아연-탄소전지

Zinc–carbon battery
다양한 크기의 아연-탄소 배터리

아연-탄소 배터리(또는 미국 영어로 탄소 아연 배터리)[1][2][3][4]는 염화암모늄(NHCl4) 전해질이 존재하는 상태에서 아연(Zn)과 이산화망간(MnO2) 사이의 전기 화학 반응으로부터 직접 전류를 제공하는 건식 전지 1차 전지입니다.[5] 일반적으로 배터리 셀의 원통형 용기로 구성되는 아연 음극과, 이산화망간 전극으로부터 전류를 모으는 양극(양극성)이 더 높은 표준 전극 전위를 갖는 화합물(양극성)로 둘러싸인 탄소봉 사이에 약 1.5볼트의 전압을 발생시킵니다. '아연-탄소'라는 이름은 이산화망간이 아니라 탄소가 산화제 역할을 한다는 뜻이어서 약간 오해의 소지가 있습니다.

범용 배터리는 염화암모늄(NHCl4)의 산성 수성 페이스트를 전해질로 사용할 수 있으며, 종이 분리기에 염화아연 용액을 넣어 염교라고 하는 역할을 할 수 있습니다. 헤비듀티 타입은 주로 염화아연(ZnCl2)으로 구성된 페이스트를 사용합니다.

아연-탄소 전지는 최초의 상업용 건전지로, 습식 르클랑체 전지의 기술로부터 개발되었습니다. 그들은 손전등과 다른 휴대용 장치를 가능하게 했는데, 그 이유는 배터리가 이전에 사용 가능한 셀보다 낮은 비용으로 더 높은 에너지 밀도를 제공했기 때문입니다. 리모컨, 손전등, 시계 또는 트랜지스터 라디오와 같은 배수량이 적거나 간헐적으로 사용하는 장치에서 여전히 유용합니다. 아연-탄소 건조 전지는 1회용 1차 전지입니다. 오늘날 아연-탄소 배터리는 대부분 더 효율적이고 안전한 알칼리 배터리로 대체되었습니다.

역사

참고 항목: 배터리의 이력
오래된 3V 아연-탄소 배터리(1960년경), 두 개의 셀을 직렬로 수용하는 판지 케이스 포함.

1876년까지 젖은 르클랑체 전지는 이산화망간을 압축한 블록으로 만들어졌습니다. 1886년 칼 가스너는 아연 판금으로 만든 케이싱을 양극으로 사용하고 파리(그리고 나중에는 흑연 가루)의 석고 페이스트를 사용하여 "마른" 버전의 특허를 냈습니다.[6]

1898년, 콘래드 휴버트는 W. H. 로렌스가 제조한 소비자용 배터리를 사용하여 최초의 손전등에 전원을 공급했고, 이후 두 회사는 이브레디 배터리 회사를 설립했습니다. 1900년, 가스너는 파리에서 열린 세계 박람회에서 휴대용 조명을 위한 건식 전지를 시연했습니다. 20세기에 걸쳐 아연-탄소 전지의 안정성과 용량에 대한 지속적인 개선이 이루어졌습니다; 세기 말까지 용량은 1910년에 비해 4배 증가했습니다.[7] 개선 사항으로는 순수한 등급의 이산화망간 사용, 내부 저항을 낮추기 위해 이산화망간에 흑연 분말을 추가하는 것, 더 나은 밀봉, 음극용 순수 아연 등이 있습니다. 아연-염화물 전지(일반적으로 "헤비 듀티" 배터리로 판매됨)는 주로 염화 아연으로 구성된 고농도의 전해질(또는 양극 전해질)을 사용하며, 이는 높은 드레인 응용 분야에서 보다 일관된 전압 출력을 생성할 수 있습니다.

아연 금속/염화아연 음극의 불순물과 염화암모늄 전해질 사이의 부반응은 자가 방전율을 증가시키고 셀의 부식을 촉진시킬 수 있습니다.[5] 이전에는 아연을 수은(Hg)으로 코팅하여 아말감을 형성하여 보호했습니다. 이것이 환경적 위험이기 때문에 현재 생산 배터리는 더 이상 수은을 사용하지 않습니다. 제조업체는 이제 국소 작용과 자가 방전을 방지하기 위해 고도로 정제된 아연을 더 많이 사용해야 합니다.[7]

2011년 현재, 영국에서는 아연-탄소 배터리가 전체 휴대용 배터리의 20%, EU에서는 18%를 차지하고 있습니다.[8][9][10][11]

