BÀI TẬP LỚN MÔN THÍ NGHIỆM CHẾ TẠO CÁC HỆ NĂNG LƯỢNG ĐỀ TÀI BÁO CÁO THÍ NGHIỆM PIN ZINC CARBON

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  BÀI TẬP LỚN MƠN THÍ NGHIỆM CHẾ TẠO CÁC HỆ NĂNG LƯỢNG ĐỀ TÀI BÁO CÁO THÍ NGHIỆM PIN ZINC CARBON LỚP: Nhóm - L01 - HK212 NGÀY NỘP: 10/03/2022 Giảng viên hướng dẫn: ThS Bùi Thị Thảo Nguyên Sinh viên thực Mã số sinh viên Võ Ngọc Phú Quang 1914813 Lương Chí Tường 1915852 Đinh Thị Hồng Vân 1915889 Lương Thắng Lợi 1914045 Thành phố Hồ Chí Minh – 2022 Điểm số MỤC LỤC I CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Lịch sử phát triển 1.2 Cấu tạo pin, vai trò thành phần .3 1.2.1 Cấu tạo pin 1.2.2 Vai trò thành phần: .4 1.3 Nguyên lý hoạt động 1.4 Ứng dụng loại pin thị trường 1.5 Ưu điểm hạn chế pin .6 1.5.1 Ưu điểm: 1.5.2 Hạn chế: II THỰC NGHIỆM 2.1 Vật tư hóa chất .7 2.2 Quy trình thí nghiệm 2.2.1 Các bước q trình thí nghiệm: 2.2.2 Sơ đồ khối trình thí nghiệm 2.3 Thiết kế sản phẩm .10 2.3.1 Hình ảnh bên pin 10 2.3.2 Hình ảnh bên pin 11 III TRẢ LỜI CÂU HỎI 11 IV TÀI LIỆU THAM KHẢO 12 I CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Lịch sử phát triển Đến năm 1876, tế bào Leclanché ướt được tạo khối mangan đioxit nén. Năm 1886, Carl Gassner đã cấp sáng chế cho phiên "khô" cách sử dụng vỏ làm từ kim loại kẽm làm cực dương và một lớp thạch cao Paris (và sau là bột than chì ).  Năm 1898, Conrad Hubert sử dụng pin tiêu dùng WH Lawrence sản xuất để cung cấp lượng cho chiếc đèn pin đầu tiên , sau hai thành lập Cơng ty Pin Eveready . Năm 1900, Gassner trình diễn tế bào khô để chiếu sáng di động tại Hội chợ Thế giới Paris . Những cải tiến liên tục thực ổn định khả tế bào kẽm-carbon suốt kỷ 20; vào cuối kỷ này, công suất tăng gấp bốn lần so với mức tương đương năm 1910  Các cải tiến bao gồm việc sử dụng loại mangan điơxít tinh khiết hơn, bổ sung bột than chì vào điơxít mangan để giảm điện trở bên trong , niêm phong tốt kẽm tinh khiết cho điện cực âm.Tế bào kẽm clorua (thường bán thị trường pin "hạng nặng") sử dụng nồng độ anot cao (hoặc chất điện phân anot) chủ yếu bao gồm clorua kẽm, tạo điện áp đầu ổn định ứng dụng thoát nước cao Phản ứng phụ tạp chất cực dương kim loại kẽm / kẽm clorua chất điện phân amoni clorua làm tăng tốc độ tự phóng điện thúc đẩy ăn mòn tế bào. Trước đây, kẽm phủ lớp thủy ngân (Hg) để tạo thành hỗn hống , bảo vệ nó. Cho mối nguy hại môi trường, loại pin sản xuất khơng cịn sử dụng thủy ngân. Các nhà sản xuất phải sử dụng nhiều kẽm có độ tinh khiết cao để ngăn chặn hoạt động cục tự phóng điện.  