U petom broju našeg časopisa rekli smo vam kako sami napraviti plinsku bateriju, au šestom olovno-kalijevu. Čitateljima nudimo drugu vrstu izvora struje - element cink-zrak. Ovaj element ne zahtijeva punjenje tijekom rada, što je vrlo važna prednost u odnosu na baterije.

Element cink-zrak sada je najnapredniji izvor struje, budući da ima relativno visoku specifičnu energiju (110-180 Wh/kg), jednostavan je za proizvodnju i rukovanje, te je najperspektivniji u smislu povećanja specifičnih karakteristika. Teoretski izračunata specifična snaga cink zračne ćelije može doseći 880 Wh/kg. Ako se postigne i polovica te snage, element će postati vrlo ozbiljan konkurent motoru s unutarnjim izgaranjem.

Vrlo važna prednost elementa zraka cinka je

mala promjena napona pod opterećenjem pri pražnjenju. Osim toga, takav element ima značajnu čvrstoću, budući da njegova posuda može biti izrađena od čelika.

Princip rada cinkovih zračnih elemenata temelji se na korištenju elektrokemijskog sustava: cink - kaustična otopina kalija - aktivni ugljen, koji adsorbira kisik iz zraka. Odabirom sastava elektrolita, aktivne mase elektroda i izborom optimalne izvedbe elementa moguće je značajno povećati njegovu specifičnu snagu.

Cink-zrak baterije mnogo su pouzdanije od svojih prethodnika: ne cure. To znači da iznenada istrošena baterija neće oštetiti vaš slušni aparat. Međutim, nove cink-zrak baterije prilično su pouzdane i rijetko prestaju raditi prije vremena. Ali oni također imaju svoje karakteristike.

Ako ne trebate mijenjati baterije u svom slušnom aparatu, nemojte uklanjati ambalažu s baterije. Prije upotrebe, takva baterija je zapečaćena posebnim filmom koji sprječava prodor zraka. Nakon što se film ukloni, katoda (kisik) i anoda (cink u prahu) reagiraju. Ovo treba imati na umu: ako uklonite film, baterija gubi napunjenost, bez obzira je li bila stavljena u uređaj ili ne.

Cink-zrak baterije su nova generacija baterija koje imaju ozbiljne prednosti u odnosu na svoje prethodnike. Nedvojbeno su mnogo energetski učinkovitiji i dugotrajniji zbog većeg kapaciteta. Katoda baterije nije srebro ili živin oksid, kao kod drugih baterija, već kisik dobiven iz zraka. Interakcija između katode i anode odvija se ravnomjerno tijekom cijelog radnog vijeka baterije. Slušni aparat neće trebati stalno ponovno konfigurirati i mijenjati glasnoću zbog slabe baterije. Kao anoda se koristi cink u prahu, koji se nalazi u puno većim količinama nego anoda u baterijama prethodne generacije - to osigurava njen energetski intenzitet.

Nisku bateriju možete primijetiti po ovom karakterističnom "simptomu": nekoliko minuta nakon uključivanja slušni aparat iznenada utihne. Ovo je signal da je vrijeme za promjenu baterija.

1. Preporučljivo je bateriju potrošiti do kraja i odmah je promijeniti. Ne biste trebali skladištiti iskorištene baterije.
2. Baterije treba odabrati prema veličini navedenoj u opisu slušnog aparata.
3. Držite baterije dalje od metalnih predmeta! Metal izaziva zatvaranje kontakta, a to će dovesti do oštećenja proizvoda.
4. Preporučljivo je sa sobom nositi rezervnu bateriju u posebnoj zaštitnoj torbi.
5. Prilikom ugradnje baterije vrlo je važno odrediti gdje joj je "plus" strana (konveksnija je i ima rupe za zrak).
6. Prilikom umetanja nove baterije pričekajte nekoliko minuta nakon skidanja zaštitne folije: aktivna tvar treba biti što je moguće više zasićena kisikom. Ovo je neophodno za pun vijek trajanja baterije. Ako požurite, anoda će postati zasićena kisikom samo na površini, a baterija će se prerano isprazniti.
7. Kada ne koristite slušni aparat, treba ga isključiti i izvaditi baterije.

