بطارية أكسيد الزئبق | مزايا البناء الكيميائي والتطبيقات
خلال الحرب العالمية الثانية، أصبح من الضروري الحصول على نظام بطارية ذات فولتية ثابتة وسعة عالية وعمر طويلبطارية يمكن استخدامها في ظروف استوائية قاسية. كان تقنية بطارية أكسيد الزنك والزئبق معروفة منذ أكثر من 100 عام، لكن سامويل روبن هو أول من استخدمها عملياً خلال الحرب العالمية الثانية. بسبب خصائص الفولتية الثابتة والاستقرارالفولتية، فهي مفيدة بشكل خاص للاستخدام في الساعات والكاميرات وأجهزة إلكترونية صغيرة أخرى. كما تم استخدامها في بعض النماذج الأولى من الأجهزة المنظمة للنبض.
بسبب خصائص الفولتية المستقرة للغاية، كانت بطارية أكسيد الزئبق تستخدم على نطاق واسع كمصدر مرجعي للفولتية في الأجهزة الكهربائية لقياس. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام البطارية في الألغام القابلة للانتشار الصغيرة، وأجهزة الراديو، والأقمار الصناعية المبكرة.
في الوقت الحالي، هذه البطاريات تصبح عفا عليها الزمن بسبب مشاكلها البيئية المرتبطة بالزئبق. هناك نوعان رئيسيان من بطاريات أكسيد الزئبق - بطارية أكسيد الزنك والزئبق وبطارية أكسيد الكادميوم والزئبق. المشاكل البيئية مرتبطة أيضاً بالكادميوم. احتلت هذه البطاريات السوق بواسطة بطاريات ثاني أكسيد المنغنيز القلوية، وأكسيد الزنك، وأكسيد الفضة، والليثيوم.
مزايا بطارية أكسيد الزنك والزئبق
لديها كثافة طاقة عالية جداً. وهي حوالي 450 واط ساعة/لتر
لديها عمر تخزين طويل جداً.
تبقى مستقرة تحت نطاق واسع من كثافة التيار.
هي كهروكيميائيًا فعالة للغاية.
هي متينة للغاية ولا تكون حساسة بشكل عام للتأثيرات الميكانيكية والاهتزاز.
تقدم فولتية مفتوحة ثابتة 1.35 فولت، وهو ميزة مهمة لبطارية أكسيد الزنك والزئبق.
تقدم فولتية ثابتة على مدى فترة تشغيل طويلة من تصريف التيار.
عيوب بطارية أكسيد الزنك والزئبق
هذه البطاريات باهظة الثمن للغاية. لهذا السبب فإن استخدامها محدود.
على الرغم من أن نسبة الطاقة إلى الحجم للبطارية عالية، إلا أن نسبة الطاقة إلى الوزن معتدلة.
أداء هذه البطارية ليس جيدًا جدًا عند درجات الحرارة المنخفضة.
بسبب وجود الزئبق، يتسبب التخلص من بطاريات أكسيد الزنك والزئبق المستخدمة في مشكلة.
مزايا بطارية أكسيد الكادميوم والزئبق
لديها عمر تخزين أطول.
لديها منحنى تصريف أكثر ثباتاً على مدى واسع من التيار.
على عكس بطارية أكسيد الزنك والزئبق، تعمل بكفاءة عند درجات الحرارة المنخفضة.
مستوى تكوين الغاز في بطارية أكسيد الكادميوم والزئبق منخفض.
عيوب بطارية أكسيد الكادميوم والزئبق
إنها أغلى من بطارية أكسيد الزنك والزئبق بسبب الكادميوم.
الفولتية المفتوحة القياسية لهذه البطارية هي 0.9 فولت، وهي أقل بكثير من بطارية أكسيد الزنك والزئبق.
نسبة الطاقة إلى الحجم معتدلة، ونسبة الطاقة إلى الوزن منخفضة.
التخلص من بطارية أكسيد الكادميوم والزئبق يخلق أيضًا مشكلة بيئية بسبب وجود كل من الكادميوم والزئبق.
