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  _ Zink/ NH4Cl /MnO2 ( C ) -System
Standard Leclanché - Primärsystem
Zn, NH4Cl mit ZnCl2 MnO2

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Andere Bezeichnungen   Zink-Braunstein-, Zink-Kohle-, Leclanché-Batterie, Trockenbatterie, Zinc-carbon cells, Standard Leclanché cell.

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Anwendung   Das System eignet sich besonders für intermittierenden Betrieb. Es wird in Standard- und heavy duty –Ausführung angeboten.

Die positive Elektrode der ‚heavy duty’ Versionen enthält neben natürlichem Braunstein oft Zusätze von elektrolytisch erzeugtem MnO2, bzw. nur elektrolytisch erzeugtes MnO2. Die aktive Masse wird aus einer Mischung mit Ruß, Grafit und Elektrolyt verpreßt und durch einen Kohlestab kontaktiert. Ein Papierseparator mit einem Überzug von modifizierter Stärke und Elektrolyt dient zur elektronischen Trennung von negativer und positiver Elektrode. Die negative Elektrode besteht aus einem Zinkbecher, der während der Entladung teilweise aufgelöst wird. Damit die Zellen nach außen dicht bleiben, werden sie mit einer Isolierhülle und einem Stahlmantel umgeben.

Hauptanwendungen sind tragbare Geräte mit intermittierender, geringer Strombelastung wie Transistorradios, Kassettenrecorder, Taschenlampen, Wohnraumuhren, Spielzeuge, Meßgeräte, Rechner, Fernbedienungen u.s.w..

 

Stark vereinfachte elektrochemische Reaktionsgleichungen (Hilfe Formeln):

Gering entladene Zelle:

Negative Elektrode:
Zn0 + 2 NH4Cl + 2 OH- -->
Zn2+(NH3)2Cl2 + 2 H2O + 2 e-

Positive Elektrode:
2 Mn4+O2 + 2 H2O + 2 e- -->
2 Mn2+OOH + 2 OH-

Summe: Zn + 2 MnO2 + 2 NH4Cl -->
2 MnOOH + Zn(NH3)2Cl2

Stark entladene Zelle:

Summe:
Zn + 2 MnO2 + NH4Cl + H2O -->
2 MnOOH + NH3 + Zn(OH)Cl

Die tatsächlich ablaufenden elektrochemischen Reaktionen sind sehr komplex und hängen u.a. vom Entladezustand und von der Entladestromdichte ab. Die Elektrolytlösung wird bei der Entladung verbraucht und fest = Trockenbatterie. Beim Mangandioxid handelt es sich um ein nicht stöchiometrisches Oxid. Korrekt müßte man MnOx, schreiben, wobei x gewöhnlich 1,9 entspricht.
In Abhängigkeit vom Entladestrom können folgende Produkte entstehen: ZnCl2  4 Zn(OH)2  4 H2O, ZnO  Mn2O3, Zn(NH3)4Cl2 oder Mn3O4.
Während der Entladung ändert sich der pH-Wert und die Zusammensetzung der Kathode. Dies führt zu einer mehr oder weniger gleichmäßigen Abnahme der Zellspannung.
Zusätze von Quecksilber-(II)-chlorid (0,2 bis 0,6 % HgCl2) zum Elektrolyten amalgamieren den Zinkbecher und hemmen durch die hohe Überspannung der Wasserstoffabscheidung die Korrosion des Zinks. Der hohe Quecksilbergehalt und die damit verbundenen Entsorgungsprobleme sind ein Grund warum dieses klassische System (seit 1866) inzwischen weitgehend vom Markt verschwunden ist. MnO2 ist ein schlechter Elektronenleiter. Um die elektrische Leitfähigkeit zu verbessern, wird Grafitpulver bzw. heute vorwiegend Acetylen-Ruß innig mit dem MnO2 vermischt. Bei diesem Mischungsprozeß werden die einzelnen MnO2-Partikel mit Kohlenstoff überzogen. Dadurch werden auch die mechanischen Eigenschaften der Masse verbessert. Der Kohlenstoff dient nicht zuletzt auch zur Aufnahme von Elektrolytlösung in der Kathode. In diesem Punkt ist Acetylenruß dem Grafit überlegen.