Tính đến năm 2011, pin kẽm-carbon chiếm 20% tổng số pin di động Vương quốc Anh 18% EU Tại Nhật, họ chiếm 6% doanh số bán pin sơ cấp 1.2 Cấu tạo pin, vai trò thành phần 1.2.1 Cấu tạo pin + Cực dương (+): Cacbon + Cực âm (-): Zn 1.2.2 Vai trò thành phần:  Pin hoạt động phản ứng điện hóa kẽm và Mangan dioxit, chất điện phân dùng bột Amoni clorua  Chất điện li là amoni chloride dạng hỗn hợp bên cạnh anode kẽm Khoảng trống lại chất điện phân cathode carbon lấp hỗn hợp thứ hai gồm amoni chloride mangan dioxide, chất dùng làm chất phân cực Một tế bào pin khô kẽm-cacbon đóng gói lon kẽm đóng vai trị vật chứa cực âm (cực dương). Cực dương cacbon bao quanh hỗn hợp mangan đioxit bột cacbon. Chất điện phân sử dụng hỗn hợp kẽm clorua amoni clorua hòa tan nước. Thanh cacbon (than chì) thứ thu thập điện tử từ phần cực dương pin để quay trở lại phần cực âm pin. Carbon vật liệu dẫn điện thực tế kim loại thơng thường nhanh chóng bị ăn mịn điện cực dương chất điện phân có muối 1.3 Nguyên lý hoạt động Kẽm bị oxi hóa theo nửa phương trình sau Zn (s) -> Zn2 + (aq) + e- [e ° = -1,04 vôn] Mangan đioxit trộn với bột cacbon để tăng độ dẫn điện. Phản ứng xảy sau: 2MnO2 (s) + e- + 2NH4Cl (aq) -> Mn2O3 (s) + 2NH3 (aq) + H2O (aq) + Cl- [e ° ˜ +.5 v] Cl kết hợp với Zn2 + Trong nửa phản ứng này, mangan bị khử từ trạng thái oxy hóa (+4) thành (+3). Có thể có phản ứng phụ khác, phản ứng tổng thể tế bào kẽm-cacbon biểu diễn sau: Zn (s) + 2MnO2 (s) + 2NH4Cl (aq) —> Mn2O3 (s) + Zn (NH3) 2Cl2 (aq) + H2O (l) Pin có emf khoảng 1,5 V Khi tải nối với cực , pin sản xuất điện thông qua loạt phản ứng điện từ cực dương cực âm điện phân Ở anode xảy phản ứng oxi hóa hai nhiều ion từ chất điện phân kết hợp với anode, tạo hợp chất giải phóng nhiều electron Đồng thời, cathode xảy phản ứng khử, chất làm cathode, ion electron tự kết hợp để tạo thành hợp chất  Phản ứng cực âm (anode) tạo electron điện tử, phản ứng cực dương (cathode) hấp thụ electron Kết ta có dịng điện Các pin sản xuất điện liên tục hai điện cực bị ăn mòn hết khiến phản ứng hóa học khơng thể xảy 1.4 Ứng dụng loại pin thị trường Ứng dụng: Pin Zinc-Carbon loại pin có giá thành rẻ, thường sử dụng nhiều thiết bị hàng ngày tiêu thụ điện thiết bị sử dụng không không liên tục đèn pin, đồ chơi, máy ảnh, đồng hồ, điều khiển từ xa… pin sử dụng làm nguồn lượng cho máy trợ thính, tính hiệu đường sắt Hình Pin Zinc Carbon ứng dụng điều khiển từ xa đồng hồ đèo tay Một số loại pin Zinc- Carbon thị trường Pin Con thỏ Pin Ó Pin Toshiba Một số loại pin Zinc Carbon khác thông dụng thị