鋅碳電池，又稱碳鋅干電池、碳電池，外殼由鋅制成。鋅碳電池通常有兩種類型——勒克朗電池和氯化鋅電池。這兩種電池都是原代電池，氯化鋅電池是Leclanche電池在重漏應(yīng)用中的改進(jìn)替代品。

鋅碳電池在低損耗或間歇性使用的設(shè)備中仍然可用作可充電aa電池，如手電筒、遙控器、閃光燈、玩具、時(shí)鐘或晶體管收音機(jī)。鋅碳電池是第一個(gè)商用干電池，由濕Leclanché電池技術(shù)發(fā)展而來。如今，鋅碳電池大多已被更高效、更安全的堿性電池所取代。

 

鋅碳電池的工作原理

鋅碳電池是一種以鋅為陽極的電化學(xué)系統(tǒng)（陽極向電路發(fā)送電子，因此它是陽極，使用錳二氧化物粉末混合物和其他材料作為陰極；

將氯化銨的電解質(zhì)果凍和氯化鋅溶解在水中作為電解質(zhì)；碳棒刀將電子從外部電路傳輸回陰極。電池中的陰極混合物也起到去偏振器的作用。

簡(jiǎn)單來說，鋅碳電池的容器就是一個(gè)鋅罐。里面有一層由NH4Cl和ZnCl2組成的糊狀液體，通過一層紙將其與粉末狀的碳和二氧化錳分離。

這些粉末裝在碳棒周圍。在這種干電池中，鋅的最外層是電池的陽極。在半反應(yīng)中，鋅被氧化，如下式所示：

鋅→ Zn2+（aq）+2e

由粉末狀碳和二氧化錳包圍的石墨棒用作陰極。其中，將二氧化錳和碳粉混合以增加陰極的導(dǎo)電性。陰極反應(yīng)如下圖所示：

2MnO2（s）+2 H+（aq）+2 e→ Mn2O3（s）+H2O（l）

H+來源于NH4+（aq）：

NH4+（aq）→ H+（aq）+NH3（aq

生成的NH3可以與Zn2+結(jié)合。在整個(gè)半反應(yīng)過程中，錳的氧化態(tài)從+4降低到+3。盡管也可能發(fā)生許多副反應(yīng)，但鋅碳電池的總體反應(yīng)可以用下式表示：

Zn（s）+2 MnO2（s）+2NH4+（aq）→ Mn2O3（s）+Zn（NH3）22+（aq）

 

 

鋅碳電池的橫截面。1：金屬帽（+），2：石墨棒（陰極），3：鋅殼（陽極），4：二氧化錳，5：潮濕的氯化銨糊狀液體（電解質(zhì)），6：金屬端（-）

 

鋅碳電池額定電壓

鋅碳電池的標(biāo)準(zhǔn)額定電壓取決于電池中使用的陽極和陰極材料的類型。在鋅碳電池中，鋅是陰極材料，二氧化錳是陰極材料。

鋅的電極電位為-0.7伏，二氧化錳的電極電位是1.28伏。因此，每個(gè)電池的理論電壓應(yīng)為-（-0.76）+1.23=1.99 V，但考慮到許多實(shí)際情況，標(biāo)準(zhǔn)鋅碳電池的實(shí)際電壓輸出不超過1.5 V。

電動(dòng)勢(shì)的不確定性是由于陰極反應(yīng)的復(fù)雜性，而陽極反應(yīng)（鋅端子）具有已知電勢(shì)。副反應(yīng)和活性反應(yīng)物的消耗直接導(dǎo)致電池內(nèi)阻的增加和電池電動(dòng)勢(shì)的降低。

 

鋅碳電池能量密度分析

正極材料二氧化錳的摩爾質(zhì)量為87g/mol。在電池的反應(yīng)中，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)電子還原了兩個(gè)二氧化錳分子。因此，根據(jù)法拉第常數(shù)，28.6Ah可以通過完全還原1摩爾或87克二氧化錳來提供。因此，需要87/26.8＝3.24g的二氧化錳來提供1Ah的電力。

 

 

陽極材料鋅的摩爾質(zhì)量為65g/mol。在電池的反應(yīng)中，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)電子氧化鋅原子。因此，根據(jù)法拉第常數(shù)，可以通過完全氧化1摩爾或65/2克或32.5克鋅來提供28.6 Ah。因此，需要32.5/26.8=1.21g的鋅來提供1Ah的電力。

鋅碳電池的總能量密度為3.24g/Ah+1.21g/Ah=4.45g/Ah=1/4.45Ah/g=0.224Ah/Kg。這絕對(duì)是一個(gè)理論計(jì)算，但實(shí)際上電池中包含的許多其他材料，如電解質(zhì)、炭黑、水，其重量不能忽略。

除此之外，電池中還有許多其他實(shí)際條件需要考慮。綜合考慮，實(shí)用的低放電Leclanche電池具有75Ah/Kg的能量密度，而對(duì)于重型和間歇放電電池，能量密度約為35Ah/Kg。

 

鋅碳電池的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

鋅碳電池的優(yōu)點(diǎn)

● 成本比較低

● 有多種形狀、尺寸和容量可供選擇

● 長(zhǎng)期遺留可靠性

 

鋅碳電池的缺點(diǎn)

● 非常低的能量密度

● 溫度特性差，低溫特性差

● 耐泄漏性差

● 在高電流消耗應(yīng)用中不能有效執(zhí)行

● 電壓穩(wěn)定性差，電壓隨放電而穩(wěn)定下降

 

鋅碳電池的應(yīng)用

1.車用鋅碳電池

在過去，鉛酸電池是電動(dòng)汽車中使用最多的電池。但鉛酸電池太重，一次充電需要很長(zhǎng)時(shí)間，行駛距離短，無法與汽油車相比。使用鋅碳電池可以更好地解決這些問題。與鉛酸電池相比，鋅碳電池具有容量大、密度高、重量輕的特點(diǎn)，具備電動(dòng)汽車供電的基本條件。

現(xiàn)在有很多鋰電池替代鉛酸使用，鋰電池重量輕、體積小，具有優(yōu)異的環(huán)保性能。目前，作為高端產(chǎn)品，它被用作電動(dòng)摩托車電池和電動(dòng)汽車電池。制造成本相對(duì)較高，成本是鋅碳電池的優(yōu)勢(shì)。

 

 

2.電站調(diào)峰用鋅碳電池

今天的社會(huì)用電量越來越多，但用電量并不均勻。它通常在白天使用較多，而在晚上使用較少。用電量有高峰也有低谷，而且差距越來越大。目前這個(gè)問題的解決方案是抽水蓄能。雖然這一舉措可以解決問題，但有三個(gè)缺點(diǎn)：第一，它將占用非常大的面積，任何地方都不能建造水電站。

其次，成本太高。建造一座水電站將耗資數(shù)億或數(shù)十億美元。第三，存在大量浪費(fèi)。從電到水，再從水到電，電力損失約為40%。有了鋅碳電池，問題就不會(huì)那么嚴(yán)重了。根據(jù)理論計(jì)算，一座水電站的建設(shè)只需十分之一就足以占用土地和投資。至于功率損耗，從較小的測(cè)試數(shù)據(jù)來看，不超過20%。