بناء بطارية أكسيد الزئبق
تم تصنيع هذه البطارية بشكل أساسي بأشكال القاع المسطح والأسطواني. في التكوين القاعي، يتم صنع غطاء البطارية العلوي من سبيكة النحاس على الجانب الداخلي ومن النيكل أو الفولاذ غير القابل للصدأ على الجانب الخارجي. يتم عزل الغطاء العلوي عن الحاوية السفلية بواسطة حلقة نايلون. يتم توزيع مسحوق الزنك الممزوج داخل الغطاء العلوي. يتم ملء الجزء السفلي من الحاوية بمزيج من أكسيد الزئبق والفحم. يساعد الفحم هنا على زيادة توصيلية أكسيد الزئبق. أكسيد الزئبق هو المادة الكاثودية الرئيسية للبطارية. يتم تغطية أعلى مزيج الكاثود بحاجز مسامي مُشبَّع بمحاليل هيدروكسيد البوتاسيوم أو هيدروكسيد الصوديوم. الآن يتم الضغط على الغطاء العلوي كله مع الحلقة والمادة الأندودية في الحاوية السفلية. الآن الجزء العلوي من البطارية هو الأندود، والجزء السفلي هو الكاثود، والحاجز المسامي يحتوي على المحاليل بينهما. يتم الحفاظ على التجميع بأكمله بإحكام عن طريق ضغط حواف الحاوية السفلية. في التكوين المسطح، يتم مزج مسحوق الزنك ويتم الضغط عليه في شكل قرص. يتم تغطية الغطاء العلوي للبطارية بمزدوجة من البوليمر المصبوب. يتم صنع الصفائح العلوية الخارجية والداخلية من الصلب المطلي بالنيكل، ولكن الصفائح الداخلية مطلية بالقصدير على الجانب الداخلي. يتم صنع الحاوية الرئيسية للخلية من قنينتين مصنوعتين من الصلب المطلي بالنيكل. ويتم وضع أنبوب التكيف في الفراغ بين القنينة الداخلية والخارجية. يتم ملء الجزء السفلي من الحاوية بمزيج الكاثود، ويتم وضع المواد الماصة للمحاليل فوق مزيج الكاثود. يتم الضغط على تجميعة الغطاء العلوي مع قرص الأندود في القنينة الداخلية ويتم الختم عن طريق الضغط على القنينة الخارجية. يتم توفير فتحة تهوية في القنينة الخارجية بحيث يمكن للغاز الذي قد ينتج أثناء التفريغ الهروب بسهولة بين القنينة الداخلية والخارجية، ويتم امتصاص أي محاليل محتجزة بواسطة أنبوب التكيف الورقي.
كيمياء بطارية أكسيد الزئبق
يتم استخدام نوعين من المحاليل القلوية في الخلية الزنك / الزئبق، أحدهما يستند إلى هيدروكسيد البوتاسيوم والآخر يستند إلى هيدروكسيد الصوديوم. يتم استخدام محلول هيدروكسيد الصوديوم عادة حيث لا تكون التشغيل في درجات حرارة منخفضة وتصريف التيار العالي ضروري. يتم استخدام هذا المحاليل عادة في خلية الزنك وأكسيد الزئبق، بينما يتم استخدام محلول هيدروكسيد البوتاسيوم فقط في خلية الكادميوم وأكسيد الزئبق. الكادميوم غير قابل للذوبان في محلول هيدروكسيد البوتاسيوم ولذلك فإن خلية الكادميوم وأكسيد الزئبق مناسبة تماماً للتشغيل في درجات الحرارة المنخفضة.
رد فعل الأندود في بطارية أكسيد الزنك والزئبق
يمكن كتابة رد فعل الأندود كالتالي،
يمكن تبسيط هذا التفاعل كالتالي،
رد فعل الأندود في بطارية أكسيد الكادميوم والزئبق
يمكن كتابة رد فعل الأندود كالتالي،
هذا التفاعل لا ينتج أي ماء، لذلك يجب أن يكون المحاليل المستخدم في هذه الخلية له نسبة عالية من الماء.
رد فعل الكاثود في بطارية أكسيد الزئبق
يمكن كتابة رد فعل الكاثود للبطارية كالتالي،
الفولتية المعتمدة لبطارية أكسيد الزئبق
