Una batería de mercurio (también llamada batería de óxido mercúrico , pila de mercurio , pila de botón o Ruben-Mallory [1] ) es una batería electroquímica no recargable , una celda primaria . Las baterías de mercurio utilizan una reacción entre óxido mercúrico y electrodos de zinc en un electrolito alcalino. El voltaje durante la descarga permanece prácticamente constante a 1,35 voltios, y la capacidad es mucho mayor que la de una batería de zinc-carbono de tamaño similar . Las baterías de mercurio se usaban en forma de pilas de botón para relojes, audífonos, cámaras y calculadoras, y en formas más grandes para otras aplicaciones.
Durante un tiempo, durante y después de la Segunda Guerra Mundial, las baterías fabricadas con mercurio se convirtieron en una fuente de energía popular para dispositivos electrónicos portátiles. Debido al contenido de mercurio tóxico y a las preocupaciones ambientales sobre su eliminación, la venta de baterías de mercurio está prohibida en muchos países. [2] Tanto ANSI como IEC han retirado sus estándares para baterías de mercurio.
El sistema de batería de óxido de mercurio-zinc se conocía desde el siglo XIX, [3] pero no se usó ampliamente hasta 1942, cuando Samuel Ruben desarrolló una celda de mercurio balanceada que fue útil para aplicaciones militares como detectores de metales, municiones y walkie-talkies . [1] [4] El sistema de batería tenía las ventajas de una larga vida útil (hasta 10 años) y una salida de voltaje constante. Después de la Segunda Guerra Mundial, el sistema de batería se aplicó ampliamente para pequeños dispositivos electrónicos como marcapasos cardíacos y audífonos. Las baterías de óxido de mercurio se fabricaron en una variedad de tamaños, desde celdas de botón en miniatura utilizadas para audífonos y relojes de pulsera eléctricos , tipos cilíndricos utilizados para aparatos electrónicos portátiles, baterías rectangulares utilizadas para radios de transistores, [5] y grandes paquetes multicelda utilizados para aplicaciones industriales como control remoto por radio para sistemas de grúas aéreas. En Estados Unidos, las baterías de óxido de mercurio fueron fabricadas por empresas como PR Mallory and Co Inc (ahora Duracell ), Union Carbide Corporation (cuya antigua división de baterías ahora se llama Energizer Holdings ), RCA Corporation y Burgess Battery Company .
Las baterías de mercurio utilizan óxido de mercurio (II) puro (HgO), también llamado óxido mercúrico, o una mezcla de HgO con dióxido de manganeso (MnO 2 ) como cátodo . El óxido mercúrico no es un conductor, por lo que se mezcla con él algo de grafito ; el grafito también ayuda a evitar la acumulación de mercurio en gotas grandes. La semirreacción en el cátodo es: [4]
con un potencial estándar de +0,0977 V.
El ánodo está hecho de zinc (Zn) y separado del cátodo por una capa de papel u otro material poroso empapado en electrolito; esto se conoce como puente salino . En el ánodo se producen dos semirreacciones. La primera consiste en un paso de reacción electroquímica : [4]
seguido del paso de reacción química : [4]
produciendo una semirreacción general del ánodo de: [4]
La reacción general de la batería es:
En otras palabras, durante la descarga, el zinc se oxida (pierde electrones) para convertirse en óxido de zinc (ZnO), mientras que el óxido de mercurio se reduce (gana electrones) para formar mercurio elemental. Se agrega un poco de óxido de mercurio adicional a la celda para evitar la evolución del gas hidrógeno al final de su vida útil. [4]
El hidróxido de sodio o el hidróxido de potasio se utilizan como electrolito . Las células de hidróxido de sodio tienen un voltaje casi constante a bajas corrientes de descarga, lo que las hace ideales para audífonos , calculadoras y relojes electrónicos . Las células de hidróxido de potasio, a su vez, proporcionan un voltaje constante a corrientes más altas, lo que las hace adecuadas para aplicaciones que requieren picos de corriente, por ejemplo, cámaras fotográficas con flash y relojes con luz de fondo. Las células de hidróxido de potasio también tienen un mejor rendimiento a temperaturas más bajas. Las células de mercurio tienen una vida útil muy larga, hasta 10 años. [4]
