بطارية الزنك والكربون

بطارية الزنك والكربون (أو بطارية الكربون والزنك ) ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} هي البطارية العامة "شديدة التحمل" التي تُستخدم لمرة واحدة . كانت من أوائل البطاريات المصنعة للأجهزة الاستهلاكية، ورغم أنها أصبحت أقل استخدامًا في الآونة الأخيرة بفضل البطاريات القلوية الأطول عمرًا ، إلا أن بطارية الزنك والكربون لا تزال خيارًا اقتصاديًا مفيدًا للأجهزة ذات استهلاك الطاقة المنخفض. ^{[ 5 ]}

بطارية الزنك والكربون هي خلية جافة تُنتج تيارًا كهربائيًا مباشرًا من التفاعل الكهروكيميائي بين الزنك (Zn) وثاني أكسيد المنغنيز (MnO₂ ₎ في وجود محلول إلكتروليتي من كلوريد الأمونيوم (NH₄Cl ₎ . تُنتج هذه البطارية جهدًا كهربائيًا يبلغ حوالي 1.5 فولت بين مصعد الزنك ، الذي يُصنع عادةً على شكل حاوية أسطوانية للبطارية، وقضيب كربوني مُحاط بمركب ذي جهد قطب قياسي أعلى (قطبية موجبة)، يُعرف بالمهبط ، والذي يجمع التيار من قطب ثاني أكسيد المنغنيز. يُعد اسم "الزنك والكربون" مُضللًا بعض الشيء، إذ يوحي بأن الكربون هو العامل المؤكسد وليس ثاني أكسيد المنغنيز.

قد تستخدم البطاريات متعددة الأغراض معجونًا مائيًا حمضيًا من كلوريد الأمونيوم (NH₄Cl ₎ كمحلول إلكتروليتي، مع وجود محلول كلوريد الزنك على فاصل ورقي ليعمل كجسر ملحي . أما البطاريات شديدة التحمل فتستخدم معجونًا يتكون أساسًا من كلوريد الزنك (ZnCl₂ ₎ .

كانت بطاريات الزنك والكربون أولى البطاريات الجافة التجارية ، وقد طُوّرت من تقنية خلية ليكلانشيه الرطبة . وقد ساهمت هذه البطاريات في صناعة المصابيح اليدوية وغيرها من الأجهزة المحمولة، لأنها توفر كثافة طاقة أعلى بتكلفة أقل من الخلايا المتوفرة سابقًا. ولا تزال هذه البطاريات مفيدة في الأجهزة منخفضة الاستهلاك أو ذات الاستخدام المتقطع، مثل أجهزة التحكم عن بُعد ، والمصابيح اليدوية منخفضة الطاقة، والساعات، وأجهزة الراديو الترانزستورية ، إلا أنها لا تُؤدي أداءً جيدًا في الأجهزة مثل المصابيح اليدوية عالية الإضاءة، والكاميرات الرقمية، ومشغلات الأقراص المدمجة المحمولة.

بحلول عام 1876، صُنعت خلية ليكلانشيه الرطبة باستخدام كتلة مضغوطة من ثاني أكسيد المنغنيز . وفي عام 1886، حصل كارل غاسنر على براءة اختراع لنسخة "جافة" باستخدام غلاف مصنوع من صفائح الزنك كأنود ومعجون من جبس باريس (وفي وقت لاحق، مسحوق الجرافيت ). ^{[ 6 ]}

في عام ١٨٩٨، استخدم كونراد هوبرت بطاريات استهلاكية من إنتاج شركة دبليو إتش لورانس لتشغيل ما كان يُعرف بأول مصباح يدوي ، وشكّل الاثنان لاحقًا شركة إيفريدي للبطاريات . وفي عام ١٩٠٠، عرض غاسنر خلايا جافة للإضاءة المحمولة في المعرض العالمي في باريس . وشهدت خلايا الزنك والكربون تحسينات مستمرة على استقرارها وسعتها طوال القرن العشرين؛ وبحلول نهاية القرن، زادت سعتها أربعة أضعاف مقارنةً بنظيرتها في عام ١٩١٠. ^{[ ٧ ]} وتشمل هذه التحسينات استخدام أنواع أنقى من ثاني أكسيد المنغنيز، وإضافة مسحوق الجرافيت إلى ثاني أكسيد المنغنيز لتقليل المقاومة الداخلية ، وتحسين الإحكام، واستخدام زنك أنقى للقطب السالب. أما خلايا كلوريد الزنك (التي تُسوّق عادةً باسم بطاريات "الخدمة الشاقة") فتستخدم تركيزًا أعلى من محلول الأنود (أو إلكتروليت المصعد) الذي يتكون أساسًا من كلوريد الزنك، مما يُتيح إنتاج جهد كهربائي أكثر ثباتًا في التطبيقات التي تتطلب استهلاكًا عاليًا للطاقة.

