Zinkkarbonbatteri | Typer av zinkkarbonbatteri | Fördelar och nackdelar
Zinkkarbonbatteri
Zinkkarbon batteri har varit populärt under de senaste 100 åren. Det finns generellt två typer av zinkkarbonbatterier som är tillgängliga – Leclanche-batteri och zinkkloridbatteri. Båda dessa är primära batterier. Detta batteri uppfinnades av George Lionel Leclanche 1866. Detta var det första batteriet där en mindre korrosiv elektrolyt som ammoniumklorid användes. Innan det endast användes starka mineraliska syror som elektrolyt i batterisystem.
I denna battericell användes ett glasflaskon som huvudbehållare. Behållaren fylldes med ammoniumkloridlösning som elektrolyt. En amalgamerad zinkstav doppades i denna elektrolyt som negativ elod eller anod. I denna Leclanche-battericell fylldes en porös kruka med en blandning av mangan(IV)oxid och kolpulver. En kolstav infogades i denna blandning.
Den porösa krukan tillsammans med blandningen och kolstaven fungerade som positiv elod eller katod och placerades i ammoniumkloridlösningen i flaskan. 1876 förbättrade Leclanche själv sin egen prototypdesign av zinkkarbonbatteri. Här blandade han en bindemedelsmassa av gummihar med mangan(IV)oxid och kolpulver för att forma en komprimerad solid block av blandningen genom hydraulisk tryck. På grund av denna solida struktur av katodblandningen behövs ingen porös kruka längre i Leclanche-battericellen. 1888 utvecklade Dr. Carl Gassner konstruktionen av Leclanche-cellen ytterligare. Här använde han en pasta av gips och ammoniumklorid som elektrolyt, istället för flytande ammoniumklorid. Istället för att infoga en zinkstav i elektrolyten i glasbehållaren gjorde han behållaren av zink själv. Därför fungerar denna behållare också som anod i batteriet. Han minimerade lokal kemisk verksamhet i sitt batteri genom att omplätta tyger impregnerade med zinkklorid – ammoniumklorid runt det cylindriska katodblandningsblocket.
Senare ersatte han gipsen med vetemjöl i elektrolytblandningen. Detta var den första kommersiella designen av torrt zinkkarbonbatteri. Detta var inte slutet på resan. Leclanche-batteriet utvecklades vidare för att möta dess pågående marknadsbehov under 20th seklet. Senare användes acetylensvart kol som katodströmförare. Detta är mer ledande än grafit. Utveckling har också skett i separatorutformning och ventileringssystem.
Efter 1960 riktades mer ansträngning mot utvecklingen av zinkkloridbattericeller. Detta är också en populär version av zinkkarbonbatteri. Här används zinkklorid som elektrolyt istället för ammoniumklorid. Detta utvecklades för att ge bättre prestanda i tunga dräneringsapplikationer. Med andra ord är zinkkloridbatteri en förbättrad ersättning för Leclanche-batteri i tunga dräneringsapplikationer.
Kemisk reaktion i zinkkarbonbatteri
I Leclanche-battericellen används zink som anod, mangan(IV)oxid som katod och ammoniumklorid som huvudelektrolyt men det finns en viss procentandel zinkklorid i elektrolyten. I zinkkloridbattericellen används zink som anod, mangan(IV)oxid som katod och zinkklorid som elektrolyt.
I båda zinkkarbonbatterierna involveras zinkanoden i oxidationsreaktion under uppladdning och varje zinkatom som deltar i denna reaktion frigör två elektroner.
Dessa elektroner kommer till katoden genom extern lastkrets.
I Leclanche-battericellen existerar ammoniumklorid (NH4Cl) i elektrolytblandningen som NH4+ och Cl–. I katoden reduceras MnO2 till Mn2O3 i reaktion med ammoniumion (NH4+). Förutom Mn2O3 producerar denna reaktion också amoniat (NH3) och vatten (H20).
