Quecksilberbatterie - Mercury battery

Quecksilberbatterie "РЦ-53М" (RTs-53M), russisch hergestellt 1989

Eine Quecksilberbatterie (auch Quecksilberoxidbatterie , Quecksilberzelle , Knopfzelle oder Ruben-Mallory genannt ) ist eine nicht wiederaufladbare elektrochemische Batterie , eine Primärzelle . Quecksilberbatterien verwenden eine Reaktion zwischen Quecksilberoxid- und Zinkelektroden in einem alkalischen Elektrolyten. Die Spannung während der Entladung bleibt mit 1,35 Volt praktisch konstant, und die Kapazität ist viel größer als die einer ähnlich großen Zink-Kohlenstoff-Batterie . Quecksilberbatterien wurden in Form von Knopfzellen für Uhren, Hörgeräte, Kameras und Taschenrechner und in größeren Formen für andere Anwendungen verwendet.

Während und nach dem Zweiten Weltkrieg wurden mit Quecksilber hergestellte Batterien für eine Zeit zu einer beliebten Stromquelle für tragbare elektronische Geräte. Aufgrund des Gehalts an giftigem Quecksilber und Umweltbedenken hinsichtlich seiner Entsorgung ist der Verkauf von Quecksilberbatterien in vielen Ländern inzwischen verboten. Sowohl ANSI als auch IEC haben ihre Standards für Quecksilberbatterien zurückgezogen.

Querschnitt durch eine Knopf-Quecksilberbatterie.

Geschichte

Das Quecksilberoxid-Zink-Batteriesystem war seit dem 19. Jahrhundert bekannt, wurde jedoch erst 1942 weit verbreitet, als Samuel Ruben eine ausgeglichene Quecksilberzelle entwickelte, die für militärische Anwendungen wie Metalldetektoren, Munition und Walkie-Talkies nützlich war . Das Batteriesystem hatte die Vorteile einer langen Haltbarkeit (bis zu 10 Jahren) und einer konstanten Spannungsabgabe. Nach dem Zweiten Weltkrieg wurde das Batteriesystem häufig für kleine elektronische Geräte wie Herzschrittmacher und Hörgeräte eingesetzt. Quecksilberoxid Batterien wurden in einer Reihe von Größen von miniature aus Knopfzellen verwendeten für Hörhilfen und elektrische Armbanduhr , zylindrische Typen für tragbare elektronische Geräte, rechteckige Batterien für Transistorradios und große mehrzellige Packungen verwendeten für industrielle Anwendungen wie zum Beispiel Funk verwendet Remote Steuerung für Laufkransysteme. In den USA wurden Quecksilberoxidbatterien von Unternehmen wie PR Mallory und Co Inc (jetzt Duracell ), Union Carbide Corporation (deren frühere Batteriesparte jetzt Energizer Holdings heißt ), RCA Corporation und Burgess Battery Company hergestellt .

Chemie

Quecksilberbatterien verwenden entweder reines Quecksilber (II) -oxid (HgO) - auch Quecksilberoxid genannt - oder eine Mischung aus HgO und Mangandioxid (MnO 2 ) als Kathode . Quecksilberoxid ist ein Nichtleiter, daher wird etwas Graphit damit gemischt; Der Graphit verhindert auch das Sammeln von Quecksilber in großen Tröpfchen. Die Halbreaktion an der Kathode ist:

HgO + H 2 O + 2e - → Hg + 2OH -

mit einem Standardpotential von +0,0977 V.

Die Anode besteht aus Zink (Zn) und ist mit einer mit Elektrolyt getränkten Papierschicht oder einem anderen porösen Material von der Kathode getrennt. Dies ist als Salzbrücke bekannt . An der Anode treten zwei Halbreaktionen auf. Der erste besteht aus einem elektrochemischen Reaktionsschritt :

Zn + 4OH - → Zn (OH) 4 -2 + 2e -

gefolgt vom chemischen Reaktionsschritt : Oxidation tritt an der Anode auf

Zn + 2OH → ZnO + H 2 O + 2e
Zn (OH) 4 −2 → ZnO + 2OH - + H 2 O.

Man erhält eine Gesamtanodenhalbreaktion von:

Zn + 2OH - → ZnO + H 2 O + 2e -

Die Gesamtreaktion für die Batterie ist:

Zn + HgO → ZnO + Hg

Mit anderen Worten, während der Entladung wird Zink oxidiert (verliert Elektronen), um Zinkoxid (ZnO) zu werden, während das Quecksilberoxid reduziert wird (Elektronen gewinnt), um elementares Quecksilber zu bilden. Ein wenig zusätzliches Quecksilberoxid wird in die Zelle gegeben, um die Entwicklung von Wasserstoffgas am Ende der Lebensdauer zu verhindern.

Elektrolyt

Als Elektrolyt werden Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid verwendet . Natriumhydroxidzellen haben bei niedrigen Entladeströmen eine nahezu konstante Spannung, was sie ideal für Hörgeräte , Taschenrechner und elektronische Uhren macht . Kaliumhydroxidzellen wiederum lieferten eine konstante Spannung bei höheren Strömen, wodurch sie für Anwendungen geeignet waren, die Stromstöße erfordern, z. B. Fotokameras mit Blitz und Uhren mit Hintergrundbeleuchtung. Kaliumhydroxidzellen weisen auch bei niedrigeren Temperaturen eine bessere Leistung auf. Quecksilberzellen sind sehr lange haltbar, bis zu 10 Jahre.

