Pila d'òxid mercuri | Avantatges de la construcció química i usos
Durant la Segona Guerra Mundial es va fer essencial tenir un sistema de bateria de tensió constant, alta capacitat i llarga durada per a utilitzar en condicions tropicals extrems. La tecnologia de la bateria d'òxid de mercuri-zinc era coneguda des de més de 100 anys, però va ser primerament utilitzada de manera pràctica per Samuel Ruben durant la Segona Guerra Mundial. Gràcies a les seves característiques de tensió constant i estables, és particularment avantatjós utilitzar-la en rellotges, càmeres i altres dispositius electrònics petits. També es va utilitzar en alguns models inicials de marcapassos.
Per la seva característica de tensió de sortida extremadament estable, la bateria d'òxid de mercuri es va utilitzar ampliament com a font de referència de tensió en instruments d'electrònica de mesura. A més, la bateria també es va utilitzar en mines satèl·lits dispersables, conjunts de ràdio i primers satèl·lits.
Actualment, aquestes bateries estan esdevenint obsoletes degut als problemes ambientals associats al mercuri. Hi ha principalment dos tipus de bateries d'òxid de mercuri: una bateria d'òxid de mercuri-zinc i una bateria d'òxid de mercuri-cadmi. Els problemes ambientals també estan associats al cadmi. El mercat d'aquesta bateria ha estat ocupat per bateries d'òxid de mangani alcalí, zinc-air, òxid d'argent i lítium.
Avantatges de la Bateria d'Òxid de Mercuri-Zinc
Té una densitat d'energia molt alta. És d'uns 450 Wh/L.
Té una vida útil de magatzematge molt llarga.
Es manté estable en un ampli rang de densitat de corrent.
És altament eficient electroquímicament.
És molt robusta i generalment no sensible a l'impacte mecànic i la vibració.
Proporciona una tensió de circuit obert estàbil de 1,35 V, que és un avantatge important de la bateria d'òxid de mercuri-zinc.
Proporciona una tensió estable a lo llarg d'un ampli rang de períodes d'operació amb diferents descàrregues de corrent.
Desavantatges de la Bateria d'Òxid de Mercuri-Zinc
Aquestes bateries són molt careres. Per això, el seu ús és limitat.
Encara que la relació d'energia a volum de la bateria és alta, la relació d'energia a pes és moderada.
El rendiment d'aquesta bateria no és gaire bo a baixes temperatures.
Degut a la presència de mercuri, la disposició de les bateries d'òxid de mercuri-zinc usades genera un problema.
Avantatges de la Bateria d'Òxid de Mercuri-Cadmi
Té una vida útil de magatzematge més llarga.
Té una corba de descàrrega més plana en un ampli rang de corrent.
A diferència de la bateria d'òxid de mercuri-zinc, opera eficientment a baixes temperatures.
La etiqueta d'evolució de gas de la bateria d'òxid de mercuri-cadmi és baixa.
Desavantatges de la Bateria d'Òxid de Mercuri-Cadmi
És més cara que la bateria d'òxid de mercuri-zinc degut al cadmi.
La tensió de circuit obert estàndard d'aquesta bateria és de 0,9 V, que és molt més baixa que la de la bateria d'òxid de mercuri-zinc.
La seva relació d'energia a volum és moderada, i la relació d'energia a pes és baixa.
La disposició de la bateria d'òxid de mercuri-cadmi també genera problemes ambientals degut a la presència tant del cadmi com del mercuri.
Construcció de la Bateria d'Òxid de Mercuri
Aquesta bateria es fabricava principalment en configuracions de fons, pla i cilíndrica. En la configuració de fons, la coberta superior de la bateria es fa d'una alliaci de cupre a la cara interior i de níquel o acer inoxidable a la cara exterior. La coberta superior està aïllada del recipient inferior mitjançant un grommet de nailon. Es disperse pols de zinc amalgamat dins la coberta superior. La part inferior del recipient es omple amb una barreja d'òxid de mercuri i grafit. El grafit ajuda a augmentar la conductivitat de l'òxid de mercuri. L'òxid de mercuri és el material catòdic principal de la bateria. La part superior de la barreja catòdica es cobreix amb un separador porós impregnat d'electrolit de hidróxid de potassi o sodi. Ara, tota la coberta superior, juntament amb el grommet i el material anòdic, es prenent cap al recipient inferior. Ara, la part superior de la bateria és l'anode, i la part inferior és el catode, i el separador porós conté l'electrolit entre ells. Tota l'assemblea es manté junta de manera còmoda plegant l'aresta superior del recipient inferior. En la configuració plana, la pols de zinc es amalgama i es pren en un pellet. La coberta superior de la bateria té doble placa amb un grommet de polímer moldejat integralment. Les plaques superiors interiors i exteriors es fan d'acer platigit amb níquel, però la placa interior està platigada amb estany a la superfície interior. El recipient principal de la cel·la també es fa de dos recipients de platgit d'acer níquel. I el tub adaptador es col·loca en l'espai entre els recipients interior i exterior. La part inferior del recipient es omple amb la barreja catòdica, i a la part superior de la barreja catòdica es col·loquen absorbents d'electrolit. L'assemblea de grommet superior, juntament amb el pellet anòdic, es prenent al recipient interior i es sella plegant el recipient exterior. Es proporciona un forat de ventila en el recipient exterior perquè el gas que es pugui generar durant la descàrrega pugui escapar-se fàcilment entre els recipients interior i exterior, qualsevol electrolit entranyat és absorbit pel tub adaptador de paper.
Química de la Bateria d'Òxid de Mercuri
Es fan servir dos tipus d'electrolit alcalí en la cel·la de zinc/òxid de mercuri, un basat en hidróxid de potassi i l'altre en hidróxid de sòdi. L'electrolit de hidróxid de sòdi es fa servir generalment on l'operació a baixes temperatures i la descàrrega de corrent elevada no són essencials. Aquest electrolit es fa servir generalment en la cel·la de zinc-òxid de mercuri, mentre que l'electrolit basat en hidróxid de potassi només es fa servir en la cel·la de cadmi-òxid de mercuri. El cadmi és insoluble en solució de hidróxid de potassi, i per això la cel·la de cadmi-òxid de mercuri és bastant adequada per a l'operació a baixes temperatures.
Reacció Anòdica en la Bateria d'Òxid de Mercuri-Zinc
La reacció anòdica es pot escriure com,
Aquesta reacció es pot simplificar com,
Reacció Anòdica en la Bateria d'Òxid de Mercuri-Cadmi
La reacció anòdica es pot escriure com,
Aquesta reacció no produeix aigua, per això, l'electrolit utilitzat en aquesta cel·la hauria de tenir un percentatge d'aigua elevat.
Reacció Catòdica en la Bateria d'Òxid de Mercuri
La reacció catòdica de la bateria es pot escriure com,
Tensió Nominal de la Bateria d'Òxid de Mercuri
La tensió de circuit obert o sense càrrega de la bateria d'òxid de mercuri-zinc és de 1,35 V. Aquesta tensió és bastant estable en diferents temperatures durant un llarg període de temps. La tensió de circuit obert de la bateria d'òxid de mercuri-zinc roman dins el 1% durant diversos anys. Aquesta tensió de circuit obert només pot variar en l'ordre de 2,5 mV si la temperatura de funcionament de la bateria varia de – 20
