亜鉛炭素電池
亜鉛炭素電池
さまざまなサイズの亜鉛炭素電池
比エネルギー36Wh  / kg​
エネルギー密度92Wh  / L​
比出力10  W / kg -27  W / kg
充放電効率50～60%
自己放電率<0.32%/月
時間耐久性3～5年
公称セル電圧1.5V

亜鉛炭素電池（アメリカ英語ではCarbon Zinc Battery ） [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]は、一般的な「高耐久性」の使い捨て電池です。近年では、より長寿命のアルカリ電池に取って代わられています。

亜鉛炭素電池は、塩化アンモニウム（NH 4 Cl）電解質の存在下で亜鉛（Zn）と二酸化マンガン（MnO 2 ）の電気化学反応から直流電流を生成する乾電池です。[ 5 ]この電池は、亜鉛陽極（通常は電池セルを収納する円筒形の容器）と、より高い標準電極電位（正極性）を持つ化合物に囲まれた炭素棒（陰極）（二酸化マンガン電極から電流を集める）の間で約1.5ボルトの電圧を生成します。「亜鉛炭素」という名称は、二酸化マンガンではなく炭素が酸化剤として作用しているという印象を与えるため、やや誤解を招きます。

汎用バッテリーでは、電解質として塩化アンモニウム（NH 4 Cl）の酸性水性ペーストが使用される場合があります。このペーストには、塩橋として機能する塩化亜鉛溶液が紙セパレーター上に塗布されています。 高出力タイプでは、塩化亜鉛（ZnCl 2 ）を主成分とするペーストが使用されます。

マンガン乾電池は、湿式ルクランシェ電池の技術を応用して開発された、最初の商用乾電池です。この電池は、従来の電池よりも低コストで高いエネルギー密度を実現したため、懐中電灯などの携帯機器の実現を可能にしました。リモコン、低出力懐中電灯、時計、トランジスタラジオなど、低消費電力または断続的に使用する機器では今でも有用ですが、高ルーメン懐中電灯、デジタルカメラ、ポータブルCDプレーヤーなどの機器では性能が劣ります。マンガン乾電池は、使い捨ての一次電池です。

歴史

古い 3 V の亜鉛炭素電池 (1960 年頃)。段ボール製のケースに 2 つのセルが直列に収納されています。

1876年までに、湿式ルクランシェ電池は圧縮二酸化マンガンの塊を用いて作られました。1886年、カール・ガスナーは亜鉛板製のケースを陽極として、石膏（後に黒鉛粉末）のペーストを用いた「乾式」電池の特許を取得しました。[ 6 ]

1898年、コンラッド・ヒューバートはWHローレンス社製の民生用電池を用いて世界初の懐中電灯を開発し、その後二人はエバレディ・バッテリー社を設立しました。1900年、ガスナーはパリ万国博覧会で携帯照明用の乾電池を実演しました。20世紀を通して、亜鉛炭素電池の安定性と容量は継続的に改良され、世紀末までに容量は1910年の同等品と比べて4倍に増加しました。[ 7 ]改良点としては、より純度の高い二酸化マンガンの使用、内部抵抗を低減するために二酸化マンガンにグラファイト粉末を添加すること、密閉性を向上させること、そして負極用のより純度の高い亜鉛の使用などが挙げられます。塩化亜鉛電池（通常「ヘビーデューティー」電池として販売されています）は、主に塩化亜鉛からなる高濃度の陽極液（または陽極電解質）を使用しており、高電流用途においてより安定した電圧出力を得ることができます。

亜鉛金属/塩化亜鉛陽極と塩化アンモニウム電解液中の不純物との副反応は、自己放電率を高め、セルの腐食を促進する可能性があります。[ 5 ]以前は、亜鉛はアマルガムを形成するために水銀（Hg）でコーティングされていました。これは環境への有害性を考慮し、現在生産されているバッテリーでは水銀は使用されていません。メーカーは、局所的な反応と自己放電を防ぐために、より高純度の亜鉛を使用する必要があります。[ 7 ]

2011年時点で、亜鉛炭素電池は英国では全携帯用電池の20％、EUでは18％を占めている[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]

