水銀酸化物電池 | 化学構造 利点 使用例
第二次世界大戦中、極端な熱帯条件下で使用するためには、一定の電圧、高容量、長寿命のバッテリーシステムが必要となりました。水銀酸化亜鉛バッテリーの技術は100年以上前から知られていましたが、サミュエル・ルーベンが第二次世界大戦中に初めて実用化しました。その一定かつ安定した電圧特性により、腕時計、カメラ、その他の小型電子機器に特に有利です。また、初期のペースメーカーにも使用されました。
非常に安定した出力電圧特性があるため、水銀酸化物バッテリーは、電気測定装置での電圧基準源として広く使用されました。さらに、このバッテリーは小型散布可能な衛星地雷、無線機、初期の人工衛星にも使用されました。
現在では、水銀に関連する環境問題により、これらのバッテリーは廃れつつあります。主に2種類の水銀酸化物バッテリーがあります。1つは亜鉛水銀酸化物バッテリー、もう1つはカドミウム水銀酸化物バッテリーです。カドミウムも環境問題を引き起こします。これらのバッテリーの市場はアルカリマンガン酸化物、亜鉛空気、銀酸化物、リチウムバッテリーによって占められています。
亜鉛水銀酸化物バッテリーの利点
非常に高いエネルギー密度を持っています。約450 Wh/Lです。
非常に長い保管寿命があります。
幅広い電流密度の範囲で安定しています。
非常に高い電気化学的効率を持っています。
非常に堅牢で、一般的に機械的な衝撃や振動に対して敏感ではありません。
開路電圧が1.35Vと安定しており、これは亜鉛水銀酸化物バッテリーの重要な利点です。
長い期間にわたる様々な電流排出動作期間を通じて安定した電圧を提供します。
亜鉛水銀酸化物バッテリーの欠点
これらのバッテリーは非常に高価です。そのため、使用範囲は限定的です。
バッテリーの体積当たりのエネルギー比は高いですが、重量当たりのエネルギー比は適度です。
低温での性能はあまり良くありません。
水銀の存在により、使用済みの亜鉛水銀酸化物バッテリーの廃棄が問題となります。
カドミウム水銀酸化物バッテリーの利点
より長い保管寿命があります。
幅広い電流の範囲でより平坦な放電曲線があります。
亜鉛水銀酸化物バッテリーとは異なり、低温でも効率的に動作します。
カドミウム水銀酸化物バッテリーのガス発生量は低いです。
カドミウム水銀酸化物バッテリーの欠点
カドミウムのため、亜鉛水銀酸化物バッテリーよりもコストが高くなります。
このバッテリーの標準開放回路電圧は0.9Vであり、亜鉛水銀酸化物バッテリーのものよりもはるかに低くなっています。
体積当たりのエネルギー比は適度であり、重量当たりのエネルギー比は低くなっています。
カドミウムと水銀の両方の存在により、カドミウム水銀酸化物バッテリーの廃棄も環境問題を引き起こします。
水銀酸化物バッテリーの構造
このバッテリーは主に底型、平型、円筒型で製造されました。底型の構造では、バッテリーの上部カバーは内面が銅合金、外面がニッケルまたはステンレス鋼で作られています。上部カバーはナイロン製のゴムパッキンによって底部容器から絶縁されています。アマルガムされた亜鉛粉末が上部カバー内部に分散されています。容器の下部は水銀酸化物とグラファイトの混合物で満たされています。グラファイトはここでは水銀酸化物の導電性を高める役割を果たします。水銀酸化物はバッテリーの主要な陰極材料です。陰極混合物の上部は、ポタシウム水酸化物またはナトリウム水酸化物電解液を含浸させた多孔質バリアで覆われています。次に、ゴムパッキンと陽極材料を含む全体の上部カバーが底部容器に押し込まれます。これにより、バッテリーの上部が陽極、下部が陰極となり、多孔質セパレータがそれらの間に電解液を保持します。全体の組み立ては、底部缶または容器の上部エッジをクランプすることによって固く固定されます。平型の構造では、亜鉛粉末はアマルガムされ、ペレットにプレスされます。バッテリーの上部カバーは、一体成型のポリマー製ゴムパッキンを二重にメッキしています。外側と内側のトッププレートはニッケルメッキ鋼で作られていますが、内側のプレートは内面が錫メッキされています。セルの主要な容器は2つのニッケルメッキ鋼製缶で作られています。アダプターチューブは内側と外側の缶の間のスペースに配置されています。容器の下部は陰極混合物で満たされており、その上部には電解液吸収材が配置されています。上部ゴムパッキンアセンブリと陽極ペレットは内側缶に押し込まれ、外側缶をクランプすることによって密封されます。外側缶には通気孔が設けられており、放電時に生成されるガスが内側と外側の缶の間に容易に逃げ、電解液が紙製アダプターチューブによって吸収されます。
水銀酸化物バッテリーの化学
亜鉛/水銀酸化物セルには2種類のアルカリ電解質が使用されます。1つはポタシウム水酸化物ベース、もう1つはナトリウム水酸化物ベースです。ナトリウム水酸化物電解質は、低温動作や高電流排出が不要な場合に一般に使用されます。この電解質は亜鉛水銀酸化物セルで一般的に使用されますが、ポタシウム水酸化物ベースの電解質はカドミウム水銀酸化物セルでのみ使用されます。カドミウムはポタシウム水酸化物溶液に溶けないため、カドミウム水銀酸化物セルは低温動作に適しています。
亜鉛水銀酸化物バッテリーの陽極反応
陽極反応は以下の通りです：
この反応は以下のように簡略化できます：
カドミウム水銀酸化物バッテリーの陽極反応
陽極反応は以下の通りです：
この反応は水を生成しないため、このセルで使用する電解質には所望の高い水分含有量が必要です。
水銀酸化物バッテリーの陰極反応
バッテリーの陰極反応は以下の通りです：
水銀酸化物バッテリーの定格電圧
亜鉛水銀酸化物バッテリーの開放回路または無負荷電圧は1.35Vです。この電圧は長期間にわたって異なる温度条件下でも非常に安定しています。亜鉛水銀酸化物バッテリーの無負荷電圧は数年間で1%以内に保たれます。バッテリーの動作温度が–20oCから+50
