Baterie cynkowe. Ogniwa powietrzno-cynkowe (Zinc-Air) – możliwa alternatywa dla litu
Zakres długoterminowy baterie powietrzno-cynkowe nie wyszedł poza medycynę. Wysoka pojemność i długa żywotność (w stanie nieaktywnym) pozwoliły im z łatwością zająć niszę jednorazowych baterii do aparatów słuchowych. Ale w ostatnich latach nastąpił duży wzrost zainteresowania tą technologią ze strony producentów samochodów. Niektórzy uważają, że znaleziono alternatywę dla litu. Czy tak jest?
Akumulator powietrzno-cynkowy do pojazdu elektrycznego można rozmieścić w następujący sposób: elektrody umieszcza się w pojemniku podzielonym na przedziały, na których następuje adsorpcja i redukcja tlenu z powietrza, a także specjalne wyjmowane kasety wypełnione materiałami anodowymi, w tym przypadku granulkami cynku . Pomiędzy elektrodą ujemną i dodatnią umieszczony jest separator. Jako elektrolit można stosować wodny roztwór wodorotlenku potasu lub roztwór chlorku cynku.
Powietrze dostarczane z zewnątrz za pomocą katalizatorów tworzy w wodnym roztworze elektrolitu jony wodorotlenkowe, które utleniają elektrodę cynkową. Podczas tej reakcji uwalniane są elektrony, tworząc prąd elektryczny.
Zalety
Według niektórych szacunków światowe rezerwy cynku wynoszą około 1,9 gigaton. Jeśli teraz rozpoczniemy światową produkcję cynku metalicznego, to za kilka lat będzie można zmontować miliard baterii powietrzno-cynkowych o pojemności 10 kWh każda. Na przykład w obecnych warunkach wydobycia litu wytworzenie takiej samej ilości zajęłoby ponad 180 lat. Dostępność cynku obniży również cenę baterii.
Bardzo ważne jest również, aby ogniwa powietrzno-cynkowe, posiadające przejrzysty schemat recyklingu zużytego cynku, były produktami przyjaznymi dla środowiska. Zastosowane tutaj materiały nie zatruwają środowiska i można je poddać recyklingowi. Produkt reakcji baterii powietrzno-cynkowych (tlenek cynku) jest również całkowicie bezpieczny dla ludzi i ich środowiska. Nic dziwnego, że tlenek cynku jest używany jako główny składnik zasypki dla niemowląt.
Główną zaletą, dzięki której konstruktorzy pojazdów elektrycznych z nadzieją patrzą na tę technologię, jest wysoka gęstość energii (2-3 razy większa niż w przypadku akumulatorów litowo-jonowych). Już teraz energochłonność Cynku-Powietrza sięga 450 Wh/kg, ale teoretyczna gęstość może wynosić 1350 Wh/kg!
Wady
Ponieważ nie jeździmy samochodami elektrycznymi z bateriami cynkowo-powietrznymi, to są wady. Po pierwsze, takie ogniwa są trudne do naładowania przy wystarczającej liczbie cykli rozładowania/ładowania. Podczas pracy akumulatora cynkowo-powietrznego elektrolit po prostu wysycha lub wnika zbyt głęboko w pory elektrody powietrznej. A ponieważ osadzony cynk jest rozłożony nierównomiernie, tworząc rozgałęzioną strukturę, często występują zwarcia między elektrodami.
Naukowcy próbują znaleźć wyjście. Amerykańska firma ZAI rozwiązała ten problem, po prostu zmieniając elektrolit i dodając świeże wkłady cynkowe. Oczywiście będzie to wymagało rozwiniętej infrastruktury stacji paliw, gdzie utleniony materiał aktywny w kasecie anodowej zostanie zastąpiony świeżym cynkiem.
