باتری کربن زینک

نیاز به تامین انرژی از گذشته تا به امروز از دغدغه های بشر بوده و اختراع باتری پاسخ مناسبی به این دغدغه ی بشر بود. امروزه اکثر دستگاه های مورد استفاده بشر به صورت قابل حمل طراحی می شوند پس نیاز به باتری برای تامین انرژی به صورت روزافزون افزایش می یابد. باتری  کربن زینک یا روی که گاها با نام باتری های لکلانژه (Leclanché ) نیز شناخته می شوند، اولین باتری های تجاری هستند. اولین بار فردی به نام “کارل گاسنر ” سلول خشک آن را اختراع و ثبت کرد. اختراع گاستر طی چند سال حالت منجسم پیدا کرد و در سال 1900 اولین نمونه آن به نمایش گذاشته شد . تا پایان قرن بیستم ظرفیت این نوع باتری ها به صورت چشمگیری افزایش یافت و تا 4 برابر ظرفیت نمونه های اولیه رسید.

باتری های زینک کربن به دلیل داشتن قیمت مناسب، خطرناک نبودن برای محیط زیست ، در دسترس بودن در تمامی مناطق و فروشگاه ها و… سهم عمده ای از بازار مشتریان را به خود اختصاص داده اند.

ویژگی های عمومی

موارد نامبرده شده در جدول زیر از جمله ویژگی های باتری های زینک کربن است:

• تکنولوژی ساده در عین حال قابل اعتماد
• قیمت مصرف کننده ی مناسب نسبت به دیگر تکنولوژی ها
• قابل دسترسی در سراسر جهان برای مصرف کنندگان
• سازگاری با انواع لوازم مصرفی خانگی
• طیف وسیع ابعادی
• عمر نگهداری در قفسه مطلوب ( حدود 3 سال)

ساختار و ترکیبات شیمیایی

باتری های کربن زینک از سه قسمت اصلی آند،کاتد و الکترولیت تشکیل شده اند. یک آند روی، یک کاتد دی اکسید منگنز و یک الکترولیت کلرید آمونیوم یا کلرید روی که در آب حل می شود، سلول کربن روی را تشکیل می دهند. مخلوط کاتد ،اغلب یک مخلوط مرطوب از کربن سیاه خاص، پودر دی اکسید منگنز، یک الکترولیت و یک محلول است. برای جلوگیری از اتصال کوتاه بین آند و کاتد یک جداکننده ی کاغذی در باتری تعبیه می شود.

ساختار کلی سلول

در این بخش ساختار کلی باتری های زینک کربن بر اساس تولیدات شرکت “سام عرش پارسه” تشریح می شود.

باتری استوانه ای : بدنه ی باتری را یک ظرف از جنس روی (آند) تشکیل می دهد. در مرحله ی بعد دیواره ی داخلی و کف ظرف به صورت کامل با  جدا کننده ی کاغذی پوشانده می شود. کاغذ جدا کننده آغشته به آمونیوم کلرید (NH4Cl)و یک ماده ی غلیظ کننده است . این ترکیب یک خمیر الکترولیت آبی را ایجاد می کند. جداکننده کاغذی از تماس ظرف روی (آند) با کاتد، که مخلوطی از کربن پودری (معمولا پودر گرافیت) و اکسید منگنز  (MnO2) (IV) است جلوگیری می کند. این مخلوط پودری در اطراف میله ای از جنس کربن قرار می گیرد. کربن تنها ماده ی رسانا کاربردی برای این ساختار می باشد چراکه هر ماده ی رسانای فلزی در تماس با این محلول های بر پایه ی نمک در الکترود مثبت به سرعت دچار خوردگی خواهد شد. میله کربن کمی متخلخل است، که به اتم های هیدروژن باردار اجازه می دهد تا گاز هیدروژن را تشکیل دهند. نسبت دی اکسید منگنز و پودر کربن در خمیر کاتد بر ویژگی های سلول تأثیر می گذارد: پودر کربن بیشتر مقاومت داخلی را کاهش می دهد، در حالی که دی اکسید منگنز بیشتر ظرفیت ذخیره سازی را بهبود می بخشد.

در نهایت بعد از اضافه شدن چسب قطعه ی فلزی زائده داری که به عنوان قطب مثبت باتری می شناسیم در جای خود قرار می گیرد و پلمپ می شود تا این سیستم بسته بتواند با قرار گرفتن در یک مدار بسته ، انرژی مورد نیاز مدار را تامین کند.

