Pin kẽm cacbon | Các loại pin kẽm cacbon | Ưu điểm và nhược điểm
Pin ắc quy kẽm cacbon
Bình thấm cùng với hỗn hợp và thanh than đóng vai trò là cực dương hoặc cathode và được đặt trong dung dịch clorua amoni trong bình. Năm 1876, Leclanche đã cải tiến thiết kế nguyên mẫu của mình về pin ắc quy kẽm cacbon. Ông đã trộn keo kết dính từ nhựa cây với mangan dioxide và bột than để tạo thành khối rắn nén bằng áp lực thủy lực. Nhờ cấu trúc rắn của hỗn hợp cathode, không cần bình thấm nữa trong tế bào pin Leclanche. Năm 1888, Tiến sĩ Carl Gassner, đã tiếp tục phát triển cấu trúc của tế bào Leclanche. Ông đã sử dụng hồ nước thạch paris và clorua amoni làm điện giải, thay vì clorua amoni lỏng. Thay vì chèn thanh kẽm vào điện giải trong bình thủy tinh, ông đã làm bình bằng kẽm. Do đó, bình này cũng đóng vai trò là anode của pin. Ông đã giảm thiểu phản ứng hóa học cục bộ trong pin của mình bằng cách bọc vải thấm clorua kẽm - clorua amoni quanh khối hỗn hợp cathode hình trụ.
Sau đó, ông đã thay thế thạch paris bằng bột mì trong hỗn hợp điện giải. Đây là thiết kế thương mại đầu tiên của tế bào pin kẽm cacbon khô. Đó chưa phải là kết thúc của hành trình. Pin Leclanche đã được tiếp tục phát triển để đáp ứng nhu cầu thị trường liên tục trong thế kỷ 20. Sau đó, cacbon đen acetylen đã được sử dụng làm vật liệu thu điện cực. Điều này dẫn điện tốt hơn so với grafit. Phát triển cũng đã được thực hiện trong thiết kế phân cách và hệ thống niêm phong thông hơi.
Sau năm 1960, nhiều nỗ lực hơn đã được hướng vào việc phát triển tế bào pin kẽm clorua. Đây cũng là phiên bản phổ biến của pin ắc quy kẽm cacbon. Ở đây, clorua kẽm được sử dụng làm điện giải thay vì clorua amoni. Điều này được phát triển để cung cấp hiệu suất tốt hơn trong các ứng dụng tiêu thụ lớn. Nói cách khác, pin kẽm clorua là sự thay thế cải tiến của pin Leclanche trong các ứng dụng tiêu thụ lớn.
Phản ứng hóa học trong pin ắc quy kẽm cacbon
Trong tế bào pin Leclanche, kẽm được sử dụng làm anode, mangan dioxide được sử dụng làm cathode và clorua amoni được sử dụng làm điện giải chính nhưng có một phần trăm clorua kẽm trong điện giải. Trong tế bào pin kẽm clorua, kẽm được sử dụng làm anode, mangan dioxide được sử dụng làm cathode và clorua kẽm được sử dụng làm điện giải.
Trong cả hai loại pin ắc quy kẽm, khi xả, anode kẽm tham gia vào phản ứng oxy hóa và mỗi nguyên tử kẽm tham gia vào phản ứng này giải phóng hai electron.
Những electron này đến cathode thông qua mạch tải bên ngoài.
Trong tế bào pin Leclanche, clorua amoni (NH4Cl) tồn tại trong hỗn hợp điện giải dưới dạng NH4+ và Cl –. Ở cathode, MnO2 sẽ bị khử thành Mn2O3 trong phản ứng với ion amoni (NH4+). Ngoài Mn2O3, phản ứng này cũng sản sinh ra amoniac (NH3) và nước (H20).
Nhưng trong quá trình hóa học này, một số ion amoni (NH4+) được khử trực tiếp bởi electron và tạo thành amoniac khí (NH3) và hydro (H2).
Trong pin kẽm cacbon, khí amoniac này tiếp tục phản ứng với clorua kẽm (ZnCl2) để tạo thành clorua kẽm amoniac rắn và khí hydro phản ứng với mangan dioxide để tạo thành oxit mangan trioxide rắn và nước. Hai phản ứng này ngăn chặn sự hình thành áp suất khí trong quá trình xả pin.