工事

亜鉛炭素乾電池の容器は亜鉛缶（陽極）です。缶の底面と側面には、塩化アンモニウム（NH 4 Cl）と増粘剤を含浸させた紙製のセパレータ層が設けられ、水性電解質ペーストを形成しています。紙製のセパレータは、亜鉛缶が陰極（陰極）と接触するのを防ぎ、短絡を防ぎます。陰極は、炭素棒の周りに詰められた粉末炭素（通常は黒鉛粉末）と酸化マンガン（IV）（MnO 2 ）の混合物です。[ 5 ]

亜鉛炭素電池の断面

初期のタイプや低価格のセルでは、デンプンや小麦粉の層からなるセパレーターが使用されていました。現代のセルでは、より薄いデンプンコーティング紙の層が使用されており、より多くの二酸化マンガンを使用することができます。元々、セルは電解質の乾燥を防ぐためにアスファルト層で密封されていましたが、最近では、漏れを防ぐだけでなく、放電中に水素ガスが蓄積することで発生する可能性のある内部圧力を抑えるために、熱可塑性ワッシャーシールが使用されています。炭素棒はわずかに多孔質であるため、より多くの荷電水素原子が結合して水素ガスを生成できます。[ 5 ]カソードペースト中の二酸化マンガンと炭素粉末の比率は、セルの特性に影響します。炭素粉末が多いほど内部抵抗が低下し、二酸化マンガンが多いほど貯蔵容量が向上します。[ 7 ]

フラットセルは、最大約450ボルトの高電圧バッテリーへの組み立て用に作られています。フラットセルは積み重ねられ、組み立てられた全体は電解質の蒸発を防ぐためワックスでコーティングされています。電子は、接続されたデバイスのワイヤを通ってアノードからカソードへと流れます。[ 12 ]

用途

マンガン電池は単価が低く、テレビ、時計、煙探知機のリモコン、エレキギターのファズペダルなど、消費電力の少ない家電製品の電源としてよく使用されます。また、手回し式のマグネトフォンのマイクとスピーカーの電源として、マンガン電池がよく使用されていました。

化学反応

亜鉛炭素乾電池では、外側の亜鉛容器が負に帯電した端子になります。

塩化アンモニウム電解質

亜鉛は電荷キャリアである塩化物イオン（Cl − ）によって以下の半反応を経てZnCl 2に酸化されます。

陽極（酸化反応、−で表示）

Zn + 2 Cl − → ZnCl 2 + 2 e −

陰極（還元反応、+印）

2 MnO 2 + 2 NH 4 Cl + H 2 O + 2 e − → Mn 2 O 3 + 2 NH 4 OH + 2 Cl −

他の副反応も起こり得るが、亜鉛-炭素電池における全体的な反応は次のように表される。

Zn + 2 MnO 2 + 2 NH 4 Cl + H 2 O → ZnCl 2 + Mn 2 O 3 + 2 NH 4 OH

塩化亜鉛電解質

電解質として塩化アンモニウムの代わりに塩化亜鉛を使用した場合、陽極反応は同じままです。

Zn + 2 Cl − → ZnCl 2 + 2 e −

陰極反応により水酸化亜鉛と酸化マンガン(III)が生成される。

2 MnO 2 + ZnCl 2 + H 2 O + 2 e − → Mn 2 O 3 + Zn(OH) 2 + 2 Cl −

全体的な反応を示す

Zn + 2 MnO 2 + H 2 O → Mn 2 O 3 + Zn(OH) 2

電池の起電力（emf）は約1.5 Vです。この起電力のおおよその性質は、正極反応の複雑さに関係しています。負極（亜鉛）反応は比較的単純で、電位も既知です。副反応や活性化学物質の枯渇により電池の内部抵抗が増加し、負荷時に端子電圧が低下します。

塩化亜鉛「高耐久性」セル

塩化亜鉛電池は、ヘビーデューティー、エクストラヘビーデューティー、スーパーヘビーデューティー、スーパーエクストラヘビーデューティー電池とも呼ばれ、元の亜鉛炭素電池を改良したもので、より純粋な化学物質を使用し、使用時に耐用年数が長く、電圧出力が安定しており、汎用亜鉛炭素電池の約2倍の耐用年数、または連続使用や高電流消費アプリケーションでは最大4倍の耐用年数を提供します。[ 7 ]ただし、これはまだアルカリ電池の出力のほんの一部です。

アルカリ電池[ 13 ]は、特に連続使用や高電流消費の用途において、亜鉛炭素電池の最大8倍の電池寿命を提供します[ 14 ] 。 [ 7 ]

