Una batería de mercurio (también llamada batería de óxido de mercurio , pila de mercurio , pila de botón o Ruben-Mallory [1] ) es una batería electroquímica no recargable , una pila primaria . Las baterías de mercurio utilizan una reacción entre óxido de mercurio y electrodos de zinc en un electrolito alcalino. El voltaje durante la descarga se mantiene prácticamente constante en 1,35 voltios, y la capacidad es mucho mayor que la de una batería de zinc-carbono de tamaño similar . Las pilas de mercurio se utilizaban 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 ahora está prohibida en muchos países. [2] Tanto ANSI como IEC han retirado sus normas para baterías de mercurio.
El sistema de batería de óxido de mercurio y zinc se conocía desde el siglo XIX, [3] pero no se utilizó ampliamente hasta 1942, cuando Samuel Ruben desarrolló una celda equilibrada de mercurio que resultó útil para aplicaciones militares como detectores de metales, municiones y walkie-talkies. cine sonoro . [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 baterías se aplicó ampliamente en pequeños dispositivos electrónicos como marcapasos y audífonos. Las baterías de óxido de mercurio se fabricaron en una variedad de tamaños, desde pilas 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 de múltiples celdas utilizados para aplicaciones industriales como como control remoto por radio para sistemas de puentes grúa. En Estados Unidos, las baterías de óxido de mercurio eran 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 de mercurio no es conductor, por lo que se mezcla algo de grafito con él; el grafito también ayuda a prevenir 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 se separa del cátodo con una capa de papel u otro material poroso empapado de electrolito; esto se conoce como puente salino . En el ánodo se producen dos semirreacciones. El primero consiste en un paso de reacción electroquímica : [4]
seguido del paso de reacción química : [4]
produciendo una semirreacción anódica general 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 coloca un poco más de óxido de mercurio en la celda para evitar la evolución de gas hidrógeno al final de su vida. [4]
Como electrolito se utiliza hidróxido de sodio o hidróxido de potasio . Las celdas de hidróxido de sodio tienen un voltaje casi constante a corrientes de descarga bajas, lo que las hace ideales para audífonos , calculadoras y relojes electrónicos . Las celdas de hidróxido de potasio, a su vez, proporcionaban un voltaje constante a corrientes más altas, lo que las hacía adecuadas para aplicaciones que requerían picos de corriente, por ejemplo, cámaras fotográficas con flash y relojes con luz de fondo. Las celdas de hidróxido de potasio también tienen un mejor rendimiento a temperaturas más bajas. Las pilas 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 . Tiene un voltaje terminal mucho más bajo, alrededor de 0,9 voltios, por lo que tiene una densidad de energía más baja, pero tiene un rango de temperatura ampliado, 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] Antiguamente se utilizaba una batería de 12 voltios de este tipo para los detectores de humo residenciales . Fue diseñado como una serie de pilas de celdas, donde una celda tenía una capacidad reducida, lo que daba como resultado una característica de descarga de voltaje de dos pasos muy distinta. Al llegar al final de su vida, esta celda más pequeña se descargaría primero, provocando que el voltaje del terminal de la batería cayera bruscamente en 0,9 voltios. Esto proporcionó una forma muy predecible y repetible de advertir a los usuarios que era necesario reemplazar la batería, 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, cuando su voltaje cae rápidamente. El voltaje se mantiene dentro del 1% durante varios años con carga ligera y en un amplio rango de temperatura, lo que hace que las baterías de mercurio sean útiles como referencia de voltaje en instrumentos electrónicos y 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 contengan más de 25 miligramos de mercurio o, en el caso de pilas alcalinas , más del 0,025% en peso de mercurio. En 1998, la prohibición se amplió a las células que contenían 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 Contienen 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 de gran tamaño que contienen mercurio si los fabricantes proporcionan un sistema para recolectar las baterías de desecho y una instalación de recuperación. [8] [9]
La prohibición de venta de pilas de óxido de mercurio causó numerosos problemas a los fotógrafos , cuyos equipos dependían frecuentemente de sus ventajosas curvas de descarga y su larga vida útil. Las alternativas utilizadas son las baterías zinc-aire , con curva de descarga similar, alta capacidad, pero vida útil mucho más corta (unos pocos meses) y bajo rendimiento en climas secos; pilas alcalinas cuyo voltaje varía ampliamente a lo largo de su vida útil; y baterías de óxido de plata con voltaje más alto (1,55 V) y 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 de caída de voltaje permiten el uso de baterías de óxido de plata en equipos diseñados para baterías de mercurio. Dado que la caída de voltaje es una función no lineal del flujo de corriente, los diodos no producen una solución muy precisa para aplicaciones donde el flujo de corriente varía significativamente. Las corrientes consumidas por los antiguos fotómetros CdS 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 activa de voltaje que utilizan transistores SMD [10] o circuitos integrados [11] ; sin embargo, a menudo son difíciles de integrar en el reducido espacio del compartimiento de la batería. Los reemplazos deben funcionar con una caída de voltaje mínima en el ya muy bajo voltaje producido por una sola celda de batería, y la falta de un interruptor de encendido en muchos fotómetros y cámaras tradicionales [11] genera un consumo de energía ultrabaja (ULP) o extremadamente baja. diseño de potencia (XLP) necesario. Muchos dispositivos antiguos también tienen su chasis conectado al terminal positivo de la batería en lugar del negativo ; si esto no se puede cambiar, el diseño necesario del regulador de voltaje negativo reduce aún más la elección de piezas electrónicas adecuadas. [11]
Antiguamente, 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 participó 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 el mercurio se elimina de la celda seca.
