Principe et analyse des performances de la batterie zinc-carbone
Les piles zinc-carbone sont encore utiles en tant que piles rechargeables aa dans les appareils à faibles pertes ou à usage intermittent, tels que les lampes de poche, les télécommandes, les lampes flash, les jouets, les horloges ou les radios à transistors. La pile zinc-carbone a été la première pile sèche commerciale, développée à partir de la technologie de la pile humide Leclanché. Aujourd'hui, les piles zinc-carbone ont pour la plupart été remplacées par des piles alcalines plus efficaces et plus sûres.
Le principe de fonctionnement de la pile zinc-carbone
La pile zinc-carbone est un système électrochimique qui utilise le zinc comme anode (l'anode envoie des électrons au circuit, c'est donc l'anode, et le mélange de poudre de dioxyde de manganèse et d'autres matériaux sont utilisés comme cathode) ;
Electrolyte du chlorure de nomoniumLa gelée et le chlorure de zinc sont dissous dans l'eau en tant qu'électrolyte ; la lame de carbone transmet les électrons du circuit externe à la cathode. Le mélange cathodique de la batterie agit également comme un dépolariseur.
En termes simples, le contenant de la pile zinc-carbone est un réservoir de zinc. À l'intérieur se trouve une couche de liquide pâteux composé de NH4Cl et de ZnCl2, qui est séparée du carbone en poudre et du dioxyde de manganèse par une couche de papier.
Ces poudres sont placées autour d'une tige de carbone. Dans cette pile sèche, la couche de zinc la plus externe est l'anode de la pile. Dans la demi-réaction, le zinc est oxydé comme le montre la formule suivante :
Zn（s） → Zn2+（aq） + 2 e
Une tige de graphite entourée de poudre de carbone et de dioxyde de manganèse sert de cathode. Le dioxyde de manganèse et la poudre de carbone sont mélangés pour augmenter la conductivité de la cathode. La réaction de la cathode est illustrée dans la figure ci-dessous :
2MnO2（s） + 2 H+（aq） + 2 e → Mn2O3（s） + H2O（l）
H+ provient de NH4+ (aq) :
NH4+（aq） → H+（aq） + NH3（aq）
Le NH3 généré peut se combiner avec Zn2+. Tout au long de la demi-réaction, l'état d'oxydation du manganèse a été réduit de +4 à +3. Bien que de nombreuses réactions secondaires puissent également se produire, la réaction globale de la pile zinc-carbone peut être exprimée par la formule suivante :
Zn（s） + 2 MnO2（s） + 2 NH4+（aq） → Mn2O3（s） + Zn（NH3）22+（aq）
Coupe transversale d'une pile zinc-carbone. 1 : capuchon métallique (+), 2 : tige de graphite (cathode), 3 : enveloppe de zinc (anode), 4 : dioxyde de manganèse, 5 : pâte liquide humide de chlorure d'ammonium (électrolyte), 6 : extrémité métallique (- ).
Tension nominale de la pile zinc-carbone
La tension nominale standard d'une pile zinc-carbone dépend du type de matériaux d'anode et de cathode utilisés dans la pile. Dans une pile zinc-carbone, le zinc est le matériau de la cathode et le dioxyde de manganèse est le matériau de la cathode.
Le zinc a un potentiel d'électrode de -0,7 volt et le dioxyde de manganèse a un potentiel d'électrode de 1,28. Par conséquent, la tension théorique de chaque pile devrait être de -(- 0,76) + 1,23 = 1,99 V, mais compte tenu de nombreuses situations pratiques, la tension réelle de sortie d'une pile zinc-carbone standard ne dépasse pas 1,5 V.
L'incertitude de la force électromotrice est due à la complexité de la réaction cathodique, contrairement à la réaction anodique (borne de zinc) qui a un potentiel connu. La consommation de réactions secondaires et de réactifs actifs entraîne directement une augmentation de la résistance interne de la batterie et une diminution de la force électromotrice de la batterie.
Analyser la densité énergétique d'une batterie zinc-carbone
La masse molaire du matériau de la cathode, le dioxyde de manganèse, est de 87 g/mol. Dans la réaction de la batterie, on a constaté que deux électrons réduisaient deux molécules de dioxyde de manganèse. Ainsi, selon la constante de Faraday, 28,6 Ah peuvent être fournis par la réduction complète d'une mole ou 87 grammes de dioxyde de manganèse. Par conséquent, 87/26,8 = 3,24 g de dioxyde de manganèse sont nécessaires pour fournir 1 Ah d'électricité.
