O celulă mangan-zinc , o baterie de sare , cunoscută și sub numele de celulă Leclanchet , este o sursă primară de curent chimic în care catodul este dioxid de mangan MnO 2 (piroluzit) amestecat cu grafit (aproximativ 9,5%), electrolitul este o soluție de clorură de amoniu NH 4 Cl , zinc anod - metalic Zn .
Este cea mai cunoscută baterie primară (sursă de curent chimic de unică folosință), care este utilizată pe scară largă în dispozitivele portabile de astăzi. Inițial, celulele au fost umplute cu electrolit lichid. Ulterior, electrolitul a început să se îngroașe cu ajutorul substanțelor amidonoase - acest lucru a făcut posibilă realizarea de baterii mai practice, numite uscate, în care posibilitatea de scurgere a electroliților este redusă la minimum. Spre deosebire de o celulă alcalină , în care KOH alcalin este folosit ca electrolit, o celulă de mangan-zinc este o celulă de sare, deoarece folosește sare, clorură de amoniu, ca electrolit.
Primul element mangan-zinc a fost asamblat de Georges Leclanchet în 1865 [1] . Deși eșantionul elementului era inferior în parametrii lui Daniel Jacobi și Bunsen Wilhelm , cunoscuți la acea vreme, elementele Leclanchet au ocupat curând primul loc. Simplitatea și siguranța în fabricație și exploatare, o gamă largă de temperaturi de funcționare și alte avantaje au asigurat dezvoltarea intensivă a producției acestor elemente. Deja în 1868, au fost produse peste 20 de mii dintre ele. [2]
Când se consumă curent, electronii curg printr-un circuit electric extern de la electrodul de zinc la tija de carbon. Au loc următoarele reacții:
Anod: Zn → Zn 2+ + 2e −
Pe o tijă de carbon, electronii sunt cheltuiți pentru reducerea ionilor de H 3 O + -:
Catod: 2H 3 O + + 2e − → H 2 + 2H 2 O
Ionii H 3 O + se formează ca rezultat al protolizei parțiale a ionilor electroliți NH 4 + -:
NH 4 + + H 2 O ↔ H 3 O + + NH 3
Când ionii H 3 O + - se reduc, se formează hidrogen , care nu poate fi îndepărtat (carcasa este sigilată) și formează un strat de gaz în jurul tijei de carbon ( polarizarea electrodului de carbon). Din această cauză, curentul decade încet. Pentru a evita formarea hidrogenului, electrodul de carbon este înconjurat de un strat de dioxid de mangan (MnO 2 ). În prezența dioxidului de mangan, ionii H 3 O + - se reduc pentru a forma apă:
2MnO 2 + 2H 3 O + + 2e − → 2MnO (OH) + 2H 2 O
În acest fel se evită polarizarea electrodului, iar dioxidul de mangan se numește depolarizator.
Electrolitul NH4Cl se disociază și este parțial protolizat :
2NH 4 Cl + 2H 2 O ↔ 2NH 3 + 2H 3 O + + 2Cl -
Ionii de Zn 2+ formați la anod intră în soluție și formează o sare puțin solubilă :
Zn 2+ + 2NH 3 + 2Cl - → [Zn (NH 3 ) 2 ]Cl 2În întregime:
Anod: Zn - 2e - → Zn 2+ Catod: 2MnO 2 + 2H 3 O + + 2e − → 2MnO (OH) + 2H 2 O Soluție de electrolit: Zn 2+ + 2NH 4 + + 2Cl − + 2H 2 O ↔ [Zn (NH 3 ) 2 ] Cl 2 + 2H 3 O +Reacție generală: Zn + 2MnO 2 + 2NH 4 Cl → 2MnO (OH) + [Zn (NH 3 ) 2 ]Cl 2 În timpul descărcării, cupa de zinc se dizolvă. Pentru a evita scurgerea electrolitului sau a produselor de reacție, cupa are o marjă de grosime sau este înconjurată de o carcasă de protecție din fier.
Electrozii din „celula uscată” sunt o cupă de zinc și o tijă de carbon . Prin urmare, elementul uscat este numit și carbon-zinc. Electrodul pozitiv „+” este o tijă de carbon, electrodul negativ este o cupă de zinc. Tija de carbon este înconjurată de un amestec de dioxid de mangan MnO 2 și cărbune (funingine). Electrolitul este o soluție de clorură de amoniu NH 4 Cl cu un mic adaos de clorură de zinc ZnCl 2 , îngroșată cu amidon și făină - acest lucru este necesar pentru ca electrolitul să nu se scurgă sau să se usuce în timpul depozitării și funcționării elementului. Cu toate acestea, dacă este utilizat incorect sau depozitat prea mult timp, electrolitul poate încă să se scurgă sau să se usuce.
Pe măsură ce cupa de zinc este descărcată, aceasta este acoperită cu un strat de clorură de zinc diamină, datorită căruia rezistența internă a elementului crește. Este posibilă restabilirea parțială a capacității elementului prin îndepărtarea stratului de clorură de zincdiamină de pe suprafața cupei de zinc. Acest lucru se poate face în mai multe moduri:
A doua metodă este adesea numită în mod eronat reîncărcare. Ambele metode implică riscul de deteriorare a cupei de zinc și scurgeri de electroliți. Mai mult, această metodă poate duce și la explozia elementului.
O altă cauză comună a pierderii capacității este uscarea electrolitului. Acest lucru se întâmplă de obicei atunci când elementul este folosit pentru o perioadă lungă de timp în dispozitive care consumă curent redus (de exemplu, ceasurile electronice) sau după o perioadă lungă de depozitare. În acest caz, recuperarea este posibilă după ce bateria este injectată cu apă, dar după aceea este necesar să închideți etanș orificiul, altfel electrolitul se poate usca din nou în curând sau începe să curgă.
O altă defecțiune cunoscută este coroziunea (oxidarea) cupei de zinc. Ca urmare a oxidării, sticla devine mai subțire și, de asemenea, (atunci când tampoanele de contact sunt oxidate) - o creștere a rezistenței elementului. Coroziunea se poate răspândi ulterior și în alte părți metalice din apropierea bateriei. Elementul oxidat nu poate fi restaurat.
Cupa de zinc (electrodul „-”) este parțial deschis, sub ea se află un pahar de hârtie impregnat cu electrolit și umplut cu mastic bituminos
Cupa de zinc este îndepărtată, tija de carbon (electrodul „+”), presată în capacul de contact „+”, este demontată
În interiorul paharului de hârtie este presată pulbere de mangan-grafit cu un canal pentru electrodul „+”.
Toate sursele primare de curent, cu excepția argintului-zinc, au o rezistență internă mare - zeci de ohmi, ceea ce nu le permite să fie descărcate de curenți mari din cauza unei căderi excesive de tensiune pe rezistența internă. Acest lucru trebuie luat în considerare atunci când le folosiți ca surse de curent de alimentare.
Bateriile cu sare sunt cele mai eficiente în dispozitivele cu consum mediu și scăzut de energie, de exemplu, în telecomenzi și ceasuri, datorită autodescărcării mai lente. baterie salină (față de bateriile alcaline).