I chociaż ekonomiczny komponent projektu nie został jeszcze opracowany, producenci twierdzą, że koszt takiego „ładunku” będzie znacznie niższy niż zatankowanie samochodu z silnikiem spalinowym. Ponadto proces zmiany materiału aktywnego zajmie nie więcej niż 10 minut. Nawet ultraszybkie mogą w tym samym czasie uzupełnić tylko 50% swojego potencjału. W zeszłym roku koreańska firma Leo Motors zaprezentowała już akumulatory cynkowo-powietrzne ZAI w swojej elektrycznej ciężarówce.
Praca nad ulepszaniem baterii cynkowo-powietrznych i firmy technologicznej ze Szwajcarii ReVolt. Zaproponowała specjalne dodatki żelujące i wiążące, które kontrolują wilgotność i kształt elektrody cynkowej, a także nowe katalizatory, które znacznie poprawiają wydajność ogniw.
Mimo to inżynierom obu firm nigdy nie udało się pokonać kamienia milowego 200 cykli rozładowania/ładowania Zinc-Air. Dlatego jest za wcześnie, aby mówić o ogniwach cynkowo-powietrznych jako bateriach elektrycznych.
Pierwiastek manganowo-cynkowy. (1) nasadka metalowa, (2) elektroda grafitowa ("+"), (3) kielich cynkowy (""), (4) tlenek manganu, (5) elektrolit, (6) styk metalowy. Manganowy pierwiastek cynkowy, ... ... Wikipedia
RC 53M (1989) Ogniwo rtęciowo-cynkowe ("typ RC") to ogniwo galwaniczne, w którym cynk jest anodą ... Wikipedia
Oxyride Battery Baterie Oxyride™ to marka baterii jednorazowych (nieładowalnych) opracowana przez firmę Panasonic. Są zaprojektowane specjalnie dla urządzeń o dużym poborze mocy... Wikipedia
Normalne ogniwo Westona, ogniwo rtęciowo-kadmowe, jest ogniwem galwanicznym, którego pole elektromagnetyczne jest bardzo stabilne w czasie i powtarzalne od przypadku do przypadku. Jest używany jako źródło napięcia odniesienia (ION) lub standard napięcia ... ... Wikipedia
STs 25 Bateria srebrno-cynkowa to wtórne źródło prądu chemicznego, bateria, w której anodą jest tlenek srebra, w postaci skompresowanego proszku, katoda jest mieszaniną ... Wikipedia
Miniaturowe baterie o różnych rozmiarach zegarek na rękę, dlatego nazywa się również ... Wikipedia
Ogniwo rtęciowo-cynkowe („typ RC”) to ogniwo galwaniczne, w którym anodą jest cynk, katodą tlenek rtęci, a elektrolitem jest roztwór wodorotlenku potasu. Zalety: stałe napięcie oraz ogromna energochłonność i gęstość energii. Wady: ... ... Wikipedia
Ogniwo elektrochemiczne manganowo-cynkowe, które wykorzystuje dwutlenek manganu jako katodę, sproszkowany cynk jako anodę oraz roztwór alkaliczny, zwykle wodorotlenek potasu jako elektrolit. Spis treści 1 Historia wynalazku ... Wikipedia
Bateria niklowo-cynkowa jest źródłem prądu chemicznego, w którym cynk jest anodą, wodorotlenek potasu z wodorotlenkiem litu jako elektrolit, a tlenek niklu jako katoda. Często w skrócie NiZn. Zalety: ... ... Wikipedia
W piątym numerze naszego magazynu opowiedzieliśmy, jak sami zrobić akumulator gazowy, aw szóstym akumulator ołowiowo-potasowy. Czytelnikom oferujemy inny rodzaj źródła prądu - element powietrzno-cynkowy. Element ten nie wymaga ładowania podczas pracy, co jest bardzo istotną przewagą nad akumulatorami.
