Цинковые элементы питания. Воздушно-цинковые элементы (Zinc-Air) – возможная альтернатива литию

Долгое время область применения воздушно-цинковых элементов питания не выходила за рамки медицины. Высокая емкость и длительный срок службы (в неактивном состоянии) позволили им беспрепятственно занять нишу одноразовых батареек для слуховых аппаратов. Но в последние годы наблюдается большой рост интереса к этой технологии у автопроизводителей. Некоторые считают, что нашлась альтернативу литию. Так ли это?

Воздушно-цинковая батарея для электромобиля может быть устроена следующим образом: в разделенную на отсеки емкость вставлены электроды, на которых адсорбируется и восстанавливается кислород воздуха, а также специальные съемные кассеты, заполненные расходным материалом анода, в данном случае гранулами цинка. Между отрицательными и положительными электродами прокладывается сепаратор. В качестве электролита может использоваться водный раствор гидроксида калия, либо раствор хлорида цинка.

Поступающий извне воздух с помощью катализаторов образует в водном растворе электролита гидроксильные ионы, которые окисляют цинковый электрод. В ходе данной реакции высвобождаются электроны, образующие электрический ток.

Преимущества

Мировые запасы цинка по некоторым оценкам составляют примерно 1.9 гигатонн. Если начать мировое производство металлического цинка сейчас, то уже через пару лет можно будет обеспечить сборку миллиарда воздушно-цинковых аккумуляторов емкостью 10 кВт*ч каждый. К примеру, для создания такого же количества при нынешних условиях добычи лития потребуется более 180 лет. Доступность цинка позволит еще и снизить цену на аккумуляторные батареи.

Очень важно и то, что воздушно-цинковые элементы, имея прозрачную схему рециклирования отработанного цинка, являются экологически чистыми изделиями. Используемые здесь материалы не отравляют окружающую среду и могут быть отработанны вторично. Продукт реакции воздушно-цинковых элементов питания (оксид цинка) также абсолютно безопасен для человека и его среды обитания. Не зря оксид цинка применяется в качестве основного компонента для детской присыпки.

Главным же преимуществом, благодаря которому электромобилестроители смотрят на эту технологию с надеждой, является высокая плотность энергии (в 2-3 раза выше, чем у li-ion). Уже сейчас энергоемкость Zinc-Air достигает 450 Вт*ч/кг, но теоретическая плотность может составлять 1350 Вт*ч/кг!

Недостатки

Раз мы не ездим на электромобилях с воздушно-цинковыми батареями, значит, есть и недостатки. Во-первых, такие элементы сложно сделать перезаряжаемыми с достаточным количеством циклов разряда/заряда. В ходе работы воздушно-цинковой батареи электролит попросту высыхает, либо проникает слишком глубоко в поры воздушного электрода. А поскольку осаждающийся цинк распределяется неравномерно, образуя разветвленную структуру, между электродами нередко происходят короткие замыкания.

Ученые пытаются найти выход. Американская компания ZAI решила эту проблему простой заменой электролита и добавлением свежих картриджей с цинком. Естественно, для этого потребуется развитая инфраструктура заправочных станций, на которых будет происходить смена окисленного активного материала в анодной кассете на свежий цинк.

И хотя экономическая составляющая проекта пока не проработана, производители утверждают, что стоимость такой «зарядки» будет существенно ниже заправки машины с ДВС. Кроме того, процесс смены активного материала потребует не более 10 минут. Даже сверхбыстрые за это же время смогут восполнить только 50% своего потенциала. В прошлом году корейская компания Leo Motors уже продемонстрировала воздушно-цинковые батареи ZAI на своем электрическом грузовике.

Работает над усовершенствованием Zinc-Air батареи и технологическая фирма из Швейцарии ReVolt. Она предложила специальные гелеобразующие и вяжущие добавки, контролирующие влажность и форму цинкового электрода, а также новые катализаторы, которые существенно улучшают работу элементов.

