แบตเตอรี่สังกะสีคาร์บอน | ประเภทของแบตเตอรี่สังกะสีคาร์บอน | ข้อดีและข้อเสีย

แบตเตอรี่คาร์บอนสังกะสี

แบตเตอรี่คาร์บอนสังกะสี ได้รับความนิยมมาเป็นเวลา 100 ปีที่ผ่านมา ทั่วไปมีสองประเภทของแบตเตอรี่คาร์บอนสังกะสี ที่มีอยู่ – แบตเตอรี่ Leclanche และแบตเตอรี่สังกะสีคลอไรด์ ทั้งสองชนิดนี้เป็นแบตเตอรี่หลัก แบตเตอรี่นี้ถูกคิดค้นขึ้นโดย Goerge Lionel Leclanche ในปี 1866 นี่คือแบตเตอรี่แรกที่ใช้อิเล็กโตรไลต์ที่ไม่กัดกร่อนเช่น แอมโมเนียมคลอไรด์ ก่อนหน้านั้นใช้เพียงกรดแร่ที่เข้มข้นเท่านั้น
ในเซลล์แบตเตอรี่นี้ ใช้ขวดแก้วเป็นภาชนะหลัก บรรจุแอมโมเนียมคลอไรด์เป็นอิเล็กโตรไลต์ สังกะสีที่ผสมกับปรอทถูกแช่อยู่ในอิเล็กโตรไลต์นี้เป็นขั้วลบหรือแอด ในการ์บอนสังกะสีเซลล์นี้ กระบอกดินเหนียวที่มีรูพรุนถูกบรรจุด้วยส่วนผสมของออกไซด์แมงกานีสและผงคาร์บอนในอัตราส่วน 1:1 แท่งคาร์บอนถูกใส่เข้าไปในส่วนผสมนี้

กระบอกดินเหนียวพร้อมส่วนผสมและแท่งคาร์บอนทำหน้าที่เป็นขั้วบวกหรือแคธโอดและวางไว้ในสารละลายแอมโมเนียมคลอไรด์ในขวด ในปี 1876, Leclanche เองได้ปรับปรุงการออกแบบต้นแบบของเขาของแบตเตอรี่คาร์บอนสังกะสี ที่นี่เขาผสมสารประสานเรซินกัมกับออกไซด์แมงกานีสและผงคาร์บอนเพื่อสร้างบล็อกของส่วนผสมที่ถูกอัดแน่นด้วยแรงดันไฮดรอลิก ด้วยโครงสร้างที่แข็งของส่วนผสมแคธโอด ไม่จำเป็นต้องใช้กระบอกดินเหนียวที่มีรูพรุนในเซลล์แบตเตอรี่ Leclanche อีกต่อไป ในปี 1888, ดร. Carl Gassner ได้พัฒนาการสร้างเซลล์ Leclanche ต่อไป ที่นี่เขาใช้แป้งปูนปั้นและแอมโมเนียมคลอไรด์เป็นอิเล็กโตรไลต์แทนที่จะเป็นสารละลายแอมโมเนียมคลอไรด์ นอกจากนี้เขายังใช้ภาชนะที่ทำจากสังกะสีเองแทนที่จะใส่แท่งสังกะสีลงในอิเล็กโตรไลต์ในภาชนะแก้ว ดังนั้นภาชนะนี้จึงทำหน้าที่เป็นแอดของแบตเตอรี่ เขาลดปฏิกิริยาเคมีท้องถิ่นในแบตเตอรี่ของเขาโดยห่อผ้าที่อิ่มตัวด้วยสังกะสีคลอไรด์-แอมโมเนียมคลอไรด์รอบ ๆ บล็อกส่วนผสมแคธโอดที่เป็นทรงกระบอก

ภายหลังเขาได้แทนที่แป้งปูนปั้นด้วยแป้งสาลีในส่วนผสมอิเล็กโตรไลต์ นี่คือการออกแบบทางการค้าครั้งแรกของเซลล์แบตเตอรี่คาร์บอนสังกะสีแห้ง นี่ไม่ใช่จุดสิ้นสุดของการพัฒนา แบตเตอรี่ Leclanche ได้ถูกพัฒนาต่อไปเพื่อตอบสนองความต้องการของตลาดในศตวรรษที่ 20 ต่อมา การใช้คาร์บอนดำอะซิเทลีนเป็นตัวนำกระแสแคธโอด ซึ่งมีความนำไฟฟ้ามากกว่ากราไฟต์ การพัฒนายังได้ดำเนินการในระบบแยกและระบบปิดผนึกระบายอากาศ

