Как сделать воздушно цинковый аккумулятор. Воздушно-цинковый элемент. Комфорт использования и стабильная работа аппаратов

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.

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.

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 .

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

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.