Batería de óxido de mercurio | Ventajas de la construcción química Usos

Durante la Segunda Guerra Mundial se hizo esencial tener un voltaje constante, alta capacidad, larga vida batería para utilizarlo en condiciones tropicales extremas. La tecnología de la pila de óxido mercúrico de zinc se conocía desde hacía más de 100 años, pero fue utilizada por primera vez prácticamente por Samuel Rubén durante la Segunda Guerra Mundial. Debido a su constante y estable voltaje es particularmente ventajoso para usar en relojes, cámaras y otros pequeños dispositivos electrónicos. También se utilizó en algunos de los primeros modelos de marcapasos.
Debido a su característica de voltaje de salida extremadamente estable, el batería de óxido de mercurio fue ampliamente utilizado como una fuente de referencia de voltaje en la electricidad instrumento de medición. Además de esto, la batería también se usó en pequeñas minas de satélite dispersas, aparatos de radio y los primeros satélites.

Hoy en día estas baterías se están volviendo obsoletas debido a su problema ambiental asociado al mercurio. Hay principalmente dos tipos de pilas de óxido de mercurio: una pila de óxido de mercurio de zinc y dos de óxido de mercurio de cadmio. Los problemas medioambientales también están asociados con el cadmio. El mercado de esta pila ha sido ocupado por el dióxido de manganeso alcalino, el zinc-aire, el óxido de plata y la pila de litio.

Ventajas de la batería de óxido mercúrico de zinc

1. Tiene una densidad de energía muy alta. Es alrededor de 450 Wh/L
2. Tiene una vida de almacenamiento muy larga.
3. Permanece estable bajo un amplio rango de densidad de corriente.
4. Es altamente eficiente electroquímicamente.
5. Es muy robusto y generalmente no es sensible a los impactos mecánicos y a las vibraciones.
6. Proporciona 1,35 V estables de voltaje en circuito abierto, lo que es una ventaja importante de la pila de mercurio de zinc.
7. Proporciona un voltaje estable a lo largo de un largo período de funcionamiento de drenaje de corriente.

Desventajas de la batería de óxido mercúrico de zinc

1. Estas baterías son muy caras. Por eso tienen un uso limitado.
2. Aunque la relación energía-volumen de la batería es alta, pero la relación energía-peso es moderada.
3. El rendimiento de esta batería no es muy bueno a baja temperatura.
4. Debido a la presencia de mercurio, la eliminación de la pila de óxido de mercurio de zinc usada crea un problema.

Ventajas de la batería de óxido mercúrico de cadmio

1. Tiene una vida de almacenamiento más larga.
2. Tiene una curva de descarga más plana en un largo rango de actual.
3. A diferencia de la pila de óxido de mercurio de zinc, funciona eficientemente a baja temperatura.
4. La etiqueta de evolución de gas de la batería de óxido de mercurio de cadmio es baja.

Desventajas de la batería de óxido mercúrico de cadmio

1. Es más costosa que la pila de óxido de mercurio de zinc debido al cadmio.
2. El voltaje estándar de circuito abierto de esta pila es de 0,9 V, que es mucho más bajo que el de la pila de óxido de mercurio de zinc.
3. Su relación energía-volumen es moderada, y la relación energía-peso es baja.
4. La eliminación de la pila de óxido de mercurio de cadmio también crea un problema ambiental debido a la presencia tanto de cadmio como de mercurio.

