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亜鉛炭素電池（または炭素亜鉛電池）[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]は、一般的な「高耐久性」使い捨て電池です。これらは、消費者向け機器用に作られた初期の電池の1つであり、近年ではより長持ちするアルカリ電池に取って代わられましたが、亜鉛炭素電池は、電力需要の低い機器にとって費用対効果の高い選択肢として依然として有用です。[ 5 ]
亜鉛炭素電池は、塩化アンモニウム（NH₄Cl ）電解質の存在下で亜鉛（Zn）と二酸化マンガン（MnO₂）の電気化学反応によって直流電流を供給する乾電池です。この電池は、通常、円筒形の容器として作られる亜鉛陽極と、二酸化マンガン電極から電流を集める、より高い標準電極電位（正極性）を持つ化合物で囲まれた炭素棒（陰極）との間に約1.5ボルトの電圧を発生させます。「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かのように誤解を招く恐れがあります。
汎用電池では、電解液として塩化アンモニウム（NH₄Cl ）の酸性水性ペーストを使用し、紙セパレーター上に塩化亜鉛溶液を塗布して、いわゆる塩橋として機能させる。 高負荷用電池では、主に塩化亜鉛（ ZnCl₂ ）からなるペーストを使用する。
亜鉛炭素電池は、湿式ルクランシェ電池の技術を基に開発された、最初の商用乾電池でした。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、消費電力が少ない、あるいは断続的に使用される機器には現在でも有効ですが、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低下します。
1876年までに、湿式ルクランシェ電池は圧縮された二酸化マンガンのブロックで作られました。1886年、カール・ガスナーは亜鉛板金製のケースを陽極として使用し、石膏ペースト（後に黒鉛粉末）を使用した「乾式」バージョン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ローレンスが製造した消費者用電池を使用して最初の懐中電灯を点灯させ、その後、2人はエバレディ電池会社を設立した。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た。20世紀を通じ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年相当の4倍に増加した。[ 7 ]改良には、より純度の高い二酸化マンガンの使用、内部抵抗を下げ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、より優れた密閉、負極用のより純度の高い亜鉛の使用などが含まれる。塩化亜鉛電池（通常は「ヘビーデューティー」電池として販売されている）は、主に塩化亜鉛で構成される高濃度のアノライト（またはアノード電解質）を使用しており、高負荷用途でより安定した電圧出力を生成できる。
亜鉛金属/塩化亜鉛アノード中の不純物と塩化アンモニウム電解液との間の副反応は、自己放電率を増加させ、電池の腐食を促進する可能性があります。以前は、亜鉛は水銀（Hg）でコーティングされてアマルガムを形成し、保護されていました。これは環境上の危険であるため、現在の生産電池では水銀は使用されていません。製造業者は、局所的な作用と自己放電を防ぐために、より高純度の亜鉛を使用しなければなりません。[ 7 ]
2011年現在、亜鉛炭素電池は、英国の携帯用電池全体の20％、EUの18％を占めている[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]。
亜鉛-炭素乾電池の容器は亜鉛缶（陽極）です。缶の底部と側面には、塩化アンモニウム（NH₄Cl）と増粘剤を含浸させた紙セパレータ層があり、水性電解質ペーストを形成しています。紙セパレータは、亜鉛缶が陰極と接触するのを防ぐことで短絡の発生を防ぎます。陰極は、炭素棒の周りに詰められた粉末炭素（通常はグラファイト粉末）と酸化マンガン（IV）（MnO₂）の混合物です。[ 12 ]