Все же инженерам обеих компаний так и не удалось преодолеть рубеж в 200 циклов разряда/заряда Zinc-Air. Поэтому говорить о воздушно-цинковых элементах, как об электромобильных батареях, пока рано.

Марганцево цинковый элемент. (1) металлической колпачок, (2) графитовый электрод («+»), (3) цинковый стакан (« »), (4) оксид марганца, (5) электролит, (6) металлический контакт. Марганцево цинковый элемент,… … Википедия

РЦ 53М (1989 год) Ртутно цинковый элемент («тип РЦ») гальванический элемент в котором анодом является цинк … Википедия

Батарея «Oxyride» Элементы питания Oxyride™ это торговая марка для одноразовых (неперезаряжаемых) элементов питания, разработанных фирмой Panasonic. Они разработаны специально для устройств с большим потреблением электроэнер … Википедия

Нормальный элемент Вестона, ртутно кадмиевый элемент гальванический элемент, ЭДС которого весьма стабильна во времени и воспроизводима от экземпляра к экземпляру. Применяется в качестве источника опорного напряжения (ИОН) либо эталона напряжения… … Википедия

СЦ 25 Серебряно цинковый аккумулятор вторичный химический источник тока, аккумулятор, в котором анод это оксид серебра, в виде спресованного порошка, катод смесь … Википедия

Миниатюрные элементы питания различного размера Миниатюрный элемент питания батарейка размером с пуговицу, впервые широко начала применяться в электронных наручных часах, поэтому называется также … Википедия

Ртутно цинковый элемент («тип РЦ») гальванический элемент в котором анодом является цинк, катодом оксид ртути, электролит раствор гидроксида калия. Достоинства: постоянство напряжения и огромная энергоемкость и энергоплотность. Недостатки:… … Википедия

Марганцево цинковый гальванический элемент, в котором в качестве катода используется диоксид марганца, анода порошкообразный цинк, а в качестве электролита раствор щёлочи, обычно гидроксида калия. Содержание 1 История изобретения … Википедия

Никель цинковый аккумулятор это химический источник тока, в котором анодом является цинк, электролитом гидроксид калия с добавкой гидроксида лития, а катодом оксид никеля. Часто сокращается аббревиатурой NiZn. Достоинства:… … Википедия

В пятом номере нашего журнала мы рассказали, как самим сделать газовый аккумулятор, а в шестом - свинцово-поташный. Предлагаем читателям еще один тип источника тока - воздушно-цинковый элемент. Этот элемент не требует зарядки в процессе эксплуатации, что является весьма важным преимуществом перед аккумуляторами.

Воздушно-цинковый элемент сейчас - наиболее совершенный источник тока, так так он обладает сравнительно высокой удельной энергией (110-180 Вт-ч/кг), прост в изготовлении и эксплуатации и наиболее перспективен в смысле увеличения его удельных характеристик. Теоретически рассчитанная удельная мощность воздушно-цинкового элемента может достигать 880 Вт-ч/кг. Если будет достигнута хотя бы половина этой мощности, элемент станет весьма серьезным соперником двигателя внутреннего сгорания.

Очень важное преимущество воздушно-цинкового элемента -

малое изменение напряжения при нагрузке по мере его разряда. Кроме того, такой элемент обладает значительной прочностью, так как его сосуд может быть изготовлен из стали.

Принцип работы воздушно-цинковых элементов основан на использовании электрохимической системы: цинк - раствор едкого калия - активированный уголь, адсорбирующий кислород воздуха. Подбирая составы электролита, активной массы электродов и выбирая оптимальную конструкцию элемента, можно значительно увеличить его удельную мощность.

Технология батареек значительно усовершенство-валась за последние 10 лет, увеличивая ценность слуховых аппаратов и улучшая их характеристики. С тех пор, как на рынке СА господство завоевал цифровой процессор, индустрия батареек буквально рванулась вперед.