시공

아연-탄소 건식 전지의 용기는 아연 캔(양극)입니다. 캔의 바닥과 측면에는 증점제와 함께 염화암모늄(NHCl4)이 함침되어 수성 전해질 페이스트를 형성하는 종이 분리막 층이 포함되어 있습니다. 종이 분리막은 아연캔이 탄소봉 주위에 포장된 분말 형태의 탄소(보통 흑연분말)와 망간(IV) 산화물2(MnO)의 혼합물인 양극과 접촉하지 않도록 보호하여 단락 형성을 방지합니다. [5] 탄소는 유일하게 실용적인 전도체 물질로서, 염계 전해질이 존재할 때 모든 일반적인 금속이 양극에서 빠르게 부식되기 때문입니다.[citation needed]

아연-탄소 전지 단면

초기형, 저가형 셀은 전분 또는 밀가루 층으로 구성된 분리막을 사용합니다. 현대 세포에서는 전분으로 코팅된 종이 한 층을 사용하여 더 얇고 더 많은 이산화망간을 사용할 수 있습니다. 원래 셀은 전해질의 건조를 방지하기 위해 아스팔트 층으로 밀봉되었으며, 최근에는 열가소성 와셔를 사용하여 누출을 방지하고 방전 시 수소 가스 축적으로 인해 형성될 수 있는 내부 압력을 억제합니다. 탄소 막대는 약간 다공성이어서 더 많은 전하를 띤 수소 원자가 결합하여 수소 가스를 형성할 수 있습니다.[5] 양극 페이스트 내 이산화망간과 탄소분말의 비율은 셀의 특성에 영향을 미치며, 탄소분말이 많을수록 내부 저항이 감소하고 이산화망간이 많을수록 저장용량이 향상됩니다.[7]

플랫 셀은 약 450볼트까지 더 높은 전압을 가진 배터리로 조립하기 위해 만들어졌습니다. 평판형 셀을 적층하고 전체 어셈블리를 왁스로 코팅하여 전해질 증발을 방지합니다. 부착된 장치의 전선을 통해 양극에서 음극으로 전자가 흐릅니다.[12]

사용하다

아연-탄소 배터리는 단가가 낮으며 텔레비전, 시계 및 연기 감지기용 리모컨과 같이 에너지를 거의 소비하지 않는 기기의 전원으로 사용되는 경우가 많습니다. 아연-탄소 배터리는 마이크와 스피커에 전원을 공급하는 핸드 크래킹 전화 마그네틱 전화기와 함께 일반적으로 사용되었습니다.

화학반응

아연-탄소 건식 전지에서 외부 아연 용기는 음전하를 띤 단자입니다.

염화암모늄 전해질

아연은 전하 운반체인 염화 음이온(Cl−)에 의해 다음과 같은 반작용을 통해 ZnCl로2 산화됩니다.

양극(산화반응, 표시 -)

Zn + 2 Cl− → ZnCl2 + 2 e−

음극(환원반응, 표시 +)

2 MnO2 + 2 NH4Cl + H2O + 2 e− → Mn2O3 + 2 NH4OH + 2 Cl−

다른 부반응도 가능하지만, 아연-탄소 전지에서의 전체적인 반응은 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

Zn + 2 MnO2 + 2 NH4Cl + H2O → ZnCl2 + Mn2O3 + 2 NH4OH

염화아연 전해질

염화아연이 전해질로 염화암모늄을 대체하는 경우 양극 반응은 그대로 유지됩니다.

Zn + 2 Cl− → ZnCl2 + 2 e−

그리고 음극 반응은 수산화아연과 망간(III) 산화물을 생성합니다.

2 MnO2 + ZnCl2 + H2O + 2 e− → Mn2O3 + Zn(OH)2 + 2 Cl−

전체적인 반응을 보이기

Zn + 2 MnO2 + H2O → Mn2O3 + Zn(OH)2

배터리의 기전력(예: f)은 약 1.5V입니다. e.m.f의 대략적인 특성은 음극 반응의 복잡성과 관련이 있습니다. 양극(아연) 반응은 알려진 전위와 비교적 간단합니다. 부반응과 활성 화학 물질의 고갈은 배터리의 내부 저항을 증가시키고, 이로 인해 부하 하에서 단자 전압이 떨어집니다.

아연-염화물 "무거운 의무" 세포

흔히 헤비듀티, 엑스트라 헤비듀티, 슈퍼 헤비듀티 또는 슈퍼 엑스트라 헤비듀티 배터리라고 불리는 아연-염화 전지는 원래 아연-탄소 전지를 개량한 것입니다. 순수한 화학 물질을 사용하고 사용 시 더 긴 사용 수명과 안정적인 전압 출력을 제공하며 범용 아연-탄소 전지의 약 2배 또는 연속 사용 또는 고 drain 애플리케이션에서 최대 4배의 사용 수명을 제공합니다. 그러나 이것은 여전히 알칼리성 세포의 출력의 일부입니다.