หลังจากปี 1960 มีการพยายามพัฒนาเซลล์แบตเตอรี่สังกะสีคลอไรด์มากขึ้น นี่คือเวอร์ชันที่ได้รับความนิยมของแบตเตอรี่คาร์บอนสังกะสี ที่นี่ใช้สังกะสีคลอไรด์เป็นอิเล็กโตรไลต์แทนที่จะเป็นแอมโมเนียมคลอไรด์ นี่ได้พัฒนาขึ้นเพื่อให้ประสิทธิภาพที่ดีขึ้นในการใช้งานที่ระบายน้ำหนักมาก กล่าวอีกนัยหนึ่ง แบตเตอรี่สังกะสีคลอไรด์เป็นทดแทนที่ดีขึ้นของแบตเตอรี่ Leclanche ในการใช้งานที่ระบายน้ำหนักมาก

ปฏิกิริยาเคมีในแบตเตอรี่คาร์บอนสังกะสี

ในเซลล์แบตเตอรี่ Leclanche สังกะสีถูกใช้เป็นแอด ออกไซด์แมงกานีสเป็นแคธโอด และแอมโมเนียมคลอไรด์เป็นอิเล็กโตรไลต์หลัก แต่มีสังกะสีคลอไรด์บางส่วนในอิเล็กโตรไลต์ ในเซลล์แบตเตอรี่สังกะสีคลอไรด์ สังกะสีถูกใช้เป็นแอด ออกไซด์แมงกานีสเป็นแคธโอด และสังกะสีคลอไรด์เป็นอิเล็กโตรไลต์
ในทั้งสองประเภทของแบตเตอรี่คาร์บอนสังกะสี ระหว่างการปล่อยประจุ สังกะสีแอดเกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาออกซิเดชัน และอะตอมสังกะสีแต่ละอะตอมที่เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยานี้ปล่อยอิเล็กตรอนสองตัว

อิเล็กตรอนเหล่านี้มาที่แคธโอดผ่านวงจรโหลดภายนอก
ในเซลล์แบตเตอรี่ Leclanche แอมโมเนียมคลอไรด์ (NH4Cl) มีอยู่ในส่วนผสมอิเล็กโตรไลต์เป็น NH4+ และ Cl – ในแคธโอด MnO2 จะถูกลดเป็น Mn2O3 ในปฏิกิริยากับไอออนแอมโมเนียม (NH4+) นอกจากนี้ยังมีการผลิตแอมโมเนีย (NH3) และน้ำ (H20)

แต่ในกระบวนการเคมีนี้ บางส่วนของไอออนแอมโมเนียม (NH4+ ) ถูกลดโดยอิเล็กตรอนและกลายเป็นแอมโมเนียก๊าซ (NH3) และไฮโดรเจน (H2)

ในแบตเตอรี่คาร์บอนสังกะสี แอมโมเนียก๊าซนี้จะทำปฏิกิริยากับสังกะสีคลอไรด์ (ZnCl2) เพื่อสร้างสังกะสีแอมโมเนียมคลอไรด์ที่แข็งและไฮโดรเจนก๊าซจะทำปฏิกิริยากับออกไซด์แมงกานีสเพื่อสร้างออกไซด์แมงกานีสดิ-ไตรออกไซด์และน้ำ ปฏิกิริยาทั้งสองนี้ป้องกันการเกิดแรงดันก๊าซระหว่างการปล่อยประจุของแบตเตอรี่

ปฏิกิริยาโดยรวมคือ,

แบตเตอรี่สังกะสีคลอไรด์เป็นเวอร์ชันที่พัฒนาขึ้นของแบตเตอรี่คาร์บอนสังกะสี แบตเตอรี่เหล่านี้มักถูกติดฉลากว่าเป็นแบตเตอรี่สำหรับงานหนัก เซลล์สังกะสีคลอไรด์มีเฉพาะสังกะสีคลอไรด์ (ZnCl2) เป็นอิเล็กโตรไลต์ แบตเตอรี่นี้ให้กระแสไฟฟ้ามากขึ้น แรงดันไฟฟ้ามากขึ้น และอายุการใช้งานนานขึ้นกว่าแบตเตอรี่คาร์บอนสังกะสีทั่วไป ปฏิกิริยาแคธโอดคือ,

