Loading article…
水銀電池（酸化水銀電池、水銀セル、ボタン電池、ルーベン・マロリー[1]とも呼ばれる）は、充電不可能な電気化学電池、一次電池である。水銀電池は、アルカリ電解液中の酸化水銀と亜鉛電極の反応を利用する。放電中の電圧は実質的に1.35ボルトで一定であり、容量は同サイズの亜鉛炭素電池よりもはるかに大きい。水銀電池は、時計、補聴器、カメラ、電卓用のボタン電池の形で使用され、他の用途ではより大きな形で使用された。
第二次世界大戦中および戦後、水銀電池は携帯電子機器の電源として広く使われていました。有毒な水銀の含有とその廃棄に関する環境上の懸念から、現在では多くの国で水銀電池の販売が禁止されています。[2] ANSIとIECはともに水銀電池に関する規格を撤回しました。
歴史
酸化亜鉛水銀電池システムは19世紀から知られていましたが[3] 、 1942年にサミュエル・ルーベンが金属探知機、軍需品、トランシーバーなどの軍事用途に有用な平衡水銀電池を開発するまで広く使用されることはありませんでした。[1] [4]この電池システムの利点は、保存期間が長いこと（最大10年）と電圧出力が安定していることです。第二次世界大戦後、この電池システムは心臓ペースメーカーや補聴器などの小型電子機器に広く適用されました。酸化亜鉛電池は、補聴器や電子腕時計に使用される小型ボタン電池、携帯用電子機器に使用される円筒形、トランジスタラジオに使用される長方形電池、[5]および天井クレーンシステムの無線リモートコントロールなどの産業用途に使用される大型マルチセルパックまで、さまざまなサイズで製造されました。米国では、水銀酸化物電池は、 PR Mallory and Co Inc (現在のDuracell )、Union Carbide Corporation (旧電池部門は現在Energizer Holdings )、RCA Corporation、Burgess Battery Companyなどの企業によって製造されていました。
化学
水銀電池は、純粋な酸化水銀（II）（HgO）（別名酸化水銀）またはHgOと二酸化マンガン（MnO 2 ）の混合物をカソードとして使用します。酸化水銀は非導体であるため、グラファイトが混合されています。グラファイトは、水銀が大きな液滴に集まるのを防ぐのにも役立ちます。カソードでの半反応は次のようになります。 [4]
標準電位は+0.0977 Vです。
陽極は亜鉛（Zn）でできており、電解質に浸した紙またはその他の多孔質材料の層で陰極から分離されています。これは塩橋として知られています。陽極では2つの半反応が発生します。最初の半反応は電気化学反応ステップで構成されます。[4]
化学反応のステップが続く：[4]
全体の陽極半反応は次のようになる：[4]
バッテリーの全体的な反応は次のとおりです。
言い換えれば、放電中に亜鉛は酸化されて（電子を失い）酸化亜鉛（ZnO）になり、一方、酸化水銀は還元されて（電子を得て）元素水銀を形成します。寿命末期に水素ガスが発生するのを防ぐため、セル内に少量の酸化水銀が投入されます。 [4]
電解質
電解質として水酸化ナトリウムまたは水酸化カリウムが使用される。水酸化ナトリウム電池は低放電電流でほぼ一定の電圧を提供するため、補聴器、電卓、電子時計などに最適である。一方、水酸化カリウム電池は高電流で一定の電圧を提供するため、フラッシュ付きの写真カメラやバックライト付き時計など、電流サージを必要とする用途に適している。水酸化カリウム電池は低温でも優れた性能を発揮する。水銀電池の保存寿命は非常に長く、最長10年である。[4]
酸化水銀とカドミウム
別の形態の水銀電池では、酸化水銀とカドミウムが使用される。この電池の端子電圧は0.9ボルト程度とかなり低く、エネルギー密度も低いが、温度範囲が広く、特別な設計では180℃まで使用できる。カドミウムはアルカリ電解液への溶解度が低いため、これらの電池は長期保存が可能。[4]このタイプの12ボルト電池は、以前は住宅用煙探知機に使用されていた。これはセルを直列に積み重ねた形で設計されており、1つのセルの容量が減少するため、非常に明確な2段階の電圧放電特性が得られる。寿命が尽きると、この小さいセルが最初に放電し、電池の端子電圧が0.9ボルト急激に低下する。これにより、大容量のセルがユニットを正常に機能させながら、電池交換が必要であることをユーザーに警告する、予測可能で繰り返し可能な方法が実現した。[6]
電気的特性
酸化水銀(II) カソードを使用した水銀電池は、非常に平坦な放電曲線を持ち、寿命の最後の約5%まで1.35V（開回路）の一定電圧を保ちますが、その後電圧が急激に低下します。軽負荷では数年間電圧が1%以内に保たれ、広い温度範囲にわたっているため、水銀電池は電子機器や写真用露出計の電圧基準として有用です。[7]
酸化水銀と二酸化マンガンの混合物から作られたカソードを備えた水銀電池は、1.4Vの出力電圧とより傾斜した放電曲線を持っています。[4]
製品禁止
1991年に加盟国が採択した欧州委員会 指令91/157では、25ミリグラムを超える水銀、またはアルカリ電池 の場合は重量比で0.025%を超える水銀を含む特定の種類の電池の販売が禁止された。1998年には、この禁止は重量比で0.005%を超える水銀を含む電池にも拡大された。[2]
1992年、ニュージャージー州は水銀電池の販売を禁止した。1996年、米国議会は水銀含有電池および充電式電池管理法を可決し、水銀含有電池の販売を禁止した（ボタン電池1個あたりの水銀含有量が25mgまでの場合は例外 ）。特定のケースでは、メーカーが廃電池を回収するシステムと再生施設を提供すれば、大型水銀含有電池の生産を継続できる。[8] [9]