Una forma diferente de batería de mercurio utiliza óxido de mercurio y cadmio . Esta tiene un voltaje terminal mucho más bajo, alrededor de 0,9 voltios, y por lo tanto tiene una densidad de energía más baja, pero tiene un rango de temperatura extendido, en diseños especiales de hasta 180 C. Debido a que el cadmio tiene baja solubilidad en el electrolito alcalino, estas baterías tienen una larga vida útil. [4] Una batería de 12 voltios de este tipo se usaba anteriormente para detectores de humo residenciales . Fue diseñada como una pila en serie de celdas, donde una celda tenía una capacidad reducida, lo que resultaba en una característica de descarga de voltaje de dos pasos muy distintiva. Al llegar al final de su vida útil, esta celda más pequeña se descargaría primero, lo que causaría que el voltaje terminal de la batería cayera bruscamente en 0,9 voltios. Esto proporcionó una forma muy predecible y repetible de advertir a los usuarios que la batería necesitaba ser reemplazada, mientras que las celdas de mayor capacidad mantenían la unidad funcionando normalmente. [6]
Las baterías de mercurio que utilizan un cátodo de óxido de mercurio (II) tienen una curva de descarga muy plana, manteniendo un voltaje constante de 1,35 V (circuito abierto) hasta aproximadamente el último 5% de su vida útil, momento en el que su voltaje cae rápidamente. El voltaje permanece dentro del 1% durante varios años con carga ligera y en un amplio rango de temperaturas, lo que hace que las baterías de mercurio sean útiles como referencia de voltaje en instrumentos electrónicos y en fotómetros fotográficos . [7]
Las baterías de mercurio con cátodos hechos de una mezcla de óxido de mercurio y dióxido de manganeso tienen un voltaje de salida de 1,4 V y una curva de descarga más inclinada. [4]
La Directiva 91/157 de la Comisión Europea de 1991 , cuando fue adoptada por los estados miembros, prohibió la comercialización de ciertos tipos de pilas que contuvieran más de 25 miligramos de mercurio o, en el caso de las pilas alcalinas , más del 0,025% en peso de mercurio. En 1998, la prohibición se amplió a las pilas que contuvieran más del 0,005% en peso de mercurio. [2]
En 1992, el estado de Nueva Jersey prohibió la venta de baterías de mercurio. En 1996, el Congreso de los Estados Unidos aprobó la Ley de Gestión de Baterías Recargables y que Contengan Mercurio , que prohibía la venta de baterías que contuvieran mercurio (con una excepción de hasta 25 mg de mercurio por pila de botón). En algunos casos específicos, se pueden seguir produciendo baterías grandes que contengan mercurio si los fabricantes proporcionan un sistema para recoger las baterías usadas y una instalación de recuperación. [8] [9]
La prohibición de la venta de baterías de óxido de mercurio causó numerosos problemas a los fotógrafos , cuyo equipo dependía con frecuencia de sus ventajosas curvas de descarga y su larga vida útil. Las alternativas utilizadas son las baterías de zinc-aire , con una curva de descarga similar, una gran capacidad, pero una vida útil mucho más corta (unos pocos meses) y un rendimiento deficiente en climas secos; las baterías alcalinas con un voltaje que varía ampliamente a lo largo de su vida útil; y las baterías de óxido de plata con un voltaje más alto (1,55 V) y una curva de descarga muy plana, lo que las convierte posiblemente en el mejor reemplazo, aunque costoso, después de recalibrar el medidor al nuevo voltaje.
Los adaptadores especiales con diodos Schottky o de germanio que reducen la tensión permiten utilizar baterías de óxido de plata en equipos diseñados para baterías de mercurio. Dado que la caída de tensión es una función no lineal del flujo de corriente, los diodos no producen una solución muy precisa para aplicaciones en las que el flujo de corriente varía significativamente. Las corrientes que consumen los fotómetros CdS antiguos suelen estar en el rango de 10 μA a 200 μA (por ejemplo, la serie de equipos Minolta SR-T ). Se han ideado varios tipos de circuitos de regulación de tensión activa que utilizan transistores SMD [10] o circuitos integrados [11] , sin embargo, a menudo son difíciles de integrar en el reducido espacio del compartimento de la batería. Los reemplazos deben funcionar con una caída de tensión mínima en el voltaje ya muy bajo producido por una sola celda de batería, y la falta de un interruptor de encendido en muchos fotómetros y cámaras tradicionales [11] hace necesario un diseño de potencia ultrabaja (ULP) o potencia extremadamente baja (XLP). Muchos dispositivos antiguos también tienen su chasis conectado al terminal positivo de la batería en lugar de al negativo ; si esto no se puede cambiar, el diseño del regulador de voltaje negativo necesario reduce aún más la elección de partes electrónicas adecuadas. [11]
Anteriormente, los ánodos de zinc de las pilas secas se amalgamaban con mercurio para evitar reacciones secundarias del zinc con el electrolito que reducirían la vida útil de la batería. El mercurio no participaba en la reacción química de la batería. Los fabricantes han cambiado a un grado de zinc más puro, por lo que ya no es necesaria la amalgamación y se elimina el mercurio de la pila seca. [12]