Phản ứng tổng thể là,
Pin kẽm clorua là phiên bản cải tiến của pin kẽm cacbon. Những pin này thường được ghi nhãn là pin chịu tải nặng. Tế bào pin kẽm clorua chứa chỉ bột clorua kẽm (ZnCl2) làm điện giải. Pin này cung cấp dòng điện lớn hơn, hiệu điện thế lớn hơn và tuổi thọ dài hơn so với pin kẽm cacbon thông thường. Phản ứng cathode là,
Phản ứng tổng thể là,
Hiệu điện thế của pin ắc quy kẽm cacbon
Hiệu điện thế tiêu chuẩn của pin kẽm cacbon được xác định bởi loại vật liệu anode và cathode được sử dụng trong tế bào pin. Trong tế bào pin kẽm cacbon, kẽm là vật liệu anode và mangan dioxide là vật liệu cathode. Điện thế điện cực của kẽm là -0.7 volt trong khi điện thế điện cực của mangan dioxide là 1.28.
Vì vậy, điện thế lý thuyết của mỗi tế bào nên là -(-0.76) + 1.23 = 1.99 V nhưng xét đến nhiều điều kiện thực tế, điện thế đầu ra thực tế của pin kẽm cacbon tiêu chuẩn không vượt quá 1.5 V.
Mật độ năng lượng của tế bào pin ắc quy kẽm cacbon
Khối lượng mol của vật liệu cathode, mangan dioxide là 87 g/mol. Ở đây, trong phản ứng của pin, hai electron khử hai phân tử mangan dioxide. Do đó, theo hằng số Faraday, 28.6 Ah có thể được cung cấp bởi sự khử hoàn toàn của một mol hoặc 87 g mangan dioxide. Vì vậy, 87/26.8 = 3.24 g mangan dioxide là cần thiết để cung cấp 1 Ah điện.
Khối lượng mol của anode, vật liệu kẽm là 65 g/mol. Ở đây, trong phản ứng của pin, hai electron oxi hóa một nguyên tử kẽm. Do đó, theo hằng số Faraday, 28.6 Ah có thể được cung cấp bởi sự oxi hóa hoàn toàn của một mol hoặc 65/2 g hoặc 32.5 g kẽm. Vì vậy, 32.5/26.8 = 1.21 g kẽm là cần thiết để cung cấp 1 Ah điện.
Tổng mật độ năng lượng của pin kẽm cacbon là 3.24 g/Ah + 1.21 g/Ah = 4.45 g/Ah = 1 / 4.45 Ah/g = 0.224 Ah/g hoặc 224 Ah/Kg. Đây là tính toán lý thuyết tuyệt đối, nhưng trong thực tế, nhiều vật liệu khác như điện giải, than đen, nước phải được bao gồm trong pin, trọng lượng của chúng không thể bỏ qua. Ngoài ra, còn nhiều điều kiện thực tế khác cần được xem xét trong pin. Xét tất cả mọi thứ, một tế bào pin Leclanche’ xả chậm có mật độ năng lượng là 75 Ah/Kg và cùng một cho pin chịu tải nặng và xả gián đoạn, khoảng 35 Ah/Kg.
Loại pin ắc quy kẽm cacbon
Như chúng tôi đã nói trước đây, có hai loại pin ắc quy kẽm cacbon.
Pin Leclanche
Pin kẽm clorua.
Lại nữa, pin Leclanche có hai loại chính, tế bào thông thường và tế bào chịu tải nặng.
Trong pin Leclanche giá rẻ thông thường, kẽm tinh khiết được sử dụng làm anode, clorua amoni được sử dụng làm điện giải chính cùng với một phần trăm clorua kẽm. Ở đây, ore mangan dioxide tự nhiên được sử dụng làm vật liệu cathode. Những pin này thường được sử dụng ở nơi mà chi phí là yếu tố quan trọng hơn so với hiệu suất của chúng.
Ứng dụng của pin Leclanche chịu tải nặng được chi phối bởi pin kẽm clorua nhưng vẫn có một số nhà sản xuất tiếp tục sản xuất pin Leclanche chịu tải nặng bằng cách thêm mangan dioxide điện phân hoặc hóa chất cùng với ore mangan dioxide làm cathode.
Trong pin kẽm clorua thông thường, kẽm tinh khiết được sử dụng làm anode; clorua kẽm được sử dụng làm điện giải. Đôi khi, một lượng nhỏ clorua amoni được thêm vào điện giải. Ở đây, ore mangan dioxide tự nhiên cũng được sử dụng làm vật liệu cathode.
Đối với các ứng dụng công nghiệp chịu tải nặng, mangan dioxide điện phân được thêm vào ore mangan dioxide trong cathode. Những pin này cạnh tranh về giá với pin Leclanche chịu tải nặng. Pin này có mức rò rỉ thấp, so với tế bào Leclanche.
Trong tế bào pin kẽm clorua chịu tải cực nặng, một lượng rất nhỏ clorua amoni được thêm vào điện giải clorua kẽm. Lượng clorua kẽm phải ít hơn 1% trọng lượng của cathode. Ore mangan oxide được thay thế bằng mangan oxide điện phân
