Cink Karbon Pil | Cink Karbon Pil Türleri | Avantajları ve Dezavantajları

Cink Karbon Pil

Cink karbon pil son 100 yıl boyunca yaygın olarak kullanılıyor. Genel olarak iki tür cink karbon pil bulunmaktadır – Leclanche pil ve Cink klorür pil. Her ikisi de birincil pillerdir. Bu pil, Goerge Lionel Leclanche tarafından 1866 yılında icat edildi. Bu, amonyum klorür gibi düşük korrodif elektrolitin kullanılmasında ilk pil oldu. Bundan önce sadece güçlü mineral asitler pil sisteminin elektroliti olarak kullanılıyordu.
Bu pil hücrede, ana kap olarak bir cam şişe kullanıldı. Şişe, elektrolit olarak amonyum klorür çözeltisi ile dolduruldu. Amalgamlanmış cink çubuğu bu elektrolite negatif elektrot veya anot olarak batırıldı. Bu Leclanche pil hücrede, poröz bir pot, mangane dioksit ve karbon tozu karışımının biri ile dolduruldu. Bir karbon çubuğu bu karışıma yerleştirildi.

Poröz pot, karışım ve karbon çubuğu pozitif elektrot veya katot olarak hizmet etti ve bu, şişedeki amonyum klorür çözeltisine yerleştirildi. 1876'da, Leclanche kendi cink karbon pil taslağı geliştirdi. Burada, mangane dioksit ve karbon tozu ile reçineli bir gümüş bağlayıcı karıştırdı ve hidrolik basınç ile karışımdan sıkıştırılmış bir katı blok oluşturdu. Katot karışımının bu katı yapısı nedeniyle, Leclanche pil hücrende poröz pot gereksiz hale geldi. 1888'de Dr. Carl Gassner, Leclanche hücrenin inşasını daha da geliştirerek, sıvı amonyum klorür yerine Paris tuğlası ve amonyum klorür pastası olarak elektrolit kullandı. Sıvı elektrolit içindeki cam kapta bir cink çubuğu yerleştirmek yerine, cinkten bir kap yaptı. Böylece bu kap aynı zamanda pilin anodu olarak hizmet etti. Hücresinde yerel kimyasal etkiyi, silindirik katot karışım bloğunun etrafına cink klorür – amonyum klorür doygun bezler sararak azalttı.

Daha sonra, elektrolit karışımında Paris tuğlasını unla değiştirdi. Bu, ilk ticari kurutulmuş cink karbon pil hücre tasarımıydı. Bu, yolculuğun sonu değildi. Leclanche pil, 20. yüzyılın devam eden pazar talebini karşılamak için daha da geliştirildi. Daha sonra, katot akım toplayıcısı olarak asetylen siyah karbon kullanıldı. Bu, grafitten daha iletken. Ayracın tasarımı ve ventillendirme sisteminde de gelişmeler yapıldı.

1960'lardan sonra, cink klorür pil hücresi üzerinde daha fazla çaba harcandı. Bu, cink karbon pil in popüler bir versiyonudur. Burada, amonyum klorür yerine cink klorür kullanılır. Bu, ağır akım uygulamalarında daha iyi performans sağlayacak şekilde geliştirildi. Başka bir deyişle, cink klorür pil, ağır akım uygulamalarında Leclanche pilinin geliştirilmiş bir alternatifidir.

Cink Karbon Pilinde Kimyasal Reaksiyon

Leclanche pil hücresinde, cink anot olarak, mangane dioksit katot olarak ve amonyum klorür ana elektrolit olarak kullanılır, ancak elektrolitte bazı miktarda cink klorür bulunur. Cink klorür pil hücresinde, cink anot olarak, mangane dioksit katot olarak ve cink klorür elektrolit olarak kullanılır.
Her iki cink karbon pilinde de, boşalma sırasında cink anot oksidasyon reaksiyonuna girer ve bu reaksiyonda yer alan her cink atomu iki elektron salınır.

Bu elektronlar dış yük devresi üzerinden katoda gelir.
Leclanche pil hücresinde, amonyum klorür (NH4Cl) elektrolit karışımında NH4+ ve Cl – olarak var olur. Katotta MnO2, amonyum iyonu (NH4+) ile reaksiyona girerek Mn2O3 olarak azaltılmış olur. Ayrıca Mn2O3 bu reaksiyon ayrıca amonyak (NH3) ve su (H20) üretir.

Ancak bu kimyasal süreçte, bazı amonyum iyonları (NH4+) elektronlar tarafından doğrudan azaltılarak gaz halinde amonyak (NH3) ve hidrojen (H2) oluşur.

