Cinko baterijos. Oro-cinko elementai (Zinc-Air) – galima alternatyva ličiui
Ilgalaikė taikymo sritis oro-cinko baterijos neperžengė medicinos ribų. Didelė talpa ir ilgas tarnavimo laikas (kai neaktyvūs) leido jiems lengvai užimti vienkartinių klausos aparatų baterijų nišą. Tačiau pastaraisiais metais automobilių gamintojų susidomėjimas šia technologija labai išaugo. Kai kurie mano, kad rasta alternatyva ličiui. Ar taip yra?
Oro-cinko akumuliatorius elektromobiliui gali būti išdėstytas taip: į skyrius suskirstytą talpyklą įkišti elektrodai, ant kurių adsorbuojamas ir redukuojamas oro deguonis, taip pat specialios išimamos kasetės, užpildytos anodo eksploatacinėmis medžiagomis, šiuo atveju cinko granulėmis. . Tarp neigiamo ir teigiamo elektrodų klojamas separatorius. Kaip elektrolitas gali būti naudojamas vandeninis kalio hidroksido tirpalas arba cinko chlorido tirpalas.
Iš lauko katalizatorių pagalba tiekiamas oras vandeniniame elektrolito tirpale sudaro hidroksido jonus, kurie oksiduoja cinko elektrodą. Šios reakcijos metu išsiskiria elektronai, sudarydami elektros srovę.
Privalumai
Kai kuriais skaičiavimais, pasaulyje cinko atsargos yra apie 1,9 gigatonos. Jei pasaulinę metalinio cinko gamybą pradėsime dabar, tai po poros metų bus galima surinkti milijardą oras-cinko baterijų, kurių kiekvienos talpa po 10 kWh. Pavyzdžiui, dabartinėmis ličio kasybos sąlygomis tokiam pat kiekiui sukurti prireiktų daugiau nei 180 metų. Cinko prieinamumas taip pat sumažins baterijų kainą.
Taip pat labai svarbu, kad oro-cinko elementai, turintys skaidrią panaudoto cinko perdirbimo schemą, būtų ekologiški produktai. Čia naudojamos medžiagos nekenkia aplinkai ir gali būti perdirbamos. Oro-cinko baterijų reakcijos produktas (cinko oksidas) taip pat yra visiškai saugus žmonėms ir jų aplinkai. Nenuostabu, kad cinko oksidas naudojamas kaip pagrindinė kūdikių miltelių sudedamoji dalis.
Pagrindinis privalumas, kurio dėka elektromobilių gamintojai su viltimi žiūri į šią technologiją, yra didelis energijos tankis (2-3 kartus didesnis nei ličio jonų). Jau dabar Cinko-Air energijos intensyvumas siekia 450 Wh/kg, tačiau teorinis tankis gali būti 1350 Wh/kg!
Trūkumai
Kadangi elektromobiliais su cinko-oro akumuliatoriais nevažinėjame, tai yra ir trūkumų. Pirma, tokius elementus sunku pakartotinai įkrauti esant pakankamam iškrovimo / įkrovimo ciklų skaičiui. Cinko-oro akumuliatoriaus veikimo metu elektrolitas tiesiog išdžiūsta arba per giliai prasiskverbia į oro elektrodo poras. O kadangi nusėdęs cinkas pasiskirsto netolygiai, sudarydamas šakotą struktūrą, tarp elektrodų dažnai įvyksta trumpieji jungimai.
Mokslininkai bando rasti išeitį. Amerikiečių kompanija ZAI išsprendė šią problemą tiesiog pakeisdama elektrolitą ir pridėdama šviežio cinko kasetes. Natūralu, kad tam reikės išplėtotos degalinių infrastruktūros, kur oksiduota aktyvioji medžiaga anodo kasetėje bus pakeista šviežiu cinku.
