En mangan-zinkcell , ett saltbatteri , även känd som en Leclanchet-cell , är en primär kemisk strömkälla där katoden är mangandioxid MnO 2 (pyrolusit) blandad med grafit (ca 9,5%), elektrolyten är en lösning av ammoniumklorid NH 4 Cl , anodmetallisk zink Zn . _
Det är det mest kända primära batteriet (engångskälla för kemisk ström), som idag används allmänt i bärbara enheter. Till en början fylldes cellerna med flytande elektrolyt. Därefter började elektrolyten tjockna med hjälp av stärkelsehaltiga ämnen - detta gjorde det möjligt att tillverka mer praktiska batterier, kallade torra, där möjligheten för elektrolytläckage minimeras. Till skillnad från en alkalisk cell , där KOH-alkali används som en elektrolyt, är en mangan-zinkcell en saltcell, eftersom den använder salt, ammoniumklorid, som en elektrolyt.
Det första mangan-zinkelementet sattes ihop av Georges Leclanchet 1865 [1] . Även om provet av elementet var sämre i sina parametrar än Daniel Jacobi och Bunsen Wilhelm , kända på den tiden, tog Leclanchet-element snart första platsen. Enkelhet och säkerhet vid tillverkning och drift, ett brett spektrum av driftstemperaturer och andra fördelar säkerställde den intensiva utvecklingen av produktionen av dessa element. Redan 1868 producerades mer än 20 tusen av dem. [2]
När ström förbrukas strömmar elektroner genom en extern elektrisk krets från zinkelektroden till kolstaven. Följande reaktioner äger rum:
Anod: Zn → Zn 2+ + 2e −
På en kolstav spenderas elektroner på reduktion av H 3 O + - joner:
Katod: 2H 3 O + + 2e - → H 2 + 2H 2 O
H 3 O + -joner bildas som ett resultat av partiell protolys av NH 4 + - elektrolytjoner:
NH4 + + H2O ↔ H3O + + NH3 _ _
När H 3 O + - joner reduceras bildas väte , som inte kan avlägsnas (höljet är förseglat) och bildar ett gasskikt runt kolstaven ( polarisering av kolelektroden). På grund av detta avtar strömmen långsamt. För att undvika bildning av väte omges kolelektroden av ett lager av mangandioxid (MnO 2 ). I närvaro av mangandioxid reduceras H 3 O + -joner för att bilda vatten:
2MnO2 + 2H3O + + 2e - → 2MnO (OH) + 2H2O
På så sätt undviks polarisering av elektroden, och mangandioxid kallas en depolarisator.
Elektrolyten NH 4 Cl dissocierar och protolyseras delvis:
2NH4Cl + 2H2O ↔ 2NH3 + 2H3O + + 2Cl - _
Zn 2+ -jonerna som bildas vid anoden kommer in i lösningen och bildar ett svårlösligt salt :
Zn2 + + 2NH3 + 2Cl- → [Zn ( NH3 ) 2 ] Cl2Allt som allt:
Anod: Zn - 2e - → Zn 2+ Katod: 2MnO2 + 2H3O + + 2e − → 2MnO (OH) + 2H2O Elektrolytlösning: Zn 2+ + 2NH 4 + + 2Cl − + 2H 2 O ↔ [Zn (NH 3 ) 2 ] Cl 2 + 2H 3 O +Allmän reaktion: Zn + 2MnO 2 + 2NH 4 Cl → 2MnO (OH) + [Zn (NH 3 ) 2 ]Cl 2 Under urladdning löses zinkkoppen. För att undvika läckage av elektrolyten eller reaktionsprodukterna har koppen en tjockleksmarginal eller är omgiven av ett skyddande järnskal.
Elektroderna i den "torra cellen" är en zinkkopp och en kolstav . Därför kallas det torra grundämnet även kol-zink. Den positiva elektroden "+" är en kolstav, den negativa elektroden är en zinkkopp. Kolstaven är omgiven av en blandning av mangandioxid MnO 2 och kol (sot). Elektrolyten är en lösning av ammoniumklorid NH 4 Cl med en liten tillsats av zinkklorid ZnCl 2 , förtjockad med stärkelse och mjöl - detta är nödvändigt så att elektrolyten inte kan läcka eller torka ut under lagring och drift av elementet. Men om den används felaktigt eller förvaras för länge kan elektrolyten fortfarande läcka eller torka ut.
När zinkkoppen töms, täcks den med ett lager av zinkdiaminklorid, på grund av vilket elementets inre motstånd ökar. Det är möjligt att delvis återställa elementets kapacitet genom att ta bort skiktet av zinkdiamminklorid från zinkkoppens yta. Detta kan göras på flera sätt:
Den andra metoden kallas ofta felaktigt för laddning. Båda metoderna innebär risk för skador på zinkkoppen och elektrolytläckage. Dessutom kan denna metod också leda till explosion av elementet.
En annan vanlig orsak till kapacitetsförlust är torkning av elektrolyten. Detta inträffar vanligtvis när elementet används under lång tid i enheter som förbrukar låg ström (till exempel elektroniska klockor), eller efter en lång tids lagring. I det här fallet är återhämtning möjlig efter att batteriet har injicerats med vatten, men efter det är det nödvändigt att stänga hålet tätt, annars kan elektrolyten snart torka ut igen eller börja läcka.
Ett annat känt fel är korrosion (oxidation) av zinkkoppen. Som ett resultat av oxidation blir glaset tunnare, och även (när kontaktdynorna oxideras) - en ökning av elementets motstånd. Korrosion kan även senare spridas till andra metalldelar nära batteriet. Det oxiderade elementet kan inte återställas.
Zinkkoppen ("-" elektroden) är delvis öppen, under den finns en papperskopp impregnerad med elektrolyt och fylld med bituminös mastix
Zinkkoppen tas bort, kolstaven ("+"-elektroden), intryckt i kontaktlocket "+", demonteras
Inuti papperskoppen är pressat mangan-grafitpulver med en kanal för "+"-elektroden
Alla primära strömkällor, med undantag för silver-zink, har ett stort internt motstånd - tiotals ohm, vilket inte tillåter dem att laddas ur av höga strömmar på grund av ett för stort spänningsfall över det interna motståndet. Detta måste beaktas när du använder dem som strömkällor.
Saltbatterier är mest effektiva i enheter med medelhög och låg strömförbrukning, till exempel i fjärrkontroller och klockor, på grund av den långsammare självurladdningen saltlösningsbatteri (mot alkaliska batterier).