En mangan-zink-celle , et saltbatteri , også kendt som en Leclanchet-celle , er en primær kemisk strømkilde , hvor katoden er mangandioxid MnO 2 (pyrolusit) blandet med grafit (ca. 9,5%), elektrolytten er en opløsning af ammoniumchlorid NH 4 Cl , anodemetallisk zink Zn . _
Det er det bedst kendte primære batteri (engangs kemisk strømkilde), som er meget udbredt i bærbare enheder i dag. Til at begynde med blev cellerne fyldt med flydende elektrolyt. Efterfølgende begyndte elektrolytten at blive tykkere ved hjælp af stivelsesholdige stoffer - det gjorde det muligt at lave mere praktiske batterier, kaldet tørre, hvor muligheden for elektrolytlækage er minimeret. I modsætning til en alkalisk celle , hvor KOH alkali bruges som en elektrolyt, er en mangan-zink celle en saltcelle, da den bruger salt, ammoniumchlorid, som en elektrolyt.
Det første mangan-zink-element blev samlet af Georges Leclanchet i 1865 [1] . Selvom prøven af elementet var ringere i sine parametre end Daniel Jacobi og Bunsen Wilhelm , kendt på det tidspunkt, indtog Leclanchet-elementer snart førstepladsen. Enkelhed og sikkerhed i fremstilling og drift, en bred vifte af driftstemperaturer og andre fordele sikrede den intensive udvikling af produktionen af disse elementer. Allerede i 1868 blev mere end 20 tusinde af dem produceret. [2]
Når der forbruges strøm, strømmer elektroner gennem et eksternt elektrisk kredsløb fra zinkelektroden til kulstofstangen. Følgende reaktioner finder sted:
Anode: Zn → Zn 2+ + 2e −
På en kulstofstang bruges elektroner på reduktion af H 3 O + - ioner:
Katode: 2H 3 O + + 2e − → H 2 + 2H 2 O
H 3 O + ioner dannes som et resultat af delvis protolyse af NH 4 + - elektrolyt ioner:
NH 4 + + H 2 O ↔ H 3 O + + NH 3
Når H 3 O + - ioner reduceres, dannes der brint , som ikke kan fjernes (huset er forseglet) og danner et gaslag omkring kulstofstangen ( polarisering af kulstofelektroden). På grund af dette falder strømmen langsomt. For at undgå dannelse af brint er kulstofelektroden omgivet af et lag af mangandioxid (MnO 2 ). I nærvær af mangandioxid reduceres H 3 O + -ioner til at danne vand:
2MnO 2 + 2H 3 O + + 2e − → 2MnO (OH) + 2H 2 O
På denne måde undgås polarisering af elektroden, og mangandioxid kaldes en depolarisator.
Elektrolytten NH 4 Cl dissocieres og er delvist protolyseret:
2NH 4 Cl + 2H 2 O ↔ 2NH 3 + 2H 3 O + + 2Cl -
Zn 2+ ionerne dannet ved anoden kommer ind i opløsningen og danner et tungtopløseligt salt :
Zn2 + + 2NH3 + 2Cl - → [Zn (NH3 ) 2 ] Cl2Alt i alt:
Anode: Zn - 2e - → Zn 2+ Katode: 2MnO 2 + 2H 3 O + + 2e − → 2MnO (OH) + 2H 2 O Elektrolytopløsning: Zn 2+ + 2NH 4 + + 2Cl − + 2H 2 O ↔ [Zn (NH 3 ) 2 ] Cl 2 + 2H 3 O +Generel reaktion: Zn + 2MnO 2 + 2NH 4 Cl → 2MnO (OH) + [Zn (NH 3 ) 2 ]Cl 2 Under udledning opløses zinkkoppen. For at undgå lækage af elektrolytten eller reaktionsprodukterne har bægeret en tykkelsesmargin eller er omgivet af en jernbeskyttende skal.
Elektroderne i den "tørre celle" er en zinkkop og en kulstofstang . Derfor kaldes det tørre grundstof også kulstof-zink. Den positive elektrode "+" er en kulstofstang, den negative elektrode er en zinkkop. Kulstaven er omgivet af en blanding af mangandioxid MnO 2 og kul (sod). Elektrolytten er en opløsning af ammoniumchlorid NH 4 Cl med en lille tilsætning af zinkchlorid ZnCl 2 , fortykket med stivelse og mel - dette er nødvendigt for at elektrolytten ikke kan lække eller tørre ud under opbevaring og drift af elementet. Men hvis den bruges forkert eller opbevares for længe, kan elektrolytten stadig lække eller tørre ud.
Efterhånden som zinkkoppen udtømmes, dækkes den med et lag zink-diaminchlorid, hvorved den indre modstand af elementet øges. Det er muligt delvist at genoprette elementets kapacitet ved at fjerne laget af zinkdiamminchlorid fra overfladen af zinkkoppen. Dette kan gøres på flere måder:
Den anden metode kaldes ofte fejlagtigt genopladning. Begge metoder indebærer risiko for beskadigelse af zinkkoppen og elektrolytlækage. Desuden kan denne metode også føre til eksplosion af elementet.
En anden almindelig årsag til tab af kapacitet er udtørring af elektrolytten. Dette sker normalt, når elementet bruges i lang tid i enheder, der bruger lav strøm (for eksempel elektroniske ure), eller efter en lang periode med opbevaring. I dette tilfælde er genopretning mulig, efter at batteriet er injiceret med vand, men derefter er det nødvendigt at lukke hullet tæt, ellers kan elektrolytten snart tørre ud igen eller begynde at lække.
En anden kendt fejl er korrosion (oxidation) af zinkkoppen. Som et resultat af oxidation bliver glasset tyndere, og også (når kontaktpuderne oxideres) - en stigning i elementets modstand. Korrosion kan også senere sprede sig til andre metaldele tæt på batteriet. Det oxiderede element kan ikke genoprettes.
Zinkkoppen ("-" elektroden) er delvist åbnet, under den er en papirkop imprægneret med elektrolyt og fyldt med bituminøs mastiks
Zinkkoppen fjernes, kulstaven ("+"-elektroden), presset ind i "+"-kontaktdækslet, afmonteres
Inde i papirkoppen er der presset mangan-grafit pulver med en kanal til "+" elektroden
Alle primære strømkilder, med undtagelse af sølv-zink, har en stor intern modstand - titusinder af ohm, som ikke tillader dem at blive afladet af høje strømme på grund af et for stort spændingsfald over den interne modstand. Dette skal tages i betragtning, når de bruges som strømkilder.
Saltbatterier er mest effektive i enheder med medium og lavt strømforbrug, for eksempel i fjernbetjeninger og ure, på grund af den langsommere selvafladning saltvandsbatteri (i forhold til alkaliske batterier).