واکنش های شیمیایی داخل سلول :

واکنش های شیمیایی زیر در یک سلول کربن زینک اتفاق می افتد:

• الکترولیت آمونیوم کلرید

نیم واکنش اکسایش  در آند:

Zn + 2 Cl− → ZnCl2 + 2 e−

 نیم واکنش کاهش در کاتد :

2 MnO2 + 2 NH4Cl + H2O + 2 e− → Mn2O3 + 2 NH4OH + 2 Cl−

و واکنش نهایی کلی به صورت زیر است :

Zn + 2 MnO2 + 2 NH4Cl + H2O → ZnCl2 + Mn2O3 + 2 NH4OH

• الکترولیت زینک کلرید

اگر الکترولیت زینک کلرید به جای آمونیوم کلرید استفاده شود، نیم واکنش اکسایش در آند مثل قبل است

نیم واکنش اکسایش  در آند:

Zn + 2 Cl− → ZnCl2 + 2 e−

نیم واکنش کاهش در کاتد :

در طی این نیم واکنش، زینک هیدروکسید و منگنز(III) اکسید تولید می شود .

2 MnO₂ + ZnCl₂ + H₂O + 2 e⁻ → Mn₂O₃ + Zn(OH)₂ + 2 Cl⁻

و واکنش نهایی کلی به صورت زیر است :

Zn + 2 MnO₂ + H₂O → Mn₂O₃ + Zn(OH)₂

واکنش های جانبی و تخلیه مواد شیمیایی فعال باعث افزایش مقاومت داخلی باتری می شود که باعث می شود ولتاژ ترمینال تحت بار کاهش یابد.

سلول های زینک کلرید: Heavy duty

سلول های زینک کلرید که معمولا با عنوان هایی نظیر  heavy–duty وsuper-heavy-dutyیا    extra-heavy-duty شناخته می شوند، در واقع نمونه ی بهبود یافته ی سلول ها ی زینک کربن می باشند. استفاده از مواد اولیه با خلوص بالاتر ،عمر طولانی تر و ثبات ولتاژ خروجی بهتر در این نوع سلول ها را به همراه دارد. همین تغییر موجب شده تا عمر این وع باتری تسبت به نمونه های اولیه ی کربن زینک تا حدود 2 الی 4 برابر افزایش داشته باشد.

ویژگی های عملکردی :

• ولتاژ: ولتاژ نامی این نوع سلول 1.5 ولت می باشد ولی در واقعیت بازه ی استاندارد ولتاژ اولیه بین 1.5 تا 1.73 ولت است. وقتی ولتاژ سلول تا سطح 0.9 ولت کاهش می یابد می گوییم باتری تخلیه یا دشارژ شده است.
• مقاومت داخلی : مقاومت داخلی این نوع سلول بین 1 الی 2 اهم در شرایط شارژ می باشد. دشارژ شدن باتری باعث می شود تا مقاومت داخلی به تدریج افزایش یابد.
• شرایط محیطی : برای عملکرد مناسب باتری ها ، دمای محیط باید بین 15- تا 55 درجه ی سانتی گراد می باشد. مطلوب ترین دما برای عملکرد بازه های کوچک نزدیک به دمای اتاق است و در دما ها ی زیر 0 درجه ی سانتی گراد در عملکرد باتری اختلال ایجاد می شود. رطوبت مطلوب برای این باتری ها نیز بین 15 الی 55 درصد است.

کاربرد های باتری

به علت تنوع بالای ابعادی و شکلی این نوع از سلول ، این سلول کاربرد زیادی در مصارف خانگی دارد. از جمله

• ساعت های دیواری و رومیزی
• اسباب بازی های با مصرف پایین
• رادیو
• کنترل تلویزیون
• چراغ قوه ها
• و….

باید خاطر نشان کرد که این باتری ها به خاطر ظرفیت پایین تری که نسبت به سایر انواع سلول ها از جمله سلول ها ی آلکالاین دارند، برای وسایل پر مصرف استفاده نمی شوند.

ماندگاری باتری

سلول های روی کربن ماندگاری بالایی ندارند. دلیل عمر کمتر این سلول ها نسبت به انواع دیگر سلول ها ی اولیه این است که روی توسط کلرید آمونیوم مورد حمله قرار می گیرد.فلز روی اکسید شده به یون روی تبدیل می شود و همین واکنش شیمیایی باعث نازک و نازک تر شدن دیواره ی سلول می شود. هنگامی که محفظه روی به اندازه کافی نازک می شود، کلرید روی شروع به نشت از باتری می کند. به همین علت نمی توان این باتری ها را برای مدت های طولانی بدون استفاده نگهداری کرد.

تاثیرات محیط زیستی 

نحوه ی دور انداختن این نوع از باتری بیشتر به کشوری که در آن زندگی می کنید بستگی دارد . ایالات متحده ی آمریکا این نوع سلول را جزو زباله ها ی خطرناک دسته بندی می کند. به شدت توصیه می شود تا این نوع باتری را با زباله های دیگر دور نیندازید. مراکزی برای دریافت باتری های مصرف شده جهت ارسال برای بازیافت وجود دارد و بهترین راه دور انداختن باتری جدا کردن آن از سایر زباله ها در کیسه ای جداگانه است .