Акумулятор на основі цинку і вуглецю | Типи акумуляторів на основі цинку і вуглецю | Переваги та недоліки

Цинково-карбонна батарея

Цинково-карбонна батарея широко використовується протягом останніх 100 років. Загалом існує два види цинково-карбонної батареї – батарея Лекланша і цинк-хлоридна батарея. Обидва ці види є первинними батареями. Цю батарею винахідив Жорж Ленкланш у 1866 році. Це була перша батарея, в якій використовувався електроліт з низькою корозійною агресивністю, такий як хлорид амонію. До того часу використовувалися лише сильні мінеральні кислоти як електроліти батарейних систем.
У цій батарейній клітині використовувався скляний сосуд як основний контейнер. Контейнер заповнювався розчином хлориду амонію як електролітом. Амальгамований цинковий стержень опускали в цей електроліт як негативний електрод або анод. У батарейній клітині Лекланша пористий горщик заповнювали сумішшю двоокису марганцю та пилу відносно 1:1. Вуглецевий стержень вставляли в цю суміш.

Пористий горщик разом з сумішшю та вуглецевим стержнем служили як позитивний електрод або катод, і його розміщували в розчині хлориду амонію в сосуді. У 1876 році Лекланш сам покращив свій прототип цинково-карбонної батареї. Тут він змішив зв'язуючий гумовий смолиний з двоокисом марганцю та вуглецевим пилом, щоб сформувати стислу тверду блок суміші гідравлічним тиском. Через цю тверду структуру суміші катоду, не було більше потреби в пористому горщику в батарейній клітині Лекланша. У 1888 році д-р Карл Гаснер подальше розвинув конструкцію клітини Лекланша. Тут він використовував пасту з гіпсу та хлориду амонію як електроліт замість рідинного хлориду амонію. Замість вставляння цинкового стержня в електроліт у скляному контейнері, він зробив контейнер сам з цинку. Тому цей контейнер також служить як анод батареї. Він зменшив локальну хімічну активність у своїй батареї, обернувши циліндричний блок суміші катоду тканями, насиченими хлоридом цинку та хлоридом амонію.

Пізніше він замінив гіпс пшеничною муковою, в електролітній суміші. Це був перший комерційний дизайн сухої цинк-карбонної батарейної клітини. Це не був кінець шляху. Батарея Лекланша була подальше розвинена для задоволення постійного ринкового попиту в 20му столітті. Пізніше використовувався ацетиленовий чорний вуглець як колектор потоку катода. Він провідніший, ніж графіт. Розвиток був проведений також в дизайну розділювача та системі вентиляції та загерметизування.

Після 1960 року більше зусиль було направлено на розвиток цинк-хлоридної батарейної клітини. Це також популярна версія цинково-карбонної батареї. Тут використовується хлорид цинку як електроліт замість хлориду амонію. Це було розроблено для забезпечення кращої продуктивності при високих витратах. Іншими словами, цинк-хлоридна батарея є покращеною заміною батареї Лекланша при високих витратах.

Хімічна реакція в цинково-карбонній батареї

У батарейній клітині Лекланша використовується цинк як анод, двоокис марганцю як катод, а хлорид амонію як основний електроліт, але в електроліті є деякий відсоток хлориду цинку. У цинк-хлоридній батарейній клітині використовується цинк як анод, двоокис марганцю як катод, а хлорид цинку як електроліт.
У обох цинково-карбонних батареях під час розряду цинковий анод участь у окисненні, і кожен цинковий атом, що бере участь у цій реакції, віддає два електрони.

Ці електрони доходять до катода через зовнішній навантажувальний контур.
У батарейній клітині Лекланша хлорид амонію (NH4Cl) існує в електролітній суміші як NH4+ та Cl –. У катоді MnO2 буде знижене до Mn2O3 в реакції з іоном амонію (NH4+). Окрім Mn2O3 ця реакція також виробляє аміак (NH3) та воду (H20).

Але під час цього хімічного процесу деякі іони амонію (NH4+ ) безпосередньо знижуються електронами і формують газовий аміак (NH3) та водневий газ (H2).

У цинково-карбонній батареї цей газ аміак подальше реагує з хлоридом цинку (ZnCl2) для формування твердого цинк-амоній-хлориду, а газовий водень реагує з двоокисом марганцю для формування твердого ді-марганцю-триоксиду та води. Ці дві реакції запобігають формуванню тиску газу під час розряду батареї.

Загальна реакція:

Цинк-хлоридна батарея є покращеною версією цинково-карбонної батареї. Ці батареї загалом позначаються як батареї для важких умов. Цинк-хлоридна клітина містить лише пасту з хлориду цинку (ZnCl2) як електроліт. Ця батарея надає більший струм, більше напруги та довговічність, ніж загальносприйнятна цинково-карбонна батарея. Реакція катоду:

Загальна реакція:

Напруга цинково-карбонної батареї

Стандартна напруга цинково-карбонної батареї визначається типом матеріалів аноду та катоду, використаних у батарейній клітині. У цинково-карбонній батарейній клітині використовується цинк як матеріал аноду, а двоокис марганцю як матеріал катоду. Електродний потенціал цинку становить -0.7 В, тоді як електродний потенціал двоокису марганцю становить 1.28 В.
Тому теоретична напруга кожної клітини повинна бути -(-0.76) + 1.23 = 1.99 В, але враховуючи багато практичних умов, фактична напруга стандартної цинково-карбонної батареї не перевищує 1.5 В.

Енергетична щільність цинково-карбонної батарейної клітини

Молярна маса матеріалу катоду, двоокису марганцю, становить 87 г/моль. У реакції батареї виявлено, що два електрони знижують два молекули двоокису марганцю. Тому, за константою Фарадея, 28.6 А·год можуть бути надані повним зниженням одного молю або 87 г двоокису марганцю. Тому, 87/26.8 = 3.24 г двоокису марганцю потрібні для надання 1 А·год електроенергії.
Молярна маса матеріалу аноду, цинку, становить 65 г/моль. У реакції батареї виявлено, що два електрони окислюють одну атом цинку. Тому, за константою Фарадея, 28.6 А·год можуть бути надані повним окисленням одного молю або 65/2 г або 32.5 г цинку. Тому, 32.5/26.8 = 1.21 г цинку потрібні для надання 1 А·год електроенергії.
Загальна енергетична щільність цинково-карбонної батареї становить 3.24 г/А·год + 1.21 г/А·год = 4.45 г/А·год = 1 / 4.45 А·год/г = 0.224 А·год/г а