Cink -szén akkumulátor - Zinc–carbon battery

Különböző méretű cink -szén akkumulátorok

A cink-szén elem egy száraz sejt primer telep , amely a közvetlen elektromos áram a elektrokémiai reakció közötti cink és mangán-dioxidot (MnO 2 ). Ez feszültséget állít elő körülbelül 1,5 V közötti cink anód , amely tipikusan megvalósítva egy tartályt az akkumulátort, és a szén- rúd pozitív polaritású, a katód , amely összegyűjti a jelenlegi a mangán-dioxid elektród, amely a sejt a nevét .

Az általános célú akkumulátorok vizes ammónium-klorid pasztát (NH 4 Cl) használhatnak elektrolitként, esetleg valamilyen cink-klorid oldattal keverve . A nagy teherbírású típusok elsősorban cink-kloridból (ZnCl 2 ) álló pasztát használnak .

A cink -szén akkumulátorok voltak az első kereskedelmi forgalomban kapható száraz akkumulátorok, amelyeket a nedves Leclanché cella technológiájából fejlesztettek ki . Lehetővé tették a zseblámpákat és más hordozható eszközöket, mivel az akkumulátor bármilyen irányban működik. Továbbra is hasznosak alacsony fogyasztású vagy szakaszosan használt eszközökben, például távirányítókban , zseblámpákban, órákban vagy tranzisztoros rádiókban . A cink-szén száraz cellák egyszer használatos primer cellák . A cink-szén elemeket ma leginkább a hatékonyabb és biztonságosabb alkáli elemek váltották fel .

Történelem

Régi 3 V -os cink -szén akkumulátor (1960 körül), kartondobozzal

1876 -ra a nedves Leclanché cellát mangán -dioxid tömörített blokkjával készítették. 1886 -ban Carl Gassner szabadalmaztatott egy "száraz" változatot , cinkpoharat használva anódként és párizsi vakolat (és később búzaliszt) pasztájaként az elektrolit kocsonyásítására és immobilizálására.

1898 -ban Conrad Hubert a WH Lawrence által gyártott fogyasztói elemeket használta az első zseblámpa működtetéséhez , majd a kettő megalakította az Eveready Battery Company -t . 1900 -ban a párizsi világkiállításon Gassner száraz cellákat mutatott be hordozható világításhoz . A cink -szén cellák stabilitását és kapacitását folyamatosan javították a 20. század folyamán; század végére a kapacitások négyszeresére nőttek az 1910 -es megfelelőhöz képest. A fejlesztések közé tartozik a tisztább minőségű mangán -dioxid, a jobb tömítés és a tisztább cink használata a negatív elektródánál. A cink-klorid cellák (általában "nagy teherbírású" akkumulátorokként kerülnek forgalomba) pasztát használnak, amely elsősorban cink-kloridból áll, amely hosszabb élettartamot és egyenletesebb feszültséget biztosít az ammónium-klorid elektrolithoz képest.

A cinkanódban lévő szennyeződések miatti mellékreakciók növelik a cella önkisülését és korrózióját. Korábban a cinket higanyval (Hg) bevonták, hogy amalgámot képezzen , védve azt. Tekintettel arra, hogy ez környezeti veszélyt jelent, a jelenlegi gyártású akkumulátorok már nem használnak higanyt. A gyártóknak több tisztított cinket kell használniuk, hogy megakadályozzák a helyi hatást és az önkisülést.

2011 -től az Egyesült Királyságban az összes hordozható akkumulátor 20% -a, az EU -ban pedig 18% -a cink -szén akkumulátor volt.

Építkezés

A cink -szén száraz cella tartálya cinkdoboz (anód). A doboz egy NH 4 Cl vagy ZnCl 2 vizes paszta réteget tartalmaz, amely egy papírréteget impregnál, amely elválasztja a cinkdobozt a porított szén (általában grafitpor ) és a mangán (IV) -oxid ( MnO 2 ) keverékétől , amelyet egy szénrúd. A szén az egyetlen praktikus vezetőanyag, mivel minden közönséges fém gyorsan korrodálódik a sóalapú elektrolit pozitív elektródájában.

Cink-szén akkumulátor keresztmetszete

A korai típusok és az olcsó cellák szeparátort használnak, amely keményítő- vagy lisztrétegből áll . A modern cellákban keményítővel bevont papírréteget használnak, amely vékonyabb, és lehetővé teszi több mangán-dioxid felhasználását. Eredetileg a cellákat aszfaltréteggel lezárták, hogy megakadályozzák az elektrolit kiszáradását; újabban hőre lágyuló mosó tömítőanyagot használnak. A szénrúd enyhén porózus, amely lehetővé teszi a felhalmozódott hidrogéngáz távozását, miközben megtartja a vizes elektrolitot. A katódpasztában található mangán -dioxid és szénpor aránya befolyásolja a cella tulajdonságait: több szénpor csökkenti a belső ellenállást , míg több mangán -dioxid javítja a tárolási kapacitást.

A lapos cellákat nagyobb feszültségű, körülbelül 450 voltos feszültségű elemekbe való összeszereléshez készítik. A lapos cellákat egymásra helyezik, és az egész szerelvényt viaszba vonják, hogy megakadályozzák az elektrolit elpárolgását . Az elektronok az anódról a katódra áramlanak a csatlakoztatott eszköz vezetékén keresztül.

Kémiai reakciók

Cink -szén száraz cellában a külső cinktartály a negatív töltésű terminál.