trường như: Pin én, Maxell, Sony, Panasonic,… 1.5 Ưu điểm hạn chế pin 1.5.1 Ưu điểm: + Giá thành thị trường rẻ pin chế tạo từ kẽm oxy khơng khí, mà tự nhiên kẽm chiếm tỉ trọng lớn + Pin có khả sạc lại nhiều lần rẻ + Kẽm kim loại thân thiện với môi trường nguy hiểm tủi ro loại pin khác + Pin dùng nhiều thiết bị phục vụ sống thường ngày đèn pin, remote, … số thiết bị dùng nhiều lĩnh vực 1.5.2 Hạn chế: + Loại pin bị cản trở vấn đề sạc để sạc cần thêm chất xúc tác trình sản xuất chất xúc tác lại có giá cao + Độ bền kẽm bị amoni clorua cơng kim loại kẽm bị oxi hóa thành ion kẽm đến thời gian kẽm clorrua rò rỉ qua lỗ hộp kẽm + Yêu cầu sử dụng lớn nên hàng năm có hàng nghìn pin kẽm carbon bị loại bỏ hàng năm khắp giới, thường không tái chế + Không trữ nhiều lượng thời gian dùng ngắn + Khơng bảo quản cách dẫn đến cháy nổ, rủi ro đến thiết bị sức khỏe người dùng II THỰC NGHIỆM 2.1 Vật tư hóa chất Bảng nguyên liệu đơn pha chế: Nguyên liệu Đơn pha chế (g) Đơn pha chế (%) Zn 2.42 16.13 ZnCl2 0.34 2.27 NH4Cl 1.00 6.67 H2O 2.50 16.66 MnO2 6.48 43.20 Muội acetylene 1.30 8.67 ZnO 0.38 2.53 Carbon 0.25 1.67 Khác* 0.33 2.20 Tổng 15 100 Ảnh vật liệu dụng cụ Lọ MnO2 (1g) Lọ Carbon (1g) Lọ NH4Cl (5ml, 5M) Lọ Zn (5g) cốc nhựa, ống nhựa lọc gịn vít thìa đo nhựa dài lọ nhựa cốc nắp màu đĩa gỗ Đèn LED Giá đỡ pin 2.2 Quy trình thí nghiệm 2.2.1 Các bước q trình thí nghiệm: Đổ oxit mangan (1 g) từ chai vào lọ nhựa rỗng Thêm than chì (1 g) từ chai Nhúng đầu ống nhựa vào hỗn hợp chuẩn bị Lặp lại cho ống thứ hai Đậy ống nắp Đậy nắp lọ lắc 10 giây Chèn viên chì than chì vào lỗ hở nắp Bây giờ, làm hộp đựng pin: lắp nắp màu đóng gói riêng (khơng có màng) vào cốc nhỏ suốt Đặt vào ống chuẩn bị Nhỏ 10 giọt dung dịch amoniac clorua NH4Cl 5M vào hộp đựng pin 10 Thêm (mức) thìa nhỏ hỗn hợp than chì oxit mangan MnO2 11 Đóng lọ 12 Chèn lọc bơng gịn vào hộp đựng pin 13 Sử dụng nhựa, ấn lọc vào hết cỡ 14 Thêm vào bên thìa nhỏ bột kẽm Zn vào hộp đựng 15 Thêm giọt dung dịch amoniac clorua NH4Cl 5M 16 Lấy vít lắp chặt chắn vào hộp đựng pin 17 Lật ngược hộp trượt đĩa gỗ lên dây dẫn 18 Bây giờ, nhấn dây dẫn vào pin, ngang với đĩa gỗ 19 Lặp lại bước từ đến 18 để lắp ráp thêm pin 20 Lắp pin vào ngăn chứa pin, hình minh họa Lưu ý cực: vít hai pin phải chạm vào lò xo giá đỡ Bây giờ, sử dụng kẹp cá sấu để kết nối dây màu đỏ với chân dài đèn LED dây đen - với chân ngắn Đèn LED sáng lên, có nghĩa pin bạn hoạt động! 21 Lưu hỗn hợp để làm lại thí nghiệm 2.2.2 Sơ đồ khối trình thí nghiệm Hỗn hợp MnO2 + Carbon Nhúng đầu ống nhựa