Quecksilberoxid-Batterie | Chemische Aufbau Vorteile Anwendungen
Während des Zweiten Weltkriegs wurde es unerlässlich, ein Batteriesystem mit konstanter Spannung, hoher Kapazität und langer Lebensdauer für den Einsatz unter extremen tropischen Bedingungen zu haben. Die Technologie der Zink-Mercurioxid-Batterie war seit über 100 Jahren bekannt, aber sie wurde erst während des Zweiten Weltkriegs von Samuel Ruben praktisch eingesetzt. Aufgrund ihrer konstanten und stabilen Spannung-Eigenschaften ist sie besonders vorteilhaft für die Verwendung in Uhren, Kameras und anderen kleinen elektronischen Geräten. Sie wurde auch in einigen frühen Modellen von Herzschrittmachern verwendet.
Wegen ihrer extrem stabilen Ausgangsspannungseigenschaften wurde die Mercurioxid-Batterie weit verbreitet als Spannungsreferenzquelle in elektrischen Messgeräten. Darüber hinaus wurde die Batterie auch in kleinen streubaren Satellitenminen, Funkgeräten und frühen Satelliten eingesetzt.
Heutzutage werden diese Batterien wegen ihrer Umweltauswirkungen im Zusammenhang mit Quecksilber veraltet. Es gibt hauptsächlich zwei Arten von Mercurioxid-Batterien – eine Zink-Mercurioxid-Batterie und eine Cadmium-Mercurioxid-Batterie. Umweltauswirkungen sind auch mit Cadmium verbunden. Der Markt dieser Batterien wurde von alkalischen Mangan-Dioxid-, Zink-Luft-, Silberoxid- und Lithiumbatterien erobert.
Vorteile der Zink-Mercurioxid-Batterie
Sie hat eine sehr hohe Energiedichte. Diese beträgt etwa 450 Wh/L.
Sie hat eine sehr lange Haltbarkeit.
Sie bleibt stabil bei einem weiten Bereich von Stromdichten.
Sie ist hoch elektrochemisch effizient.
Sie ist sehr robust und allgemein nicht empfindlich gegenüber mechanischem Einfluss und Vibration.
Sie bietet eine stabile Leerlaufspannung von 1,35 V, was ein wichtiger Vorteil der Zink-Mercurioxid-Batterie ist.
Sie bietet eine stabile Spannung über einen langen Bereich von Entladezeiträumen.
Nachteile der Zink-Mercurioxid-Batterie
Diese Batterien sind sehr teuer. Deshalb haben sie eine begrenzte Nutzung.
Obwohl das Energie-Volumen-Verhältnis der Batterie hoch ist, ist das Energie-Gewicht-Verhältnis moderat.
Die Leistung dieser Batterie ist bei niedrigen Temperaturen nicht sehr gut.
Aufgrund des Quecksilbers stellt die Entsorgung gebrauchter Zink-Mercurioxid-Batterien ein Problem dar.
Vorteile der Cadmium-Mercurioxid-Batterie
Sie hat eine längere Haltbarkeit.
Sie hat eine flachere Entladungskurve über einen langen Bereich von Strom.
Im Gegensatz zur Zink-Mercurioxid-Batterie arbeitet sie bei niedrigen Temperaturen effizient.
Die Gasentwicklung der Cadmium-Mercurioxid-Batterie ist gering.
Nachteile der Cadmium-Mercurioxid-Batterie
Sie ist teurer als die Zink-Mercurioxid-Batterie aufgrund des Cadmiums.
Die Standard-Leerlaufspannung dieser Batterie beträgt 0,9 V, was viel niedriger ist als die der Zink-Mercurioxid-Batterie.
Ihr Energie-Volumen-Verhältnis ist moderat, und ihr Energie-Gewicht-Verhältnis ist niedrig.
Die Entsorgung der Cadmium-Mercurioxid-Batterie stellt ebenfalls ein Umweltproblem dar, da sowohl Cadmium als auch Quecksilber enthalten sind.
