باتری کربن روی/ انواع باطری کربن روی/ مزایا و معایب

باطری کربن روی در طی 100 سال گذشته مورداستفاده‌قرارگرفته‌است. به‌طور کلی دونوع باطری کربن روی وجود داردکه در دسترس‌است – باطری لک لانچ و باتری کلرید روی هر دو باتری اولیه  هستند(قابلیت شارژ و دشارژ ندارند). این باتری توسط Goerge Lionel Lllanche در سال 1866 اختراع شد. این اولین باتری بود که در آن از الکترولیت های خورنده کم مانند کلرید آمونیوم استفاده‌شده است. قبل از آن فقط اسیدهای معدنی قوی به عنوان الکترولیت سیستم باتری استفاده می‌شدند.

در این سلول باطری از یک شیشه به عنوان ظرف اصلی‌استفاده شده است. ظرف با محلول کلرید آمونیوم به عنوان الکترولیت پر شد. یک میله روی مخلوط شده در این الکترولیت به عنوان الکترود منفی یا آند غوطه ور شد. در سلول باتری ، یک محفظه متخلخل با یک مخلوط دی اکسید منگنز و پودر کربن پر شد. یک میله کربن در این مخلوط واردشد.

محفظه متخلخل به همراه مخلوط و میله کربن به عنوان الکترود یا کاتد مثبت عمل می‌کردند و این در محلول کلرید آمونیوم در شیشه قرار می‌گرفت. در سال 1876 ، لکانچ خودش نمونه اولیه طراحی باتری کربن روی را بهبود بخشید. در اینجا او یک چسب آدامس رزین را با دی اکسید منگنز و پودر کربن مخلوط کرد تا با فشار هیدرولیک یک بلوک جامد فشرده شده از مخلوط تشکیل‌شود. با توجه به این ساختار جامد مخلوط کاتد ، دیگر نیازی به محفظه متخلخل در سلول باتری Leclanche  نیست.

در سال 1888

دکتر کارل گاسنر ، ساخت سلول لکلانچ را توسعه داد. در اینجا او به جای کلرید آمونیوم مایع ، از خمیر گچ پاریس و کلرید آمونیوم به عنوان الکترولیت‌استفاده‌کرد. او به جای قرار دادن میله روی در داخل الکترولیت در ظرف شیشه ای ، وی ظرف را توسط خود روی درست‌کرد. از این رو این ظرف همچنین به عنوان آند باتری عمل‌می‌کند. وی با پوشاندن پارچه های اشباع شده کلرید روی – کلرید آمونیوم به بلوک مخلوط کاتد استوانه ای ، عملکرد شیمیایی موضعی را در باتری خود به‌حداقل‌رساند.

بعداً او گچ پاریس را با آرد گندم ، در مخلوط الکترولیت جایگزین‌کرد. این اولین طراحی تجاری سلول باتری کربن روی خشک بود. این پایان کار نبود. باتری لکلانچه برای پاسخگویی به تقاضای جاری بازار در قرن بیستم ساخته شد. بعداً از کربن استیلن سیاه به عنوان جمع کننده جریان کاتد استفاده‌شد. این رسانا تر از گرافیت‌است. توسعه در سیستم جدا کننده و سیستم تهویه دریچه نیز انجام شده‌است.

پس از سال 1960 ، تلاش های بیشتری برای تولید سلول باطری کلرید روی انجام شد. این باطری همچنین نسخه محبوب باطری کربن روی است. در اینجا ، کلرید روی به جای کلرید آمونیوم به عنوان الکترولیت مورد استفاده‌قرار می‌گیرد. این به منظور ارائه عملکرد بهتر در کابربرها با تخلیه سنگین ایجاد شده‌است. به عبارت دیگر ، باتری کلرید روی جایگزین باتری لکلانچه در کاربردهای تخلیه سنگین‌است.

واکنش شیمیایی در باتری کربن روی

در سلول باطری لکلانچه ، روی به عنوان آند مورد استفاده‌قرار می‌گیرد ، دی اکسید منگنز به عنوان کاتد و کلرید آمونیوم به عنوان الکترولیت اصلی مورد استفاده‌قرار می‌گیرد ، اما در الکترولیت درصد ی از کلرید روی وجود دارد.

و در سلول باطری کلرید روی ، روی به عنوان آند مورد استفاده‌قرار می گیرد ، دی اکسید منگنز به عنوان کاتد و کلرید روی به عنوان الکترولیت مورد استفاده‌قرار‌می‌گیرد.

در هر دو باطری کربن روی ، در هنگام تخلیه ، آند روی در واکنش اکسیداسیون دخیل است و هر اتم روی که در این واکنش وجود دارد ، دو الکترون آزاد‌می‌کند.

