Войти
| Удельная энергия | 470 (практическая), 1370 (теоретическая) Wh /kg ( 1,692, 4,932 МДж / кг) |
|---|---|
| Плотность энергии | 1480-9780 Wh /L (5,328–35,21 МДж / л) |
| Удельная мощность | 100 W /kg |
| Номинальное напряжение элемента | 1.65 V |
Цинково-воздушные батареи для слуховых аппаратов Цинково-воздушные батареи (неперезаряжаемые) и цинково-воздушные топливные элементы (механически перезаряжаемые) металл-воздушные батареи с питанием от окисления цинка кислородом из воздуха. Эти батареи имеют высокую удельную энергию и относительно недороги в производстве. Размеры варьируются от очень маленьких кнопочных элементов для слуховых аппаратов, больших батареек, используемых в пленочных фотоаппаратах, в которых ранее использовались ртутные батареи, до очень больших батареи, используемые для электромобиля приведения в движение и накопителя энергии в масштабе сети.
Во время разряда масса частиц цинка образует пористый анод, который насыщен электролит. Кислород из воздуха реагирует на катоде и образует гидроксильные ионы, которые мигрируют в цинковую пасту и образуют цинкат (Zn (OH). 4), высвобождая электроны перемещаются к катоду. Цинкат распадается на оксид цинка, и вода возвращается в электролит. Вода и гидроксил из анода рециркулируют на катоде, поэтому вода не расходуется. В результате реакции вырабатывается теоретическое значение 1,65 В, но оно снижается до 1,35–1,4 В в доступных ячейках.
Цинково-воздушные батареи обладают некоторыми свойствами топливных элементов, а также батарей: цинк является топливом, скорость реакции можно контролировать, изменяя поток воздуха, и окисленный цинк / электролит пасту можно заменить свежей пастой.
Воздушно-цинковые батареи можно использовать для замены снятых с производства 1,35 В ртутных батарей (хотя и со значительно меньшим сроком службы), которые с 1970-х по 1980-е годы обычно использовались в фотоаппаратах и слуховые аппараты.
Возможные будущие применения этой батареи включают ее развертывание в качестве батареи для электромобиля и в качестве системы накопления энергии в масштабе коммунального предприятия.
Влияние кислорода было известно в начале XIX века, когда Аккумуляторы Leclanche с мокрыми элементами поглощали атмосферный кислород в углеродный катодный токосъемник. В 1878 году было обнаружено, что пористый платинированный углеродно-воздушный электрод работает так же, как диоксид марганца (MnO. 2) ячейки Лекланша. Коммерческие продукты начали изготавливаться на этом принципе в 1932 году, когда Джордж У. Хейз и Эрвин А. Шумахер из National Carbon Company построили ячейки, обрабатывая угольные электроды воском для предотвращения затопления. Этот тип до сих пор используется для больших цинково-воздушных ячеек для средств навигации и железнодорожного транспорта. Однако текущая емкость мала, а элементы громоздки.
Большие первичные цинк-воздушные ячейки, такие как Thomas A. Edison Industries типа Carbonaire, использовались для железнодорожной сигнализации, удаленных узлов связи и навигационных буев. Это были долгосрочные заявки с низким тарифом. Разработка в 1970-х годах тонких электродов на основе исследований топливных элементов позволила применять их в небольших кнопочных и призматических первичных элементах для слуховых аппаратов, пейджеров и медицинских устройств, особенно сердечная телеметрия.
.
Анимация работы цинково-воздушной ячейки химические уравнения для цинк-воздушной ячейки:
Воздушно-цинковые батареи нельзя использовать в герметичных батарейный отсек, так как должен поступать воздух; кислород в 1 литре воздуха требуется на каждый ампер-час используемой емкости.
Цинково-воздушные батареи имеют более высокую плотность энергии и удельную энергию (и вес), чем батареи других типов, потому что атмосферный воздух является одним из реагентов батареи. Воздух не упакован с аккумулятором, поэтому элемент может использовать больше цинка на аноде, чем элемент, который также должен содержать, например, диоксид марганца. Это увеличивает вместимость для данного веса или объема. В качестве конкретного примера, воздушно-цинковая батарея диаметром 11,6 мм и высотой 5,4 мм от одного производителя имеет емкость 620 мАч и вес 1,9 г; различные элементы из оксида серебра (SR44) и щелочные элементы одинакового размера обеспечивают мощность 150–200 мАч и вес 2,3–2,4 г.
Цинково-воздушные элементы имеют длительный срок хранения, если запечатаны, чтобы не пропускать воздух; даже миниатюрные кнопочные элементы можно хранить до 3 лет при комнатной температуре с небольшой потерей емкости, если не удалить их пломбу. Промышленные элементы, хранящиеся в сухом состоянии, имеют неограниченный срок хранения.
