio prvi komercijalni dizajn suhe baterijske celije od cinka i ugljeniha. To nije bio kraj putovanja. Leclancheova baterija je dalje razvijana kako bi zadovoljava tržišni potraznju tijekom 20. vijeka. Kasnije se aketilen crni ugljen koristio kao sakupljač struje katode. Ovo je provodljivije od grafitna. Razvoj je napravljen i u dizajnu separatora i sustava za ventilaciju i zatvaranje.

Nakon 1960. godine, više napore je usmjereno na razvoj baterijske celije sa cinkovim kloridom. Ovo je također popularna verzija baterije od cinka i ugljeniha. Ovdje se cinkov klorid koristi kao elektrolit umjesto amonijak klorida. Ovo je razvijeno kako bi pružalo bolje performanse u aplikacijama s velikim otopinama. Drugim riječima, baterija sa cinkovim kloridom je poboljšana zamjena Leclancheove baterije u aplikacijama s velikim otopinama.

Kemijska reakcija u bateriji od cinka i ugljeniha

U Leclancheovoj baterijskoj celiji, cink se koristi kao anoda, manganz dioksid se koristi kao katoda, a amonijak klorid se koristi kao glavni elektrolit, ali u elektrolitu postoji neki procenat cinkovog klorida. U baterijskoj celiji sa cinkovim kloridom, cink se koristi kao anoda, manganz dioksid se koristi kao katoda, a cinkov klorid se koristi kao elektrolit.
U obje vrste baterija od cinka i ugljeniha, tokom otpuštanja, cinkova anoda uključena je u oksidacijsku reakciju, a svaki cink atom uključen u ovu reakciju oslobađa dva elektrona.

Ovi elektroni dolaze do katode kroz vanjski opterećeni krug.
U Leclancheovoj baterijskoj celiji, amonijak klorid (NH4Cl) postoji u mješavini elektrolita kao NH4+ i Cl –. U katodi MnO2 bit će sveden na Mn2O3 u reakciji s amonijum ionom (NH4+). Pored Mn2O3, ova reakcija također proizvodi amonijak (NH3) i vodu (H20).

Ali tokom ovog kemijskog procesa, neki amonijum ioni (NH4+ ) direktno se svedu elektronima i formiraju plinski amonijak (NH3) i vodonik (H2).

U bateriji od cinka i ugljeniha, ovaj plinski amonijak dalje reagira s cinkovim kloridom (ZnCl2) kako bi formirao čvrsti cink-amonijum klorid i plinski vodonik reagira s manganz dioksidom kako bi formirao čvrsti di-manganz trioksid i vodu. Ove dvije reakcije sprečavaju formiranje tlaka plinova tokom otpuštanja baterije.

Ukupna reakcija je,

Baterija sa cinkovim kloridom je poboljšana verzija baterije od cinka i ugljeniha. Ove baterije su općenito označene kao baterije za teške primjene. Celijska celija sa cinkovim kloridom sadrži samo pastu od cinkovog klorida (ZnCl2) kao elektrolit. Ova baterija pruža veći strujni tok, veće napon i duže trajanje od opće namjenske baterije od cinka i ugljeniha. Reakcija katode je,

Ukupna reakcija je,

Naponski rating baterije od cinka i ugljeniha

Standardni naponski rating baterije od cinka i ugljeniha određen je vrstom materijala anode i katode korištenih u baterijskoj celiji. U baterijskoj celiji od cinka i ugljeniha, cink je materijal anode, a manganz dioksid je materijal katode. Elektrodni potencijal cinka je – 0.7 volt, dok je elektrodni potencijal manganz dioksida 1.28.
Stoga, teoretski napon svake celije trebao bi biti – (- 0.76) + 1.23 = 1.99 V, ali uzimajući u obzir mnoge praktične uvjete, stvarni naponski izlaz standardne baterije od cinka i ugljeniha nije veći od 1.5 V.

Energetska gustoća baterijske celije od cinka i ugljeniha

Molekularna masa materijala katode, manganz dioksida, je 87 g/mol. Ovdje, u reakciji baterije utvrđeno je da dva elektrona svedu dva molekula manganz dioksida. Stoga, prema Faradayevom konstantu 28.6 Ah može biti isporučeno kompletnom svedenjem jedne mole ili 87 g manganz dioksida. Stoga, 87/26.8 = 3.24 g manganz dioksida je potrebno za isporuku 1 Ah struje.
Molekularna masa anode, materijala cinka, je 65 g/mol. Ovdje, u reakciji baterije utvrđeno je da dva elektrona oksidiraju jedan atom cinka. Stoga, prema Faradayevom konstantu 28.6 Ah može biti isporučeno kompletnom oksidacijom jedne mole ili 65/2 g ili 32.5 g cinka. Stoga, 32.5/26.8 = 1.21 g cinka je potrebno za isporuku 1 Ah struje.
Ukupna energetska gustoća baterije od cinka i ugljeniha je 3.24 g/Ah + 1.21 g/Ah = 4.45 g/Ah =1 / 4.45 Ah/g = 0.224 Ah/g ili 224 Ah/Kg. Ovo je apsolutno teoretski izračun, ali u praksi moraju biti uključeni mnogi drugi materijali poput elektrolita, crnog ugljena, vode koje se ne mogu izostaviti u bateriji. Uz to, mnogi drugi praktični uvjeti moraju biti uzeti u obzir u bateriji. Uzimajući sve u obzir, praktična baterijska celija Leclanche sa niskim otpuštanjem ima energetsku gustoću od 75 Ah/Kg, a isto za baterije za teške primjene i intermitentno otpuštanje, iznosi oko 35 Ah/Kg.

Vrste baterija od cinka i ugljeniha

Kao što smo rekli ranije, postoje dva