Aufbau der Mercurioxid-Batterie
Diese Batterie wurde hauptsächlich in Boden-, Flach- und zylindrischer Form hergestellt. Bei der Bodenkonfiguration besteht die obere Abdeckung der Batterie aus einer Kupferlegierung auf der Innenseite und aus Nickel oder rostfreiem Stahl auf der Außenseite. Die obere Abdeckung ist durch einen Nylon-Klemmring vom unteren Behälter isoliert. Amalgamierter Zinkpulver wird innerhalb der oberen Abdeckung verteilt. Der untere Teil des Behälters ist mit einer Mischung aus Mercurioxid und Graphit gefüllt. Graphit hilft hier, die Leitfähigkeit des Mercurioxids zu erhöhen. Das Mercurioxid ist das Hauptkathodenmaterial der Batterie. Die Oberseite der Kathodenmischung ist mit einem porösen Barrierenstoff bedeckt, der mit Kaliumhydroxid oder Natriumhydroxid getränkt ist. Nun wird die gesamte obere Abdeckung zusammen mit dem Klemmring und dem Anodenmaterial in den unteren Behälter gedrückt. Der obere Teil der Batterie ist nun die Anode, und der untere Teil ist die Kathode, und der poröse Trenner enthält das Elektrolyt dazwischen. Die gesamte Anordnung wird durch Krümmen des oberen Randes des unteren Behälters fest zusammengehalten. In der Flachkonfiguration wird Zinkpulver amalgamiert und in einen Pellet gepresst. Die obere Abdeckung der Batterie ist zweifach vergoldet und mit einem integriert geformten Polymer-Klemmring versehen. Die äußeren und inneren oberen Platten bestehen aus nikelvergoldetem Stahl, wobei die innere Platte auf der Innenseite mit Zinn vergoldet ist. Der Hauptbehälter der Zelle besteht ebenfalls aus zwei nikelvergoldeten Stahldosen. Der Adapterrohr wird im Raum zwischen der inneren und äußeren Dose platziert. Der untere Teil des Behälters wird mit der Kathodenmischung gefüllt, und auf der Oberseite der Kathodenmischung werden Elektrolyt-Absorbenzien platziert. Die obere Klemmringanordnung zusammen mit dem Anodenpellet wird in die innere Dose gedrückt und durch Krümmen über die äußere Dose versiegelt. Ein Ventilloch wird in der äußeren Dose vorgesehen, so dass sich das während der Entladung möglicherweise erzeugende Gas leicht zwischen der inneren und äußeren Dose entweichen kann, wobei eventuell eingefangenes Elektrolyt durch das Papieradapterrohr absorbiert wird.
Chemie der Mercurioxid-Batterie
Zwei Arten von alkalischen Elektrolyten werden in der Zink/Mercurioxid-Zelle verwendet, eine basierend auf Kaliumhydroxid und die andere auf Natriumhydroxid. Das Natriumhydroxid-Elektrolyt wird in der Regel verwendet, wo Betrieb bei niedriger Temperatur und hoher Strombelastung nicht erforderlich ist. Dieses Elektrolyt wird in der Regel in der Zink-Mercurioxid-Zelle verwendet, während das auf Kaliumhydroxid basierende Elektrolyt nur in der Cadmium-Mercurioxid-Zelle verwendet wird. Cadmium ist unlöslich in Kaliumhydroxid-Lösung, und deshalb ist die Cadmium-Mercurioxid-Zelle sehr geeignet für den Betrieb bei niedriger Temperatur.
Anodenreaktion in der Zink-Mercurioxid-Batterie
Die Anodenreaktion kann wie folgt geschrieben werden,
Diese Reaktion kann vereinfacht werden als,
Anodenreaktion in der Cadmium-Mercurioxid-Batterie
Die Anodenreaktion kann wie folgt geschrieben werden,
Diese Reaktion produziert kein Wasser, daher sollte das in dieser Zelle verwendete Elektrolyt einen gewünschten hohen Wassergehalt haben.
Kathodenreaktion in der Mercurioxid-Batterie
Die Kathodenreaktion der Batterie kann wie folgt geschrieben werden,
Nennspannung der Mercurioxid-Batterie
Die Leerlauf- oder Belastungsspannung der Zink-Mercurioxid-Batterie beträgt 1,35 V. Diese Spannung ist über einen langen Zeitraum unter verschiedenen Temperaturen sehr stabil. Die Leerlaufspannung der Zink-Mercurioxid-Batterie bleibt mehrere Jahre lang innerhalb von 1%. Diese Leerlaufspannung variiert möglicherweise nur um 2,5 mV, wenn die Betriebstemperatur der Batterie von – 20oC bis + 50oC variiert.