Срок службы воздушно-цинкового элемента является важной функцией его взаимодействия с окружающей средой. Электролит быстрее теряет воду в условиях высокой температуры и низкой влажности. Поскольку гидроксид калия электролит расплывается, в очень влажных условиях избыток воды накапливается в элементе, затопляя катод и разрушая его активные свойства. Гидроксид калия также реагирует с атмосферным диоксидом углерода ; карбонатное образование в конечном итоге снижает проводимость электролита. Миниатюрные элементы имеют высокий саморазряд при открытии на воздух; емкость элемента рассчитана на использование в течение нескольких недель.
Поскольку катод не меняет своих свойств во время разряда, напряжение на клемме остается достаточно стабильным до тех пор, пока клетка приближается к истощению.
Мощность является функцией нескольких переменных: площадь катода, доступность воздуха, пористость и каталитическая ценность поверхности катода. Поступление кислорода в ячейку должно быть сбалансировано с учетом потери воды электролитом; катодные мембраны покрыты (гидрофобным ) тефлоновым материалом для ограничения потери воды. Низкая влажность увеличивает потери воды; если потеряно достаточно воды, ячейка выйдет из строя. Кнопочные элементы имеют ограниченный ток утечки; например, элемент IEC PR44 имеет емкость 600 миллиампер-часов (мАч ), но максимальный ток составляет всего 22 миллиампера (мА). Токи импульсной нагрузки могут быть намного выше, поскольку некоторое количество кислорода остается в элементе между импульсами.
Низкая температура снижает емкость первичного элемента, но эффект незначителен для малых стоков. Ячейка может обеспечить 80% своей емкости при разряде более 300 часов при 0 ° C (32 ° F), но только 20% емкости при разряде 50 часов при этой температуре. Более низкая температура также снижает напряжение элемента.
Поперечное сечение цинково-воздушной кнопочной ячейки. A: сепаратор, B: анод и электролит из цинкового порошка, C: анодная банка, D: изолирующая прокладка, E: катодная банка, F: воздушное отверстие, G: катодный катализатор и токоприемник, H: воздухораспределительный слой, I: полупроницаемый мембрана Большие воздушно-цинковые батареи емкостью до 2 000 ампер-часов на элемент используются для питания навигационных приборов и габаритных огней, океанографических экспериментов и железнодорожных сигналов.
Первичные ячейки имеют формат кнопки примерно до 1 Ач. Призматические формы для портативных устройств производятся емкостью от 5 до 30 Ач. Катоды гибридных ячеек включают диоксид марганца для обеспечения высоких пиковых токов.
Кнопочные элементы очень эффективны, но трудно расширить ту же конструкцию до больших размеров из-за характеристик диффузии воздуха, рассеивания тепла и проблем утечки. Эти проблемы решаются в конструкциях призматических и цилиндрических ячеек. Для укладки призматических элементов в стопку требуются воздушные каналы в батарее, и может потребоваться вентилятор для нагнетания воздуха через батарею.
Заряжаемые цинково-воздушные элементы требуют осаждения цинка из батареи на водной основе. электролит необходимо тщательно контролировать. Проблемы включают образование дендритов, неоднородное растворение цинка и ограниченную растворимость в электролитах. Электрически реверсирование реакции на бифункциональном воздушном катоде для высвобождения кислорода из продуктов реакции разряда затруднено; мембраны, протестированные на сегодняшний день, имеют низкую общую эффективность. Напряжение заряда намного выше, чем напряжение разряда, что обеспечивает энергоэффективность цикла всего на 50%. Обеспечение функций заряда и разряда отдельными однофункциональными катодами увеличивает размер, вес и сложность элемента. Удовлетворительная электрически заряженная система потенциально предлагает низкие материальные затраты и высокую удельную энергию. По состоянию на 2014 год только у одной компании есть коммерческие единицы для продажи, как описано в Dept. of Energy выпустила видео на ARPA-e Energy Innovation Summit в 2013 году. Fluidic Energy, по-видимому, охватила сотни тысяч отключений в Азии на распределенных объектах критической нагрузки. EOS Energy Storage развернула систему на 1 МВтч для микросети на станции очистки сточных вод в Нью-Джерси и ранее протестировала приложения резервного копирования в масштабе сети. утверждает, что разработал элементы с характеристиками, подходящими как для стационарного хранения, так и для мобильных приложений.
