Una celda de manganeso-zinc , una batería de sal , también conocida como celda de Leclanchet , es una fuente de corriente química primaria en la que el cátodo es dióxido de manganeso MnO 2 (pirolusita) mezclado con grafito (alrededor del 9,5%), el electrolito es una solución de cloruro de amonio NH 4 Cl , ánodo - zinc metálico Zn .
Es la batería primaria más conocida (fuente de corriente química desechable), que se usa ampliamente en dispositivos portátiles en la actualidad. Inicialmente, las celdas estaban llenas de electrolito líquido. Posteriormente, el electrolito comenzó a espesarse con la ayuda de sustancias amiláceas; esto hizo posible fabricar baterías más prácticas, llamadas secas, en las que se minimiza la posibilidad de fuga de electrolito. A diferencia de una celda alcalina , en la que se usa KOH alcalino como electrolito, una celda de manganeso-zinc es una celda de sal, ya que usa sal, cloruro de amonio, como electrolito.
El primer elemento de manganeso-zinc fue ensamblado por Georges Leclanchet en 1865 [1] . Aunque la muestra del elemento era inferior en sus parámetros a Daniel Jacobi y Bunsen Wilhelm , conocidos en ese momento, los elementos de Leclanchet pronto ocuparon el primer lugar. La sencillez y seguridad en la fabricación y operación, una amplia gama de temperaturas de operación y otras ventajas aseguraron el desarrollo intensivo de la producción de estos elementos. Ya en 1868 se produjeron más de 20 mil de ellos. [2]
Cuando se consume corriente, los electrones fluyen a través de un circuito eléctrico externo desde el electrodo de zinc hasta la varilla de carbono. Se producen las siguientes reacciones:
Ánodo: Zn → Zn 2+ + 2e −
En una barra de carbono, los electrones se gastan en la reducción de iones H 3 O + -:
Cátodo: 2H 3 O + + 2e − → H 2 + 2H 2 O
Los iones H 3 O + se forman como resultado de la protolisis parcial de NH 4 + - iones electrolitos:
NH 4 + + H 2 O ↔ H 3 O + + NH 3
Cuando se reducen los iones H 3 O + -, se forma hidrógeno , que no se puede eliminar (la carcasa está sellada) y forma una capa de gas alrededor de la varilla de carbono ( polarización del electrodo de carbono). Debido a esto, la corriente decae lentamente. Para evitar la formación de hidrógeno, el electrodo de carbono está rodeado por una capa de dióxido de manganeso (MnO 2 ). En presencia de dióxido de manganeso, los iones H 3 O + se reducen para formar agua:
2MnO 2 + 2H 3 O + + 2e − → 2MnO (OH) + 2H 2 O
De esta forma se evita la polarización del electrodo, y el dióxido de manganeso se denomina despolarizador.
El electrolito NH 4 Cl se disocia y se protoliza parcialmente:
2NH 4 Cl + 2H 2 O ↔ 2NH 3 + 2H 3 O + + 2Cl -
Los iones Zn 2+ formados en el ánodo entran en la solución y forman una sal escasamente soluble :
Zn 2+ + 2NH 3 + 2Cl - → [Zn (NH 3 ) 2 ]Cl 2Considerándolo todo:
Ánodo: Zn - 2e - → Zn 2+ Cátodo: 2MnO 2 + 2H 3 O + + 2e − → 2MnO (OH) + 2H 2 O Solución electrolítica: Zn 2+ + 2NH 4 + + 2Cl − + 2H 2 O ↔ [Zn (NH 3 ) 2 ] Cl 2 + 2H 3 O +Reacción general: Zn + 2MnO 2 + 2NH 4 Cl → 2MnO (OH) + [Zn (NH 3 ) 2 ]Cl 2 Durante la descarga, la copa de zinc se disuelve. Para evitar fugas de electrolito o productos de reacción, la copa tiene un margen de espesor o está rodeada por una cubierta protectora de hierro.
Los electrodos en la "celda seca" son una copa de zinc y una barra de carbono . Por lo tanto, el elemento seco también se llama carbono-zinc. El electrodo positivo "+" es una varilla de carbono, el electrodo negativo es una copa de zinc. La barra de carbono está rodeada por una mezcla de dióxido de manganeso MnO 2 y carbón (hollín). El electrolito es una solución de cloruro de amonio NH 4 Cl con una pequeña adición de cloruro de zinc ZnCl 2 , espesado con almidón y harina; esto es necesario para que el electrolito no se escape ni se seque durante el almacenamiento y el funcionamiento del elemento. Sin embargo, si se usa incorrectamente o se almacena durante demasiado tiempo, el electrolito aún puede tener fugas o secarse.
A medida que se descarga la copa de zinc, se cubre con una capa de cloruro de diamina de zinc, por lo que aumenta la resistencia interna del elemento. Es posible restaurar parcialmente la capacidad del elemento eliminando la capa de cloruro de zincdiamina de la superficie de la copa de zinc. Esto se puede hacer de varias maneras:
El segundo método a menudo se denomina erróneamente recarga. Ambos métodos implican el riesgo de dañar la copa de zinc y la fuga de electrolitos. Además, este método también puede conducir a la explosión del elemento.
Otra causa común de pérdida de capacidad es el secado del electrolito. Esto suele ocurrir cuando el elemento se utiliza durante mucho tiempo en dispositivos que consumen poca corriente (por ejemplo, relojes electrónicos), o después de un largo período de almacenamiento. En este caso, la recuperación es posible después de inyectar agua en la batería, pero después de eso es necesario cerrar bien el orificio, de lo contrario, el electrolito puede volver a secarse pronto o comenzar a gotear.
Otro mal funcionamiento conocido es la corrosión (oxidación) de la copa de zinc. Como resultado de la oxidación, el vidrio se vuelve más delgado y también (cuando las almohadillas de contacto se oxidan), aumenta la resistencia del elemento. La corrosión también puede extenderse más tarde a otras partes metálicas cercanas a la batería. El elemento oxidado no se puede restaurar.
El vaso de zinc (electrodo "-") está parcialmente abierto, debajo hay un vaso de papel impregnado con electrolito y lleno de masilla bituminosa
Se retira la copa de zinc, se desmonta la varilla de carbono (electrodo "+"), presionada en la cubierta de contacto "+".
Dentro del vaso de papel hay polvo de manganeso-grafito prensado con un canal para el electrodo “+”
Todas las fuentes de corriente primaria, con la excepción de plata-zinc, tienen una gran resistencia interna , decenas de ohmios, lo que no permite que se descarguen con corrientes altas debido a una caída de voltaje excesiva en la resistencia interna. Esto debe tenerse en cuenta al utilizarlos como fuentes de corriente eléctrica.
Las pilas de sal son más eficaces en dispositivos de consumo medio y bajo, por ejemplo, en mandos a distancia y relojes, debido a que se autodescargan más lentamente batería salina (frente a baterías alcalinas).