Ir nors ekonominis projekto komponentas dar nėra parengtas, gamintojai teigia, kad tokio „mokesčio“ kaina bus žymiai mažesnė nei automobilio su vidaus degimo varikliu papildymas. Be to, aktyviosios medžiagos keitimo procesas užtruks ne ilgiau kaip 10 minučių. Net ir itin greiti įrenginiai per tą patį laiką gali papildyti tik 50 % savo potencialo. Praėjusiais metais Korėjos bendrovė „Leo Motors“ savo elektriniame sunkvežimyje jau demonstravo ZAI cinko-oro baterijas.
Darbas tobulinant „Zinc-Air“ bateriją ir technologijų įmonę iš Šveicarijos „ReVolt“. Ji pasiūlė specialius gelį formuojančius ir rišamuosius priedus, kurie kontroliuoja cinko elektrodo drėgmę ir formą, taip pat naujus katalizatorius, kurie žymiai pagerina elementų veikimą.
Vis dėlto abiejų kompanijų inžinieriams taip ir nepavyko įveikti 200 „Zinc-Air“ iškrovimo / įkrovimo ciklų etapo. Todėl dar anksti kalbėti apie cinko-oro elementus kaip apie elektros baterijas.
Mangano cinko elementas. (1) metalinis dangtelis, (2) grafito elektrodas ("+"), (3) cinko puodelis (" "), (4) mangano oksidas, (5) elektrolitas, (6) metalinis kontaktas. Mangano cinko elementas, ... ... Vikipedija
RC 53M (1989) Gyvsidabrio-cinko elementas ("RC tipas") yra galvaninis elementas, kuriame cinkas yra anodas ... Wikipedia
Oxyride Battery Oxyride™ akumuliatoriai yra Panasonic sukurtų vienkartinių (neįkraunamų) baterijų prekės ženklas. Jie sukurti specialiai įrenginiams su dideliu energijos suvartojimu... Wikipedia
Įprastas Weston elementas, gyvsidabrio-kadmio elementas, yra galvaninis elementas, kurio EML laikui bėgant yra labai stabilus ir atkuriamas kiekvienu atveju. Jis naudojamas kaip atskaitos įtampos šaltinis (ION) arba įtampos standartas ... ... Vikipedija
STs 25 Sidabro-cinko baterija yra antrinis cheminis srovės šaltinis, akumuliatorius, kurio anodas yra sidabro oksidas, suspaustų miltelių pavidalo, katodas yra mišinys ... Wikipedia
Įvairių dydžių miniatiūrinės baterijos rankinis laikrodis, todėl dar vadinamas ... Vikipedija
Gyvsidabrio-cinko elementas („RC tipas“) yra galvaninis elementas, kurio anodas yra cinkas, katodas yra gyvsidabrio oksidas, o elektrolitas yra kalio hidroksido tirpalas. Privalumai: pastovi įtampa ir didžiulis energijos intensyvumas bei energijos tankis. Trūkumai: ... ... Vikipedija
Mangano-cinko elektrocheminis elementas, kuriame kaip katodas naudojamas mangano dioksidas, kaip anodas – cinko milteliai, o kaip elektrolitas – šarminis tirpalas, dažniausiai kalio hidroksidas. Turinys 1 Išradimų istorija ... Vikipedija
Nikelio-cinko baterija yra cheminis srovės šaltinis, kuriame cinkas yra anodas, kalio hidroksidas su ličio hidroksidu kaip elektrolitas ir nikelio oksidas kaip katodas. Dažnai sutrumpintas kaip NiZn. Privalumai: ... ... Vikipedija
Penktajame mūsų žurnalo numeryje pasakojome, kaip patiems pasigaminti dujų akumuliatorių, o šeštame – švino-kalio akumuliatorių. Skaitytojams siūlome kito tipo srovės šaltinį – oro-cinko elementą. Šio elemento veikimo metu nereikia įkrauti, o tai yra labai svarbus pranašumas prieš baterijas.
Cinko-oro elementas dabar yra pažangiausias srovės šaltinis, nes turi gana didelę savitąją energiją (110-180 Wh / kg), jį lengva gaminti ir eksploatuoti, be to, jis yra perspektyviausias, nes jis padidina specifines charakteristikas. Teoriškai apskaičiuotas cinko-oro elemento galios tankis gali būti iki 880 Wh/kg. Pasiekus nors pusę šios galios elementas taps labai rimtu varžovu vidaus degimo varikliui.