vào hỗn hợp, đậy kín nút nhựa Đậy ống hỗn hợp lắc Chèn viên chì than chì vào lỗ hở nắp ống nhựa Lắp nắp màu (khơng có màng) vào cốc nhỏ suốt đặt vào ống nhựa Nhỏ 10 giọt NH4Cl vào ống + thìa từ hỗn hợp (MnO2 + Carbon) Chèn lọc bơng gịn vào hộp đựng pin Sử dụng nhựa, ấn lọc vào hết cỡ thìa Zn + giọt dung dịch NH4Cl vào hộp đựng pin Lật ngược hộp trượt đĩa gỗ lên dây dẫn Nhấn dây dẫn vào pin, ngang với đĩa gỗ Lặp lại bước từ đến 18 để lắp ráp thêm pin Lắp pin vào ngăn chứa pin Kết nối dây điện vào đầu điện cực, ta pin *video chế tạo pin tham khảo “Zinc carbon battery“ from the “Zinc carbon battery“ set https://www.youtube.com/watch? v=K0qx9VGu7Qc&t=106s 2.3 Thiết kế sản phẩm 2.3.1 Hình ảnh bên pin 10 2.3.2 Hình ảnh bên pin III TRẢ LỜI CÂU HỎI Lớp bơng cách đặt pin Zn – C có tác dụng gì? Nếu khơng có pin có hoạt động khơng? Nếu hoạt động hoạt động nào? Đề nghị giải pháp nhầm cải thiện tính pin? Trả lời: Lớp bơng cách đặt pin Zn – C có tác dụng lớp cách điện Lớp cách điện màng thấm đặt cực dương cực âm pin Chức phân tách giữ cho hai điện cực cách xa để ngăn ngừa đoản mạch điện đồng thời cho phép vận chuyển hạt ion cần thiết để đóng mạch q trình dịng điện chạy qua tế bào điện hóa Một số phương pháp cải tiến: Sử dụng hóa chất nguyên chất (gồm MnO Zn) nhờ sử dụng chất bôi trơn trình tạo hình đại Sử dụng ZnCl2 thay phần hay hoàn toàn NH4Cl 11 IV TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguồn 12/01/2022, vi.wikipedia.org/wiki/Pin_k%E1%BA%BDm-carbon https://vi.wikipedia.org/wiki/Pin_k%E1%BA%BDm-carbon Nguồn testostore.vn (2022), testostore.vn/pin-hoat-dong-nhu-the-nao, https://testostore.vn/pin-hoat-dong-nhu-the-nao/ Nguồn howstuffwork, genk.vn/cung-tim-hieu-ve-cac-loai-pin-dung-trongcong-nghe-20120816012112419.chn, https://genk.vn/cung-tim-hieu-ve-cacloai-pin-dung-trong-cong-nghe-20120816012112419.chn “Zinc carbon battery“ from the “Zinc carbon battery“ set https://www.youtube.com/watch?v=K0qx9VGu7Qc&t=106s 12 ... Một số loại pin Zinc- Carbon thị trường Pin Con thỏ Pin Ó Pin Toshiba Một số loại pin Zinc Carbon khác thông dụng thị trường như: Pin én, Maxell, Sony, Panasonic,… 1.5 Ưu điểm hạn chế pin 1.5.1... từ đến 18 để lắp ráp thêm pin Lắp pin vào ngăn chứa pin Kết nối dây điện vào đầu điện cực, ta pin *video chế tạo pin tham khảo ? ?Zinc carbon battery“ from the ? ?Zinc carbon battery“ set https://www.youtube.com/watch?... 1.5.2 Hạn chế: II THỰC NGHIỆM 2.1 Vật tư hóa chất .7 2.2 Quy trình thí nghiệm 2.2.1 Các bước q trình thí nghiệm: 2.2.2 Sơ đồ khối trình thí nghiệm