Element cynkowo-powietrzny jest obecnie najbardziej zaawansowanym źródłem prądu, ponieważ ma stosunkowo wysoką energię właściwą (110-180 Wh / kg), jest łatwy w produkcji i obsłudze oraz jest najbardziej obiecujący pod względem zwiększenia swoich specyficznych właściwości. Teoretycznie obliczona gęstość mocy elementu cynkowo-powietrznego może wynosić do 880 Wh/kg. Jeśli uda się osiągnąć choćby połowę tej mocy, element stanie się bardzo poważnym rywalem dla silnika spalinowego.
Bardzo ważną zaletą elementu powietrzno-cynkowego jest
mała zmiana napięcia pod obciążeniem podczas rozładowywania. Ponadto taki element ma znaczną wytrzymałość, ponieważ jego naczynie może być wykonane ze stali.
Zasada działania elementów powietrzno-cynkowych opiera się na zastosowaniu układu elektrochemicznego: cynk - roztwór kaustycznego potasu - węgiel aktywny adsorbujący tlen z powietrza. Dobierając składy elektrolitu, masę czynną elektrod oraz dobierając optymalną konstrukcję elementu można znacznie zwiększyć jego moc właściwą.
Technologia baterii znacznie się poprawiła w ciągu ostatnich 10 lat, zwiększając wartość aparatów słuchowych i poprawiając ich wydajność. Odkąd procesor cyfrowy zdominował rynek CA, przemysł baterii eksplodował.Liczba osób korzystających z baterii cynkowo-powietrznych jako źródła zasilania aparatów słuchowych rośnie z dnia na dzień. Baterie te są przyjazne dla środowiska, a dzięki zwiększonej pojemności wytrzymują znacznie dłużej niż inne typy baterii. Trudno jednak podać dokładną żywotność zastosowanego elementu, zależy to od wielu czynników. W niektórych momentach użytkownicy mają pytania i skargi.<Радуга Звуков>spróbuje udzielić wyczerpującej odpowiedzi na bardzo ważne pytanie: od czego więc zależy żywotność baterii?
ZALETY...
Od wielu lat baterie rtęciowe są głównym źródłem zasilania aparatów słuchowych. Jednak w połowie lat 90-tych. stało się jasne, że są całkowicie przestarzałe. Po pierwsze zawierały rtęć – niezwykle szkodliwą substancję. Po drugie, pojawiła się cyfrowa SA i zaczęła szybko podbijać rynek, prezentując fundamentalnie różne wymagania dotyczące cech akumulatorów.
Technologia tlenku rtęci została zastąpiona technologią powietrzno-cynkową. Wyjątkowość polega na tym, że jeden ze składników (katoda) baterii chemicznej wykorzystuje tlen z otaczającego powietrza, który dostaje się przez specjalne otwory. Dzięki usunięciu rtęci lub tlenku srebra, który do tej pory służył jako katoda, z obudowy akumulatora, uwolniono więcej miejsca na proszek cynkowy. Dlatego bateria cynkowo-powietrzna jest bardziej energochłonna w porównaniu z różnymi typami baterii o tej samej objętości. Dzięki temu pomysłowemu rozwiązaniu akumulator cynkowo-powietrzny pozostanie bezkonkurencyjny, o ile jego pojemność jest ograniczona przez niewielką objętość dzisiejszych miniaturowych SA.
Po dodatniej stronie akumulatora znajduje się jeden lub więcej otworów (w zależności od jego wielkości), do których dostaje się powietrze. Reakcja chemiczna, podczas której generowany jest prąd, przebiega dość szybko i jest całkowicie zakończona w ciągu dwóch do trzech miesięcy, nawet bez ładowania akumulatora. Dlatego podczas procesu produkcyjnego otwory te są pokrywane folią ochronną.
Aby przygotować się do pracy należy odkleić naklejkę i odczekać, aż substancja czynna nasyci się tlenem (od 3 do 5 minut). Jeśli zaczniesz używać baterii natychmiast po otwarciu, aktywacja nastąpi tylko w warstwie powierzchniowej substancji, co znacząco wpłynie na żywotność.