این الکترون ها از طریق مدار بار به کاتد می‌آیند.

در سلول باطری لکلانچه کلرید آمونیوم( NH₄Cl) در مخلوط الکترولیت به عنوان NH₄ و Cl – وجوددارد. در کاتد MnO₂ در واکنش با یون آمونیوم( NH₄ +) به Mn₂O₃ کاهش می یابد. این واکنش علاوه بر Mn₂O₃ باعث ایجاد آمونیاک( NH₃) و آب (H₂0) می‌شود.

اما در طی این فرایند شیمیایی برخی از یونهای آمونیوم NH₄ +)) به طور مستقیم توسط الکترونها کاهش می‌یابند و آمونیاک گازی( NH₃) و هیدروژن( H₂) را تشکیل‌می‌دهند.

در باطری کربن روی این گاز آمونیاک بیشتر با کلرید روی ( ZnCl₂) واکنش نشان می‌دهد و کلرید آمونیوم روی جامد را تشکیل‌می‌دهد و هیدروژن گازی با دی اکسید منگنز واکنش نشان می‌دهد تا تری اکسید منگنز جامد و آب را تشکیل‌دهد. این دو واکنش مانع از ایجاد فشار گاز در هنگام تخلیه باتری می‌شوند.

واکنش کلی برابر است با،

باتری کلرید روی یک نسخه بهبود یافته از باتری کربن روی‌است. این باتری ها معمولاً به عنوان باتری با وزن سنگین شناخته می‌شوند. یک سلول کلرید روی فقط دارای خمیر کلرید روی ZnCl2)) به عنوان الکترولیت است. این باتری نسبت به باتری کربن روی با هدف کلی دارای ، جریان ، ولتاژ و عمر بیشتری‌است. واکنش کاتد برابر است با،

واکنش کلی برابر است با ،

ولتاژ نامی باتری کربن روی

 ولتاژ نامی استاندارد باتری کربن روی با توجه به نوع آند و مواد کاتدی مورد استفاده در سلول باتری تعیین می‌شود. در سلول باتری کربن روی ، روی ماده آند و دی اکسید منگنز ماده کاتدی‌است. پتانسیل الکترود روی – 0.7  ولت است در حالی که پتانسیل الکترود دی اکسید منگنز 1.28است.

بنابراین ، ولتاژ تیوری هر سلول باید– (- 0.76) + 1.23 = 1.99 V  ولت باشد ، اما با توجه به بسیاری از شرایط عملی ، میزان ولتاژ واقعی باتری کربن روی استاندارد بیشتر از 1.5 ولت نیست.

تراکم انرژی سلول باطری کربن روی

 وزن مولر مواد کاتد ، دی اکسید منگنز 87 گرم در مول‌است. در اینجا در واکنش باتری مشاهده می شود که دو الکترون دو مولکول دی اکسید منگنز را کاهش می دهند. از این رو ، طبق ثابت 6/28 فارادی با کاهش کامل یک مول یا 87 گرم دی اکسید منگنز قابل تحویل است. بنابراین ، 87 / 26.8 = 3.24 گرم دی اکسید منگنز برای تأمین برق 1 Ah مورد نیاز‌است.

وزن مولی آند ، روی 65 گرم در مول است. در واکنش باتری مشاهده می‌شود که دو الکترون یک اتم روی را اکسیده می‌کنند. از این رو ، مطابق با ثابت 6/28 فارادی ، می توان با اکسیداسیون کامل یک مول یا 65/2 گرم یا 32.5 گرم روی تحویل داد. بنابراین ، روی32.5/26.8 = 1.21 g  برای تأمین 1 آمپرساعت برق لازم‌است.

تراکم انرژی کل باتری کربن 3.24 g/Ah + 1.21 g/Ah = 4.45 g/Ah =1 / 4.45 Ah/g = 0.224 Ah/g or 224 Ah/Kg است. این محاسبه کاملاً نظری است ، اما در عمل بسیاری از مواد دیگر مانند ، الکترولیت ، کربن سیاه ، آب موجود در باتری وجود دارد که  وزن آنها را نمی توان از در نظرگرفت. علاوه بر این بسیاری از شرایط عملی دیگر باید در باتری در نظر گرفته شود. با در نظر گرفتن همه موارد حساب شده ، یک باتری لک لانچ با تخلیه کم دارای چگالی انرژی 75 Ah / Kg و یکسان برای باتری های تخلیه سنگین و متناوب ، حدود 35 Ah / Kg‌است.