Ammónia -klorid elektrolit

A cink oxidálódik a töltéshordozó , klorid anion (Cl - ) a cink-klorid 2 , keresztül a következő fél-reakciók :

Anód (oxidációs reakció, jelzett -)

Zn + 2 Cl - → ZnCl 2 + 2 e -

Katód (redukciós reakció, +jelzéssel)

2 MnO 2 + 2 NH 4 Cl + H 2 O + 2 e - → Mn 2 O 3 + 2 NH 4 OH + 2 Cl -

Más mellékreakciók is lehetségesek, de a cink -szén cella teljes reakciója a következőképpen ábrázolható

Zn + 2 MnO 2 + 2 NH 4 Cl + H 2 O → ZnCl 2 + Mn 2 O 3 + 2 NH 4 OH

Cink -klorid elektrolit

Ha az ammónium -klorid helyett elektrolitként cink -kloridot használnak , az anódreakció változatlan marad:

Zn + 2 Cl - → ZnCl 2 + 2 e -

és a katódreakció cink -hidroxidot és mangán (III) -oxidot termel .

2 MnO 2 + ZnCl 2 + H 2 O + 2 e - → Mn 2 O 3 + Zn (OH) 2 + 2 Cl -

megadja az általános reakciót

Zn + 2 MnO 2 + H 2 O → Mn 2 O 3 + Zn (OH) 2

Az elem elektromotoros erő (EMF) mintegy 1,5 V-os . Az emf hozzávetőleges természete összefügg a katódreakció összetettségével. Az anód (cink) reakció viszonylag egyszerű, ismert potenciállal. A mellékreakciók és az aktív vegyi anyagok kimerülése növeli az akkumulátor belső ellenállását , ami miatt a terminál feszültsége csökken a terhelés alatt.

Cink-klorid "nagy teherbírású" cella

A cink-klorid cella, amelyet gyakran nagy teherbírású , rendkívül nagy teherbírású , szuper-nagy teherbírású vagy szuper-nagy teherbírású akkumulátornak is neveznek, javítja az eredeti cink-szén cellát, tisztább vegyszereket, és hosszabb élettartamot és egyenletesebb feszültségkimenetet biztosít a használatakor, és körülbelül kétszeres élettartamot kínál az általános célú cink-szén celláknak, vagy akár négyszeresét folyamatos vagy nagy fogyasztású alkalmazásoknál. Ez azonban még mindig töredéke a lúgos cella teljesítményének.

Az alkáli elemek akár nyolcszor akkora élettartamot kínálnak, mint a cink-szén akkumulátorok, különösen folyamatos vagy nagy fogyasztású alkalmazások esetén.

Tárolás

A gyártók azt javasolják, hogy a cink -szén elemeket szobahőmérsékleten tárolják; magasabb hőmérsékleten történő tárolás csökkenti a várható élettartamot . A cink -szén akkumulátorok károsodás nélkül lefagyhatnak; A gyártók azt javasolják, hogy használat előtt állítsák vissza normál szobahőmérsékletre, és kerüljék az akkumulátor burkolatán a páralecsapódást . A 20. század végére a cink -szén cellák tárolási ideje négyszeresére nőtt az 1910 -es várható élettartamhoz képest.

Tartósság

A cink -szén cellák rövid élettartamúak , mivel a cinket ammónium -klorid támadja meg. A cinktartály a cella használata során elvékonyodik, mivel a cink -fém cink -ionokká oxidálódik. Amikor a cinktok eléggé elvékonyodik, cink -klorid kezd szivárogni az akkumulátorból. A régi száraz cella nem szivárgásmentes, és nagyon ragadós lesz, amikor a paszta átszivárog a cinkházban lévő lyukakon. A száraz cellában lévő cink burkolata akkor is vékonyabb lesz, ha a cellát nem használják, mert az akkumulátorban lévő ammónium -klorid reagál a cinkkel. „Kívülről kifelé” formát, szénpohárral és cinklapátokkal a belsejében, bár szivárgásállóbb, az 1960-as évek óta nem gyártják.

A cink -szén akkumulátorok progresszív korróziója

Ez a kép a cink tartályt mutatja a friss elemekről az (a) pontnál, és a lemerült elemeket a (b) és (c) pontnál. A c) pontban látható akkumulátor polietilén védőfóliával volt ellátva (többnyire a fotón eltávolítva), hogy a cink -oxid a burkolaton belül maradjon .

Környezeti hatás

Világszerte évente több ezer tonna cink -szén akkumulátort dobnak ki, és gyakran nem hasznosítják újra.

Az ártalmatlanítás joghatóságonként eltérő. Például az Egyesült Államokban Kalifornia állam minden elemet veszélyes hulladéknak tekint, amikor kidobja, és megtiltotta az elemek más háztartási hulladékkal való megsemmisítését . Európában az akkumulátorok ártalmatlanítását a WEEE -irányelv és az akkumulátor -irányelv előírásai szabályozzák, így a cink -szén akkumulátorokat tilos a háztartási hulladékkal együtt kidobni. Az EU -ban az elemeket árusító üzletek többségét törvény írja elő, hogy a régi elemeket fogadják el újrahasznosításra .

Szétszerelt cink -klorid cella (hasonló a cink -széncellához). 1: teljes cella, 2: acél burkolat, 3: cink -negatív elektróda, 4: szénrúd, 5: pozitív elektróda (mangán -dioxid szénporral és elektrolittal keverve), 6: papírleválasztó, 7: polietilén szivárgásmentes szigetelés, 8: tömítőgyűrűk, 9: negatív kapocs, 10: pozitív kapocs (eredetileg szénrúdhoz csatlakozik).

Lásd még

Hivatkozások

Külső linkek