Ważną rolę odgrywa wielkość baterii. Im jest większy, tym więcej w nim rezerw substancji czynnej, a co za tym idzie, tym więcej zgromadzonej energii. Dlatego bateria w rozmiarze 675 ma największą pojemność, a bateria w rozmiarze 5 ma najmniejszą. Pojemność baterii zależy również od producenta. Na przykład dla baterii o rozmiarze 675 może wahać się od 440 mAh do 460 mAh.
I CECHY
Po pierwsze, napięcie dostarczane przez akumulator zależy od tego, jak długo jest on używany, a dokładniej od stopnia rozładowania. Nowa bateria cynkowo-powietrzna może dostarczać do 1,4 V, ale tylko przez krótki czas. Następnie napięcie spada do 1,25 V i utrzymuje się przez długi czas. A pod koniec żywotności baterii napięcie gwałtownie spada do wartości poniżej 1 V.
Po drugie, baterie cynkowo-powietrzne działają lepiej, im cieplej jest w pobliżu. W takim przypadku oczywiście nie należy przekraczać maksymalnej temperatury ustawionej dla tego typu baterii. Dotyczy to wszystkich baterii. Ale osobliwością akumulatorów cynkowo-powietrznych jest to, że ich wydajność zależy również od wilgotności powietrza. Zachodzące w nim procesy chemiczne zależą od obecności pewnej ilości wilgoci. Mówiąc prościej, im cieplej i bardziej wilgotno, tym lepiej (dotyczy to tylko baterii CA!). A fakt, że wilgoć ma negatywny wpływ na inne elementy układu słuchowego, to inna sprawa.
Po trzecie, rezystancja wewnętrzna akumulatora zależy od wielu czynników: temperatury, wilgotności, czasu pracy oraz technologii zastosowanej przez producenta. Im wyższa temperatura i wilgotność, tym mniejsza impedancja, co korzystnie wpływa na pracę narządu słuchu. Nowa 675. bateria ma rezystancję wewnętrzną 1-2 omów. Jednak pod koniec okresu użytkowania wartość ta może wzrosnąć do 10 omów, a dla 13. akumulatora - do 20 omów. W zależności od producenta wartość ta może się znacznie różnić, co stwarza problemy, gdy wymagana jest maksymalna moc określona w karcie danych.
Jeśli krytyczny pobór prądu zostanie przekroczony, ostatni etap lub cały aparat słuchowy zostaje wyłączony, aby bateria mogła się zregenerować. Jeśli po<дыхательной паузы>bateria ponownie zaczyna dawać prąd w ilości wystarczającej do pracy, SA zostaje ponownie włączony. W wielu aparatach słuchowych ponownemu uruchomieniu towarzyszy sygnał dźwiękowy, ten sam, który ostrzega o niskim napięciu baterii. Oznacza to, że w sytuacji, gdy CA wyłącza się z powodu dużego poboru prądu, po ponownym włączeniu włącza się alarm, chociaż bateria może być zupełnie nowa. Taka sytuacja zwykle ma miejsce, gdy aparat słuchowy odbiera bardzo wysoki poziom SPL na wejściu, a aparat słuchowy jest ustawiony na pełną moc.
Czynniki wpływające na żywotność
Jednym z głównych zadań stojących przed akumulatorami jest zapewnienie stałego dopływu prądu przez cały okres eksploatacji akumulatora.
Żywotność baterii zależy przede wszystkim od rodzaju używanego urzędu certyfikacji. Z reguły urządzenia analogowe zużywają więcej prądu niż cyfrowe, a wydajne urządzenia zużywają więcej niż urządzenia o małej mocy. Typowe wartości poboru prądu dla urządzeń średniej mocy wynoszą od 0,8 do 1,5 mA, a dla urządzeń dużej mocy i dużych obciążeń - od 2 do 8 mA.