8. Baterije treba čuvati u posebnim blisterima, na sobnoj temperaturi i izvan dohvata djece.

Puštanje kompaktnih cink-zračnih baterija na masovno tržište može značajno promijeniti situaciju u tržišnom segmentu malih autonomnih napajanja za prijenosna računala i digitalne uređaje.

Energetski problem

a posljednjih godina značajno se povećala flota prijenosnih računala i raznih digitalnih uređaja od kojih su se mnogi tek nedavno pojavili na tržištu. Taj se proces znatno ubrzao zbog porasta popularnosti Mobiteli. S druge strane, brzi rast broja prijenosnih elektronički uređaji izazvao je ozbiljan porast potražnje za autonomnim izvorima električne energije, posebno za različite vrste baterije i akumulatore.

Međutim, potrebno je osigurati ogroman iznos prijenosni uređaji nutritivni elementi samo su jedna strana problema. Dakle, kako se prijenosni elektronički uređaji razvijaju, povećava se gustoća elemenata i snaga mikroprocesora koji se u njima koriste; u samo tri godine frekvencija takta korištenih PDA procesora porasla je za red veličine. Sićušni jednobojni zasloni zamjenjuju se zaslonima u boji visoke razlučivosti s većim veličinama zaslona. Sve to dovodi do povećanja potrošnje energije. Osim toga, postoji jasan trend prema daljnjoj minijaturizaciji u području prijenosne elektronike. Uzimajući u obzir navedene čimbenike, postaje sasvim očito da je povećanje energetske intenzivnosti, snage, trajnosti i pouzdanosti korištenih baterija jedan od najvažnijih uvjeta za osiguranje daljnji razvoj prijenosni elektronički uređaji.

Problem obnovljivih autonomnih izvora energije vrlo je akutan u segmentu prijenosnih računala. Moderne tehnologije omogućuju stvaranje prijenosnih računala koja praktički nisu inferiorna u svojoj funkcionalnosti i performansama u odnosu na punopravne desktop sustave. Međutim, nedostatak dovoljno učinkovitih autonomnih izvora napajanja uskraćuje korisnicima prijenosnih računala jednu od glavnih prednosti ove vrste računala - mobilnost. Dobar pokazatelj za moderno prijenosno računalo opremljeno litij-ionskom baterijom je trajanje baterije od oko 4 sata 1, ali to očito nije dovoljno za punopravni rad u mobilnim uvjetima (na primjer, let od Moskve do Tokija traje oko 10 sati, a od Moskve do Los Angelesa).Angeles gotovo 15).

Jedna od opcija za rješavanje problema povećanja vremena život baterije prijenosna računala je pomak s trenutno uobičajenih nikal-metal-hidridnih i litij-ionskih baterija na kemijske gorive ćelije 2 . Najperspektivnije gorivne ćelije sa stajališta primjene u prijenosnim elektroničkim uređajima i osobnim računalima su gorivne ćelije s niskim radnim temperaturama kao što su PEM (Proton Exchange Membrane) i DMCF (Direct Methanol Fuel Cells). Kao gorivo za te elemente koristi se vodena otopina metilnog alkohola (metanola) 3.

Međutim, u ovoj fazi bilo bi previše optimistično opisivati ​​budućnost kemijskih gorivih ćelija samo u ružičastim tonovima. Činjenica je da postoje najmanje dvije prepreke masovnoj distribuciji gorivih ćelija u prijenosnim elektroničkim uređajima. Prvo, metanol je prilično otrovna tvar, što podrazumijeva povećane zahtjeve za nepropusnost i pouzdanost uložaka goriva. Drugo, osigurati prihvatljivu brzinu prolaza kemijske reakcije Gorivne ćelije s niskim radnim temperaturama zahtijevaju upotrebu katalizatora. Trenutno se katalizatori izrađeni od platine i njezinih legura koriste u PEM i DMCF ćelijama, ali prirodne rezerve ove tvari su male, a cijena visoka. Teoretski je moguće platinu zamijeniti drugim katalizatorima, ali do sada nitko od timova koji se bave istraživanjem u tom smjeru nije uspio pronaći prihvatljivu alternativu. Danas je takozvani problem platine možda najozbiljnija prepreka širokoj primjeni gorivih ćelija u prijenosnim računalima i elektroničkim uređajima.

