Ртутная батарея
Ртутная батарея (также называемая ртутной батареей , ртутным элементом , таблеточным элементом или батареей Рубена-Мэллори) . [1] ) — неперезаряжаемая электрохимическая батарея , первичный элемент . Ртутные батареи используют реакцию между оксидом ртути и цинковыми электродами в щелочном электролите. Напряжение во время разряда остается практически постоянным и составляет 1,35 В, а емкость намного больше, чем у угольно-цинкового аккумулятора аналогичного размера . Ртутные батареи использовались в виде таблеточных элементов для часов, слуховых аппаратов, фотоаппаратов и калькуляторов, а также в более крупных формах для других целей.
На какое-то время во время и после Второй мировой войны ртутные батареи стали популярным источником питания для портативных электронных устройств. Из-за содержания токсичной ртути и экологических опасений по поводу ее утилизации продажа ртутных батарей сейчас запрещена во многих странах. [2] И ANSI , и IEC отменили свои стандарты для ртутных батарей.
История
[ редактировать ]Система ртутно-цинковых батарей была известна еще с XIX века. [3] но не получил широкого применения до 1942 года, когда Сэмюэл Рубен разработал сбалансированный ртутный элемент, который пригодился для военных применений, таких как металлодетекторы, боеприпасы и рации . [1] [4] Преимуществом аккумуляторной системы был длительный срок хранения (до 10 лет) и стабильное выходное напряжение. После Второй мировой войны аккумуляторная система широко применялась в небольших электронных устройствах, таких как кардиостимуляторы и слуховые аппараты. Ртутные оксидные батареи производились самых разных размеров: от миниатюрных таблеточных элементов, используемых в слуховых аппаратах и электрических наручных часах , до цилиндрических элементов, используемых в портативных электронных устройствах, до прямоугольных батарей, используемых в транзисторных радиоприемниках, [5] и большие многоячеечные блоки, используемые для промышленного применения, например, для дистанционного радиоуправления системами мостовых кранов. В Соединенных Штатах ртутно-оксидные батареи производились такими компаниями, как PR Mallory and Co Inc (ныне Duracell ), Union Carbide Corporation (чье бывшее подразделение по производству аккумуляторов теперь называется Energizer Holdings ), RCA Corporation и Burgess Battery Company .
Химия
[ редактировать ]используется либо чистый оксид ртути(II) (HgO), также называемый оксидом ртути, либо смесь HgO с диоксидом марганца (MnO 2 ) В ртутных батареях в качестве катода . Оксид ртути не является проводником, поэтому некоторое количество графита к нему примешано ; графит также помогает предотвратить сбор ртути в крупные капли. Полуреакция на катоде: [4]
со стандартным потенциалом +0,0977 В.
Анод ; изготовлен из цинка (Zn) и отделен от катода слоем бумаги или другого пористого материала, пропитанного электролитом это известно как соляной мост . На аноде происходят две полуреакции. Первый состоит из стадии электрохимической реакции : [4]
с последующей стадией химической реакции : [4]
что дает общую анодную полуреакцию: [4]
Общая реакция на аккумулятор такова:
Другими словами, во время разряда цинк окисляется (теряет электроны) и становится оксидом цинка (ZnO), тогда как оксид ртути восстанавливается (приобретает электроны) с образованием элементарной ртути. В клетку добавляется немного дополнительного оксида ртути, чтобы предотвратить выделение газообразного водорода в конце жизни. [4]
Электролит
[ редактировать ]гидроксид натрия или гидроксид калия используют В качестве электролита . Элементы гидроксида натрия имеют почти постоянное напряжение при низких токах разряда, что делает их идеальными для слуховых аппаратов , калькуляторов и электронных часов . Элементы с гидроксидом калия, в свою очередь, обеспечивают постоянное напряжение при более высоких токах, что делает их пригодными для применений, требующих скачков тока, например, фотокамер со вспышкой и часов с подсветкой. Элементы с гидроксидом калия также имеют лучшую производительность при более низких температурах. Ртутные элементы имеют очень длительный срок хранения, до 10 лет. [4]
Оксид ртути и кадмий
[ редактировать ]Другая форма ртутной батареи использует оксид ртути и кадмий . У них гораздо более низкое напряжение на клеммах, около 0,9 В, и, следовательно, меньшая плотность энергии, но они имеют расширенный температурный диапазон, в специальных конструкциях до 180 C. Поскольку кадмий плохо растворяется в щелочном электролите, эти батареи имеют длительный срок хранения. [4] Батарея этого типа на 12 В раньше использовалась в бытовых детекторах дыма . Он был спроектирован как последовательный набор ячеек, где одна ячейка имела уменьшенную емкость, что приводило к очень четкой двухступенчатой характеристике разряда по напряжению. По достижении конца срока службы этот элемент меньшего размера сначала разряжается, в результате чего напряжение на клеммах аккумулятора резко падает на 0,9 В. Это обеспечило очень предсказуемый и повторяемый способ предупредить пользователей о необходимости замены батареи, в то время как элементы большей емкости поддерживали нормальную работу устройства. [6]
Электрические характеристики
[ редактировать ]Ртутные батареи, в которых используется из оксида ртути (II), катод имеют очень плоскую кривую разряда, удерживая постоянное напряжение 1,35 В (разомкнутая цепь) примерно до последних 5% своего срока службы, когда их напряжение быстро падает. Напряжение остается в пределах 1% в течение нескольких лет при небольшой нагрузке и в широком диапазоне температур, что делает ртутные батареи полезными в качестве эталонного напряжения в электронных приборах и фотографических люксметрах . [7]
Ртутные аккумуляторы с катодами из смеси оксида ртути и диоксида марганца имеют выходное напряжение 1,4 В и более пологую кривую разряда. [4]
Запрет продукта
[ редактировать ]1991 года Директива Европейской комиссии 91/157 , принятая государствами-членами, запретила продажу определенных типов батарей, содержащих более 25 миллиграммов ртути или, в случае щелочных батарей , более 0,025% по весу ртути. В 1998 году запрет был распространен на элементы, содержащие более 0,005% ртути по весу. [2]
В 1992 году штат Нью-Джерси запретил продажу ртутных батарей. В 1996 году Конгресс США принял Закон об обращении с ртутьсодержащими и перезаряжаемыми батареями , который запрещал дальнейшую продажу ртутьсодержащих батарей (за исключением случаев, когда содержание ртути в одном таблеточном элементе составляет до 25 мг ртути). В некоторых конкретных случаях можно продолжать производство крупных ртутьсодержащих батарей, если производители предусмотрят систему сбора использованных батарей и установку для переработки. [8] [9]
Заменители
[ редактировать ]Запрет на продажу батарей на основе оксида ртути вызвал многочисленные проблемы для фотографов , чье оборудование часто полагалось на их выгодные кривые разряда и длительный срок службы. В качестве альтернативы используются воздушно-цинковые батареи с аналогичной кривой разряда, высокой емкостью, но гораздо более коротким сроком службы (несколько месяцев) и плохой работой в сухом климате; щелочные батареи с напряжением, сильно меняющимся в течение срока службы; и серебряно-оксидные батареи с более высоким напряжением (1,55 В) и очень плоской кривой разряда, что делает их, возможно, лучшей, хотя и дорогой заменой после повторной калибровки счетчика на новое напряжение.