Construcción de una batería de óxido de mercurio

Esta batería se fabricó principalmente en forma de fondo, plano y cilíndrico. En la configuración inferior, la cubierta superior de la batería está hecha de aleación de cobre en la cara interna y de níquel o acero inoxidable en la cara externa. La cubierta superior está aislada del contenedor inferior por un ojal de nylon. El polvo de zinc amalgamado se dispersa dentro de la cubierta superior. La parte inferior del contenedor se llena con una mezcla de óxido de mercurio y grafito. El grafito ayuda aquí a aumentar la conductividad del óxido de mercurio. El óxido de mercurio es el principal material catódico de la pila. La parte superior de la mezcla de cátodos está cubierta con hidróxido de potasio, o electrolito de hidróxido de sodio empapado en una barrera porosa. Ahora toda la cubierta superior junto con el ojal y el material del ánodo se presiona hacia abajo en el recipiente inferior. Ahora la parte superior de la pila es el ánodo, y la parte inferior es el cátodo, y el separador poroso contiene el electrolito entre ellos. Todo el conjunto se mantiene firmemente unido mediante el plegado del borde superior de la lata o contenedor inferior. En la configuración plana, el polvo de zinc se amalgama y se presiona en una pastilla. La cubierta superior de la batería está doblemente recubierta con un ojal de polímero moldeado integralmente. Las placas superiores externa e interna están hechas de acero niquelado, pero la placa interna está estañada en la superficie interior. El contenedor principal de la celda también está hecho de dos latas de acero niquelado. Y el tubo adaptador se coloca en el espacio entre la lata interior y la exterior. La parte inferior del contenedor se llena con mezcla catódica, y en la parte superior del electrolito de la mezcla catódica se colocan absorbentes. El ensamblaje del ojal superior junto con la paleta de ánodos se presiona en la lata interior y el sellado se hace por medio de un pliegue sobre la lata exterior. En la lata exterior se proporciona un orificio de ventilación para que el gas que pueda generarse durante la descarga pueda escaparse fácilmente entre las latas interiores y exteriores, siendo absorbido cualquier electrolito arrastrado por el tubo adaptador de papel.

La química de la batería de óxido de mercurio

En la célula de zinc/mercurio se utilizan dos tipos de electrolitos alcalinos, uno basado en el hidróxido de potasio y otro en el hidróxido de sodio. El electrolito de hidróxido de sodio se utiliza generalmente cuando el funcionamiento a baja temperatura y el drenaje de alta corriente no son esenciales. Este electrolito se utiliza generalmente en la celda de óxido mercúrico de zinc, mientras que el electrolito a base de hidróxido de potasio sólo se utiliza en la celda de óxido mercúrico de cadmio. El cadmio es insoluble en la solución de hidróxido de potasio y por eso la celda de óxido mercúrico de cadmio es muy adecuada para el funcionamiento a baja temperatura.

Reacción anódica en una batería de óxido de zinc y mercurio

La reacción del ánodo puede escribirse como,

Esta reacción puede ser simplificada como,

Reacción anódica en una batería de óxido de cadmio y mercurio

La reacción del ánodo puede escribirse como,

Esta reacción no produce agua, por lo tanto, el electrolito utilizado en esta célula debería haber deseado un alto porcentaje de agua.

Reacción catódica en una batería de óxido de mercurio

La reacción catódica de la batería puede escribirse como,

Voltaje nominal de la batería de óxido de mercurio

El voltaje de circuito abierto o sin carga de la pila de óxido mercúrico de zinc es de 1,35 V. Este voltaje es bastante estable bajo diferentes temperaturas durante un largo período de tiempo. El voltaje sin carga de la pila de mercurio de zinc permanece dentro del 1% durante varios años. Este voltaje sin carga sólo puede variar en el orden de 2,5 mV si la temperatura de funcionamiento de la pila varía de 20oC a + 50oC. Esta batería tiene la característica de descarga plana, lo que significa que el voltaje de la batería permanece casi igual durante un período de descarga prolongado con diferentes corrientes. El voltaje de circuito abierto de la batería de óxido mercúrico de cadmio es de 0,9 voltios y es bastante estable en todas las condiciones de funcionamiento dentro de un rango de temperatura de 55oC a + 80oC. Aunque la temperatura de funcionamiento es tan alta como + 180oC se ha logrado mediante un diseño especial de la batería.

Almacenamiento de la batería de óxido de mercurio

La característica de almacenamiento de esta batería es bastante buena, y la vida útil de almacenamiento se indica en la siguiente tabla,