Principio y análisis del rendimiento de la pila de zinc-carbono
Las pilas de zinc-carbono siguen siendo útiles como pilas recargables aa en aparatos con bajas pérdidas o de uso intermitente, como linternas, mandos a distancia, luces de flash, juguetes, relojes o radios de transistores. La pila de zinc-carbón fue la primera pila seca comercial, desarrollada a partir de la tecnología de la pila húmeda de Leclanché. En la actualidad, las pilas de zinc-carbón han sido sustituidas en su mayor parte por pilas alcalinas más eficaces y seguras.
Principio de funcionamiento de la pila de zinc-carbono
La pila de zinc-carbono es un sistema electroquímico que utiliza el zinc como ánodo (el ánodo envía electrones al circuito, por lo que es el ánodo, y la mezcla de polvo de dióxido de manganeso y otros materiales se utilizan como cátodo;
El electrolito del cloruro de nomonioJelly y el cloruro de zinc se disuelven en agua como electrolito; La cuchilla de la varilla de carbono transmite los electrones del circuito externo de vuelta al cátodo. La mezcla catódica de la pila actúa también como despolarizador.
En términos sencillos, el contenedor de la pila de zinc-carbón es un depósito de zinc. En su interior hay una capa de líquido pastoso compuesto por NH4Cl y ZnCl2, que está separado del carbono en polvo y del dióxido de manganeso por una capa de papel.
Estos polvos se empaquetan alrededor de una varilla de carbono. En esta pila seca, la capa más externa de zinc es el ánodo de la pila. En la semirreacción, el zinc se oxida como se muestra en la siguiente fórmula:
Zn（s） → Zn2+（aq） + 2 e
Una barra de grafito rodeada de polvo de carbono y dióxido de manganeso sirve de cátodo. Entre ellos, el dióxido de manganeso y el carbono en polvo se mezclan para aumentar la conductividad del cátodo. La reacción catódica se muestra en la figura siguiente:
2MnO2（s） + 2 H+（aq） + 2 e → Mn2O3（s） + H2O（l）
El H+ procede del NH4+ (aq):
NH4+（aq） → H+（aq） + NH3（aq）
El NH3 generado puede combinarse con el Zn2+. A lo largo de la semirreacción, el estado de oxidación del manganeso se reduce de +4 a +3. Aunque también pueden producirse muchas reacciones secundarias, la reacción global de la pila de zinc-carbono puede expresarse mediante la siguiente fórmula:
Zn（s） + 2 MnO2（s） + 2 NH4+（aq） → Mn2O3（s） + Zn（NH3）22+（aq）
Sección transversal de una pila de zinc-carbono. 1: tapa metálica (+), 2: varilla de grafito (cátodo), 3: cubierta de zinc (ánodo), 4: dióxido de manganeso, 5: líquido en pasta de cloruro amónico húmedo (electrolito), 6: extremo metálico (- ).
Tensión nominal de la pila de zinc-carbono
La tensión nominal estándar de una pila de zinc-carbono depende del tipo de materiales de ánodo y cátodo utilizados en la pila. En la pila de zinc-carbono, el zinc es el material del cátodo, y el dióxido de manganeso es el material del cátodo.
El zinc tiene un potencial de electrodo de -0,7 voltios y el dióxido de manganeso tiene un potencial de electrodo de 1,28. Por lo tanto, el voltaje teórico de cada pila debería ser -(- 0,76) + 1,23 = 1,99 V, pero teniendo en cuenta muchas situaciones prácticas, el voltaje real de salida de una pila de zinc-carbono estándar no supera los 1,5 V.
La incertidumbre en la fuerza electromotriz se debe a la complejidad de la reacción catódica, en contraste con la reacción anódica (terminal de zinc) que tiene un potencial conocido. El consumo de reacciones secundarias y reactantes activos conduce directamente a un aumento de la resistencia interna de la pila y a una disminución de la fuerza electromotriz de la misma.
Analizar la densidad energética de la pila de zinc-carbono
La masa molar del material catódico dióxido de manganeso es 87 g/mol. En la reacción de la pila, se encontró que dos electrones reducen dos moléculas de dióxido de manganeso. Así, según la constante de Faraday, se pueden proporcionar 28,6 Ah mediante la reducción completa de un mol o 87 gramos de dióxido de manganeso. Por lo tanto, se necesitan 87/26,8 = 3,24 g de dióxido de manganeso para suministrar 1 Ah de electricidad.