Quecksilberoxid und Cadmium

Eine andere Form der Quecksilberbatterie verwendet Quecksilberoxid und Cadmium . Dies hat eine viel niedrigere Klemmenspannung um 0,9 Volt und damit eine geringere Energiedichte, aber einen erweiterten Temperaturbereich in speziellen Ausführungen bis 180 ° C. Da Cadmium im alkalischen Elektrolyten eine geringe Löslichkeit aufweist, haben diese Batterien eine lange Lagerfähigkeit. Eine 12-Volt-Batterie dieses Typs wurde früher für Rauchmelder in Wohngebieten verwendet . Es wurde als Reihenstapel von Zellen entworfen, wobei eine Zelle eine reduzierte Kapazität hatte, was zu einer sehr ausgeprägten zweistufigen Spannungsentladungscharakteristik führte. Am Ende ihrer Lebensdauer würde sich diese kleinere Zelle zuerst entladen, wodurch die Batterieklemmenspannung um 0,9 Volt stark abfällt. Dies bot eine sehr vorhersehbare und wiederholbare Möglichkeit, Benutzer zu warnen, dass die Batterie ausgetauscht werden muss, während die Zellen mit größerer Kapazität das Gerät normal funktionieren ließen.

Elektrische Eigenschaften

Quecksilber - Batterien unter Verwendung eines Quecksilber (II) -oxid Kathode haben eine sehr flache Entladungskurve konstant gehalten 1,35 V (Leerlauf) Spannung bis über die letzten 5% ihrer Lebensdauer, wenn ihre Spannung schnell abfällt. Die Spannung bleibt bei geringer Last und über einen weiten Temperaturbereich mehrere Jahre lang innerhalb von 1%, wodurch Quecksilberbatterien als Spannungsreferenz in elektronischen Instrumenten und in fotografischen Lichtmessgeräten nützlich sind .

Quecksilberbatterien mit Kathoden aus einer Mischung von Quecksilberoxid und Mangandioxid haben eine Ausgangsspannung von 1,4 V und eine geneigtere Entladungskurve.

Produktverbot

Die Richtlinie 91/157 der Europäischen Kommission von 1991 , die von den Mitgliedstaaten verabschiedet wurde, untersagte die Vermarktung bestimmter Batterietypen mit mehr als 25 Milligramm Quecksilber oder bei Alkalibatterien mit mehr als 0,025 Gew .-% Quecksilber. 1998 wurde das Verbot auf Zellen ausgedehnt, die mehr als 0,005 Gew .-% Quecksilber enthielten.

1992 verbot der Bundesstaat New Jersey den Verkauf von Quecksilberbatterien. 1996 verabschiedete der Kongress der Vereinigten Staaten das Gesetz zur Verwaltung von quecksilberhaltigen und wiederaufladbaren Batterien , das den weiteren Verkauf von quecksilberhaltigen Batterien untersagte, es sei denn, die Hersteller stellten eine Rückgewinnungsanlage zur Verfügung, die den Verkauf effektiv verbot.

Ersatz

Das Verbot des Verkaufs von Quecksilberoxidbatterien verursachte zahlreiche Probleme für Fotografen , deren Ausrüstung häufig auf ihren vorteilhaften Entladekurven und ihrer langen Lebensdauer beruhte. Als Alternativen werden Zink-Luft-Batterien mit ähnlicher Entladekurve, hoher Kapazität, aber viel kürzerer Lebensdauer (einige Monate) und schlechter Leistung in trockenen Klimazonen verwendet. Alkalibatterien mit einer Spannung, die während ihrer Lebensdauer stark variiert; und Silberoxidbatterien mit höherer Spannung (1,55 V) und sehr flacher Entladekurve, was sie möglicherweise zum besten, wenn auch teuren Ersatz macht, nachdem das Messgerät auf die neue Spannung neu kalibriert wurde.

Spezielle Adapter mit spannungsabfallenden Schottky- oder Germaniumdioden ermöglichen die Verwendung von Silberoxidbatterien in Geräten für Quecksilberbatterien. Da der Spannungsabfall eine nichtlineare Funktion des Stromflusses ist, liefern Dioden keine sehr genaue Lösung für Anwendungen, bei denen der Stromfluss erheblich variiert. Von alten CdS- Belichtungsmessern gezogene Ströme liegen typischerweise im Bereich von 10 μA bis 200 μA (z. B. Minolta SR-T- Geräteserien). Es wurden verschiedene Arten von aktiven Spannungsregelschaltungen unter Verwendung von SMD- Transistoren oder integrierten Schaltungen entwickelt, die jedoch häufig schwer in den beengten Batteriefachraum zu integrieren sind. Ersatzteile müssen mit einem minimalen Spannungsabfall bei der bereits sehr niedrigen Spannung betrieben werden, die von einer einzelnen Batteriezelle erzeugt wird, und das Fehlen eines Netzschalters bei vielen herkömmlichen Belichtungsmessern und Kameras führt zu einer extrem niedrigen Leistung (ULP) oder einer extrem niedrigen Leistung (XLP) ) Design notwendig. Bei vielen alten Geräten ist das Gehäuse auch eher an den Pluspol als an den Minuspol der Batterie angeschlossen. Wenn dies nicht geändert werden kann, reduziert das erforderliche Design des negativen Spannungsreglers die Auswahl geeigneter elektronischer Teile weiter.

Verwendung in Zinkbatterien

Früher wurden die Zinkanoden trockener Zellen mit Quecksilber verschmolzen , um Nebenreaktionen des Zinks mit dem Elektrolyten zu verhindern, die die Lebensdauer der Batterie verkürzen würden. Das Quecksilber war an der chemischen Reaktion der Batterie nicht beteiligt. Die Hersteller haben auf eine reinere Zinkqualität umgestellt, sodass keine Verschmelzung mehr erforderlich ist und Quecksilber aus der Trockenzelle entfernt wird.

Siehe auch

Verweise

Externe Links