1 Ovo se odnosi na vrijeme rada standardne baterije.

2 Više informacija o gorivnim ćelijama možete pročitati u članku “Gorivne ćelije: godina nade”, objavljenom u broju 1’2005.

3 PEM ćelije koje rade na vodikov plin opremljene su ugrađenim pretvaračem za proizvodnju vodika iz metanola.

Elementi zraka cinka

Iako autori brojnih publikacija cink-zrak baterije i akumulatore smatraju jednom od podvrsta gorivih ćelija, to nije sasvim točno. Upoznavši strukturu i princip rada cink-zračnih elemenata, čak i u opći nacrt, možemo potpuno nedvosmisleno zaključiti da ih je ispravnije promatrati upravo kao zasebnu klasu autonomnih izvora energije.

Dizajn ćelije cink-zračne ćelije uključuje katodu i anodu odvojene alkalnim elektrolitom i mehaničkim separatorima. Kao katoda koristi se plinska difuzijska elektroda (GDE), čija vodopropusna membrana omogućuje dobivanje kisika iz atmosferskog zraka koji kroz nju cirkulira. "Gorivo" je cinkova anoda, koja se u procesu oksidira rad elementa, a oksidacijsko sredstvo je kisik dobiven iz atmosferskog zraka koji ulazi kroz "otvore za disanje".

Na katodi dolazi do reakcije elektroredukcije kisika, čiji su produkti negativno nabijeni hidroksidni ioni:

O 2 + 2H 2 O +4e 4OH – .

Hidroksidni ioni kreću se u elektrolitu do cinkove anode, gdje dolazi do reakcije oksidacije cinka, oslobađajući elektrone koji se vraćaju na katodu kroz vanjski krug:

Zn + 4OH – Zn(OH) 4 2– + 2e.

Zn(OH) 4 2– ZnO + 2OH – + H 2 O.

Sasvim je očito da ćelije cink-zrak ne spadaju u klasifikaciju kemijskih gorivih ćelija: prvo, one koriste potrošnu elektrodu (anodu), a drugo, gorivo se inicijalno nalazi unutar ćelije i ne dovodi se tijekom rada iz vani.

Napon između elektroda jedne ćelije cink-zračne ćelije je 1,45 V, što je vrlo blizu napona alkalnih (alkalnih) baterija. Ako je potrebno, za postizanje višeg napona napajanja, nekoliko ćelija spojenih u seriju može se spojiti u bateriju.

Cink je prilično uobičajen i jeftin materijal, tako da pri postavljanju masovne proizvodnje ćelija cink-zrak proizvođači neće imati problema sa sirovinama. Štoviše, čak i na početno stanje cijena takvih izvora napajanja bit će prilično konkurentna.

Također je važno da su cink air elements vrlo ekološki prihvatljivi proizvodi. Materijali korišteni za njihovu proizvodnju ne truju okoliš i mogu se ponovno upotrijebiti nakon recikliranja. Reakcijski produkti cink-zračnih elemenata (voda i cinkov oksid) također su apsolutno sigurni za ljude i okoliš; cinkov oksid se čak koristi kao glavna komponenta dječjeg pudera.

Među radnim svojstvima elemenata cink-zrak, vrijedi istaknuti takve prednosti kao što su niska stopa samopražnjenja u neaktiviranom stanju i mala promjena napona tijekom pražnjenja (ravna krivulja pražnjenja).

Određeni nedostatak cink zračnih elemenata je utjecaj relativne vlažnosti ulaznog zraka na karakteristike elementa. Na primjer, za cink zračnu ćeliju dizajniranu za rad u uvjetima relativne vlažnosti zraka od 60%, kada se vlažnost poveća na 90%, vijek trajanja smanjuje se za približno 15%.