День ото дня растет количество людей, использующих в качестве источника питания для слуховых аппаратов воздушно-цинковые батарейки. Эти элементы питания экологически безопасны и, благодаря повышенной емкости, служат значительно дольше, чем другие виды батареек. Однако точный срок службы используемого элемента назвать сложно, он зависит от многих факторов. В определенные моменты у пользователей возникают вопросы и нарекания. <Радуга Звуков> постарается дать исчерпывающий ответ на очень важный вопрос: так от чего же зависит срок службы батарейки?

ДОСТОИНСТВА...

В течение долгих лет основным источником энергии для слуховых аппаратов служили ртутно-окисные батарейки. Однако в середине 90-х гг. стало ясно, что они окончательно устарели. Во-первых, они содержали ртуть - крайне вредное вещество. Во-вторых, возникли и начали бурно завоевывать рынок цифровые СА, предъявляющие принципиально иные требования к характеристикам элементов питания.

На смену ртутно-окисной пришла воздушно-цинковая технология. Она уникальна тем, что в качестве одного из компонентов (катода) химического элемента питания используется кислород окружающего воздуха, который поступает через специальные отверстия. Благодаря удалению из корпуса батарейки оксида ртути или серебра, которые до сих пор служили в качестве катода, в нем освободилось больше пространства для цинкового порошка. Поэтому воздушно-цинковая батарейка является более энергоемкой, если сравнивать между собой разные типы батареек одинакового объема. Благодаря этому остроумному решению воздушно-цинковая батарейка будет оставаться вне конкуренции до тех пор, пока ее емкость будет ограничиваться крохотным объемом современных миниатюрных СА.

На плюсовой стороне батарейки имеется одно или несколько отверстий (в зависимости от ее величины), в которые поступает воздух. Химическая реакция, в ходе которой генерируется ток, протекает довольно быстро и полностью завершается в течение двух-трех месяцев, даже без нагрузки на батарейку. Поэтому в процессе изготовления эти отверстия закрывают защитной пленкой.

Для подготовки к работе необходимо удалить наклейку и дать время активному веществу насытиться кислородом (от 3 до 5 минут). Если начать эксплуатацию батарейки сразу после вскрытия, то активация произойдет только в поверхностном слое вещества, что существенно скажется на сроке службы.

Важную роль играет размер батарейки. Чем он больше, тем больше в ней запасов активного вещества, а, значит, и больше накопленной энергии. Поэтому самой большой емкостью обладает батарейка 675 типоразмера, а самой маленькой - 5 типоразмера. Емкость батареек зависит и от фирмы-производителя. Например, для батареек 675 типоразмера она может варьироваться от 440 мАч до 460 мАч.

И ОСОБЕННОСТИ

Во-первых, напряжение, поставляемое батарейкой, зависит от времени ее работы, а точнее сказать, от степени ее разрядки. Новая воздушно-цинковая батарейка может давать напряжение до 1,4 В, но лишь на короткое время. Затем напряжение падает до 1,25 В, и держится продолжительное время. А под конец эксплуатации батарейки напряжение резко падает до величины менее 1 В.

Во-вторых, воздушно-цинковые батарейки функционируют тем лучше, чем теплее вокруг. При этом, конечно, не следует превышать максимальную температуру, установленную для данного вида батареек. Это относится ко всем батарейкам. Но особенность воздушно-цинковых батареек заключается в том, что их производительность зависит еще и от влажности воздуха. Протекающие в ней химические процессы зависят от наличия определенного количества влаги. Говоря проще: чем жарче и влажнее, тем лучше (это относится только к батарейкам для СА!). А то, что влажность отрицательно действует на другие компоненты слуховой системы - это уже другой вопрос.

В-третьих, внутреннее сопротивление батарейки зависит от ряда факторов: температура, влажность, время работы и технологии, используемой фирмой-производителем. Чем выше температура и влажность, тем меньше импеданс, что благотворно влияет на работу слуховой системы. У новой 675-й батарейки внутреннее сопротивление составляет 1-2 Ом. Однако в конце срока службы эта величина может возрасти до 10 Ом, а у 13-й батарейки - до 20 Ом. В зависимости от производителя, эта величина может значительно изменяться, что создает проблемы в случае, когда требуется максимальная мощность, записанная в техническом паспорте.

