Bateria de zinco-carbono - Zinc–carbon battery

Baterias de zinco-carbono de vários tamanhos

Uma bateria de zinco-carbono é uma bateria primária de célula seca que fornece corrente elétrica direta da reação eletroquímica entre o zinco e o dióxido de manganês (MnO 2 ). Ele produz uma voltagem de cerca de 1,5 volts entre o ânodo de zinco , que normalmente é realizado como um recipiente para a bateria, e uma haste de carbono de polaridade positiva, o cátodo , que coleta a corrente do eletrodo de dióxido de manganês, dando à célula seu nome .

Baterias de uso geral podem usar uma pasta aquosa de cloreto de amônio (NH 4 Cl) como eletrólito, possivelmente misturada com alguma solução de cloreto de zinco . Os tipos de serviço pesado usam uma pasta composta principalmente de cloreto de zinco (ZnCl 2 ).

As baterias de zinco-carbono foram as primeiras baterias secas comerciais, desenvolvidas a partir da tecnologia da célula úmida de Leclanché . Eles tornaram possíveis lanternas e outros dispositivos portáteis, porque a bateria funciona em qualquer orientação. Eles ainda são úteis em dispositivos de baixo consumo ou de uso intermitente, como controles remotos , lanternas, relógios ou rádios transistores . As células secas de zinco-carbono são células primárias de uso único . As baterias de zinco-carbono de hoje foram substituídas principalmente pelas baterias alcalinas mais eficientes e seguras .

História

Bateria antiga de 3 V de zinco-carbono (por volta de 1960), com caixa de papelão

Em 1876, a célula úmida de Leclanché era feita com um bloco comprimido de dióxido de manganês. Em 1886, Carl Gassner patenteou uma versão "seca" usando um copo de zinco como ânodo e uma pasta de gesso (e mais tarde, farinha de trigo) para gelificar o eletrólito e imobilizá-lo.

Em 1898, Conrad Hubert usou baterias de consumo fabricadas por WH Lawrence para alimentar o que foi a primeira lanterna e, posteriormente, os dois formaram a Eveready Battery Company . Em 1900, Gassner demonstrou células secas para iluminação portátil na Feira Mundial de Paris . Melhorias contínuas foram feitas na estabilidade e capacidade das células de zinco-carbono ao longo do século 20; no final do século, as capacidades quadruplicaram em relação ao equivalente de 1910. As melhorias incluem o uso de graus mais puros de dióxido de manganês, melhor vedação e zinco mais puro para o eletrodo negativo. As células de cloreto de zinco (geralmente comercializadas como baterias "pesadas") usam uma pasta composta principalmente de cloreto de zinco, que oferece uma vida útil mais longa e uma saída de voltagem mais estável em comparação com o eletrólito de cloreto de amônio.

As reações colaterais devido a impurezas no ânodo de zinco aumentam a autodescarga e a corrosão da célula. Anteriormente, o zinco era revestido com mercúrio (Hg) para formar um amálgama , protegendo-o. Visto que se trata de um risco ambiental, as baterias de produção atuais não usam mais mercúrio. Os fabricantes agora devem usar zinco mais purificado para evitar a ação local e a autodescarga.

Em 2011, as baterias de zinco-carbono representavam 20% de todas as baterias portáteis no Reino Unido e 18% na UE

Construção

O recipiente da célula seca de zinco-carbono é uma lata de zinco (ânodo). A lata contém uma camada de pasta aquosa de NH 4 Cl ou ZnCl 2 impregnando uma camada de papel que separa a lata de zinco de uma mistura de carbono em pó (geralmente pó de grafite ) e óxido de manganês (IV) ( MnO 2 ), que é embalado em torno de um haste de carbono. O carbono é o único material condutor prático porque todo metal comum corrói rapidamente no eletrodo positivo do eletrólito à base de sal.

Seção transversal de uma bateria de zinco-carbono

Os primeiros tipos e células de baixo custo usam um separador que consiste em uma camada de amido ou farinha . Uma camada de papel revestido de amido é usada nas células modernas, que é mais fina e permite que mais dióxido de manganês seja usado. Originalmente, as células eram seladas com uma camada de asfalto para evitar a secagem do eletrólito; mais recentemente, um selante de lavadora termoplástica é usado. A barra de carbono é ligeiramente porosa, o que permite que o gás hidrogênio acumulado escape, enquanto retém o eletrólito aquoso. A proporção de dióxido de manganês e pó de carbono na pasta catódica afeta as características da célula: mais pó de carbono reduz a resistência interna , enquanto mais dióxido de manganês melhora a capacidade de armazenamento.

As células planas são feitas para montagem em baterias com tensões mais altas, até cerca de 450 volts. As células planas são empilhadas e todo o conjunto é revestido com cera para evitar a evaporação do eletrólito . Os elétrons fluem do ânodo para o cátodo através do fio do dispositivo conectado.

Reações químicas

Em uma célula seca de zinco-carbono, o recipiente externo de zinco é o terminal carregado negativamente.

