亜鉛炭素電池の構築 | レクランシェ電池
ルクランシェ電池の構造
一般的に市場で入手可能な円筒形のルクランシェ電池は、以下の構造的特徴を持っています。
薄い亜鉛板で作られた円筒形の缶がアノードとして機能し、電池の他の活性物質や電解液を収容します。
理想的には、電池に使用される亜鉛は99.99%純粋であるべきです。ただし、亜鉛炭素電池の容器を作るのに使用される亜鉛には、カドミウムが0.03〜0.06%、鉛が0.02〜0.04%含まれています。鉛は亜鉛に成形性を向上させるとともに腐食防止剤としても機能し、さらにカドミウムは亜鉛に強い腐食抵抗性を与えます。
亜鉛炭素電池に使用される亜鉛は、コバルト、銅、ニッケル、鉄などの不純物を含まないことが望まれます。これらの材料は電解液の存在下で亜鉛と反応して腐食を引き起こすからです。また、鉄は亜鉛を硬くします。アンチモン、砒素、マグネシウムなどの不純物は亜鉛を脆くします。カソード材料はマンガン酸化物です。マンガン酸化物はアセチレンブラックと混合され、塩化アンモニウム電解液で湿らせられ、油圧機械で圧縮されて固体のボビン形状にされます。
このボビンは電池の正極として機能します。粉末のマンガン酸化物（MnO2）と粉末のカーボンブラックは水、塩化アンモニウム（NH2Cl）または/および塩化亜鉛（ZnCl2）と混合されます。ここでは、MnO2が活性カソード材料ですが、非常に電気抵抗が高いため、カーボンブラック粉末はカソードの導電性を高めます。カーボンダストは水分吸収性が良いので、湿った電解液をボビン内に保持します。MnO2とカーボンの比率は、バッテリーの設計によって重量比で3:1から11:1まで変動します。カメラのフラッシュ用に製造されたバッテリーの場合、この比率は1:1になることもあります。これは、大電流パルスが容量よりも重要だからです。乾式亜鉛炭素電池には、いくつかのタイプのマンガン酸化物が使用されます。
以前はグラファイトがカソードボビンの導電媒体として使用されていましたが、現在はカーボンブラックが使用されています。カーボンブラックは、湿った電解液を保持する特殊な特性があり、カソード混合物に圧縮性と粘度を提供します。カソード混合物にカーボンアセチレンブラックを含むセルは、断続的なサービスでより良い性能を発揮しますが、カソード混合物にグラファイトを含むセルは、高電流および連続的な電流操作で良好な性能を発揮します。
天然マンガン酸化物（NMD）は、材料の天然鉱石から得られます。これらの鉱石には70〜85%のマンガン酸化物が含まれており、アルファおよびベータ相の結晶構造を持っています。
化学合成マンガン酸化物（CMD）には90〜95%の純粋なマンガン酸化物が含まれており、デルタ相の結晶構造を持っています。
電解マンガン酸化物（EMD）。EMDは他のものよりも最も高価ですが、性能面では最良です。バッテリーの容量を高くし、重労働産業用途に使用されます。ガンマ相の結晶構造を持っています。
このボビン形状のカソードには、カソードからの電流収集のためにカーボン棒が挿入されます。このカーボン棒の上部もセルの正極として機能します。
通常、カーボン棒は圧縮されたカーボンで作られています。これは非常に高い導電性を持っています。カーボンは自然に多孔性がありますが、ワックスやオイル処理により、一定程度まで多孔性が減少し、湿った電解液が通過できないようにすることができますが、ガスは通過できます。これにより、バッテリーの大量放電中に生成される水素と二酸化炭素ガスがカーボン棒を通じて逃げることができます。ボビンの上部はアスファルトで密封されているため、生成されたガスはカーボン棒を通る多孔性のパスしかありません。つまり、亜鉛炭素電池のカーボン棒は、大量放電時に生成されるガスの排出口としても機能します。
アノードとカソードは、塩化アンモニウムと塩化亜鉛電解液で湿らせた穀物ペーストの薄い層またはスターチまたはポリマー被覆の吸収性クラフト紙で分離されています。薄いセパレーターはセルの内部抵抗を減らします。
一般的に使用されるルクランシェ電池の電解液は、塩化アンモニウムと少量の塩化亜鉛の湿った混合物です。一方、塩化亜鉛電池は電解液として単に湿った塩化亜鉛のみを使用します。しかし、塩化亜鉛電池の高性能を確保するために、少量の塩化アンモニウムも塩化亜鉛に添加されることがあります。カソードボビンの上には非導電性の支持ワッシャーが配置されています。
そのワッシャーの上にはアスファルトシールが設けられており、その上にはワックスシールがあります。
バッテリーには、サービスおよび保管期間中に電解液や水の蒸発を防ぐためのシール装置があります。このシール装置の後にもう一つのワッシャーが配置されて、シール材を固定しています。
この上部のワッシャーは、カーボンロッドの上部に取り付けられた一体型の金属カバーも保持します。
その後、組み立ては美観のために金属製、紙製、またはプラスチック製のジャケットで覆われます。セルの外側にはラベルと定格が記載されます。
セルの底部は時折鋼製のカバーで覆われ、追加の保護を提供します。
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