La masse molaire du matériau de l'anode, le zinc, est de 65 g/mol. Dans la réaction de la batterie, deux électrons ont été trouvés pour oxyder un atome de zinc. Par conséquent, selon la constante de Faraday, 28,6 Ah peuvent être fournis en oxydant complètement une mole ou 65/2 grammes ou 32,5 grammes de zinc. Par conséquent, 32,5/26,8 = 1,21 g de zinc sont nécessaires pour fournir 1 Ah d'électricité.
La densité énergétique totale de la pile zinc-carbone est de 3,24 g/Ah + 1,21 g/Ah = 4,45 g/Ah =1 / 4,45 Ah/g = 0,224 Ah/g ou 224 Ah/Kg. Il s'agit bien d'un calcul théorique, mais en fait, de nombreux autres matériaux contenus dans la pile, tels que l'électrolyte, le noir de carbone, l'eau, son poids ne peut être omis.
En outre, de nombreuses autres conditions pratiques doivent être prises en compte dans la batterie. Tout bien considéré, une batterie Leclanche pratique à faible décharge a une densité énergétique de 75 Ah/Kg, tandis que pour une batterie à usage intensif et à décharge intermittente, la densité énergétique est d'environ 35 Ah/Kg.
Avantages et inconvénients de la pile zinc-carbone
Avantages de la pile zinc-carbone
● Le coût est assez faible
● Disponibles dans une variété de formes, de tailles et de capacités.
● Fiabilité à long terme de l'héritage
Inconvénients de la pile zinc-carbone
● Très faible densité énergétique
● Caractéristiques de température médiocres, caractéristiques de basse température médiocres.
● Faible résistance aux fuites
● N'est pas efficace dans les applications à forte consommation de courant.
● Mauvaise stabilité de la tension, la tension chute régulièrement avec la décharge.
| Performance de la batterie zinc-carbone | |
|---|---|
| Énergie spécifique（wh/kg） | 40 wh/kg |
| Puissance spécifique（w/kg） | 150 w/kg |
| Durée du cycle (temps) | ＞2000 fois |
| Performance de charge | 2~3C |
| Température de travail | -20℃-50℃ |
| Sécurité | Pas d'explosion ni d'incendie |
Application de la batterie zinc-carbone
1. Batterie zinc-carbone pour véhicules
Dans le passé, les batteries plomb-acide étaient les plus utilisées pour les véhicules électriques. Mais les batteries plomb-acide sont trop lourdes, mettent beaucoup de temps à se recharger et ont une faible distance de conduite, ce qui n'est pas comparable avec les véhicules à essence. Ces problèmes peuvent être mieux résolus par l'utilisation de batteries zinc-carbone. Comparée aux batteries plomb-acide, la batterie zinc-carbone présente les caractéristiques suivantes : grande capacité, haute densité et légèreté. Elle remplit les conditions de base pour l'alimentation des véhicules électriques.
Aujourd'hui, il existe de nombreux remplacement des piles au lithium par des piles au plomb Utilisée, la batterie au lithium est légère et de petite taille, et présente d'excellentes performances en matière de protection de l'environnement. Actuellement, en tant que produit haut de gamme, elle est utilisée comme batterie électrique. batterie de moto et une batterie de véhicule électrique. Le coût de fabrication est relativement élevé, et le coût est l'avantage de la batterie zinc-carbone.
2. Batterie zinc-carbone pour la régulation des pointes des centrales électriques
La société actuelle consomme de plus en plus d'électricité, mais cette consommation n'est pas uniforme. Elle est souvent plus utilisée le jour et moins la nuit. Il y a des pics et des creux dans la consommation d'électricité, et la différence est de plus en plus grande. La solution actuelle à ce problème est le pompage-turbinage. Bien que cette solution puisse résoudre le problème, elle présente trois inconvénients : tout d'abord, elle occupera une très grande superficie, et les centrales hydroélectriques ne peuvent pas être construites n'importe où.
Deuxièmement, le coût est trop élevé. La construction d'une centrale hydroélectrique coûte des centaines de millions ou des milliards. Troisièmement, il y a beaucoup de gaspillage. De l'électricité à l'eau, et de l'eau à l'électricité, la perte d'énergie est d'environ 40%. Avec une batterie zinc-carbone, le problème n'est pas si grave. Selon des calculs théoriques, un dixième seulement de la construction d'une centrale hydroélectrique suffit pour l'occupation du terrain et l'investissement. Quant à la perte de puissance, elle ne dépasse pas 20% d'après les données des petits essais.
