Принцип действия воздушно-цинковых элементов питания. Воздушно-цинковые элементы (Zinc-Air) – возможная альтернатива литию

В слуховых аппаратах применяются воздушно-цинковые батарейки, которые при работе в качестве катода используют кислород, поглощаемый из воздуха, а в качестве анода - порошок цинка.

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-цинковые батарейки более энергоемкие, если сравнивать между собой батарейки разного типа. Ниже приведена сравнительная характеристика срока службы алкалиновой и воздушно-цинковой батареек. Как видно из рисунка воздушно-цинковая батарейка работает не только дольше, но и держит свое напряжение постоянным в течение всего срока эксплуатации. С воздушно-цинковой батареей, Вы можете ожидать от аппарата более чистого звучания, нормальной и стабильной работы всех его систем. И еще одним очень важным преимуществом батарей является то, что они не текут, как скажем, щелочные батареи . На графике видно, что воздушно-цинковые элементы питания не только служат дольше, но и равномерно отдают свой заряд в течение всего срока службы в отличие от, скажем, щелочных батареек. Это значит, что Вам не придется постоянно прибавлять громоксти, а слуховой аппарат будет обеспечен током необходимого напряжения для нормальной работы всех его функций на протяжении всей службы батарейки.

В состоянии хранения (храниться они могут 2 и более лет) воздушные отверстия батареек заклеены липкой пленкой. Как только Вы срываете защитную пленку с положительного контакта, батарея активируется и начинает отдавать энергию. Разряд активированной батарейки происходит независимо от того, питает она слуховой аппарат или просто лежит на столе. Поэтому срывать защитную пленку следует только, если Вы действительно будете использовать ее в слуховом аппарате.

Время работы батареек составляет от нескольких дней до нескольких недель. К концу периода работы Вашей батарейки Вы заметите, что слуховой аппарат стал работать заметно тише. Значит, пришло время заменить батарейку.

Если воздушно-цинковая батарейка разряжена почти полностью, то обычно заметны следующие проявления: после включения слуховой аппарат работает совершенно нормально, но через короткое время почти полностью замолкает. Чем более разряжена батарейка, тем быстрее замолкает слуховой аппарат.

• Используйте в слуховом аппарате батарейки типоразмера, указанного в паспорте или инструкции по эксплуатации к слуховому аппарату.
• 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.
• Каждый раз, вставляя батарейку, обращайте внимание на плюсовую сторону. Плюсовая сторона отличается тем, что является плоской и обычно имеет на себе одно или несколько воздушных отверстий и небольшой крестик — плюс в центре.
• Используйте батарейку до конца, после чего вставьте новую. Не храните уже использованные батарейки.
• Храните батарейки в блистерах при комнатной температуре и нормальной влажности. Желание «сберечь» подольше батарейки в холодильнике может привести к прямо противоположному результату - слуховой аппарат с новой батарейкой вообще не заработает.
• Выключайте слуховой аппарат, когда им не пользуетесь. На ночь вынимайте источники питания из аппарата и оставляйте открытым батарейный отсек.
• Всегда имейте при себе новую запасную батарейку. Запасные батарейки не должны храниться вместе с металлическими предметами (ключами, другими батарейками) , которые могут закоротить контакты батарейки, и вызвать ее преждевременный разряд или порчу. Лучше поместить каждую запасную батарейку в индивидуальный изолирующий контейнер.
• Храните батарейки в местах, недоступных для детей. Дети могут проглотить батарейки и этим причинить вред здоровью.

Электрохимические технологии хранения энергии быстро развиваются. Компания NantEnergy предлагает бюджетный цинково-воздушный аккумулятор энергии.

Компания NantEnergy, возглавляемая калифорнийским миллиардером Патриком Сун-Шионгом (Patrick Soon-Shiong), представила цинково-воздушный аккумулятор энергии (Zinc-Air Battery), стоимость которого существенно ниже литий-ионных аналогов.

Цинково-воздушный аккумулятор энергии

Батарея, «защищённая сотней патентов», предназначена для использования в системах хранения энергии в энергетике. По утверждению NantEnergy, её стоимость ниже ста долларов за киловатт-час.

Устройство цинково-воздушной батареи отличается простотой. При зарядке электричество преобразует оксид цинка в цинк и кислород. В фазе разряда в ячейке цинк окисляется воздухом. Одна батарея, заключённая в пластиковый корпус, по размерам ненамного больше, чем портфель для бумаг.

Цинк не является редким металлом, и проблемы ограниченности ресурсов, обсуждаемые в связи с литий-ионными аккумуляторами, цинк-воздушные батареи не затрагивают. Кроме того, последние практически не содержат вредных для окружающей среды элементов, и цинк очень легко перерабатывается для вторичного использования.

Важно отметить, что устройство NantEnergy - это не прототип, а серийная модель, которая испытывалась в течение последних шести лет «в тысячах разных мест». Эти батареи обеспечивали энергией «более 200 тысяч жителей Азии и Африки и использовались в более чем 1000 башен сотовой связи по всему миру».

Столь низкая стоимость системы хранения энергии позволит «превратить электрическую сеть в работающую круглосуточно полностью безуглеродную систему», то есть основанную полностью на возобновляемых источниках энергии.

Цинк-воздушные батареи - это не новинка, они изобретены еще в XIX веке и широко применяются с 30-х годов прошлого века. Основная сфера применения этих источников питания - слуховые аппараты, портативные радиостанции, фототехника… Определенной научно-технической проблемой, обусловленной химическими свойствами цинка, являлось создание перезаряжаемых аккумуляторов. Судя по всему, данная проблема сегодня в значительной степени преодолены. NantEnergy достигла того, что батарея может повторять цикл заряда и разряда более 1000 раз без ухудшения характеристик.