Eletrólito de cloreto de amônia

O zinco é oxidado pelo transportador de carga , ânion cloreto (Cl - ) em ZnCl 2 , por meio das seguintes semi-reações :

Ânodo (reação de oxidação, marcado -)

Zn + 2 Cl - → ZnCl 2 + 2 e -

Cátodo (reação de redução, marcado +)

2 MnO 2 + 2 NH 4 Cl + H 2 O + 2 e - → Mn 2 O 3 + 2 NH 4 OH + 2 Cl -

Outras reações colaterais são possíveis, mas a reação geral em uma célula de zinco-carbono pode ser representada como

Zn + 2 MnO 2 + 2 NH 4 Cl + H 2 O → ZnCl 2 + Mn 2 O 3 + 2 NH 4 OH

Eletrólito de cloreto de zinco

Se o cloreto de zinco for substituído por cloreto de amônio como eletrólito, a reação anódica permanece a mesma:

Zn + 2 Cl - → ZnCl 2 + 2 e -

e a reação catódica produz hidróxido de zinco e óxido de manganês (III) .

2 MnO 2 + ZnCl 2 + H 2 O + 2 e - → Mn 2 O 3 + Zn (OH) 2 + 2 Cl -

dando a reação geral

Zn + 2 MnO 2 + H 2 O → Mn 2 O 3 + Zn (OH) 2

A bateria tem uma força electromotriz (EMF) de cerca de 1,5 V . A natureza aproximada da fem está relacionada à complexidade da reação catódica. A reação do ânodo (zinco) é comparativamente simples com um potencial conhecido. As reações colaterais e o esgotamento dos produtos químicos ativos aumentam a resistência interna da bateria, o que faz com que a tensão do terminal caia sob carga.

Célula "resistente" de cloreto de zinco

A célula de cloreto de zinco, frequentemente referida como bateria de serviço pesado , extra-pesado , super-pesado ou super-extra-pesado , é um aprimoramento da célula original de zinco-carbono, usando uma bateria mais pura produtos químicos e proporcionando uma vida útil mais longa e uma saída de tensão mais estável à medida que são usados ​​e oferecendo cerca de duas vezes a vida útil das células de zinco-carbono de uso geral, ou até quatro vezes em aplicações de uso contínuo ou alto consumo. No entanto, isso ainda é uma fração da produção de uma pilha alcalina.

As baterias alcalinas oferecem até oito vezes a vida útil das baterias de zinco-carbono, especialmente em aplicações de uso contínuo ou alto consumo.

Armazenar

Os fabricantes recomendam o armazenamento de baterias de zinco-carbono em temperatura ambiente; o armazenamento em temperaturas mais altas reduz a expectativa de vida útil . As baterias de zinco-carbono podem congelar sem danos; os fabricantes recomendam que sejam retornados à temperatura ambiente normal antes do uso e que a condensação no revestimento da bateria seja evitada. No final do século 20, a vida útil de armazenamento das células de zinco-carbono quadruplicou em relação à vida esperada em 1910.

Durabilidade

As células de zinco-carbono têm uma vida útil curta , pois o zinco é atacado pelo cloreto de amônio. O recipiente de zinco torna-se mais fino à medida que a célula é usada, porque o zinco metálico é oxidado a íons de zinco. Quando a caixa de zinco fica mais fina, o cloreto de zinco começa a vazar da bateria. A velha célula seca não é à prova de vazamentos e se torna muito pegajosa à medida que a pasta vaza pelos orifícios da caixa de zinco. O invólucro de zinco na célula seca fica mais fino mesmo quando a célula não está sendo usada, porque o cloreto de amônio dentro da bateria reage com o zinco. Uma forma "de dentro para fora" com um copo de carbono e palhetas de zinco no interior, embora mais resistente a vazamentos, não era fabricada desde 1960.

Corrosão progressiva de baterias de zinco-carbono

Esta imagem mostra o recipiente de zinco com baterias novas em (a) e baterias descarregadas em (b) e (c). A bateria mostrada em (c) tinha uma película protetora de polietileno (quase totalmente removida na foto) para manter o óxido de zinco dentro da caixa.

Impacto ambiental

Milhares de toneladas de baterias de zinco-carbono são descartadas todos os anos em todo o mundo e muitas vezes não são recicladas.

O descarte varia de acordo com a jurisdição. Por exemplo, nos EUA, o estado da Califórnia considera todas as baterias como resíduos perigosos quando descartadas e proibiu o descarte de baterias com outros resíduos domésticos . Na Europa, o descarte da bateria é controlado pela Diretiva WEEE e pelos regulamentos da Diretiva de Bateria e , como tal, as baterias de zinco-carbono não devem ser jogadas no lixo doméstico. Na UE, a maioria das lojas que vendem baterias são obrigadas por lei a aceitar baterias velhas para reciclagem .

Célula de cloreto de zinco desmontada (semelhante à célula de zinco-carbono). 1: célula inteira, 2: caixa de aço, 3: eletrodo negativo de zinco, 4: haste de carbono, 5: eletrodo positivo (dióxido de manganês misturado com pó de carbono e eletrólito), 6: separador de papel, 7: isolamento à prova de vazamento de polietileno, 8: anéis de vedação, 9: terminal negativo, 10: terminal positivo (originalmente conectado à haste de carbono).

Veja também

Referências

links externos