Bateria magnezu | Budowa chemiczna baterii magnezu
Magnez jest używany jako materiał anodowy w pierwotnych bateriach ze względu na wysoki standardowy potencjał. Jest to lekki metal. Jest również łatwo dostępny i tanim metalem. Bateria magnez/manganian (Mg/MnO2) ma dwukrotnie dłuższy okres użytkowania, tj. pojemność baterii cynk/manganian (Zn/MnO2) tej samej wielkości. Może również zachować swoją pojemność podczas przechowywania, nawet przy wysokich temperaturach. Bateria magnezu jest bardzo trwała i przechowalna, ponieważ zawsze ma naturalnie formującą się na powierzchni anody magnezu ochronną warstwę.
Bateria magnezu traci swoją przechowalność po częściowym rozładowaniu, dlatego nie jest ona odpowiednia do stosowania w długoterminowych aplikacjach przerywanych. To jest główny powód, dla którego bateria magnezu traci na popularności, a baterie litowe zajmują jej rynek.
Chemia baterii magnezu
W pierwotnej baterii magnezu, stop magnezu jest używany jako anoda; manganian jest używany jako materiał katodowy. Ale manganian nie zapewnia wymaganej przewodności katodzie, dlatego do manganiu dodawany jest czarny acetylenowy, aby osiągnąć wymaganą przewodność. Jako elektrolit stosowany jest perchloran magnezu. Do elektrolitu dodawany jest chromian baru i litu, aby zapobiec korozji. Dodawany jest również wodorotlenek magnezu jako agent buforujący, aby poprawić przechowalność.
Reakcja utleniania, która występuje w anodzie, to,
Reakcja redukcji, która występuje w katodzie, to,
Ogólna reakcja,
Napięcie obwodu otwartego, które ta komórka dostarcza, wynosi około 2 volt, ale teoretyczna wartość potencjału komórki wynosi 2,8 volt.
Szansa na korozję magnezu jest bardzo niewielka, nawet w ekstremalnych warunkach środowiskowych. Surowy magnez reaguje z wilgocią i tworzy cienką warstwę Mg(OH)2 na swojej powierzchni.
Ta cienka warstwa peroksydu magnezu służy jako ochronna warstwa przeciwkorozja na magnezie. Ponadto obróbka chromianem magnezu znacznie poprawia tę ochronę. Jednak gdy ta ochronna warstwa peroksydu magnezu zostanie przebita lub usunięta w wyniku rozładowania baterii, następuje korozja z wydzielaniem gazu wodory.
To jest podstawowa chemia baterii magnezu.
Konstrukcja baterii magnezu
Pod względem konstrukcyjnym cylindryczna komórka baterii magnezu jest podobna do cylindrycznej komórki baterii cynk-węgielowej. Tutaj stop magnezu jest używany jako główna obudowa baterii. Ten stop tworzy się z magnezu i małej ilości aluminium i cynku. Tutaj, jako materiał katodowy, używany jest manganian. Ponieważ manganian ma słabą przewodność, do niego dodawany jest czarny acetylenowy, aby poprawić jego przewodność. To również pomaga zatrzymać wodę wewnątrz katody. W tej mieszance katodowej dodawany jest chromian baru jako inhibitor, a także wodorotlenek magnezu jako bufor pH. Jako elektrolit stosowany jest perchloran magnezu z chromianem litu roztworzonym w wodzie. Węgiel jest wprowadzany do mieszanki katodowej jako zbieracz prądu. Papier kraft, nasączony roztworem elektrolitu, umieszczany jest między materiałami katodowymi i anodowymi jako separator. Specjalna uwaga musi być poświęcona projektowaniu układu szczelienia w baterii magnezu. Szczelienie baterii nie powinno być tak porowate, aby wilgoć wewnątrz baterii mogłaby ulatywać podczas przechowywania, ani tak nieporowate, aby gaz wodór, który powstaje podczas rozładowywania, nie mógł uciec z baterii. Więc szczelina baterii powinna zatrzymywać wilgoć wewnątrz, a jednocześnie umożliwiać wystarczającą wentylację dla powstającego gazu wodoru. Można to zrobić, wykonując małe otwory na szczycie plastikowego szczelca pod pierścieniem retencyjnym. Gdy nadmiar gazu ucieka przez otwór, pierścień retencyjny ulega deformacji pod wpływem ciśnienia, co prowadzi do ucieczki gazu.
a
Anoda magnezu tworzy zewnętrzną obudowę baterii, ale istnieje również inna konstrukcja baterii magnezu, gdzie węgiel tworzy zewnętrzną obudowę baterii. Tutaj typowa obudowa jest formowana z wysoko przewodzącego węgla. Ta obudowa jest formowana w kształcie cylindrycznego kubka, a z jego środka wyprowadzany jest kształt prętowy, jak pokazano na rysunku. Anoda baterii tworzona jest przez cylinder lub bęben magnezu. Średnica cylindrycznej anody wynosi około połowy średnicy kubka węglowego. Mieszanka katodowa jest umieszczana wewnątrz tego cylindra anodowego i oddzielona od wewnętrznej ściany cylindra papierowym separatorem. Przestrzeń między wewnętrzną powierzchnią kubka węglowego a zewnętrzną powierzchnią cylindra anodowego również wypełniona jest mieszaniną katodową, a tutaj również zewnętrzna powierzchnia cylindra anodowego jest oddzielona od mieszaniny katodowej papierowym separatorem. Mieszanka katodowa jest produkowana poprzez mieszanie manganiu, czarnego acetylenowego i małej ilości wodnego bromidu magnezu lub perchloranu jako elektrolitu. Terminal dodatni jest podłączony do końca kubka węglowego. Terminal ujemny jest podłączony do końca bębna anodowego. Cały system jest zakapsułowany w spawanej blaszce stalowej ocynkowanej.
Zalety baterii magnezu
Ma bardzo dobrą żywotność samą w sobie; może być przechowywana przez długi czas, nawet w wysokiej temperaturze. Te baterie mogą być przechowywane do 5 lat przy temperaturze 20oC.
Ma dwukrotną pojemność w porównaniu do równoważnej baterii Leclanche'a.
Wyższe napięcie baterii napięcia niż bateria cynk-węgielowa.
Koszt jest również umiarkowany.
Wady baterii magnezu
Opóźnione działanie (opóźnienie napięcia).
Ewolucja wodoru podczas rozładowywania.
Wydzielanie się ciepła podczas użytkowania.
Słaba przechowalność po częściowym rozładowaniu.
Baterie te nie są już produkowane komercyjnie.