ストレージ

メーカーは、亜鉛炭素電池を室温で保管することを推奨しています。高温で保管すると、期待寿命が短くなります。[ 1 ]亜鉛炭素電池は凍結しても損傷しません。メーカーは、使用前に通常の室温に戻すこと、および電池ジャケットの結露を避けることを推奨しています。20世紀末までに、亜鉛炭素電池の保管寿命は1910年の予想寿命の4倍に向上しました。[ 7 ]

耐久性

亜鉛炭素電池は、亜鉛が塩化アンモニウムに侵されるため、保存期間が短い。亜鉛が酸化されて亜鉛イオンとなるため、電池の使用に伴い亜鉛容器は薄くなる。亜鉛ケースが十分に薄くなると、塩化亜鉛が電池から漏れ出す。古い乾電池は液漏れ防止機能がなく、亜鉛ケースの穴からペーストが漏れ出し、非常に粘着性を持つようになる。電池内部の塩化アンモニウムが亜鉛と反応するため、電池を使用していない時でも亜鉛ケースは薄くなる。内側に炭素カップと亜鉛ベーンを備えた「裏返し型」は、液漏れ防止性能は高いものの、1960年代以降製造されていない。[ 7 ]

亜鉛炭素電池の進行性腐食

この写真は、新品電池（a）と放電電池（b）および（c）の亜鉛容器を示しています。（c）の電池には、酸化亜鉛を容器内部に 保持するためのポリエチレン保護フィルム（写真ではほとんど剥がされています）が貼られていました。

環境への影響

廃棄方法は管轄によって異なります。例えば、米国カリフォルニア州では、廃棄されるすべての電池を有害廃棄物とみなし、他の家庭ごみと一緒に電池を廃棄することを禁止しています。[ 15 ]欧州では、電池の廃棄はWEEE指令および電池指令によって規制されており、マンガン電池は家庭ごみと一緒に廃棄してはいけません。EUでは、電池を販売するほとんどの店舗は、法律により古い電池をリサイクルのために受け入れることが義務付けられています。

分解された塩化亜鉛セル（亜鉛炭素セルに類似）。1：セル全体、2：スチールケース、3：亜鉛負極、4：炭素棒、5：正極（炭素粉末と電解質を混合した二酸化マンガン）、6：紙セパレーター、7：ポリエチレン漏れ防止絶縁、8：シーリングリング、9：負極端子、10：正極端子（元々は炭素棒に接続されていました）。

参照

参考文献

  1. ^ a b「Eveready Carbon Zinc Battery Handbook and Application Manual」（PDF） . Energizer . 2018. 2022年2月25日閲覧。
  2. ^ 「Carbon Zinc - Batteries - Electrical」The Home Depot。2022年2月25日閲覧。
  3. ^ 「アルカリ電池とマンガン電池の違いは何ですか？」 KodakBatteries.com 2022年2月25日閲覧。
  4. ^ 「カーボン亜鉛単3電池」ウォルマート。2022年2月25日閲覧。
  5. ^ a b c d「バッテリー | 無限の化学」courses.lumenlearning.com . 2022年1月20日閲覧。
  6. ^ 「乾電池」。
  7. ^ a b c d e f gリンデン、デイビッド; レディ、トーマス・B. (2002). 「8」.電池ハンドブック. マグロウヒル. ISBN 978-0-07-135978-8。
  8. ^ 「月次電池販売統計」 Baj.or.jp . MoETI. 2020年5月。2010年12月6日時点のオリジナルよりアーカイブ。2020年8月7日閲覧。
  9. ^ INOBAT 2008 統計.2012年3月25日アーカイブ、 Wayback Machine .
  10. ^バッテリー廃棄物管理Archived 2013-10-08 at the Wayback Machine – 2006 DEFRA。
  11. ^ EPBAサステナビリティレポート、Wayback Machineで2016年8月13日にアーカイブ、2010年。
  12. ^ 「電池の仕組みは？簡単な紹介」 2006年4月24日。2020年6月9日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  13. ^ 「バッテリー節約に充電を」シカゴ・トリビューン2015年4月29日2015年6月19日閲覧。
  14. ^ 「塩化亜鉛電池」ラジオシャック。2015年2月12日時点のオリジナルよりアーカイブ。2015年6月19日閲覧。
  15. ^ 「電池」 .廃棄物防止情報交換. カリフォルニア州資源リサイクル・回収局（CalRecycle） . 2012年9月2日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2012年9月5日閲覧。
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