Od baterija do baterija

Najlakša opcija za cink-zrak ćelije za implementaciju su jednokratne baterije. Prilikom stvaranja elemenata cink-zrak velike veličine i snage (na primjer, namijenjenih za napajanje elektrana Vozilo) kasete s cink anodom mogu se napraviti zamjenjivima. U ovom slučaju, za obnovu rezerve energije, dovoljno je ukloniti kasetu s korištenim elektrodama i instalirati novu na njeno mjesto. Korištene elektrode mogu se obnoviti za ponovnu upotrebu elektrokemijskom metodom u specijaliziranim poduzećima.

Ako govorimo o kompaktnim baterijama pogodnim za korištenje u prijenosnim računalima i elektroničkim uređajima, onda ovdje praktična provedba Opcija s izmjenjivim kazetama cink anode nije moguća zbog male veličine baterija. Zbog toga je većina kompaktnih cink-zračnih ćelija na tržištu jednokratna. Jednokratne male cink-zrak baterije proizvode Duracell, Eveready, Varta, Matsushita, GP, kao i domaće poduzeće Energia. Glavna područja primjene takvih izvora energije su slušni aparati, prijenosni radio, fotografska oprema itd.

Trenutno mnoge tvrtke proizvode jednokratne cink-zračne baterije

Prije nekoliko godina AER je proizveo Power Slice cink-zračne baterije namijenjene prijenosnim računalima. Ove stavke su dizajnirane za Hewlett-Packard Omnibook 600 i Omnibook 800 seriju prijenosnih računala; baterija im je trajala od 8 do 12 sati.

U načelu postoji i mogućnost stvaranja punjivih cink-zrak ćelija (baterija), u kojima će se, kada se priključi vanjski izvor struje, na anodi dogoditi reakcija redukcije cinka. Međutim, praktična provedba takvih projekata dugo je ometana ozbiljnim problemima uzrokovanim kemijskim svojstvima cinka. Cinkov oksid se dobro otapa u alkalnom elektrolitu iu otopljenom obliku se raspoređuje po cijelom volumenu elektrolita, odmičući se od anode. Zbog toga se prilikom punjenja iz vanjskog izvora struje geometrija anode značajno mijenja: cink dobiven iz cinkovog oksida taloži se na površini anode u obliku vrpčastih kristala (dendrita), u obliku dugih šiljaka. Dendriti probijaju separatore, uzrokujući kratki spoj unutar baterije.

Ovaj problem pogoršava činjenica da su za povećanje snage anode ćelija cink-zrak izrađene od zdrobljenog cinka u prahu (to omogućuje značajno povećanje površine elektrode). Dakle, kako se broj ciklusa punjenja i pražnjenja povećava, površina anode će se postupno smanjivati, što će negativno utjecati na rad ćelije.

Do danas je najveći uspjeh na području stvaranja kompaktnih cink-zrak baterija postigao Zinc Matrix Power (ZMP). Stručnjaci ZMP-a razvili su jedinstvenu tehnologiju Zinc Matrix koja je riješila glavne probleme koji nastaju tijekom punjenja baterije. Suština ove tehnologije je korištenje polimernog veziva, koje osigurava nesmetan prodor hidroksidnih iona, ali istovremeno blokira kretanje cinkovog oksida koji se otapa u elektrolitu. Zahvaljujući korištenju ovog rješenja, moguće je izbjeći primjetne promjene u obliku i površini anode za najmanje 100 ciklusa punjenja i pražnjenja.

Prednosti cink-zrak baterija su dugo vrijeme rada i visok specifični energetski intenzitet, barem dvostruko veći od najboljih litij-ionskih baterija. Specifični energetski intenzitet cink-zrak baterija doseže 240 Wh po 1 kg težine, a maksimalna snaga 5000 W/kg.

Prema programerima ZMP-a, danas je moguće stvoriti cink-zrak baterije za prijenosne elektroničke uređaje (mobilne telefone, digitalne playere itd.) s energetskim kapacitetom od oko 20 Wh. Minimalna moguća debljina ovakvih napajanja je samo 3 mm. Eksperimentalni prototipovi cink-zrak baterija za prijenosna računala imaju energetski kapacitet od 100 do 200 Wh.