При превышении критической величины потребления тока конечная ступень или вся слуховая система отключается, чтобы батарейка могла восстановиться. Если после <дыхательной паузы> батарейка вновь начинает давать ток в количестве, достаточном для эксплуатации, СА снова включается. Во многих слуховых системах повторное включение сопровождается звуковым сигналом, тем же, который оповещает о падении напряжения в батарейке. То есть, в ситуации, когда СА отключается из-за высокого потребления тока, при его повторном включении звучит оповещающий сигнал, хотя батарейка может быть абсолютно новой. Эта ситуация обычно наблюдается в том случае, когда в слуховой аппарат поступает очень высокий входной УЗД, а сам аппарат настроен на полную мощность.

Факторы, влияющие на срок службы

Одна из основных задач, стоящих перед батарейками, это обеспечение постоянной подачи тока в течение всего срока службы батарейки.

В первую очередь срок службы батарейки определяется типом используемого СА. Как правило, аналоговые аппараты потребляют больший ток, чем цифровые, а мощные - больше, чем маломощные. Типичные значения потребляемого тока для аппаратов средней мощности составляют от 0.8 до 1.5 мА, а для мощных и сверхмощных аппаратов - от 2 до 8 мА.

Цифровые СА в целом проявляют большую экономичность, чем аналоговые СА той же мощности. Однако им присущ один недостаток - в момент переключения программ или автоматического срабатывания сложных функций обработки сигнала (подавление шумов, распознавание речи и пр.) эти аппараты потребляют существенно больший ток, чем в обычном режиме. Потребность в энергии может возрастать и снижаться в зависимости от того, какую функцию по обработке сигнала осуществляет в данный момент цифровая схема, и даже от того, требует ли коррекция потери слуха пациента разного усиления при разных входных УЗД.

Окружающая акустическая ситуация также сказывается на сроке службы батареек. В тихой обстановке уровень акустического сигнала обычно невысок - порядка 30-40 дБ. При этом сигнал, поступающий в СА, также невелик. В шумной обстановке, например в метро, электричке, на производстве или шумной улице уровень акустического сигнала может достигать 90 и более дБ (отбойный молоток - около 110 дБ). Это ведет к повышению уровня выходящего сигнала СА и, соответственно, повышенному току его потребления. При этом начинают сказываться и настройки аппарата - при большем усилении ток потребления также больше. Обычно окружающие шумы сосредоточены в низкочастотном диапазоне, поэтому при большем подавлении НЧ диапазона регулятором тембра ток потребления также снижается.

Ток потребления аппаратов средней мощности не слишком зависит от уровня входящего сигнала, но для мощных и сверхмощных СА разница достаточно велика. Например, при входящем сигнале интенсивностью 60 дБ (при которой и нормируется ток потребления СА) сила тока составляет 2-3 мА. При входящем сигнале 90 дБ (и тех же настройках СА) ток возрастает до 15-20 мА.

Методика оценки срока службы батарейки

Обычно срок службы батарейки оценивается с учетом ее номинальной емкости и расчетного тока потребления аппарата,указанного в технических данных (паспорте) на аппарат. Возьмем типичный случай: воздушно-цинковая батарейка 675 типоразмера типовой емкостью 460 мАч.

При использовании ее в аппарате средней мощности с током потребления 1.4мА теоретический срок службы составит 460/1.4=328 часов. При ношении аппарата в течение 10 часов в сутки это означает более месяца работы аппарата (328/10=32.8).

При питании мощного аппарата в тихой обстановке (ток потребления 2 мА) срок службы составит 230 часов, то есть, около трех недель при 10-часовом ношении. Но, если обстановка шумная, то ток потребления может достигать 15-20 мА (в зависимости от типа аппарата). В таком режиме срок службы составит 460/20=23 часа, т.е. менее 3 дней. Конечно, все 10 часов в такой обстановке никто не ходит, и реальный режим будет смешанным по току потребления. Так что данный пример просто иллюстрирует методику расчета, давая крайние значения срока службы. Обычно срок службы батареек в мощном аппарате располагается в диапазоне от двух до трех недель.