Cyfrowe HA są ogólnie bardziej ekonomiczne niż analogowe HA o tej samej mocy. Mają jednak jedną wadę – w momencie przełączania programów lub automatycznego działania złożonych funkcji przetwarzania sygnału (tłumienie szumów, rozpoznawanie mowy itp.) urządzenia te pobierają znacznie więcej prądu niż w trybie normalnym. Zapotrzebowanie na energię może rosnąć i spadać w zależności od tego, jaką funkcję przetwarzania sygnału wykonuje obecnie obwód cyfrowy, a nawet od tego, czy korekcja ubytku słuchu pacjenta wymaga innego wzmocnienia dla różnych wejściowych SPL.
Sytuacja akustyczna otoczenia również wpływa na żywotność baterii. W cichym otoczeniu poziom sygnału akustycznego jest zwykle niski – około 30-40 dB. W tym przypadku sygnał wchodzący do SA jest również niewielki. W hałaśliwym otoczeniu, takim jak metro, pociąg, w pracy lub na hałaśliwej ulicy, poziom sygnału akustycznego może osiągnąć 90 dB lub więcej (młot pneumatyczny to około 110 dB). Prowadzi to do wzrostu poziomu sygnału wyjściowego SA i odpowiednio zwiększonego prądu jego zużycia. Jednocześnie zaczynają wpływać również ustawienia urządzenia – przy większym wzmocnieniu większy jest też pobór prądu. Zazwyczaj hałas otoczenia jest skoncentrowany w zakresie niskich częstotliwości, dlatego przy większym tłumieniu zakresu niskich częstotliwości przez regulację tonu zmniejsza się również pobór prądu.
Pobór prądu przez urządzenia średniej mocy nie zależy zbytnio od poziomu sygnału wejściowego, ale dla SA dużej mocy i super mocy różnica jest dość duża. Na przykład przy przychodzącym sygnale o natężeniu 60 dB (przy którym znormalizowany jest pobór prądu SA), natężenie prądu wynosi 2-3 mA. Przy sygnale wejściowym 90 dB (i tych samych ustawieniach SA) prąd wzrasta do 15-20 mA.
Metoda szacowania żywotności baterii
Zazwyczaj żywotność baterii szacowana jest z uwzględnieniem jej nominalnej pojemności oraz szacunkowego poboru prądu przez urządzenie, określonego w danych technicznych (paszporcie) urządzenia. Weźmy typowy przypadek: akumulator cynkowo-powietrzny 675 o typowej pojemności 460 mAh.
W przypadku zastosowania w urządzeniu średniej mocy o poborze prądu 1,4mA teoretyczna żywotność wyniesie 460/1,4=328 godzin. Przy noszeniu urządzenia przez 10 godzin dziennie oznacza to ponad miesiąc pracy urządzenia (328/10=32,8).
Gdy potężne urządzenie jest zasilane w cichym otoczeniu (pobór prądu 2 mA), żywotność wyniesie 230 godzin, czyli około trzech tygodni przy 10-godzinnym zużyciu. Ale jeśli otoczenie jest hałaśliwe, pobór prądu może osiągnąć 15-20 mA (w zależności od typu urządzenia). W tym trybie żywotność będzie wynosić 460/20=23 godziny, czyli mniej niż 3 dni. Oczywiście nikt nie chodzi w takim środowisku przez 10 godzin, a tryb realny będzie mieszany pod względem poboru prądu. Więc ten przykład ilustruje tylko metodologię obliczeń, podając ekstremalne wartości życiowe. Zwykle żywotność baterii w potężnym urządzeniu wynosi od dwóch do trzech tygodni.
Używaj baterii do aparatów słuchowych (oznaczonych lub oznaczonych) od renomowanych producentów zasilaczy (GP, Renata, Energizer, Varta, Panasonic, Duracell Activair, Rayovac).
Nie przerywaj folii ochronnej baterii (nie otwieraj), dopóki nie zostanie zainstalowana w aparacie słuchowym.
Przechowuj baterie w blistrach w temperaturze pokojowej i normalnej wilgotności. Życzenie<сберечь>dłuższa bateria w lodówce może prowadzić do dokładnie odwrotnego wyniku - CA z nową baterią w ogóle nie będzie działać.
