Pile au peroxyde de mercure | Chimie Construction Avantages Utilisations
Pendant la Seconde Guerre mondiale, il est devenu essentiel d'avoir un système de batterie à tension constante, à haute capacité et à longue durée de vie pour une utilisation dans des conditions tropicales extrêmes. La technologie de la batterie au zinc et à l'oxyde de mercure était connue depuis plus de 100 ans, mais elle a été utilisée pour la première fois de manière pratique par Samuel Ruben pendant la Seconde Guerre mondiale. En raison de ses caractéristiques de tension constantes et stables, elle est particulièrement avantageuse pour les montres, les appareils photo et autres petits appareils électroniques. Elle a également été utilisée dans certains modèles précoces de stimulateurs cardiaques.
En raison de sa caractéristique de tension de sortie extrêmement stable, la batterie à oxyde de mercure a été largement utilisée comme source de référence de tension dans les instruments de mesure électrique. De plus, la batterie a également été utilisée dans de petits mines satellitaires dispersables, des postes de radio et des satellites précoce.
Aujourd'hui, ces batteries deviennent obsolètes en raison des problèmes environnementaux associés au mercure. Il existe principalement deux types de batterie à oxyde de mercure : la batterie au zinc et à l'oxyde de mercure et la batterie au cadmium et à l'oxyde de mercure. Les problèmes environnementaux sont également associés au cadmium. Le marché de cette batterie a été occupé par les batteries alcalines au dioxide de manganèse, au zinc-air, à l'oxyde d'argent et au lithium.
Avantages de la batterie au zinc et à l'oxyde de mercure
Elle a une densité d'énergie très élevée. Elle est d'environ 450 Wh/L
Elle a une durée de stockage très longue.
Elle reste stable sur une large gamme de densité de courant.
Elle est hautement efficace électrochimiquement.
Elle est très robuste et généralement non sensible aux impacts mécaniques et aux vibrations.
Elle fournit une tension ouverte stable de 1,35 V, ce qui est un avantage important de la batterie au zinc et à l'oxyde de mercure.
Elle fournit une tension stable sur une longue période de décharge de courant.
Inconvénients de la batterie au zinc et à l'oxyde de mercure
Ces batteries sont très chères. C'est pourquoi leur utilisation est limitée.
Bien que le rapport énergie-volume de la batterie soit élevé, le rapport énergie-poids est moyen.
La performance de cette batterie n'est pas très bonne à basse température.
En raison de la présence de mercure, l'élimination des batteries usagées au zinc et à l'oxyde de mercure pose un problème.
Avantages de la batterie au cadmium et à l'oxyde de mercure
Elle a une durée de stockage plus longue.
Elle a une courbe de décharge plus plate sur une large gamme de courant.
Contrairement à la batterie au zinc et à l'oxyde de mercure, elle fonctionne efficacement à basse température.
L'évolution de gaz de la batterie au cadmium et à l'oxyde de mercure est faible.
Inconvénients de la batterie au cadmium et à l'oxyde de mercure
Elle est plus chère que la batterie au zinc et à l'oxyde de mercure en raison du cadmium.
La tension ouverte standard de cette batterie est de 0,9 V, ce qui est beaucoup plus faible que celle de la batterie au zinc et à l'oxyde de mercure.
Son rapport énergie-volume est moyen, et son rapport énergie-poids est faible.
L'élimination de la batterie au cadmium et à l'oxyde de mercure pose également un problème environnemental en raison de la présence de cadmium et de mercure.
