Pile au magnésium | Structure chimique de la pile au magnésium
Le magnésium est utilisé comme matériau d'anode dans les batteries primaires en raison de son potentiel standard élevé. C'est un métal léger. Il est également facilement disponible et peu coûteux. La batterie au magnésium/dioxyde de manganèse (Mg/MnO2) a une durée de vie deux fois supérieure, c'est-à-dire une capacité, par rapport à la batterie au zinc/dioxyde de manganèse (Zn/MnO2) de même taille. Elle peut également conserver sa capacité, pendant le stockage, même à des températures élevées. La batterie au magnésium est très durable et storable car elle a toujours une couche protectrice qui se forme naturellement à la surface de l'anode de magnésium.
La batterie au magnésium perd sa capacité de stockage une fois qu'elle a été partiellement déchargée, c'est pourquoi elle n'est pas très adaptée pour une utilisation dans des applications intermittentes à long terme. C'est la principale raison pour laquelle la batterie au magnésium perd de sa popularité, et les batteries au lithium occupent son marché.
Chimie de la batterie au magnésium
Dans la batterie au magnésium primaire, un alliage de magnésium est utilisé comme anode ; le dioxyde de manganèse est utilisé comme matériau cathodique. Mais le dioxyde de manganèse ne peut pas fournir la conductivité requise à la cathode, c'est pourquoi du noir d'acétylène est mélangé avec le dioxyde de manganèse pour atteindre la conductivité nécessaire. Le perchlorate de magnésium est utilisé comme électrolyte. Du chromate de baryum et de lithium est ajouté à l'électrolyte pour prévenir la corrosion. L'hydroxyde de magnésium est également ajouté à ce mélange en tant qu'agent tampon pour améliorer la capacité de stockage.
La réaction d'oxydation qui se produit dans l'anode est,
La réaction de réduction qui se produit dans la cathode est,
Réaction globale,
La tension en circuit ouvert, cette cellule donne environ 2 volts mais la valeur théorique du potentiel de la cellule est de 2,8 volts.
Le risque de corrosion du magnésium est très faible, même dans des conditions environnementales extrêmes. Le magnésium brut réagit avec l'humidité et forme un film mince de Mg(OH)2 à sa surface.
Ce film mince de peroxyde de magnésium sert de couche protectrice contre la corrosion sur le magnésium. De plus, le traitement au chromate sur le magnésium améliore cette protection dans une très large mesure. Mais lorsque ce film protecteur de peroxyde de magnésium est percé ou retiré en raison de la décharge de la batterie, la corrosion se produit avec la formation de gaz hydrogène.
Ceci est la chimie de base de la batterie au magnésium.
Construction de la batterie au magnésium
D'un point de vue de construction, une cellule de batterie cylindrique au magnésium est similaire à une cellule de batterie cylindrique au zinc-carbone. Ici, un alliage de magnésium est utilisé comme conteneur principal de la batterie. Cet alliage est formé par du magnésium et une petite quantité d'aluminium et de zinc. Ici, le dioxyde de manganèse est utilisé comme matériau cathodique. Comme le dioxyde de manganèse a une mauvaise conductivité, du noir d'acétylène est mélangé avec cela pour améliorer sa conductivité. Cela aide également à retenir l'eau à l'intérieur de la cathode. Dans ce mélange cathodique, du chromate de baryum est ajouté en tant qu'inhibiteur, et de l'hydroxyde de magnésium est ajouté en tant que tampon de pH. Le perchlorate de magnésium avec du chromate de lithium mélangé à de l'eau est utilisé comme électrolyte. Du carbone est inséré dans le mélange cathodique en tant que collecteur de courant. Des papiers Kraft, imbibés de solution d'électrolyte, sont placés entre les matériaux cathodiques et anodiques en tant que séparateurs. Une attention particulière doit être portée lors de la conception de l'arrangement de scellement de la batterie au magnésium. Le scellement de la batterie ne doit pas être si poreux que l'humidité à l'intérieur de la batterie s'évapore pendant le stockage, et il ne doit pas être si non poreux que le gaz hydrogène formé pendant la décharge ne puisse pas s'échapper de la batterie. Ainsi, le scellement de la batterie doit retenir l'humidité à l'intérieur, et en même temps, il doit offrir un évent suffisant au gaz hydrogène formé pendant la décharge. Cela peut être fait en fournissant un petit trou au sommet du joint plastique lavé sous l'anneau de maintien. Lorsque l'excès de gaz sort par le trou, cet anneau de maintien se déforme en raison de la pression, résultant ainsi dans l'échappement du gaz.
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L'anode de magnésium forme la couverture extérieure de la batterie, mais une autre construction de la batterie au magnésium est également disponible où le carbone forme le conteneur extérieur de la batterie. Ici, un conteneur de forme typique est formé à partir de carbone hautement conducteur. Ce conteneur est formé en forme de tasse cylindrique, et une forme en tige est projetée de son centre comme indiqué dans l'image. L'anode de la batterie est formée par un cylindre ou un tambour de magnésium. Le diamètre de l'anode cylindrique est d'environ la moitié de la tasse de carbone. Le mélange cathodique est placé à l'intérieur de ce cylindre d'anode et séparé de la paroi intérieure du cylindre par un séparateur en papier. L'espace entre la surface intérieure de la tasse de carbone et la surface extérieure du cylindre d'anode est également rempli de mélange cathodique, et ici aussi, la surface extérieure du cylindre d'anode est séparée du mélange cathodique par un séparateur en papier. Le mélange cathodique est produit en mélangeant du dioxyde de manganèse, du noir de carbone, et une petite quantité de bromure de magnésium aqueux ou de perchlorate en tant qu'électrolyte. Le terminal positif est connecté à l'extrémité de la tasse de carbone. Le terminal négatif est connecté à l'extrémité du tambour d'anode. L'ensemble du système est encapsulé dans une gaine en acier étamé crantée.
Avantages de la batterie au magnésium
Elle a une très bonne durée de vie ; elle peut être stockée pendant une longue période même à haute température. Ces batteries peuvent être stockées jusqu'à 5 ans à une température de 20oC.
Elle a deux fois la capacité par rapport à une batterie Leclanche de taille équivalente.
Tension de batterie plus élevée que la batterie au zinc-carbone.
Le coût est également modéré.
Inconvénients de la batterie au magnésium
Action retardée (retard de tension).
Évolution d'hydrogène pendant la décharge.
Chaleur générée pendant l'utilisation.
Mauvais stockage après une décharge partielle.
Les batteries ne sont plus fabriquées commercialement.