Labai svarbus oro-cinko elemento privalumas yra
nedidelis įtampos pokytis veikiant apkrovai, kai ji iškraunama. Be to, toks elementas turi didelį stiprumą, nes jo indas gali būti pagamintas iš plieno.
Oro-cinko elementų veikimo principas pagrįstas elektrocheminės sistemos naudojimu: cinkas – kaustinės kalio tirpalas – aktyvuota anglis, adsorbuojanti deguonį iš oro. Pasirinkus elektrolito kompozicijas, aktyviąją elektrodų masę ir pasirinkus optimalią elemento konstrukciją, galima žymiai padidinti jo savitąją galią.
Per pastaruosius 10 metų baterijų technologija labai patobulėjo, padidindama klausos aparatų vertę ir pagerindama jų veikimą. Nuo tada, kai CA rinkoje dominavo skaitmeninis procesorius, baterijų pramonė sprogo.Žmonių, naudojančių cinko-oro baterijas kaip klausos aparatų energijos šaltinį, kasdien daugėja. Šios baterijos yra draugiškos aplinkai ir dėl padidintos talpos tarnauja daug ilgiau nei kitų tipų akumuliatoriai. Tačiau tiksliai įvardinti naudojamo elemento tarnavimo laiką sunku, tai priklauso nuo daugelio faktorių. Tam tikrais taškais vartotojai turi klausimų ir skundų.<Радуга Звуков>pabandys pateikti išsamų atsakymą į labai svarbų klausimą: tai nuo ko priklauso baterijos veikimo laikas?
PRIVALUMAI...
Daugelį metų gyvsidabrio oksido baterijos buvo pagrindinis klausos aparatų energijos šaltinis. Tačiau 90-ųjų viduryje. tapo aišku, kad jie visiškai pasenę. Pirma, juose buvo gyvsidabrio – itin kenksmingos medžiagos. Antra, atsirado ir pradėjo sparčiai užkariauti rinką skaitmeninė SA, pateikdama iš esmės skirtingus reikalavimus baterijų charakteristikoms.
Gyvsidabrio oksido technologija buvo pakeista oro ir cinko technologija. Jis išskirtinis tuo, kad viename iš cheminės baterijos komponentų (katodo) naudojamas aplinkos oro deguonis, kuris patenka pro specialias skylutes. Iš baterijos korpuso pašalinus gyvsidabrį arba sidabro oksidą, kuris iki šiol buvo katodas, daugiau vietos atsilaisvino cinko milteliams. Todėl cinko-oro baterija sunaudoja daugiau energijos, palyginti su skirtingų tipų tokio paties tūrio baterijomis. Naudojant šį išradingą sprendimą, cinko-oro baterija išliks neprilygstama tol, kol jos talpą ribos nedidelis šiandieninių miniatiūrinių SA.
Teigiamoje akumuliatoriaus pusėje yra viena ar daugiau skylių (priklausomai nuo jo dydžio), į kurias patenka oras. Cheminė reakcija, kurios metu generuojama srovė, vyksta gana greitai ir visiškai baigiasi per du ar tris mėnesius, net ir nepakraunant akumuliatoriaus. Todėl gamybos proceso metu šios skylės uždengiamos apsaugine plėvele.
Norint pasiruošti darbui, reikia nuimti lipduką ir leisti laiko, kol veiklioji medžiaga prisisotins deguonimi (nuo 3 iki 5 min.). Jei pradėsite naudoti bateriją iš karto po atidarymo, tada suaktyvinimas įvyks tik paviršiniame medžiagos sluoksnyje, o tai labai paveiks tarnavimo laiką.