Przed zainstalowaniem baterii w urządzeniu trzymaj ją bez folii przez 3-5 minut.
Wyłącz SA, gdy nie jest używany. Odłącz źródła zasilania od urządzenia na noc i pozostaw otwartą komorę baterii.
Nowość obiecuje trzykrotnie przewyższyć akumulatory litowo-jonowe pod względem zużycia energii i jednocześnie kosztować o połowę mniej.
Należy pamiętać, że obecnie baterie cynkowo-powietrzne są produkowane tylko w postaci jednorazowych ogniw lub „ładowalnych” ręcznie, to znaczy poprzez wymianę wkładu. Nawiasem mówiąc, ten rodzaj baterii jest bezpieczniejszy niż litowo-jonowy, ponieważ nie zawiera substancji lotnych, a zatem nie może się zapalić.
Główną przeszkodą w tworzeniu opcji ładowalnych z sieci - czyli baterii - jest szybka degradacja urządzenia: elektrolit jest dezaktywowany, reakcje utleniania-redukcji spowalniają i zatrzymują się całkowicie już po kilku cyklach ładowania.
Aby zrozumieć, dlaczego tak się dzieje, musimy najpierw opisać zasadę działania elementów powietrzno-cynkowych. Bateria składa się z elektrod powietrznych i cynkowych oraz elektrolitu. Podczas wyładowania powietrze pochodzące z zewnątrz, nie bez pomocy katalizatorów, tworzy jony hydroksylowe (OH -) w wodnym roztworze elektrolitu.
Utleniają elektrodę cynkową. Podczas tej reakcji elektrony są uwalniane, tworząc prąd. Podczas ładowania akumulatora proces przebiega w odwrotnym kierunku: na elektrodzie powietrznej powstaje tlen.
Wcześniej, podczas pracy akumulatora, wodny roztwór elektrolitu często po prostu wysychał lub wnikał zbyt głęboko w pory elektrody powietrznej. Dodatkowo osadzony cynk był rozłożony nierównomiernie, tworząc rozgałęzioną strukturę, przez co między elektrodami zaczęły pojawiać się zwarcia.
Nowość pozbawiona jest tych niedociągnięć. Specjalne dodatki żelujące i ściągające kontrolują wilgotność i kształt elektrody cynkowej. Ponadto naukowcy zaproponowali nowe katalizatory, które również znacznie poprawiły wydajność pierwiastków.
Jak dotąd najlepsza wydajność prototypów nie przekracza setek cykli doładowań (fot. ReVolt).
Dyrektor generalny ReVolt, James McDougall, uważa, że pierwsze produkty, w przeciwieństwie do obecnych prototypów, będą ładowane nawet 200 razy i wkrótce będą w stanie osiągnąć poziom 300-500 cykli. Ten wskaźnik pozwoli na użycie elementu np. w telefony komórkowe lub laptopy.
Prototyp nowej baterii został opracowany przez norweską fundację badawczą SINTEF, podczas gdy ReVolt zajmuje się komercjalizacją produktu (ilustracja ReVolt).
ReVolt opracowuje również akumulatory cynkowo-powietrzne do pojazdów elektrycznych. Takie produkty przypominają ogniwa paliwowe. Zawiesina cynkowa pełni w nich rolę elektrody ciekłej, natomiast elektroda powietrzna składa się z układu rurek.
Energia elektryczna jest wytwarzana poprzez pompowanie zawiesiny przez rury. Powstały tlenek cynku jest następnie przechowywany w innym przedziale. Po naładowaniu przechodzi tą samą ścieżką, a tlenek zamienia się z powrotem w cynk.
Takie baterie mogą wytwarzać więcej energii elektrycznej, ponieważ objętość elektrody ciekłej może być znacznie większa niż objętość elektrody powietrznej. McDougall uważa, że tego typu ogniwa można ładować od dwóch do dziesięciu tysięcy razy.
