Цинк карбон батарея | Цинк карбон батарея турлари | Қўшнамалар жана камчилddlklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklklkl......
Цинк-углерод батарея
Цинк-углерод батарея широко используется в течение последних 100 лет. Обычно доступны два вида цинк-углеродных батарей – батарея Ле Кланше и цинк-хлоридная батарея. Оба этих типа являются первичными батареями. Эта батарея была изобретена Жоржем Лионелем Ле Кланше в 1866 году. Это была первая батарея, в которой использовался слабый коррозионный электролит, такой как хлорид аммония. До этого в качестве электролита батарейной системы использовались только сильные минеральные кислоты.
В этой батарее использовалась стеклянная банка в качестве основного контейнера. Контейнер заполнялся раствором хлорида аммония в качестве электролита. В этот электролит погружался амальгамированный цинковый стержень в качестве отрицательного электрода или анода. В этом элементе батареи Ле Кланше пористый горшок заполнялся смесью двуокиси марганца и угольного порошка в соотношении один к одному. В эту смесь вставлялся угольный стержень.
Пористый горшок вместе с смесью и угольным стержнем служил положительным электродом или катодом и размещался в растворе хлорида аммония в банке. В 1876 году Ле Кланше сам улучшил свой прототип цинк-углеродной батареи. Здесь он смешал связующий компонент из смолы с двуокисью марганца и угольным порошком, чтобы образовать спрессованный твердый блок смеси под гидравлическим давлением. Благодаря этому твердому строению катодной смеси, больше не требовался пористый горшок в элементе батареи Ле Кланше. В 1888 году доктор Карл Гасснер еще больше усовершенствовал конструкцию элемента Ле Кланше. Здесь он использовал пасту из гипса и хлорида аммония в качестве электролита вместо жидкого хлорида аммония. Вместо того, чтобы вставить цинковый стержень внутрь электролита в стеклянном контейнере, он сделал контейнер из цинка. Таким образом, этот контейнер также служил анодом батареи. Он снизил местное химическое воздействие в своей батарее, обернув блок катодной смеси тканью, насыщенной хлоридом цинка и хлоридом аммония.
Позже он заменил гипс пшеничной мукой в смеси электролита. Это был первый коммерческий дизайн сухой цинк-углеродной батареи. Это было не конец пути. Батарея Ле Кланше была еще более усовершенствована, чтобы удовлетворить ее текущий рыночный спрос в 20 веке. Позже для сбора тока катода использовался ацетиленовый черный углерод. Этот материал более проводящий, чем графит. Также были усовершенствованы система разделителя и система герметизации.
После 1960 года усилия были направлены на развитие цинк-хлоридной батареи. Это также популярная версия цинк-углеродной батареи. Здесь в качестве электролита используется хлорид цинка вместо хлорида аммония. Это было разработано, чтобы обеспечить лучшую производительность при интенсивном расходе. Другими словами, цинк-хлоридная батарея является улучшенной заменой батареи Ле Кланше при интенсивном расходе.
Химическая реакция в цинк-углеродной батарее
В элементе батареи Ле Кланше в качестве анода используется цинк, в качестве катода – двуокись марганца, а в качестве основного электролита – хлорид аммония, но в электролите есть некоторое количество хлорида цинка. В элементе цинк-хлоридной батареи в качестве анода используется цинк, в качестве катода – двуокись марганца, а в качестве электролита – хлорид цинка.
В обоих типах цинк-углеродных батарей при разряде анод цинка участвует в окислительной реакции, и каждый атом цинка, участвующий в этой реакции, высвобождает два электрона.
Эти электроны приходят к катоду через внешнюю нагрузочную цепь.
В элементе батареи Ле Кланше в электролитной смеси присутствует хлорид аммония (NH4Cl) в виде NH4+ и Cl–. В катоде MnO2 будет восстановлена до Mn2O3 в реакции с аммонийным ионом (NH4+). Кроме Mn2O3 эта реакция также производит аммиак (NH3) и воду (H20).
Но во время этого химического процесса некоторые аммонийные ионы (NH4+) непосредственно восстанавливаются электронами и образуют газообразный аммиак (NH3) и водород (H2).
В цинк-углеродной батарее этот аммиачный газ далее реагирует с хлоридом цинка (ZnCl2) для образования твердого цинк-аммонийного хлорида, а газообразный водород реагирует с двуокисью марганца для образования твердого ди-марганцевого триоксида и воды. Эти две реакции предотвращают образование газового давления при разрядке батареи.
Общая реакция:
Цинк-хлоридная батарея является улучшенной версией цинк-углеродной батареи. Эти батареи обычно называются тяжелыми. Цинк-хлоридный элемент содержит только пасту хлорида цинка (ZnCl2) в качестве электролита. Эта батарея обеспечивает больший ток, большее напряжение и больший срок службы, чем обычная цинк-углеродная батарея. Реакция катода:
Общая реакция:
Напряжение цинк-углеродной батареи
Стандартное напряжение цинк-углеродной батареи определяется типом материалов анода и катода, используемых в элементе батареи. В элементе цинк-углеродной батареи в качестве материала анода используется цинк, а в качестве материала катода – двуокись марганца. Электродный потенциал цинка составляет – 0.7 В, тогда как электродный потенциал двуокиси марганца – 1.28 В.
Следовательно, теоретическое напряжение каждого элемента должно быть – (- 0.76) + 1.23 = 1.99 В, но, учитывая многие практические условия, фактическое выходное напряжение стандартной цинк-углеродной батареи не превышает 1.5 В.
Энергетическая плотность элемента цинк-углеродной батареи
Молярная масса катодного материала, двуокиси марганца, составляет 87 г/моль. В реакции батареи обнаружено, что два электрона восстанавливают две молекулы двуокиси марганца. Следовательно, согласно постоянной Фарадея, 28.6 А·ч могут быть выданы полным восстановлением одного моля или 87 г двуокиси марганца. Поэтому 87/26.8 = 3.24 г двуокиси марганца требуется для выдачи 1 А·ч электричества.
Молярная масса анодного материала, цинка, составляет 65 г/моль. В реакции батареи обнаружено, что два электрона окисляют одну атомную единицу цинка. Следовательно, согласно постоянной Фарадея, 28.6 А·ч могут быть выданы полным окислением одного моля или 65/2 г или 32.5 г цинка. Поэтому 32.5/26.8 = 1.21 г цинка требуется для выдачи 1 А·ч электричества.
Общая энергетическая плотность цинк-углеродной батареи составляет 3.24 г/А·ч + 1.21 г/А·ч = 4.45 г/А·ч = 1 / 4.45 А·ч/г = 0.224 А·ч/г или 224 А·ч/кг. Это абсолютно теоретический расчет, но на практике необходимо учитывать многие другие материалы, такие как электролит, углеродный черный, вода, которые должны быть включены в батарею, вес которых нельзя исключить. Кроме того, на батарею влияют многие другие практические условия. Учитывая все это, практическая энергетическая плотность элемента батареи Ле Кланше при низком разряде составляет 75 А·ч/кг, а для тяжелых и периодических разрядов – около 35 А·ч/кг.
Типы цинк-углеродных батарей
Как мы уже говорили, существует два типа цинк-углеродных батарей.