Svarbų vaidmenį atlieka akumuliatoriaus dydis. Kuo jis didesnis, tuo daugiau jame esančios veikliosios medžiagos atsargų, taigi ir daugiau sukauptos energijos. Todėl 675 dydžio baterija turi didžiausią talpą, o 5 dydžio – mažiausia. Akumuliatoriaus talpa taip pat priklauso nuo gamintojo. Pavyzdžiui, 675 dydžio baterijų talpa gali svyruoti nuo 440 mAh iki 460 mAh.
IR SAVYBĖS
Pirma, akumuliatoriaus tiekiama įtampa priklauso nuo to, kiek laiko ji buvo naudojama, o tiksliau – nuo išsikrovimo laipsnio. Nauja cinko-oro baterija gali tiekti iki 1,4 volto, bet tik trumpą laiką. Tada įtampa nukrenta iki 1,25 V ir išlieka ilgą laiką. Ir pasibaigus akumuliatoriaus veikimo laikui, įtampa smarkiai nukrenta iki mažesnės nei 1 V vertės.
Antra, cinko-oro baterijos veikia geriau, kuo šilčiau aplink. Tokiu atveju, žinoma, neturėtumėte viršyti maksimalios temperatūros, nustatytos šio tipo akumuliatoriams. Tai taikoma visoms baterijoms. Tačiau cinko-oro baterijų ypatumas yra tas, kad jų veikimas priklauso ir nuo oro drėgmės. Jame vykstantys cheminiai procesai priklauso nuo tam tikro drėgmės kiekio. Paprasčiau tariant, kuo karštesnis ir drėgnesnis, tuo geriau (tai taikoma tik CA baterijoms!). O tai, kad drėgmė neigiamai veikia kitus klausos sistemos komponentus – kitas reikalas.
Trečia, vidinė akumuliatoriaus varža priklauso nuo daugybės faktorių: temperatūros, drėgmės, veikimo laiko ir gamintojo naudojamos technologijos. Kuo aukštesnė temperatūra ir drėgmė, tuo mažesnė varža, o tai teigiamai veikia klausos sistemos funkcionavimą. Naujos 675-osios baterijos vidinė varža yra 1-2 omai. Tačiau pasibaigus tarnavimo laikui ši vertė gali padidėti iki 10 omų, o 13-ai baterijai - iki 20 omų. Priklausomai nuo gamintojo, ši vertė gali labai skirtis, todėl kyla problemų, kai reikalinga maksimali duomenų lape nurodyta galia.
Jei viršijamas kritinis srovės suvartojimas, baigiamasis etapas arba visa klausos sistema išjungiama, kad baterija galėtų atsigauti. Jei po<дыхательной паузы>baterija vėl pradeda tiekti srovę, kurios pakanka darbui, SA vėl įjungiamas. Daugelyje klausos sistemų paleidimą iš naujo lydi garsinis signalas, tas pats, kuris įspėja apie žemą akumuliatoriaus įtampą. Tai yra, kai CA išsijungia dėl didelio srovės suvartojimo, vėl įjungiant pasigirsta signalas, nors baterija gali būti visiškai nauja. Ši situacija dažniausiai įvyksta, kai klausos aparatas gauna labai aukštą įvesties SPL, o klausos aparatas yra nustatytas visu pajėgumu.
Veiksniai, turintys įtakos tarnavimo laikui
Viena iš pagrindinių akumuliatorių užduočių yra užtikrinti nuolatinį srovės tiekimą per visą baterijos veikimo laiką.
Baterijos veikimo laikas pirmiausia priklauso nuo naudojamos CA tipo. Paprastai analoginiai įrenginiai sunaudoja daugiau srovės nei skaitmeniniai, o galingi įrenginiai – daugiau nei mažos galios įrenginiai. Įprastos vidutinės galios įrenginių srovės suvartojimo vertės yra nuo 0,8 iki 1,5 mA, o didelės galios ir didelio galingumo įrenginiams - nuo 2 iki 8 mA.