Men under denna kemiska process reduceras vissa ammoniumioner (NH4+ ) direkt av elektroner och bildar gasformigt amoniat (NH3) och väte(H2).
I zinkkarbonbatteri reagerar detta amoniatgas vidare med zinkklorid (ZnCl2) för att bilda solidt zinkammoniumklorid och gasformigt väte reagerar med mangan(IV)oxid för att bilda solidt dimangantrioksid och vatten. Dessa två reaktioner förhindrar bildandet av gastryck under batteriets uppladdning.
Den totala reaktionen är,
Ett zinkkloridbatteri är en förbättrad version av zinkkarbonbatteri. Dessa batterier är generellt märkta som tunga batterier. En zinkkloridcell innehåller endast zinkklorid (ZnCl2) pasta som elektrolyt. Detta batteri ger mer ström, mer spänning och mer liv än ett allmänt zinkkarbonbatteri. Katodreaktionen är,
Den totala reaktionen är,
Spänningsklassning av zinkkarbonbatteri
Standardspänningsklassning av ett zinkkarbonbatteri bestäms av typen av anod- och katodmaterial som används i battericellen. I zinkkarbonbattericellen används zink som anodmaterial och mangan(IV)oxid som katodmaterial. Elektrodpotentialen för zink är -0,7 volt medan elektrodpotentialen för mangan(IV)oxid är 1,28.
Därför bör den teoretiska spänningen för varje cell vara -(-0,76) + 1,23 = 1,99 V, men med hänsyn till många praktiska villkor är den faktiska spänningsutmatningen från ett standardzinkkarbonbatteri inte mer än 1,5 V.
Energitäthet av zinkkarbonbattericell
Molvikten av katodmaterial, mangan(IV)oxid, är 87 g/mol. Här i batterireaktionen upptäcks att två elektroner reducerar två mangan(IV)oxidmolekyler. Därför kan, enligt Faradays konstant, 28,6 Ah levereras genom fullständig reduktion av en mol eller 87 g mangan(IV)oxid. Därför krävs 87/26,8 = 3,24 g mangan(IV)oxid för att leverera 1 Ah elektricitet.
Molvikten av anodmaterial, zink, är 65 g/mol. Här i batterireaktionen upptäcks att två elektroner oksiderar ett zinkatom. Därför kan, enligt Faradays konstant, 28,6 Ah levereras genom fullständig oxidation av en mol eller 65/2 g eller 32,5 g zink. Därför krävs 32,5/26,8 = 1,21 g zink för att leverera 1 Ah elektricitet.
Total energitäthet av zinkkarbonbatteri är 3,24 g/Ah + 1,21 g/Ah = 4,45 g/Ah =1 / 4,45 Ah/g = 0,224 Ah/g eller 224 Ah/Kg. Detta är absolut teoretisk beräkning, men i praktiken måste många andra material, som elektrolyt, kolsvart, vatten inkluderas i batteriet, vars vikt inte kan utelämnas. Dessutom måste många andra praktiska villkor beaktas i ett batteri. Med allt i beaktande har en praktisk långsam utsläppande Leclanche-battericell en energitäthet på 75 Ah/Kg och samma för tunga och intermittenta utsläppande batterier är ungefär 35 Ah/Kg.
Typer av zinkkarbonbatteri
Som vi sa tidigare finns det två typer av zinkkarbonbatteri.
Leclanche-batteri
Zinkkloridbatteri.
Återigen finns det två huvudtyper av Leclanche-batterier, allmänna batterier och tunga batterier.
I allmänna billiga Leclanche-batterier används ren zink som anod, ammoniumklorid som huvudelektrolyt tillsammans med en procentandel zinkklorid. Här används naturlig mangan(IV)oxidgruvsten som katodmaterial. Dessa batterier används generellt där kostnad är en viktigare faktor än deras prestanda.
An