La masa molar del material del ánodo, el zinc, es de 65 g/mol. En la reacción de la pila, se encontraron dos electrones para oxidar un átomo de zinc. Por lo tanto, según la constante de Faraday, se pueden proporcionar 28,6 Ah oxidando completamente un mol o 65/2 gramos o 32,5 gramos de zinc. Por lo tanto, se necesitan 32,5/26,8 = 1,21 g de zinc para suministrar 1 Ah de electricidad.
La densidad energética total de la pila de zinc-carbono es de 3,24 g/Ah + 1,21 g/Ah = 4,45 g/Ah =1 / 4,45 Ah/g = 0,224 Ah/g o 224 Ah/Kg. Se trata sin duda de un cálculo teórico, pero en realidad muchos otros materiales contenidos en la pila, como el electrolito, el negro de humo, el agua, su peso no puede omitirse.
Además, hay que tener en cuenta muchas otras condiciones prácticas de la batería. Teniendo todo esto en cuenta, una batería Leclanche práctica de baja descarga tiene una densidad energética de 75 Ah/Kg, mientras que para una batería de uso intensivo y descarga intermitente la densidad energética es de unos 35 Ah/Kg.
Ventajas e inconvenientes de la pila de zinc-carbono
Ventajas de la pila de zinc-carbono
● El coste es bastante bajo
● Disponibles en una gran variedad de formas, tamaños y capacidades.
● Fiabilidad heredada a largo plazo
Desventajas de la pila de zinc-carbono
● Muy baja densidad energética
● Malas características de temperatura, malas características a baja temperatura.
● Poca resistencia a las fugas
● No funciona eficazmente en aplicaciones de alto consumo de corriente.
● Escasa estabilidad de la tensión, la tensión cae de forma constante con la descarga.
| Rendimiento de la pila de zinc-carbono | |
|---|---|
| Energía específica（wh/kg） | 40 wh/kg |
| Potencia específica（w/kg） | 150 c/kg |
| Duración del ciclo (tiempos) | ＞2000 veces |
| Rendimiento de carga | 2~3C |
| Temperatura de trabajo | -20℃-50℃ |
| Seguridad | Sin explosiones ni incendios |
Aplicación de la pila de zinc-carbono
1. Pila de zinc-carbono para vehículos
En el pasado, las baterías de plomo-ácido eran las más utilizadas para los vehículos eléctricos. Pero las baterías de plomo-ácido son demasiado pesadas, tardan mucho en cargarse con una sola carga y tienen una distancia de conducción corta, que no puede compararse con la de los vehículos de gasolina. Estos problemas pueden resolverse mejor utilizando en su lugar baterías de zinc-carbono. En comparación con las baterías de plomo-ácido, la batería de zinc-carbono tiene las características de gran capacidad, alta densidad y poco peso, y reúne las condiciones básicas para el suministro de energía de los vehículos eléctricos.
Ahora hay muchos batería de litio sustitución de plomo ácido utilizada, la batería de litio es ligera de peso y pequeña de tamaño, y tiene excelentes prestaciones de protección medioambiental. En la actualidad, como producto de gama alta, se utiliza como batería de moto y una batería para vehículos eléctricos. El coste de fabricación es relativamente alto, y el coste es la ventaja de la pila de zinc-carbono.
2. Batería de zinc-carbono para la regulación de picos en centrales eléctricas
La sociedad actual consume cada vez más electricidad, pero el consumo eléctrico no es uniforme. A menudo se utiliza más durante el día y menos por la noche. Hay picos y valles en el consumo de electricidad, y la diferencia es cada vez mayor. La solución actual a este problema es el almacenamiento hidroeléctrico por bombeo. Aunque esta medida puede resolver el problema, tiene tres desventajas: en primer lugar, ocupará una superficie muy grande, y las centrales hidroeléctricas no pueden construirse en cualquier sitio.
En segundo lugar, cuesta demasiado dinero. Construir una central hidroeléctrica cuesta cientos de millones o miles de millones. En tercer lugar, hay mucho despilfarro. De la electricidad al agua, y de vuelta del agua a la electricidad, la pérdida de energía es de unos 40%. Con la pila de zinc-carbono, el problema no será tan grave. Según los cálculos teóricos, sólo una décima parte de la construcción de una central hidroeléctrica es suficiente para la ocupación del terreno y la inversión. En cuanto a la pérdida de potencia, no supera los 20% a partir de los pequeños datos de prueba.