Skaitmeniniai HA paprastai yra ekonomiškesni nei analoginiai tos pačios galios HA. Tačiau jie turi vieną trūkumą – programų perjungimo ar automatinio sudėtingų signalų apdorojimo funkcijų (triukšmo slopinimo, kalbos atpažinimo ir kt.) veikimo momentu šie įrenginiai sunaudoja žymiai daugiau srovės nei įprastu režimu. Energijos poreikis gali didėti ir mažėti priklausomai nuo to, kokią signalo apdorojimo funkciją šiuo metu atlieka skaitmeninė grandinė, ir netgi nuo to, ar paciento klausos praradimui koreguoti reikia skirtingo stiprinimo skirtingiems įvesties SPL.
Aplinkos akustinė situacija taip pat turi įtakos baterijos veikimo laikui. Ramioje aplinkoje akustinio signalo lygis dažniausiai būna žemas – apie 30-40 dB. Šiuo atveju į SA patenkantis signalas taip pat mažas. Triukšmingoje aplinkoje, pvz., metro, traukinyje, darbe ar triukšmingoje gatvėje, akustinio signalo lygis gali siekti 90 dB ar daugiau (kjuris yra apie 110 dB). Tai padidina SA išėjimo signalo lygį ir atitinkamai padidina jo suvartojimo srovę. Tuo pačiu metu prietaiso nustatymai taip pat pradeda daryti įtaką - esant didesniam padidėjimui, srovės suvartojimas taip pat yra didesnis. Paprastai aplinkos triukšmas koncentruojamas žemų dažnių diapazone, todėl tono valdikliu labiau slopinant žemų dažnių diapazoną, sumažėja ir srovės suvartojimas.
Vidutinės galios įrenginių srovės suvartojimas per daug nepriklauso nuo įeinančio signalo lygio, tačiau didelės galios ir itin galingos SA skirtumas yra gana didelis. Pavyzdžiui, įeinančio signalo, kurio intensyvumas yra 60 dB (tam esant normalizuojamas SA srovės suvartojimas), srovės stipris yra 2–3 mA. Kai įvesties signalas yra 90 dB (ir tie patys SA nustatymai), srovė padidėja iki 15-20 mA.
Baterijos veikimo trukmės įvertinimo metodas
Paprastai baterijos veikimo laikas apskaičiuojamas atsižvelgiant į jo vardinę talpą ir numatomą įrenginio srovės suvartojimą, nurodytą įrenginio techniniuose duomenyse (pase). Paimkime tipinį atvejį: 675 cinko-oro baterija, kurios tipinė talpa yra 460 mAh.
Naudojant vidutinės galios įrenginyje, kurio srovės suvartojimas yra 1,4 mA, teorinis tarnavimo laikas bus 460/1,4=328 valandos. Nešiojant prietaisą 10 valandų per dieną, tai reiškia daugiau nei mėnesį įrenginio veikimo (328/10=32,8).
Kai galingas įrenginys maitinamas ramioje aplinkoje (srovės suvartojimas 2 mA), tarnavimo laikas bus 230 valandų, tai yra apie tris savaites su 10 valandų dėvėjimu. Bet jei aplinka yra triukšminga, srovės suvartojimas gali siekti 15-20 mA (priklausomai nuo įrenginio tipo). Šiuo režimu tarnavimo laikas bus 460/20=23 valandos, t.y. mažiau nei 3 dienas. Žinoma, tokioje aplinkoje niekas nevaikšto 10 valandų, o realus režimas bus maišomas pagal dabartinį suvartojimą. Taigi šis pavyzdys tik iliustruoja skaičiavimo metodiką, pateikdamas kraštutines gyvenimo vertes. Paprastai galingo įrenginio akumuliatoriaus veikimo laikas svyruoja nuo dviejų iki trijų savaičių.
Naudokite garsių maitinimo šaltinių gamintojų (GP, Renata, Energizer, Varta, Panasonic, Duracell Activair, Rayovac) klausos aparatų baterijas (pažymėtas arba paženklintas etikete).
Nenutraukite baterijos apsauginės plėvelės (neatidarykite), kol ji neįdėta į klausos aparatą.
Baterijas laikykite lizdinėse plokštelėse kambario temperatūroje ir normalioje drėgmėje. Noras<сберечь>ilgesnė baterija šaldytuve gali lemti visiškai priešingą rezultatą – CA su nauja baterija visiškai neveiks.