Construction de la batterie à oxyde de mercure
Cette batterie a principalement été fabriquée en forme de fond, plate et cylindrique. Dans la configuration de fond, le couvercle supérieur de la batterie est fait d'alliage de cuivre sur la face intérieure et de nickel ou d'acier inoxydable sur la face extérieure. Le couvercle supérieur est isolé du conteneur inférieur par un joint en nylon. Du poudre de zinc amalgamée est dispersée à l'intérieur du couvercle supérieur. La partie inférieure du conteneur est remplie d'un mélange d'oxyde de mercure et de graphite. Le graphite aide ici à augmenter la conductivité de l'oxyde de mercure. L'oxyde de mercure est le matériau cathodique principal de la batterie. Le dessus du mélange cathodique est recouvert d'une barrière poreuse imbibée d'électrolyte, de hydroxyde de potassium ou de sodium. Ensuite, l'ensemble du couvercle supérieur, avec le joint et le matériau anodique, est pressé vers le bas dans le conteneur inférieur. Ainsi, la partie supérieure de la batterie est l'anode, et la partie inférieure est la cathode, et le séparateur poreux contient l'électrolyte entre eux. L'ensemble est maintenu solidement ensemble en sertissant le bord supérieur du conteneur inférieur. Dans la configuration plate, la poudre de zinc est amalgamée et pressée en un agglomérat. Le couvercle supérieur de la batterie est doublement plaqué avec un joint en polymère moulé intégralement. Les plaques supérieures extérieure et intérieure sont faites d'acier plaqué nickel, mais la plaque intérieure est plaquée étain sur la surface intérieure. Le conteneur principal de la cellule est également fait de deux boîtes en acier plaqué nickel. Et le tube d'adaptation est placé dans l'espace entre la boîte intérieure et extérieure. La partie inférieure du conteneur est remplie de mélange cathodique, et au-dessus du mélange cathodique, des absorbants d'électrolyte sont placés. L'ensemble du joint supérieur, avec l'agglomérat anodique, est pressé dans la boîte intérieure et scellé en sertissant sur la boîte extérieure. Un trou de ventilation est prévu dans la boîte extérieure afin que le gaz qui pourrait être généré lors de la décharge puisse facilement s'échapper entre les boîtes intérieure et extérieure, tout électrolyte entrainé étant absorbé par le tube d'adaptation en papier.
Chimie de la batterie à oxyde de mercure
Deux types d'électrolytes alcalins sont utilisés dans la cellule au zinc et à l'oxyde de mercure, l'un basé sur l'hydroxyde de potassium et l'autre sur l'hydroxyde de sodium. L'électrolyte à base d'hydroxyde de sodium est généralement utilisé lorsque l'opération à basse température et la forte consommation de courant ne sont pas essentielles. Cet électrolyte est généralement utilisé dans la cellule au zinc et à l'oxyde de mercure, tandis que l'électrolyte à base d'hydroxyde de potassium est uniquement utilisé dans la cellule au cadmium et à l'oxyde de mercure. Le cadmium est insoluble dans la solution d'hydroxyde de potassium, c'est pourquoi la cellule au cadmium et à l'oxyde de mercure est tout à fait adaptée pour une opération à basse température.
Réaction anodique dans la batterie au zinc et à l'oxyde de mercure
La réaction anodique peut être écrite comme suit,
Cette réaction peut être simplifiée comme suit,
Réaction anodique dans la batterie au cadmium et à l'oxyde de mercure
La réaction anodique peut être écrite comme suit,
Cette réaction ne produit pas d'eau, donc l'électrolyte utilisé dans cette cellule doit avoir un pourcentage d'eau élevé.
Réaction cathodique dans la batterie à oxyde de mercure
La réaction cathodique de la batterie peut être écrite comme suit,
Tension nominale de la batterie à oxyde de mercure
La tension ouverte ou sans charge de la batterie au zinc et à l'oxyde de mercure est de 1,35 V. Cette tension est assez stable sous différentes températures sur une longue période. La tension sans charge de la batterie au zinc et à l'oxyde de mercure reste dans une plage de 1% pendant plusieurs années. Cette tension sans charge peut varier de l'ordre de 2,5 mV si la température de fonctionnement de la batterie varie de -20oC à +50oC. Cette batterie a une caractéristique de décharge plate, ce qui signifie que la tension de la batterie reste presque la même pendant une longue période de décharge avec différents courants. La tension ouverte de la batterie au cadmium et à l'oxyde de mercure
