Magnesium Battery | Chemische Opbouw van Magnesium Battery
Magnesium wordt gebruikt als anodemateriaal in primaire batterijen vanwege zijn hoge standaardpotentiaal. Het is een licht metaal. Het is ook gemakkelijk verkrijgbaar en relatief goedkoop. Een magnesium/manganaandioxide (Mg/MnO2)-batterij heeft tweemaal de levensduur, d.w.z. de capaciteit, van een zink/manganaandioxide (Zn/MnO2)-batterij van dezelfde grootte. Het kan ook zijn capaciteit behouden tijdens opslag, zelfs bij hoge temperaturen. De magnesiumbatterij is zeer duurzaam en opbergbaar, omdat er altijd een beschermend laagje op het oppervlak van de magnesiumanode wordt gevormd.
De magnesiumbatterij verliest zijn opbergbaarheid zodra deze gedeeltelijk ontladen is, en daarom is deze niet erg geschikt voor gebruik in langdurige onderbrekende toepassingen. Dit is de hoofdreden waarom de magnesiumbatterij aan populariteit inboet, terwijl lithiumbatterijen haar markt overnemen.
Chemie van de Magnesiumbatterij
In een primaire magnesiumbatterij wordt een magnesiumlegering gebruikt als anode; manganaandioxide wordt gebruikt als kathodemateriaal. Maar manganaandioxide kan de benodigde geleidbaarheid aan de kathode niet leveren, en daarom wordt acetylenzwart met manganaandioxide gemengd om de vereiste geleidbaarheid te bereiken. Perchloraatmagnesium wordt gebruikt als elektrolyt. Barium- en lithiumpertsaat worden toegevoegd aan de elektrolyt om corrosie te voorkomen. Hydroxide-magnesium wordt ook toegevoegd aan dit mengsel als bufferagent om de opbergbaarheid te verbeteren.
De oxidatiereactie die in de anode plaatsvindt, is,
De reductiereactie die in de kathode plaatsvindt, is,
Algemene reactie,
De open-circuit spanning die deze cel geeft, bedraagt ongeveer 2 volt, maar de theoretische waarde van de celspanning is 2,8 volt.
De kans op corrosie van magnesium is zeer klein, zelfs onder extreme omstandigheden. Ruw magnesium reageert met vocht en vormt een dunne film van Mg(OH)2 op het oppervlak.
Deze dunne film van magnesiumperoxide dient als een beschermend laagje tegen corrosie op het magnesium. Daarnaast verbetert chromaatbehandeling van magnesium deze bescherming in hoge mate. Wanneer deze beschermende film van magnesiumperoxide echter doorboord of verwijderd wordt door het ontladen van de batterij, vindt corrosie plaats met de vorming van waterstofgas.
Dit is de basis chemie van de magnesiumbatterij.
Constructie van de Magnesiumbatterij
Constructief gezien is een cilindrische magnesiumbatterijcel vergelijkbaar met een cilindrische zink-koolstofbatterijcel. Hier wordt een legering van magnesium gebruikt als de hoofdcontainer van de batterij. Deze legering bestaat uit magnesium en een kleine hoeveelheid aluminium en zink. Manganaandioxide wordt hier gebruikt als kathodemateriaal. Aangezien manganaandioxide een slechte geleidbaarheid heeft, wordt acetylenzwart hiermee gemengd om de geleidbaarheid te verbeteren. Dit helpt ook om water binnen de kathode vast te houden. In dit kathodemengsel wordt bariumchromaat toegevoegd als inhibitor, en magnesiumhydroxide als pH-buffer. Perchloraatmagnesium met lithiumchromaat gemengd met water wordt gebruikt als elektrolyt. Koolstof wordt in het kathodemengsel geïnsert als stroomverzamelaar. Kraft-papieren, gedrenkt met elektrolytoplossing, worden tussen kathode- en anodematerialen geplaatst als scheiders. Bij de ontwerping van de afsluiting van de magnesiumbatterij moet speciale aandacht worden besteed. De afsluiting van de batterij mag niet zo porieus zijn dat het vocht in de batterij tijdens de opslag verdampt, en het mag niet zo weinig porieus zijn dat het waterstofgas dat tijdens het ontladen wordt gevormd, de batterij niet kan verlaten. Dus de afsluiting van de batterij moet het vocht binnenin behouden en tegelijkertijd voldoende ontsnapping bieden aan het waterstofgas dat tijdens het ontladen wordt gevormd. Dit kan worden gedaan door een klein gat bovenaan de plastic afsluiting te plaatsen, gewassen onder de retainering. Wanneer er te veel gas uit het gat komt, wordt de retainering door de druk vervormd, waardoor het gas kan ontsnappen.
a
Magnesium-anode vormt de buitenste omslag van de batterij, maar er is ook een andere constructie van de magnesiumbatterij beschikbaar waarbij koolstof de buitenste container van de batterij vormt. Hier wordt een typisch gevormde container gemaakt van hooggeleidend koolstof. Deze container heeft een cilindrische kopvorm, en een staafvormig deel wordt vanuit het midden geprojecteerd zoals in de afbeelding te zien is. De anode van de batterij wordt gevormd door een cilinder of trommel van magnesium. De diameter van de cilindrische anode is ongeveer de helft van de koolstofkop. Het kathodemengsel wordt binnen deze anodecilinder geplaatst en gescheiden van de binnenwand van de cilinder door een papieren scheider. De ruimte tussen de binnenkant van de koolstofkop en de buitenkant van de anodecilinder wordt ook gevuld met kathodemengsel, en hier wordt de buitenkant van de anodecilinder ook gescheiden van het kathodemengsel door een papieren scheider. Het kathodemengsel wordt geproduceerd door manganaandioxide, koolstofzwart en een kleine hoeveelheid waterstofbromide of perchloraat als elektrolyt te mengen. De positieve terminal wordt verbonden met het einde van de koolstofkop. De negatieve terminal wordt verbonden met het einde van de anodetrommel. Het hele systeem wordt ingekapseld in een gestanst blikken jasje.
Voordeel van de Magnesiumbatterij
Het heeft een zeer goede levensduur; het kan lang opgeslagen worden, zelfs bij hoge temperaturen. Deze batterij kunnen tot 5 jaar opgeslagen worden bij een temperatuur van 20oC.
Het heeft tweemaal de capaciteit vergeleken met een gelijke Leclanche-batterij.
Hogere batterij spanning dan een zink-koolstofbatterij.
De kosten zijn ook matig.
Nadelen van de Magnesiumbatterij
Vertraagde werking (spanningsvertraging).
Vorming van waterstof tijdens het ontladen.
Hitte-ontwikkeling tijdens gebruik.
Slechte opbergbaarheid na gedeeltelijke ontlading.
De batterijen worden commercieel niet langer geproduceerd.