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Technische Daten  
o Elektrolytlösung:
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NH4Cl in Wasser mit Zusätzen von ZnCl2, Quecksilber-(II)-chlorid, Stärke, Methylzellulose o.ä.

o Zellspannung:
{short description of image} Nennspannung: 1,5 V
{short description of image} Leerlaufspannung: 1,5 bis 1,75 V
{short description of image} Arbeitsspannung: 1,25 bis 1,1V
{short description of image} Entladeschlußspannung: 0,9 V
o Betriebstemperatur: - 5 bis 45 °C,
o Theoretische spezifische Energie: 245 Wh/kg
o Praktische spez. Energie: 40 bis 70 Wh/kg
o Energieinhalt (volumetrisch): 100 Wh/l
o Spezifische Kapazität: 35 bis 96 Ah/kg, stark temperaturabhängig
o Entladeprofil: fallend
o Energiedichte: gering
o Selbstentladung bei 20°C / Monat: bis 10 %
o Lagertemperatur: 0 bis 20°C (-40 bis 45°C)
o Schockbelastbarkeit: gut
o Baugrößen: bis 30 Ah
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Besonderheiten:   Die Korrosion von Zn unter Wasserstoffentwicklung wurde früher durch Amalgamierung des Zinks sowie durch Legierung des Zinks mit Blei oder Cadmium verhindert. Diese Stoffe wurden aus Umweltschutz-Gründen weitestgehend durch weniger umweltgefährdende Inhibitoren ersetzt.

Leclanché-Zellen sind auslaufsicher, aber nicht 100%ig versiegelt. Entweichen von H2 und Eindringen von O2 ist möglich. Die Standard Leclanché-Zelle ist besonders für geringe Entladeströme und unterbrochenen Betrieb geeignet. Leclanché – Zellen wie auch die leistungsstärkere Variante mit ZnCl2-Elektrolytlösung wird von den meisten Anbietern nicht mehr weiterentwickelt. Die Zukunft gehört den Alkali-Manganzellen, die dem wachsenden Bedarf an Hochleistungszellen für Dauerbetrieb eher gerecht werden und auch länger lagerfähig sind.

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Vorteile, Nachteile, Bauarten   Vorteile:
Geringe Kosten, große Auswahl an Formen, Abmessungen, Spannungen und Kapazitäten. Vielfältige Formulierungen, weite Verbreitung und Verfügbarkeit.

Nachteile:
Schlechte Dichtigkeit bei mißbräuchlicher Behandlung, schlechte Tieftemperatureigenschaften, geringe Energiedichte, geringe Leistung, geringe Kapazität bei hohen Entladeströmen, vergleichsweise schlechte Lagerfähigkeit bei höheren Temperaturen, stetiger Spannungsabfall während der Entladung.

Bauarten:
Leclanché-Zellen und –Batterien werden in allen denkbaren Formaten von kleinen Rundzellen bis zu großen prismatischen Batterien hergestellt. Die am häufigsten benutzten Größen sind (deutsche Konsumentennomenklatur): Mono, Lady, Baby, Mignon, Micro sowie die 9 V Blockbatterie aus 6 übereinander geschichteten Zellen. Die zugeordneten ANSI-Bezeichnungen sind: D (Ø 35 mm, h 62 mm), C (Ø 27 mm, h 50 mm), AA (Ø 15 mm, h 51 mm), AAA (Ø 11 mm, h 45 mm)

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Adresse   Ansprechpartner:
Dr. Jens Tübke
Tel.: (0721) 4640-343
Fax: (0721) 4640-111
 

Fraunhofer Institut für Chemische Technologie

Joseph-von-Fraunhofer-Str. 7
D-76327 Pfinztal (Berghausen)

Telefon (0721) 46 40-0
Fax (0721) 46 40 - 111



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