قد تؤدي التفاعلات الجانبية بين الشوائب في مصعد الزنك المعدني/كلوريد الزنك، ومحلول كلوريد الأمونيوم الإلكتروليتي، إلى زيادة معدل التفريغ الذاتي وتعزيز تآكل الخلية. سابقًا، كان يُغطى الزنك بالزئبق ( Hg) لتكوين ملغم لحمايته. ونظرًا لأن هذه العملية تُشكل خطرًا بيئيًا، فإن البطاريات المُصنّعة حاليًا لا تستخدم الزئبق. ويتعين على المصنّعين الآن استخدام زنك عالي النقاء لمنع التفاعل الموضعي والتفريغ الذاتي. ^{[ 7 ]}

اعتبارًا من عام 2011،شكلت بطاريات الزنك والكربون 20٪ من جميع البطاريات المحمولة في المملكة المتحدة و 18٪ في الاتحاد الأوروبي ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}

_{يتكون وعاء خلية الزنك والكربون الجافة من علبة زنك (} مصعد). يحتوي قاع العلبة وجوانبها على طبقة فاصلة من الورق مشبعة بكلوريد الأمونيوم ( NH₄Cl ) مع عامل مُكثِّف لتكوين معجون إلكتروليتي مائي. يمنع الفاصل الورقي حدوث قصر في الدائرة الكهربائية بحماية علبة الزنك من ملامسة المهبط ، وهو عبارة عن خليط من مسحوق الكربون (عادةً مسحوق الجرافيت ) وأكسيد المنغنيز (IV) ( MnO₂ ) ^، ملفوف حول قضيب كربوني. ^[ ₁₂ ^]

تستخدم الأنواع القديمة من الخلايا، والخلايا منخفضة التكلفة، فاصلًا يتكون من طبقة من النشا أو الدقيق . أما في الخلايا الحديثة، فتُستخدم طبقة من الورق المغطى بالنشا، وهي أرقّ وتسمح باستخدام كمية أكبر من ثاني أكسيد المنغنيز. في الأصل، كانت الخلايا تُغلّف بطبقة من الأسفلت لمنع جفاف الإلكتروليت؛ أما في الآونة الأخيرة، فيُستخدم مانع تسرب حراري بلاستيكي للمساعدة في منع التسرب ، وكذلك لاحتواء أي ضغط داخلي قد يتشكل نتيجة لتراكم غاز الهيدروجين أثناء التفريغ. يتميز قضيب الكربون بمسامية طفيفة، مما يسمح بتجمع المزيد من ذرات الهيدروجين المشحونة لتكوين غاز الهيدروجين. تؤثر نسبة ثاني أكسيد المنغنيز ومسحوق الكربون في معجون الكاثود على خصائص الخلية: فزيادة مسحوق الكربون تُقلل المقاومة الداخلية ، بينما زيادة ثاني أكسيد المنغنيز تُحسّن سعة التخزين. ^{[ 7 ]}

تُصنع الخلايا المسطحة لتجميعها في بطاريات ذات جهد أعلى، يصل إلى حوالي 450 فولت. تُكدس الخلايا المسطحة فوق بعضها البعض، ويُغطى التجميع بأكمله بالشمع لمنع تبخر الإلكتروليت . تتدفق الإلكترونات من المصعد إلى المهبط عبر سلك الجهاز المتصل. ^{[ 13 ]}

تتميز بطاريات الزنك والكربون بانخفاض تكلفتها للوحدة الواحدة، وغالبًا ما تُستخدم كمصدر طاقة للأجهزة التي تستهلك طاقة قليلة، مثل أجهزة التحكم عن بُعد للتلفزيون والساعات وأجهزة كشف الدخان ، بالإضافة إلى دواسات المؤثرات الصوتية المستخدمة مع الغيتارات الكهربائية . وكانت بطاريات الزنك والكربون شائعة الاستخدام في الهواتف المغناطيسية اليدوية ، حيث كانت تُشغل الميكروفون ومكبر الصوت.

