碳鋅電池

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不同型號的碳鋅電池

碳鋅電池,又稱碳鋅乾電池碳性電池碳性電芯。碳鋅電池有一層由構成的外殼,作為電池的負極。碳鋅電池是從液體Leclanché電池發展而來。傳統或一般型以氯化銨為電解質;「超級」或「高能」(英文標示:Super Heavy Duty)電池則通常是使用氯化鋅為電解質的碳鋅電池,是一般使用的廉價電池的一種改良版。電池的正極主要是由粉末狀的二氧化錳構成。電解液是把氯化鋅氯化銨碳粉澱粉溶於水中所形成的糊狀物質。碳鋅電池是最便宜的一次電池,因此成為很多廠商的首選,因為這些廠商所銷售的設備中常常需要配送電池。鋅碳電池適合用於遙控器閃光燈玩具電晶體收音機等功率不大的設備可發揮最大效用。

此電池正極的碳棒與二氧化錳中所混合的碳只負責引出電流,並不參與反應,正極實際參與還原反應並提供正電的是二氧化錳,因此,又稱為錳鋅電池鋅錳電池或鋅-二氧化錳電池,也有簡稱錳乾電池的。

一次電池[編輯]

一個碳鋅乾電池是一個一次電池,因為一旦電池放電完畢,不能夠被再次充電而只能被丟棄。「電池翻新」曾經也出現在市場上,能夠通過對電池加上一個反向電流來恢復已經部分放電的電池電量。但這些設備往往只能暫時的充電而且容易導致電池泄漏以及爆炸。與其它種類電池相比,碳鋅電池之所以更容易泄漏,是因為鋅同時作為放電時被消耗的負極和電池容器。鋅錳電池發明於19世紀60年代,並在後來通過改進電解液形式成為乾電池。

化學反應[編輯]

碳鋅電池的容器是一個鋅罐。裡面有一層由NH4Cl和ZnCl2所構成的糊狀液體,這個糊狀液體通過一個紙層與粉末狀的碳和二氧化錳隔開。這些粉末填充在一個碳棒的周圍。

碳鋅電池的橫截面。1:金屬帽(+),2:石墨棒(正極),3:鋅外殼(負極),4:二氧化錳,5:潮濕的氯化銨糊狀液體(電解質),6:金屬末端(-)

在這個乾電池裡,最外層的鋅是電池的負極。在半反應中,鋅被氧化,如下式所示:

Zn(s) → Zn2+(aq) + 2 e

一個由粉末狀碳和二氧化錳所圍繞的石墨棒作為正極。其中,二氧化錳和碳粉混合是為了增加正極的導電性。陰極反應如下圖所示:

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

H+來自於NH4+(aq):

NH4+(aq) → H+(aq) + NH3(aq)

產生的NH3可以與Zn2+結合。

在整個半反應中,氧化態由+4被還原到了+3。

儘管很多副反應也可能發生,但鋅碳電池的總反應還是可以由下式表示:

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

碳鋅電池的電動勢大約是1.5V。電動勢的不確定是由於陰極反應十分複雜,相比來說,陽極反應(鋅端)則有一個已知的電勢。副反應及活性反應物的消耗直接導致電池的內阻增加,電池電動勢降低。

氧化半反應:

Zn→Zn2++2e-

還原半反應:

2NH4++2e-→H2+2NH3

2MnO2+H2→Mn2O3+H2O

Zn2++2NH3+2Cl-→Zn(NH3)2Cl2

總反應:Zn+2MnO2+2NH4Cl→Zn(NH3)2Cl2+Mn2O3+H2O

洩漏[編輯]

當一個碳鋅電池使用一段時間以後,由於金屬鋅被氧化成為鋅離子,鋅外殼會逐漸變薄。因此,氯化鋅溶液常常可以從電池中洩漏出來。洩漏出來的氯化鋅往往會使電池表面變粘。一些老的電池沒有洩漏保護。一個鋅碳電池的使用壽命比較短,保存期一般為一年半。

另外,就算電池沒有使用,鋅外殼也會慢慢的變薄。這是因為電池內的氯化銨有弱酸性,可以與鋅反應。

氯化鋅電池[編輯]

高能氯化鋅電池是簡單鋅碳電池的一個改良版,用來提供更長的使用壽命以及更穩定的電壓輸出。與普通鋅碳電池相比,氯化鋅電池的電解液不含氯化銨,由純的氯化鋅糊狀液體構成。因此,陰極反應也有一些不同:

MnO2(s) + H2O(l) + e → MnO(OH)(s) + OH(aq)

總反應如下:

Zn(s) + 2 MnO2(s) + ZnCl2(aq) + 2 H2O(l) → 2 MnO(OH)(s) + 2 Zn(OH)Cl(aq)

環保[編輯]

過去鋅錳電池常加入汞以抑制負極的析氫腐蝕。出於環保考慮,中華人民共和國於2001年和2005年分兩階段對鋅錳電池的含汞量作出了限制。現在,中華人民共和國出售鹼性鋅錳電池含汞量不高於0.0001%,碳鋅電池含汞量最高不超過0.025%。不過,鈕扣鋅錳電池的含汞量依然沒有作出要求。

參見[編輯]

參考資料[編輯]

  1. Eveready:碳鋅電池使用作明書
  2. Rayovac:鹼性與高能電池使用說明書
  3. Power Stream電池化學常見問題與解答
  4. 電池組成