알칼리성 배터리는[13] 아연-탄소 배터리의 최대 8배의 배터리 수명을 제공하며,[14] 특히 지속적으로 사용하거나 배수량이 많은 애플리케이션에서 사용됩니다.[7]

보관소

제조업체에서는 아연-탄소 배터리를 실온에서 보관할 것을 권장하며, 고온에서 보관하면 예상 사용 수명이 단축됩니다.[1] 아연-탄소 배터리는 손상 없이 동결될 수 있습니다. 제조업체는 사용 전에 정상적인 실온으로 되돌리고 배터리 재킷에 결로가 생기지 않도록 할 것을 권장합니다. 20세기 말까지 아연-탄소 전지의 저장 수명은 1910년의 예상 수명보다 4배 향상되었습니다.[7]

내구성

아연-탄소 세포는 아연이 염화암모늄의 공격을 받기 때문에 저장 수명이 짧습니다. 아연 금속이 아연 이온으로 산화되기 때문에 전지를 사용할수록 아연 용기가 얇아집니다. 아연 케이스가 충분히 얇아지면 배터리 밖으로 염화 아연이 새어 나오기 시작합니다. 오래된 건전지는 누수 방지가 되지 않고, 아연 케이스의 구멍으로 페이스트가 새면서 매우 끈적해집니다. 건전지의 아연 케이스는 전지 내부의 염화암모늄이 아연과 반응하기 때문에 전지를 사용하지 않을 때도 얇아집니다. 내부에 탄소 컵과 아연 베인이 있는 "인사이드 아웃" 형태는 누출에 더 강하지만 1960년대 이후에는 제조되지 않았습니다.[7]

아연-탄소 배터리의 점진적 부식

이 사진은 (a)의 신선한 배터리와 (b) 및 (c)의 방전된 배터리의 아연 용기입니다. (c)에 표시된 배터리는 산화아연을 케이스 내부에 유지하기 위해 폴리에틸렌 보호 필름(사진에서 대부분 제거됨)을 가지고 있었습니다.

환경영향

관할 구역에 따라 처분이 다릅니다. 예를 들어, 미국 캘리포니아 주는 모든 배터리를 폐기할 때 위험한 폐기물로 간주하고, 다른 생활 폐기물과 함께 배터리를 폐기하는 것을 금지했습니다.[15] 유럽에서는 배터리 폐기가 WEE 지침 및 배터리 지침 규정에 의해 통제되고 있으며, 이러한 아연-탄소 배터리는 가정 폐기물과 함께 버려져서는 안 됩니다. EU에서는 배터리를 판매하는 대부분의 매장에서 재활용을 위해 구형 배터리를 받아들여야 합니다.

분해된 염화아연 전지(아연 탄소 전지와 유사). 1: 전체 셀, 2: 스틸 케이스, 3: 아연 음극, 4: 탄소봉, 5: 양극(이산화망간은 탄소 분말 및 전해질과 혼합), 6: 종이 분리기, 7: 폴리에틸렌 누출 방지 격리, 8: 밀봉 링, 9: 음극 단자, 10: 양극 단자(탄소봉에 origin으로 연결됨)

참고 항목

참고문헌

  1. ^ a b "Eveready Carbon Zinc Battery Handbook and Application Manual" (PDF). Energizer. 2018. Retrieved 2022-02-25.
  2. ^ "Carbon Zinc - Batteries - Electrical". The Home Depot. Retrieved 2022-02-25.
  3. ^ "What is the difference between Alkaline and Carbon Zinc batteries?". KodakBatteries.com. Retrieved 2022-02-25.
  4. ^ "Carbon Zinc Aa Batteries". Walmart. Retrieved 2022-02-25.
  5. ^ a b c d "Batteries Boundless Chemistry". courses.lumenlearning.com. Retrieved 2022-01-20.
  6. ^ "Dry cell battery".
  7. ^ a b c d e f g Linden, David; Reddy, Thomas B. (2002). "8". Handbook of batteries. McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-135978-8.
  8. ^ "Monthly Battery Sales Statistics". Baj.or.jp. MoETI. May 2020. Retrieved 2020-08-07.
  9. ^ INOBAT 2008 통계. 2012년 3월 25일 Wayback Machine에 보관되었습니다.
  10. ^ 배터리 폐기물 관리 – 2006 DEFRA.
  11. ^ EPBA Sustainability Report, 2010.
  12. ^ "How do batteries work? A simple introduction". 24 April 2006. Archived from the original on 2020-06-09.
  13. ^ "Put a charge into your battery savings". Chicago Tribune. 2015-04-29. Retrieved 2015-06-19.
  14. ^ "Zinc Chloride Batteries". Radio Shack. Archived from the original on 2015-02-12. Retrieved 2015-06-19.
  15. ^ "Batteries". Waste Prevention Information Exchange. California Department of Resources Recycling and Recovery (CalRecycle). Retrieved 5 September 2012.

외부 링크

Wikimedia Commons에는 아연-탄소 배터리와 관련된 미디어가 있습니다.