Ртутно-оксидный аккумулятор | Химическое строение Преимущества Применение
Во время Второй мировой войны стало необходимо иметь систему батарей с постоянным напряжением, высокой емкостью и длительным сроком службы для использования в экстремальных тропических условиях. Технология батарей на основе оксида ртути и цинка была известна более 100 лет, но впервые практически использовалась Сэмюэлем Рубеном во время Второй мировой войны. Благодаря своему постоянному и стабильному напряжению, она особенно полезна для использования в часах, камерах и других малых электронных устройствах. Она также использовалась в некоторых ранних моделях кардиостимуляторов.
Благодаря своему чрезвычайно стабильному выходному напряжению, батарея на основе оксида ртути широко использовалась в качестве источника эталонного напряжения в электрических измерительных приборах. Кроме того, батареи использовались в небольших рассеиваемых спутниковых минах, радиостанциях и ранних спутниках.
В наши дни эти батареи устаревают из-за связанных с ними экологических проблем, связанных с ртутью. Существует два основных типа батарей на основе оксида ртути – одна цинковая батарея на основе оксида ртути и две кадмиевые батареи на основе оксида ртути. Экологические проблемы также связаны с кадмием. Рынок этих батарей был занят щелочными батареями на основе диоксида марганца, цинк-воздушными, серебряно-окислительными и литий-ионными батареями.
Преимущества цинковой батареи на основе оксида ртути
Она имеет очень высокую энергетическую плотность. Это около 450 Вт·ч/л.
У нее очень долгий срок хранения.
Остается стабильной в широком диапазоне плотности тока.
Она высокоэффективна электрохимически.
Она очень прочная и, как правило, нечувствительна к механическому воздействию и вибрации.
Она обеспечивает стабильное открытое напряжение 1,35 В, что является важным преимуществом цинковой батареи на основе оксида ртути.
Она обеспечивает стабильное напряжение в течение длительного периода работы при различных значениях тока разряда.
Недостатки цинковой батареи на основе оксида ртути
Эти батареи очень дорогие. Поэтому их использование ограничено.
Хотя соотношение энергии к объему батареи высокое, соотношение энергии к весу среднее.
Производительность этой батареи не очень хороша при низких температурах.
Из-за наличия ртути, утилизация использованных цинковых батарей на основе оксида ртути создает проблему.
Преимущества кадмиевой батареи на основе оксида ртути
У нее более длительный срок хранения.
У нее более плоская кривая разряда в широком диапазоне тока.
В отличие от цинковой батареи на основе оксида ртути, она эффективно работает при низких температурах.
Количество выделяющегося газа в кадмиевой батарее на основе оксида ртути низкое.
Недостатки кадмиевой батареи на основе оксида ртути
Она дороже цинковой батареи на основе оксида ртути из-за кадмия.
Стандартное открытое напряжение этой батареи составляет 0,9 В, что намного ниже, чем у цинковой батареи на основе оксида ртути.
Соотношение энергии к объему у нее среднее, а соотношение энергии к весу низкое.
Утилизация кадмиевой батареи на основе оксида ртути также создает экологическую проблему из-за наличия как кадмия, так и ртути.
Конструкция батареи на основе оксида ртути
Эта батарея производилась в основном в виде дна, плоской и цилиндрической формы. В конфигурации дна верхняя крышка батареи изготовлена из медного сплава на внутренней стороне и никеля или нержавеющей стали на внешней стороне. Верхняя крышка изолирована от нижнего контейнера с помощью нейлоновой прокладки. Амальгамированный порошок цинка распределен внутри верхней крышки. Нижняя часть контейнера заполнена смесью оксида ртути и графита. Графит помогает здесь увеличить проводимость оксида ртути. Оксид ртути является основным катодным материалом батареи. Верх катодной смеси покрыт пористым барьером, пропитанным электролитом на основе гидроксида калия или гидроксида натрия. Теперь вся верхняя крышка вместе с прокладкой и анодным материалом надавливается в нижний контейнер. Теперь верхняя часть батареи является анодом, а нижняя часть - катодом, а пористый разделитель содержит электролит между ними. Вся сборка плотно закреплена за счет обжима верхнего края нижней банки или контейнера. В плоской конфигурации порошок цинка амальгамируется и прессуется в пеллет. Верхняя крышка батареи дважды покрыта интегрально формованной полимерной прокладкой. Внешние и внутренние верхние пластины изготовлены из никелированной стали, но внутренняя пластина олово-покрыта на внутренней поверхности. Основной контейнер элемента также изготовлен из двух никелированных стальных банок. Адаптерная трубка расположена в пространстве между внутренней и внешней банками. Нижняя часть контейнера заполнена катодной смесью, а сверху катодной смеси и электролита находятся абсорбенты. Верхняя сборка с прокладкой и анодным пеллетом надавливается во внутреннюю банку, и герметизация осуществляется путем обжима внешней банки. Внешняя банка имеет вентиляционное отверстие, чтобы газ, который может образовываться при разряде, мог легко выходить между внутренней и внешней банками, а любой захваченный электролит поглощается бумажной адаптерной трубкой.
Химия батареи на основе оксида ртути
Два типа щелочного электролита используются в цинковой/ртутной ячейке, один на основе гидроксида калия, а другой - на основе гидроксида натрия. Электролит на основе гидроксида натрия обычно используется там, где работа при низких температурах и большие токи не являются обязательными. Этот электролит обычно используется в цинковой батарее на основе оксида ртути, тогда как электролит на основе гидроксида калия используется только в кадмиевой батарее на основе оксида ртути. Кадмий нерастворим в растворе гидроксида калия, поэтому кадмиевая батарея на основе оксида ртути вполне подходит для работы при низких температурах.
Анодная реакция в цинковой батарее на основе оксида ртути
Анодная реакция может быть записана как,
Эту реакцию можно упростить как,
Анодная реакция в кадмиевой батарее на основе оксида ртути
Анодная реакция может быть записана как,
Эта реакция не производит воду, поэтому электролит, используемый в этой ячейке, должен содержать желаемое высокое процентное содержание воды.
Катодная реакция в батарее на основе оксида ртути
Катодная реакция батареи может быть записана как,
Номинальное напряжение батареи на основе оксида ртути