В числе прочих параметров, указываемых компанией: 72 часа автономии и 20-летний срок службы системы.

К количеству циклов и прочим характеристикам, конечно, есть вопросы, которые надо уточнять. Впрочем, некоторые эксперты в области накопителей энергии верят в технологию. По результатам опроса GTM, проведённого в декабре прошлого года, восемь процентов респондентов указали на цинковые батареи, как на технологию, способную заменить литий-ион в системах хранения энергии.

Ранее, глава Tesla, Илон Маск сообщал, что стоимость литий-ионных элементов (cells), выпускаемых его компанией, может упасть ниже $100/кВт*ч в текущем году.

Часто приходится слышать, что распространение вариабельных ВИЭ, солнечной и ветровой энергетики, якобы тормозится (будет тормозиться) по причине отсутствия дешевых технологий хранения энергии.

Это, разумеется, не так, поскольку накопители энергии - лишь один из инструментов повышения маневренности (гибкости) энергосистемы, но не единственный инструмент. К тому же, как мы видим, электрохимические технологии хранения энергии развиваются высокими темпами. опубликовано

Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта .

В ртутно-цинковых элементах используется пористый цинковый электрод, в который для уменьшения коррозии вводят до 10 % ртути, и катод из оксида ртути в смеси с графитом. Электролит представляет собой 30…40 % раствор КОН. Основные электродные процессы описываются уравнениями:

Zn + 2OH − → Zn(OH) 2 + 2e − (с последующим разложением

гидрооксида цинка на ZnО и воду) и

Hg + H 2 O + 2e − → Hg + 2OH −

Напряжение ртутно-цинкового элемента остается стабильным до конца разряда малыми токами (до 0,01 С Н). При таких токах стабильное напряжение обеспечивается даже при 0 0 С. Это позволяет использовать их в качестве опорных элементов в измерительной аппаратуре. Элементы имеют одинаково хорошие характеристики, как при непрерывном, так и при прерывистом режимах работы. Типовые разрядные характеристики ртутно-цинковых элементов приведены на рис.17.7.

Напряжение разорванной цепи этих элементов составляет 1,35 В, рабочее напряжение – 1,22…1,25 В. Диапазон рабочих температур от −30 до +70 0 С. Конечное напряжение разряда составляет 0,9…1,0 В.

Наибольшее распространение получили ртутно-цинковые элементы в дисковом исполнении (рис.17.8), в которых положительный цинковый электрод 1 впрессовывается в стальной корпус, а отрицательный (активная масса) 2 – в крышку. В них нет свободного пространства, и водород, который выделяется при коррозии цинка, удаляется через герметизирующую прокладку 4 путем диффузии. Электролит при этом вытекать не должен.

Миниатюрные ртутно-цинковые элементы широко использовались в фототехнике, ручных электронных часах, калькуляторах и медицинской аппаратуре. Однако экологические проблемы, связанные с токсичностью ртути, привели повсеместно к прекращению производства этих элементов. Для их замены рекомендуется использовать серебряно-цинковые или литиевые гальванические элементы.

17.3.3 Серебряно-цинковые элементы

Серебряно-цинковые гальванические элементы обладают электрическими характеристиками близкими к характеристиками ртутно-цинковых элементов, стабильной разрядной характеристикой при высоком рабочем напряжении (1,5 В) и длительным сроком хранения. Однако, они менее чувствительны к повышению токовой нагрузки. Диапазон рабочих температур составляет от 0 до +40 0 С. Эти элементы наиболее безопасны для экологии, однако они относительно дороги.

Серебряно-цинковые элементы выпускаются в основном в дисковом исполнении и их конструкция подобна конструкции ртутно-цинковых элементов. Основное применение серебряно-цинковых элементов – ручные электронные часы. Параметры таких элементов основных производителей приведены в табл.17.7.

17.3.4 Воздушно-цинковые элементы

Воздушно-цинковые элементы отличаются от остальных первичных химических источников тока наличием специального отверстия, которое вскрывается при вводе в эксплуатацию для того, чтобы обеспечивать поступление внутрь элемента воздуха, кислород которого используется в качестве окислителя.

В качестве катода, на котором восстанавливается кислород воздуха, используются угольные электроды, модифицированные катализатором. Активным материалом анода является цинк, электролитом – раствор КОН или NaOH. Суммарная токообразующая реакция в элементе может быть записана:

Zn +1/2 H 2 O + 2OH − + H 2 O → Zn(OH) 4 2−

По мере растворения цинка и насыщения раствора цинкат-ионами Zn(OH) 4 2− разлагается с выпадением в осадок оксида цинка ZnO.

Напряжение разорванной цепи такого элемента составляет 1,4 В, а рабочее напряжение – 1,35 В.Диапазон рабочих температур составляет +10…+40 0 С.

Малогабаритные воздушно-цинковые элементы имеют дисковую конструкцию (рис.17.9) и в основном применяются для слуховых аппаратов. Анод изготавливается из порошкообразного цинка. Катод – тонкий из активированного угля, сажи и катализатора. Электролит обычно сгущенный. С помощью специальной мембраны воздух после вскрытия отверстия равномерно распределяется по поверхности катода. Электролит через гидрофорбный слой не проходит. Такие элементы изготавливаются емкостью от 50 до 6300 мА·ч.

Батареи из марганцево-воздушно-цинковых элементов в призматическом исполнении используются также для работы навигационного оборудования, например, серии «Лиман» или «Бакен».

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.