ปฏิกิริยาโดยรวมคือ,

แรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่คาร์บอนสังกะสี

แรงดันไฟฟ้ามาตรฐานของแบตเตอรี่คาร์บอนสังกะสีถูกกำหนดโดยวัสดุแอดและแคธโอดที่ใช้ในเซลล์แบตเตอรี่ ในเซลล์แบตเตอรี่คาร์บอนสังกะสี สังกะสีเป็นวัสดุแอด และออกไซด์แมงกานีสเป็นวัสดุแคธโอด ศักย์ไฟฟ้าของสังกะสีคือ -0.7 โวลต์ ในขณะที่ศักย์ไฟฟ้าของออกไซด์แมงกานีสคือ 1.28 โวลต์
ดังนั้น แรงดันไฟฟ้าทฤษฎีของเซลล์แต่ละเซลล์ควรเป็น -(-0.76) + 1.23 = 1.99 V แต่เมื่อพิจารณาสภาพแวดล้อมที่เป็นจริง แรงดันไฟฟ้าที่ได้จริงของแบตเตอรี่คาร์บอนสังกะสีมาตรฐานไม่เกิน 1.5 V

ความหนาแน่นพลังงานของเซลล์แบตเตอรี่คาร์บอนสังกะสี

มวลโมลาร์ของวัสดุแคธโอด ออกไซด์แมงกานีสคือ 87 กรัม/โมล ที่นี่ในปฏิกิริยาของแบตเตอรี่พบว่าอิเล็กตรอนสองตัวลดออกไซด์แมงกานีสมูลีคู่ ดังนั้น ตามค่าคงที่ Faraday สามารถส่งมอบกระแสไฟฟ้า 28.6 Ah จากการลดลงอย่างสมบูรณ์ของโมลเดียวหรือ 87 กรัมของออกไซด์แมงกานีส ดังนั้น 87/26.8 = 3.24 กรัมของออกไซด์แมงกานีสจำเป็นต้องส่งมอบกระแสไฟฟ้า 1 Ah
มวลโมลาร์ของวัสดุแอด สังกะสีคือ 65 กรัม/โมล ที่นี่ในปฏิกิริยาของแบตเตอรี่พบว่าอิเล็กตรอนสองตัวออกซิไดซ์อะตอมสังกะสีหนึ่งตัว ดังนั้น ตามค่าคงที่ Faraday สามารถส่งมอบกระแสไฟฟ้า 28.6 Ah จากการออกซิไดซ์อย่างสมบูรณ์ของโมลเดียวหรือ 65/2 กรัม หรือ 32.5 กรัมของสังกะสี ดังนั้น 32.5/26.8 = 1.21 กรัมของสังกะสีจำเป็นต้องส่งมอบกระแสไฟฟ้า 1 Ah
ความหนาแน่นพลังงานรวมของแบตเตอรี่คาร์บอนสังกะสีคือ 3.24 กรัม/Ah + 1.21 กรัม/Ah = 4.45 กรัม/Ah = 1 / 4.45 Ah/กรัม = 0.224 Ah/กรัม หรือ 224 Ah/กก. นี่เป็นการคำนวณทางทฤษฎีเท่านั้น แต่ในทางปฏิบัติต้องรวมวัสดุอื่นๆ เช่น อิเล็กโตรไลต์ คาร์บอนดำ น้ำ ซึ่งไม่สามารถละเว้นน้ำหนักได้ นอกจากนี้ยังต้องพิจารณาสภาพแวดล้อมอื่นๆ ในแบตเตอรี่ พิจารณาทุกอย่างแล้ว เซลล์แบตเตอรี่ Leclanche’ ที่มีการปล่อยประจุต่ำมีความหนาแน่นพลังงาน 75 Ah/กก. และสำหรับแบตเตอรี่ที่มีการปล่อยประจุหนักและไม่ต่อเนื่อง ประมาณ 35 Ah/กก.