في خلية جافة من الزنك والكربون، يكون وعاء الزنك الخارجي هو الطرف المشحون سالباً. ^{[ 12 ]}

تُعدّ خلية كلوريد الزنك، التي يُشار إليها غالبًا باسم بطارية الخدمة الشاقة أو فائقة الشاقة أو فائقة الشاقة جدًا ، تطويرًا لخلية الزنك والكربون الأصلية، إذ تستخدم مواد كيميائية أنقى، وتوفر عمرًا أطول وجهدًا أكثر استقرارًا أثناء الاستخدام، كما أنها تُقدّم عمرًا افتراضيًا يُقارب ضعف عمر خلايا الزنك والكربون للأغراض العامة، أو ما يصل إلى أربعة أضعاف في التطبيقات التي تتطلب استخدامًا متواصلًا أو استهلاكًا عاليًا للطاقة. [ ^{7 ] ومع} ذلك، لا يزال هذا يُمثّل جزءًا صغيرًا من إنتاج خلية قلوية.

توفر البطاريات القلوية ^{[ 14 ]} عمرًا أطول يصل إلى ثمانية أضعاف عمر بطاريات الزنك والكربون، ^{[ 15 ]} خاصة في التطبيقات التي تتطلب استخدامًا مستمرًا أو استهلاكًا عاليًا للطاقة. ^{[ 7 ]}

يوصي المصنّعون بتخزين بطاريات الزنك والكربون في درجة حرارة الغرفة؛ إذ يُقلّل التخزين في درجات حرارة أعلى من عمرها الافتراضي المتوقع . ^{[ 1 ]} يمكن تجميد بطاريات الزنك والكربون دون تلف؛ ويوصي المصنّعون بإعادتها إلى درجة حرارة الغرفة العادية قبل الاستخدام، مع ضرورة تجنّب تكثّف الرطوبة على غلاف البطارية. وبحلول نهاية القرن العشرين، تحسّن عمر تخزين خلايا الزنك والكربون أربعة أضعاف مقارنةً بالعمر المتوقع في عام 1910. ^{[ 7 ]}

تتميز خلايا الزنك والكربون بعمر تخزين قصير ، إذ يتفاعل الزنك مع كلوريد الأمونيوم. ويصبح غلاف الزنك أرق مع استخدام الخلية، نتيجةً لتأكسد معدن الزنك إلى أيونات الزنك. وعندما يصبح غلاف الزنك رقيقًا بدرجة كافية، يبدأ كلوريد الزنك بالتسرب من البطارية. لا تُعدّ الخلية الجافة القديمة مانعة للتسرب، وتصبح لزجة للغاية نتيجةً لتسرب المعجون عبر ثقوب غلاف الزنك. ويزداد غلاف الزنك في الخلية الجافة رقةً حتى عند عدم استخدامها، بسبب تفاعل كلوريد الأمونيوم الموجود داخل البطارية مع الزنك. أما الشكل "المقلوب" ذو الغلاف الكربوني وشفرات الزنك الداخلية، فرغم مقاومته العالية للتسرب، إلا أنه لم يُصنّع منذ ستينيات القرن الماضي. ^{[ 7 ]}

تُظهر هذه الصورة حاوية الزنك لبطاريات جديدة في (أ)، وبطاريات مُفرغة في (ب) و(ج). البطارية الموضحة في (ج) كانت مزودة بغشاء واقٍ من البولي إيثيلين (أُزيل معظمه في الصورة) للحفاظ على أكسيد الزنك داخل الغلاف.

تختلف إجراءات التخلص من البطاريات باختلاف المناطق. ففي الولايات المتحدة، على سبيل المثال، تعتبر ولاية كاليفورنيا جميع البطاريات نفايات خطرة عند التخلص منها، وقد حظرت التخلص منها مع النفايات المنزلية الأخرى . ^{[ 16 ]} أما في أوروبا، فيخضع التخلص من البطاريات لتوجيهات نفايات المعدات الكهربائية والإلكترونية وتوجيهات البطاريات ، وبالتالي لا يجوز التخلص من بطاريات الزنك والكربون مع النفايات المنزلية. وفي الاتحاد الأوروبي، يُلزم القانون معظم المتاجر التي تبيع البطاريات بقبول البطاريات القديمة لإعادة تدويرها .

• مقارنة أنواع البطاريات
• قائمة أحجام البطاريات
• قائمة أنواع البطاريات
• بطارية فلاش الكاميرا

• إيفريدي: ملاحظات تطبيق الكربون والزنك، مؤرشفة بتاريخ 24 سبتمبر 2007 في أرشيف الإنترنت (Wayback Machine).
• رايوفاك: ملاحظات تطبيقية للقلويات والاستخدامات الشاقة (مؤرشفة بتاريخ 10 فبراير 2013 في أرشيف الإنترنت )
• الأسئلة الشائعة حول كيمياء بطاريات باور ستريم
• بناء الخلية
• وحدة طاقة عالية الكثافة من الزنك والمنغنيز بسعر بطارية السيارة