انواع باطری 

1. باطری لک لانچه
2. باطری کلرید روی.

باتری لک لانچ از دو نوع اصلی ، سلول های با عملکرد عمومی و سلول های با عملکرد سنگین‌است.

در باتری لک لانچ با هزینه کم از نوع عملکرد عمومی ، از روی خالص به عنوان آند استفاده می شود ، کلرید آمونیوم به عنوان الکترولیت اصلی به همراه درصد کلرید روی استفاده می شود. در اینجا سنگ دی اکسید منگنز طبیعی به عنوان ماده کاتدی مورد استفاده قرار می گیرد. این باطری ها معمولاً در جایی استفاده می شوند که هزینه بیشتر از عملکرد آنها یک عامل حیاتی‌است.

استفاده از باطری لک لانچ با عمکرد صنعتی سنگین تحت سلطه باتری کلرید روی است ، اما هنوز برخی از تولید کنندگان با افزودن دی اکسید منگنز الکترولیتی یا شیمیایی به همراه سنگ معدن دی اکسید منگنز به عنوان کاتد ، تولید باطری با عملکرد  سنگین [1]را ارائه می دهند.

در باطری کلرید روی با عملکرد  عمومی ، از روی خالص به عنوان آند استفاده می‌شود. کلرید روی به عنوان الکترولیت استفاده می‌شود. بعضی اوقات مقدار کمی کلرید آمونیوم به الکترولیت اضافه می شود. در اینجا همچنین سنگ معدن دی اکسید منگنز طبیعی به عنوان ماده کاتدی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

برای کاربردهای سنگین صنعتی

، دی اکسید منگنز الکترولیتی در کاتد به دی اکسید منگنز سنگ معدن طبیعی اضافه می‌شود. این باطری ها در رقابت با باتری های سنگین Leclanche هستند. این باطری نسبت به سلول Lllanche دارای نشتی کمی هستند.

در سلول کلرید روی با عملکرد سنگین و فوق العاده سنگین ، مقدار بسیار کمی کلرید آمونیوم به الکترولیت کلرید روی افزوده می‌شود. مقدار کلرید روی باید کمتر از 1٪ از وزن کاتد آن باشد. اکسید منگنز سنگ معدن توسط اکسید منگنز الکترولیت در مواد کاتدی جایگزین می‌شود. این سلول ها از جداکننده کاغذ پوشیده شده با نشاسته متصل یا اصلاح شده استفاده می‌کنند ، که باعث افزایش پایداری آنها در الکترولیت می‌شود. باتری کلرید روی سنگین یا فوق العاده سنگین در جایی استفاده می‌شود که عملکرد بسیار خوبی حتی با هزینه زیاد انجام شود. در دمای پایین عملکرد خوبی دارد که در صورت استفاده از سلول Lllanche امکان پذیرنیست.

انواع باتری های کربن روی با توجه به اندازه

مزایا و معایب

از مزایای باطری کربن روی می توان به شرح زیر اشاره کرد.

مزایای باطری Leclanche

1. هزینه این باتری بسیار کم‌است.
2. اشکال ، اندازه و ظرفیت های مختلف این سلول ها به راحتی در دسترس‌است.
3. قابلیت اطمینان طولانی.

معایب باطری Leclanche

1. چگالی انرژی آن بسیار کم‌است.
2. در دمای ظرفیت کمتری ارائه می‌دهد.
3. مقاومت نشتی ضعیفی دارد.
4. در کابربرد در تخلیه با جریان بالا کارآمد نیست.
5. طول عمر خیلی خوبی ندارد.
6. ولتاژ آن به طور مداوم با تخلیه افت می‌کند.

مزایای باطری کلرید روی

1. چگالی انرژی بالاتر در باتری کلرید روی موجوداست.
2. باطری کلرید روی در شرایط تخلیه سنگین از راندمان بالایی برخورداراست.
3. عملکرد خوبی در دمای کم برخورداراست.
4. مقاومت نشتی کمتری‌دارد.

1. سرعت انشار گاز این باطری بیشتراست.

این باطری حساسیت بیشتری به اکسیژن دارد.

[1] Heavy duty

 

مقالات مرتبط :

عملکرد باتری سربی اسیدی ثانویه | باتری ذخیره سازی سربی اسیدی ثانویه

اصول الکترولیز/ الکترولیت سولفات مس

نگهداری و تست های دوره ای باتری ها( اسیدی – نیکل کادمیوم و …)

باتری منیزیم /  ساختار باتری منیزیم

 

لینک زبان اصلی مقاله :

Zinc Carbon Battery |Types of Zinc Carbon Battery | Advantages and Disadvantages