Специальные адаптеры с понижающими напряжение диодами Шоттки или германиевыми позволяют использовать серебряно-оксидные батареи в оборудовании, предназначенном для ртутных батарей. Поскольку падение напряжения является нелинейной функцией тока, диоды не дают очень точного решения для приложений, где ток значительно меняется. Токи, потребляемые старыми CdS, люксметрами обычно находятся в диапазоне от 10 мкА до 200 мкА (например, серия оборудования Minolta SR-T ). Различные виды схем активного регулирования напряжения на SMD- транзисторах. [10] или интегральные схемы [11] были разработаны, однако их часто трудно интегрировать в тесное пространство аккумуляторного отсека. Замены должны работать с минимальным падением напряжения при и без того очень низком напряжении, создаваемом одним аккумуляторным элементом, а также при отсутствии выключателя питания на многих традиционных люксметрах и камерах. [11] делает необходимым проектирование со сверхнизким энергопотреблением (ULP) или чрезвычайно низким энергопотреблением (XLP). аккумулятора У многих старых устройств шасси также подключено к положительной, а не к отрицательной клемме - если это невозможно изменить, необходимая конструкция регулятора отрицательного напряжения еще больше сокращает выбор подходящих электронных деталей. [11]
См. также
[ редактировать ]- Список типов батарей
- Список размеров батарей
- Сравнение типов аккумуляторов
- Утилизация аккумуляторов
- Номенклатура аккумуляторов
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Салкинд, Элвин Дж.; Рубен, Самуэль (1986). «Ртутные батареи для кардиостимуляторов и других имплантируемых устройств». Батареи для имплантируемых биомедицинских устройств . Спрингер США. стр. 261–274. дои : 10.1007/978-1-4684-9045-9_9 . ISBN 978-1-4684-9047-3 .
- ^ Jump up to: а б Хантер, Род; Мюлле, Коэн Дж., ред. (1999). Настольный справочник Европейского сообщества . Настольная тетрадь ELI — ELR — Репортер по экологическому праву. Институт экологического права . п. 75. ИСБН 0-911937-82-Х .
- ^ Кларк, Чарльз Ли (6 июня 1884 г.). Гальваническая батарея . Патент США 298175. [1]
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я Линден, Дэвид (2002). «Глава 11» . В Редди, Томас Б. (ред.). Справочник по батареям (3-е изд.). Нью-Йорк: МакГроу-Хилл . ISBN 0-07-135978-8 .
- ^ «Технические данные — Energizer № E146X» (PDF) . Энергайзер . Архивировано (PDF) из оригинала 18 ноября 2018 г. Проверено 11 мая 2019 г.
- ^ Кромптон, Томас Рой. Справочник по аккумуляторам . стр. 5–23.
- ^ Уилсон, Антон (2004). «Киномастерская Антона Уилсона». Американский кинематографист . п. 137. ИСБН 0-93557826-9 .
- ^ Крейт, Фрэнк ; Чобаноглус, Джордж (2002). Справочник по обращению с твердыми отходами . МакГроу-Хилл Профессионал . стр. 6–34. ISBN 0-07-135623-1 .
- ^ «Информационный бюллетень IMERC: Использование ртути в батареях» . Северо-восточная ассоциация чиновников по управлению отходами. Январь 2010 г. Архивировано из оригинала 29 ноября 2012 г. Проверено 20 июня 2013 г.
- ^ Пол, Матиас Р. (14 марта 2009 г.). «Minolta SR-T Batterieadapter» [Использование схемы стабилизатора напряжения нижней стороны на основе SMD-транзистора размером 7 × 7 мм в качестве замены батареи Mercury]. Минолта-Форум (на немецком языке). Архивировано из оригинала 27 марта 2016 г. Проверено 26 февраля 2011 г.
- ^ Jump up to: а б с Пол, Матиас Р. (12 декабря 2005 г.). «Minolta SR-T Batterieadapter» [Использование источника опорного напряжения в запрещенной зоне в качестве замены батареи Mercury]. Минолта-Форум (на немецком языке). Архивировано из оригинала 11 октября 2016 г. Проверено 26 февраля 2011 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]