Cink karbon pilde, bu amonyak gazı cink klorür (ZnCl2) ile reaksiyona girerek katı cink amonyum klorür ve gaz halindeki hidrojen mangane dioksit ile reaksiyona girerek katı di-mangane trioksit ve su oluşturur. Bu iki reaksiyon, pilin boşalması sırasında gaz basıncının oluşmasını önler.

Toplam reaksiyon,

Cink klorür pil, cink karbon pilin geliştirilmiş bir versiyonudur. Bu piller genellikle ağır işlevli pil olarak etiketlendirilir. Cink klorür hücre, sadece cink klorür (ZnCl2) pastası olarak elektrolit içerir. Bu pil, daha fazla akım, daha fazla gerilim ve daha uzun ömür sağlar. Katot reaksiyonu şöyledir:

Toplam reaksiyon,

Cink Karbon Pilinin Gerilim Değerlemesi

Cink karbon pilinin standart gerilim değeri, pil hücresinde kullanılan anot ve katot malzemeleri türüne bağlıdır. Cink karbon pil hücresinde, cink anot malzemesi ve mangane dioksit katot malzemesidir. Cinkin elektrot potansiyeli -0.7 voltken, mangane dioksitin elektrot potansiyeli 1.28 volt'tur.
Dolayısıyla, her hücrenin teorik gerilimi - (- 0.76) + 1.23 = 1.99 V olmalıdır, ancak birçok pratik koşulu göz önünde bulundurarak, standart bir cink karbon pilin gerçek gerilim çıkışı 1.5 V'yi aşmaz.

Cink Karbon Pil Hücresinin Enerji Yoğunluğu

Katot malzemesi olan mangane dioksitin mol ağırlığı 87 g/mol'dur. Burada, pilin reaksiyonunda iki elektronun iki mangane dioksit molekülünü azalttığı görülür. Bu nedenle, Faraday sabitine göre, 87 g mangane dioksitin tam azalmasıyla 28.6 Ah teslim edilebilir. Dolayısıyla, 87/26.8 = 3.24 g mangane dioksit 1 Ah elektrik teslim etmek için gereklidir.
Anot malzemesi olan cinkin mol ağırlığı 65 g/mol'dur. Burada, pilin reaksiyonunda iki elektronun bir cink atomunu oksitlediği görülür. Bu nedenle, Faraday sabitine göre, 65/2 g veya 32.5 g cinkin tam oksitlemesiyle 28.6 Ah teslim edilebilir. Dolayısıyla, 32.5/26.8 = 1.21 g cink 1 Ah elektrik teslim etmek için gereklidir.
Cink karbon pilin toplam enerji yoğunluğu 3.24 g/Ah + 1.21 g/Ah = 4.45 g/Ah =1 / 4.45 Ah/g = 0.224 Ah/g veya 224 Ah/Kg'dır. Bu tamamen teorik bir hesaplama, ancak pratikte diğer birçok malzeme, elektrolit, karbon siyah, su gibi pilin içine dahil edilmesi gereken malzemelerin ağırlığı göz ardı edilemez. Buna ek olarak, pilde birçok başka pratik koşullar da dikkate alınmalıdır. Her şeyi hesaba katarak, pratik düşük boşalma Leclanche pil hücresinin enerji yoğunluğu 75 Ah/Kg ve ağır işlevli ve ara sıra boşalma pilinin enerji yoğunluğu yaklaşık 35 Ah/Kg'dır.

Cink Karbon Pillerin Türları

Daha önce belirttiğimiz gibi, iki tür cink karbon pil bulunmaktadır.

1. Leclanche pil

2. Cink klorür pil.

Yine, Leclanche piller genellikle iki ana türe ayrılır: genel amaçlı hücreler ve ağır işlevli hücreler.
Genel amaçlı düşük maliyetli Leclanche pilinde, anot olarak saf cink, elektrolit olarak amonyum klorür ve bir miktar cink klorür kullanılır. Burada, katot malzemesi olarak doğal mangane dioksit cevheri kullanılır. Bu piller, performansından ziyade maliyetin daha önemli olduğu durumlarda genellikle kullanılır.
Ağır işlevli Leclanche pilinin uygulaması, cink klorür pil tarafından hakimdir, ancak yine de bazı üreticiler, katot olarak mangane dioksit cevherine ek olarak elektrolitik veya kimyasal mangane dioksit ekleyerek ağır işlevli Leclanche pil üretimine devam etmektedir.
Genel amaçlı cink klorür pilinde, anot olarak saf cink, elektrolit olarak cink klorür kullanılır. Bazen elektrolite küçük bir miktar amonyum klorür eklenir. Burada da, katot