Prieš įdėdami bateriją į įrenginį, laikykite ją be plėvelės 3-5 minutes.
Išjunkite SA, kai nenaudojate. Nakčiai atjunkite maitinimo šaltinius iš įrenginio ir palikite atidarytą akumuliatoriaus skyrių.
Naujovė pagal energijos sąnaudas žada trigubai pralenkti ličio jonų baterijas ir tuo pačiu kainuoti perpus pigiau.
Atkreipkite dėmesį, kad dabar cinko-oro baterijos gaminamos tik vienkartinių elementų pavidalu arba „įkraunamos“ rankiniu būdu, tai yra, keičiant kasetę. Beje, tokio tipo akumuliatoriai yra saugesni nei ličio jonų, nes neturi lakiųjų medžiagų ir atitinkamai negali užsidegti.
Pagrindinė kliūtis kuriant įkraunamas parinktis iš tinklo – tai yra, baterijas – yra greitas įrenginio degradavimas: elektrolitas išjungiamas, oksidacijos-redukcijos reakcijos sulėtėja ir visiškai sustoja vos po kelių įkrovimo ciklų.
Norėdami suprasti, kodėl taip nutinka, pirmiausia turime apibūdinti oro-cinko elementų veikimo principą. Baterija susideda iš oro ir cinko elektrodų bei elektrolito. Išmetimo metu iš lauko patenkantis oras, ne be katalizatorių pagalbos, vandeniniame elektrolito tirpale sudaro hidroksilo jonus (OH -).
Jie oksiduoja cinko elektrodą. Šios reakcijos metu išsiskiria elektronai, suformuojantys srovę. Akumuliatoriaus įkrovimo metu procesas vyksta priešinga kryptimi: prie oro elektrodo susidaro deguonis.
Anksčiau, veikiant įkraunamam akumuliatoriui, vandeninis elektrolito tirpalas dažnai tiesiog išdžiūdavo arba per giliai prasiskverbdavo į oro elektrodo poras. Be to, nusėdęs cinkas pasiskirstė netolygiai, suformuodamas šakotą struktūrą, dėl kurios tarp elektrodų pradėjo atsirasti trumpieji jungimai.
Naujovė neturi šių trūkumų. Specialūs želatinantys ir sutraukiantys priedai kontroliuoja cinko elektrodo drėgmę ir formą. Be to, mokslininkai pasiūlė naujų katalizatorių, kurie taip pat žymiai pagerino elementų veikimą.
Iki šiol geriausias prototipų veikimas neviršija šimtų įkrovimo ciklų (ReVolt nuotrauka).
„ReVolt“ generalinis direktorius Jamesas McDougallas mano, kad pirmieji produktai, skirtingai nei dabartiniai prototipai, bus įkraunami iki 200 kartų, o netrukus galės pasiekti 300–500 ciklų ribą. Šis indikatorius leis elementą naudoti, pavyzdžiui, in Mobilieji telefonai arba nešiojamieji kompiuteriai.
Naujosios baterijos prototipas buvo sukurtas Norvegijos tyrimų fonde SINTEF, o ReVolt gamina komercializuoja (ReVolt iliustracija).
ReVolt taip pat kuria cinko oro baterijas elektrinėms transporto priemonėms. Tokie gaminiai primena kuro elementus. Juose esanti cinko suspensija atlieka skysto elektrodo vaidmenį, o oro elektrodą sudaro vamzdžių sistema.
Elektra gaminama siurbiant suspensiją per vamzdelius. Tada gautas cinko oksidas laikomas kitame skyriuje. Įkraunant, jis eina tuo pačiu keliu, o oksidas vėl virsta cinku.
Tokios baterijos gali pagaminti daugiau elektros energijos, nes skysčio elektrodo tūris gali būti daug didesnis nei oro elektrodo tūris. McDougall mano, kad tokio tipo elementus galima įkrauti nuo dviejų iki dešimties tūkstančių kartų.