初期のタイプや低コストの電池では、デンプンや小麦粉の層からなるセパレータが使用されています。現代の電池では、より薄く、より多くの二酸化マンガンを使用できるデンプンコーティング紙の層が使用されています。当初、電池は電解液の乾燥を防ぐためにアスファルトの層で密封されていましたが、最近では、放電中に水素ガスが蓄積することによって生じる可能性のある内部圧力を封じ込めるとともに、漏れを防ぐために熱可塑性ワッシャーシールが使用されています。カーボンロッド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形成できます。カソードペースト中の二酸化マンガンとカーボン粉末の比率は電池の特性に影響を与えます。カーボン粉末が多いほど内部抵抗は低下し、二酸化マンガンが多いほど蓄電容量は向上します。[ 7 ]
フラットセルは、最大約450ボルトまでの高電圧バッテリーに組み込むために作られています。フラットセルは積み重ねられ、電解液の蒸発を防ぐためにアセンブリ全体がワックスでコーティングされます。電子は、接続されたデバイスのワイヤを介してアノードからカソードに流れます。[ 13 ]
亜鉛炭素電池は単価が低く、テレビのリモコン、時計、煙探知機などの消費電力の少ない機器や、エレキギターのファズペダルなどの電源としてよく使われます。また、手回し式のマグネト電話機では、マイクとスピーカーの電源として亜鉛炭素電池が広く使われていました。
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である。[ 12 ]
亜鉛は、電荷キャリアである塩化物アニオン（Cl⁻ ）によって、以下の半反応を経てZnCl₂に酸化される。
陽極（酸化反応、−印で示す）
陰極（還元反応、+印）
他の副反応も起こり得るが、亜鉛-炭素電池における全体の反応は次のように表すことができる。
電解質として塩化アンモニウムの代わりに塩化亜鉛を用いた場合でも、陽極反応は同じままである。
そして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。
全体的な反応を示す
この電池の起電力（emf）は約1.5Vです。起電力の概算値は、陰極反応の複雑さに関係しています。陽極（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、負荷がかかると端子電圧が低下します。
亜鉛塩化物電池は、高耐久性、超高耐久性、極高耐久性、または極超高耐久性電池と呼ばれることが多く、より純度の高い化学物質を使用し、使用時の耐用年数が長く、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負荷用途では最大4倍の耐用年数を提供する、元の亜鉛炭素電池の改良版です。[ 7 ]ただし、これはアルカリ電池の出力のほんの一部に過ぎません。
アルカリ電池[ 14 ]は、亜鉛炭素電池[ 15 ]の最大8倍の電池寿命を提供し、特に連続使用や高消費電力の用途でその利点が顕著です。[ 7 ]
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、期待される耐用年数が短くなります。[ 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し、電池ジャケットに結露が発生しないようにす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年の期待寿命の4倍に向上しました。[ 7 ]
亜鉛炭素電池は、亜鉛が塩化アンモニウムによって侵食されるため、保存期間が短い。亜鉛容器は、亜鉛金属が酸化されて亜鉛イオンになるため、電池の使用に伴って薄くなる。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始める。古い乾電池は液漏れ防止機能がなく、ペーストが亜鉛ケースの穴から漏れ出すため、非常に粘着性が高くなる。乾電池の亜鉛ケースは、電池を使用していないときでも、電池内部の塩化アンモニウムが亜鉛と反応するため薄くなる。内側に炭素カップと亜鉛の羽根がある「裏返し」型は、液漏れ防止機能は高いが、1960年代以降は製造されていない。[ 7 ]
この写真は、新品の電池が入った亜鉛容器（a）、放電済みの電池（b）と（c）を示しています。（c）の電池には、酸化亜鉛をケース内に保持するためのポリエチレン製の保護フィルム（写真ではほとんど剥がれています）が貼られていました。
廃棄方法は管轄区域によって異なります。たとえば、米国では、カリフォルニア州は廃棄されるすべての電池を有害廃棄物とみなしており、電池を他の家庭ごみと一緒に廃棄することを禁止しています。[ 16 ]ヨーロッパでは、電池の廃棄はWEEE指令および電池指令の規則によって管理されており、亜鉛炭素電池は家庭ごみと一緒に捨ててはいけません。EUでは、電池を販売するほとんどの店舗は、リサイクルのために古い電池を受け入れることが法律で義務付けられています。