代替品
酸化銀電池の販売禁止は、その有利な放電曲線と長寿命に頼る機材を持つ写真家たちに多くの問題をもたらした。代替品として使用されるのは、同様の放電曲線を持ち、高容量だが寿命がはるかに短く（数か月）、乾燥した気候では性能が悪い亜鉛空気電池、寿命を通じて電圧が大きく変化するアルカリ電池、そして、より高い電圧（1.55 V）と非常に平坦な放電曲線を持つ酸化銀電池で、メーターを新しい電圧に再調整した後は、高価ではあるがおそらく最良の代替品となる。
電圧降下ショットキーダイオードまたはゲルマニウムダイオードを備えた特別なアダプタにより、水銀電池用に設計された機器で酸化銀電池を使用できます。電圧降下は電流の非線形関数であるため、ダイオードでは、電流が大きく変化するアプリケーションに対して正確なソリューションは得られません。古いCdS露出計が消費する電流は、通常 10 μA ～ 200 μA の範囲です (例:ミノルタ SR-T機器シリーズ)。SMDトランジスタ[10]または集積回路[11]を使用したさまざまな種類のアクティブ電圧調整回路が考案されていますが、狭い電池室のスペースに組み込むのが難しい場合がよくあります。交換部品は、単一の電池セルによって生成される非常に低い電圧で最小限の電圧降下で動作する必要があり、多くの従来の露出計やカメラ[11]には電源スイッチがないため、超低電力(ULP) または極低電力(XLP) 設計が必要になります。古い機器の多くは、シャーシがバッテリーのマイナス端子ではなくプラス端子に接続されています。これを変更できない場合は、必要な負電圧レギュレータの設計により、適切な電子部品の選択肢がさらに狭まります。[11]
亜鉛電池での使用
以前は、乾電池の亜鉛陽極は、亜鉛と電解質の副反応による電池寿命の短縮を防ぐために水銀とアマルガム化されていました。水銀は電池の化学反応には関与しませんでした。メーカーはより純度の高い亜鉛に切り替えたため、アマルガム化は不要になり、乾電池から水銀が排除されました。[12]
参照
参考文献
- ^ ab Salkind, Alvin J .; Ruben, Samuel (1986). 「ペースメーカーおよびその他の埋め込み型デバイス用の水銀電池」。埋め込み型バイオメディカルデバイス用電池。Springer US。pp. 261– 274。doi : 10.1007 /978-1-4684-9045-9_9。ISBN 978-1-4684-9047-3。
- ^ ab ハンター、ロッド、ムイル、コーエン J. 編 (1999)。欧州共同体デスクブック。ELI デスクブック - ELR - 環境法レポーター。環境法研究所。p. 75。ISBN 0-911937-82-X。
- ^ クラーク、チャールズ・リー（1884-06-06）。ガルバニ電池。米国特許298175。[1]
- ^ abcdefghi Linden, David (2002). 「第 11 章」。Reddy, Thomas B. (編) 『Handbook Of Batteries (第 3 版)』 。ニューヨーク: McGraw-Hill。ISBN 0-07-135978-8。
- ^ 「エンジニアリングデータ - Energizer No. E146X」(PDF) 。Energizer。2018年11月18日時点のオリジナルよりアーカイブ(PDF) 。2019年5月11日閲覧。
- ^クロンプトン、トーマス・ロイ ( 2000)。バッテリーリファレンスブック。エルゼビア。pp. 5– 23。doi :10.1016/ b978-0-7506-4625-3.x5000-8。ISBN 978-0-7506-4625-3。
- ^ ウィルソン、アントン (2004)。「アントン・ウィルソンの映画ワークショップ」。アメリカン・シネマトグラファー。p. 137。ISBN 0-93557826-9。
- ^ フランク・クライス、ジョージ・チョバノグロス（2002年）。固形廃棄物管理ハンドブック。McGraw -Hill Professional。pp.6 ～ 34。ISBN 0-07-135623-1。
- ^ 「IMERCファクトシート：バッテリーにおける水銀の使用」。北東部廃棄物管理職員協会。2010年1月。2012年11月29日時点のオリジナルよりアーカイブ。2013年6月20日閲覧。
- ^ Paul, Matthias R. (2009-03-14). 「Minolta SR-T Batterieadapter」[7×7 mm SMDトランジスタベースのローサイド電圧レギュレータ回路をMercuryバッテリーの代替として使用]。Minoltaフォーラム（ドイツ語）。2016年3月27日時点のオリジナルからアーカイブ。2011年2月26日閲覧。
- ^ abc Paul, Matthias R. (2005-12-12). 「Minolta SR-T Batterieadapter」[バンドギャップ電圧リファレンスを水銀電池の代替として使う]。Minolta -Forum (ドイツ語)。2016-10-11 にオリジナルからアーカイブ。2011-02-26に取得。
- ^ Linden, David (2002). 「第 8 章」。Reddy, Thomas B. (編) 『Handbook Of Batteries (第 3 版)』。ニューヨーク: McGraw- Hill。ISBN 0-07-135978-8。
外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、水銀電池に関連するメディアがあります。