Применяйте элементы питания, предназначенные специально для слуховых аппаратов (имеющие маркировку или соответствующие надписи) известных производителей источников питания (GP, Renata, Energizer, Varta, Panasonic, Duracell Activair, Rayovac).

Не нарушайте защитную пленку батарейки (не вскрывайте) до момента установки в слуховой аппарат.

Храните батарейки в блистерах при комнатной температуре и нормальной влажности. Желание <сберечь> подольше батарейки в холодильнике может привести к прямо противоположному результату - СА с новой батарейкой вообще не заработает.

Перед установкой батарейки в аппарат выдержите ее без пленки 3-5 минут.

Выключайте СА, когда им не пользуетесь. На ночь вынимайте источники питания из аппарата и оставляйте открытым батарейный отсек.

Новинка обещает превзойти литиево-ионные батареи по энергоёмкости в три раза и при этом стоить в два раза дешевле.

Отметим, что сейчас воздушно-цинковые батареи выпускаются только в виде одноразовых элементов либо «перезаряжаемых» вручную, то есть при помощи смены картриджа. Кстати, этот тип батарей безопаснее литиево-ионных, так как не содержит летучих веществ и, соответственно, не может воспламениться.

Основная препона на пути создания перезаряжаемых от сети вариантов – то есть аккумуляторов — быстрая деградация устройства: электролит деактивируется, реакции окисления-восстановления замедляются и вовсе останавливаются всего после нескольких циклов перезарядки.

Чтобы понять, почему так происходит, надо для начала описать принцип работы воздушно-цинковых элементов. Батарея состоит из воздушного и цинкового электродов и электролита. Во время разрядки поступающий извне воздух не без помощи катализаторов образует в водном растворе электролита гидроксил-ионы (OH -).

Они окисляют цинковый электрод. В ходе этой реакции высвобождаются электроны, образующие ток. Во время зарядки аккумулятора процесс идёт в обратную сторону: на воздушном электроде продуцируется кислород.

Ранее в ходе работы перезаряжаемой батареи водный раствор электролита часто просто-напросто высыхал либо проникал слишком глубоко в поры воздушного электрода. Кроме того, осаждающийся цинк распределялся неровно, образуя разветвлённую структуру, из-за чего между электродами начинали происходить короткие замыкания.

Новинка лишена этих недостатков. Специальные гелеобразующие и вяжущие добавки контролируют влажность и форму цинкового электрода. Кроме того, учёные предложили новые катализаторы, которые тоже значительно улучшили работу элементов.

Пока наилучшие показатели прототипов не превышают сотни циклов перезарядки (фото ReVolt).

Исполнительный директор ReVolt Джеймс Макдугалл (James McDougall) полагает, что первые продукты в отличие от нынешних опытных образцов будут перезаряжаться до 200 раз, а в скором времени удастся достигнуть отметки в 300-500 циклов. Этот показатель позволит использовать элемент, например, в сотовых телефонах или ноутбуках.

Прототип новой батареи был разработан в норвежском исследовательском фонде SINTEF , ReVolt же занимается коммерциализацией продукта (иллюстрация ReVolt).

Компания ReVolt также разрабатывает воздушно-цинковые батареи для электрических транспортных средств. Такие изделия напоминают топливные элементы. Цинковая суспензия в них исполняет роль жидкого электрода, воздушный же электрод состоит из системы трубок.

Электричество вырабатывается при прокачивании суспензии через трубки. Образующийся оксид цинка затем сохраняется в другом отсеке. При перезарядке он проходит прежним путём, и оксид превращается обратно в цинк.

Такие батареи могут производить больше электричества, так как объём жидкого электрода может быть гораздо больше объёма электрода воздушного. Макдугалл полагает, что этот тип элементов сможет перезаряжаться от двух до десяти тысяч раз.