Prototip cink-zrak baterije koji su izradili stručnjaci Zinc Matrix Power

Još jedna važna prednost cink-zrak baterija je potpuno odsustvo takozvanog memorijskog efekta. Za razliku od drugih vrsta baterija, cink-zrak ćelije mogu se puniti na bilo kojoj razini napunjenosti bez ugrožavanja njihovog energetskog kapaciteta. Osim toga, za razliku od litijevih baterija, cink-zrak ćelije puno su sigurnije.

Zaključno, ne možemo ne spomenuti jedan važan događaj koji je postao simboličan Polazna točka na putu komercijalizacije cink-zračnih ćelija: 9. lipnja prošle godine Zinc Matrix Power službeno je najavio potpisivanje strateškog ugovora s Intel Corporation. U skladu s odredbama ovog sporazuma, ZMP i Intel će udružiti svoje razvojne napore nova tehnologija punjive baterije za prijenosna računala. Među glavnim ciljevima ovog rada je povećati trajanje baterije prijenosnih računala na 10 sati. Prema postojećem planu, prvi modeli opremljeni cink zračne baterije prijenosna računala trebala bi se naći u prodaji 2006.

Tehnologije elektrokemijskog skladištenja energije brzo napreduju. Tvrtka NantEnergy nudi jeftinu bateriju za pohranu energije cink-zrak.

NantEnergy, na čelu s kalifornijskim milijarderom Patrickom Soon-Shiongom, predstavio je cink-zrak energetsku bateriju (Zinc-Air Battery), čija je cijena znatno niža od litij-ionskih analoga.

Cink-zrak akumulator energije

Baterija, "zaštićena stotinama patenata", namijenjena je za korištenje u sustavima za pohranu energije u komunalnoj industriji. Prema NantEnergyju, njegova cijena je manja od sto dolara po kilovat-satu.

Dizajn cink-zrak baterije je jednostavan. Prilikom punjenja električna energija pretvara cinkov oksid u cink i kisik. Tijekom faze pražnjenja u ćeliji cink se oksidira zrakom. Jedna baterija, zatvorena u plastičnom kućištu, nije mnogo veća od aktovke.

Cink nije rijedak metal, a ograničenja resursa o kojima se raspravljalo u vezi s litij-ionskim baterijama ne utječu na cink-zrak baterije. Osim toga, potonji praktički ne sadrže elemente štetne za okoliš, a cink se vrlo lako reciklira za sekundarnu upotrebu.

Važno je napomenuti da NantEnergy uređaj nije prototip, već model proizvodnje, koji je tijekom proteklih šest godina testiran "na tisućama različitih mjesta". Te su baterije opskrbljivale energijom "više od 200 tisuća ljudi u Aziji i Africi i korištene su u više od 1000 tornjeva mobilna komunikacijaŠirom svijeta".

Takav jeftin sustav za pohranu energije će se “transformirati električna mreža u sustav 24/7, potpuno bez ugljika”, odnosno u potpunosti temeljen na obnovljivim izvorima energije.

Cink-zrak baterije nisu novost, izumljene su još u 19. stoljeću, a u širokoj su uporabi od 30-ih godina prošlog stoljeća. Glavna područja primjene ovih izvora energije su slušni aparati, prijenosni radio uređaji, fotografska oprema... Određeni znanstveno-tehnički problem izazvan kemijskim svojstvima cinka bilo je stvaranje punjivih baterija. Kako se čini, ovaj problem danas su uglavnom prevladane. NantEnergy je postigao da baterija može ponoviti ciklus punjenja i pražnjenja više od 1000 puta bez degradacije.

Među ostalim parametrima koje navodi tvrtka: 72 sata autonomije i 20 godina vijeka trajanja sustava.

Naravno, postoje pitanja u vezi broja ciklusa i drugih karakteristika koje treba razjasniti. Međutim, neki stručnjaci za skladištenje energije vjeruju u tu tehnologiju. U istraživanju GTM-a provedenom prošlog prosinca, osam posto ispitanika istaknulo je cinkove baterije kao tehnologiju koja bi mogla zamijeniti litij-ionske u sustavima za pohranu energije.

Ranije je šef Tesle, Elon Musk, izvijestio da bi cijena litij-ionskih ćelija (ćelija) koje proizvodi njegova tvrtka ove godine mogla pasti ispod 100 USD/kWh.

Često čujemo kako se širenje varijabilnih obnovljivih izvora energije, solarne i energije vjetra, navodno usporava (usporit će) zbog nedostatka jeftinih tehnologija za skladištenje energije.

To, naravno, nije tako, jer su uređaji za pohranu energije samo jedan od alata za povećanje agilnosti (fleksibilnosti) elektroenergetskog sustava, ali ne i jedini alat. Osim toga, kao što vidimo, tehnologije elektrokemijskog skladištenja energije razvijaju se velikom brzinom. Objavljeno

Ako imate bilo kakvih pitanja o ovoj temi, postavite ih stručnjacima i čitateljima našeg projekta.

Novi proizvod obećava da će premašiti litij-ionske baterije u energetskom intenzitetu za tri puta, a istovremeno koštati upola manje.

Imajte na umu da se sada cink-zrak baterije proizvode samo u obliku ćelija za jednokratnu upotrebu ili "punjive" ručno, odnosno promjenom uloška. Usput, ova vrsta baterije je sigurnija od litij-ionskih baterija, jer ne sadrži hlapljive tvari i, prema tome, ne može se zapaliti.

Glavna prepreka stvaranju punjivih opcija - odnosno baterija - je brza degradacija uređaja: elektrolit se deaktivira, oksidacijsko-redukcijske reakcije usporavaju i potpuno prestaju nakon samo nekoliko ciklusa punjenja.

Da bismo razumjeli zašto se to događa, prvo moramo opisati princip rada cink-zračnih ćelija. Baterija se sastoji od zračne i cinčane elektrode te elektrolita. Tijekom pražnjenja zrak koji dolazi izvana uz pomoć katalizatora stvara hidroksilne ione (OH -) u vodenoj otopini elektrolita.

Oni oksidiraju cink elektrodu. Tijekom ove reakcije otpuštaju se elektroni, tvoreći struju. Dok se baterija puni, proces se nastavlja obrnuta strana: Kisik se proizvodi na zračnoj elektrodi.

Prije toga, tijekom rada punjive baterije, vodena otopina elektrolita često se jednostavno osušila ili prodrla preduboko u pore zračne elektrode. Osim toga, taloženi cink bio je neravnomjerno raspoređen, tvoreći razgranatu strukturu, što je uzrokovalo kratke spojeve između elektroda.

Novi proizvod je lišen ovih nedostataka. Posebni dodaci za želiranje i adstringente kontroliraju vlažnost i oblik cinčane elektrode. Osim toga, znanstvenici su predložili nove katalizatore, koji su također značajno poboljšali performanse elemenata.

Do sada, najbolje performanse prototipova ne prelaze stotine ciklusa punjenja (foto ReVolt).

Izvršni direktor ReVolta James McDougall vjeruje da će se prvi proizvodi, za razliku od sadašnjih prototipova, puniti do 200 puta, a uskoro će moći doseći 300-500 ciklusa. Ovaj indikator će omogućiti da se element koristi, na primjer, u Mobiteli ili laptopa.

Prototip nove baterije razvila je norveška istraživačka zaklada SINTEF, a ReVolt komercijalizira proizvod (ilustracija ReVolt).

ReVolt također razvija cink-zrak baterije za električna vozila. Takvi proizvodi nalikuju gorivnim ćelijama. Suspenzija cinka u njima ima ulogu tekuće elektrode, dok se zračna elektroda sastoji od sustava cijevi.

Električna energija se proizvodi pumpanjem suspenzije kroz cijevi. Dobiveni cinkov oksid se zatim sprema u drugi odjeljak. Kad se ponovno napuni, nastavlja istim putem, a oksid se ponovno pretvara u cink.

Takve baterije mogu proizvesti više električne energije, budući da volumen tekuće elektrode može biti puno veći od volumena zračne elektrode. McDougall vjeruje da će se ova vrsta ćelija moći napuniti između dvije i deset tisuća puta.