Перезаряжаемые системы могут механически заменять анод и электролит, по сути, работая как восстанавливаемый первичный элемент, или могут используйте цинковый порошок или другие методы для пополнения реагентов. Системы с механической подзарядкой были исследованы для использования в военной электронике в 1960-х годах из-за высокой плотности энергии и легкости подзарядки. Однако первичные литиевые батареи обеспечивают более высокую скорость разряда и более простое обращение.
Механические системы подзарядки разрабатывались десятилетиями для использования в электромобилях. Некоторые подходы используют большую воздушно-цинковую батарею для поддержания заряда батареи с высокой скоростью разряда, используемой для пиковых нагрузок во время ускорения. Реагентом служат гранулы цинка. Перезарядка автомобилей осуществляется путем замены использованного электролита и обедненного цинка на свежие реагенты на станции технического обслуживания.
Термин цинково-воздушный топливный элемент обычно относится к воздушно-цинковой батарее, в которую добавлен металлический цинк и непрерывно удаляется оксид цинка. Паста или гранулы цинкового электролита проталкиваются в камеру, а отработанный оксид цинка закачивается в резервуар для отходов или баллон внутри топливного бака. Свежая цинковая паста или гранулы берутся из топливного бака. Отходы оксида цинка вывозятся на АЗС на переработку. В качестве альтернативы этот термин может относиться к электрохимической системе, в которой цинк является сореагентом, способствующим преобразованию углеводородов на аноде топливного элемента.
Преимущества механических систем подзарядки по сравнению с аккумуляторными батареями включают разделение энергии и силовых компонентов, что обеспечивает гибкость конструкции для различных требований к скорости заряда, разряда и энергоемкости.
.
оксид кобальта / углеродные нанотрубки гибридный катализатор восстановления кислорода и катодные катализаторы выделения кислорода с двойным гидроксидом никель-железо проявляют более высокую каталитическую активность и долговечность в концентрированных щелочных электролитах, чем драгоценный металл платина и Иридиевые катализаторы. Полученная первичная воздушно-цинковая батарея показала пиковую плотность мощности ~ 265 мВт / см, плотность тока ~ 200 мА / см при 1 В и плотность энергии>700 Вт · ч / кг.
Перезаряжаемые Zn-воздушные батареи в конфигурация с тремя электродами продемонстрировала беспрецедентно малую поляризацию напряжения заряда-разряда ~ 0,70 В при 20 мА / см, высокую обратимость и стабильность при длительных циклах заряда и разряда.
В 2015 году исследователи объявили о углеродной основе., безметалловый электрокатализатор, который эффективно работает как в реакциях восстановления, так и в реакции оксигенации. Органическое соединение анилин, полимеризованное с образованием длинных цепей в растворе фитиновой кислоты, сушили вымораживанием с получением стабильного мезопористого углеродного аэрогеля с порами 2–50 нм, обеспечение большой площади поверхности и места для диффузии электролита батареи. Исследователи пиролизовали аэрогель до 1000 градусов Цельсия, превратив пену в графитовую сеть с множеством каталитических графеновых краев. Анилин легировал пену азотом, что усиливает восстановление. Фитиновая кислота насыщает пену фосфором, способствуя выделению кислорода. Пена имеет площадь поверхности ~ 1663 м 2 / г. Первичные батареи продемонстрировали потенциал холостого хода 1,48 В, удельную емкость 735 мАч / г (Zn) (плотность энергии 835 Втч / кг (Zn)), пиковую удельную мощность 55 мВт / см³ и стабильная работа в течение 240 часов после механической подзарядки. Двухэлектродные аккумуляторные батареи стабильно работают в течение 180 циклов при 2 мА / см.
Металлический цинк можно использовать в качестве альтернативного топлива для транспортных средств. в воздушно-цинковой батарее или для выработки водорода вблизи места использования. Характеристики цинка вызвали значительный интерес как источник энергии для электромобилей. Компания Gulf General Atomic продемонстрировала автомобильный аккумулятор мощностью 20 кВт. General Motors проводила испытания в 1970-х годах. Ни один из проектов не привел к коммерческому продукту.
Помимо жидкости, пеллеты могли быть сформированы, достаточно малые для перекачивания. Топливные элементы, использующие гранулы, смогут быстро заменить оксид цинка свежим металлическим цинком. Использованный материал может быть переработан. Цинк-воздушный элемент - это первичный элемент (неперезаряжаемый); переработка необходима для восстановления цинка; Для восстановления цинка требуется гораздо больше энергии, чем можно использовать в автомобиле.
Одним из преимуществ использования воздушно-цинковых батарей для приведения в движение транспортных средств является то, что запасы металлического цинка на Земле в 100 раз больше, чем запасы лития на единицу энергии батареи. Текущее ежегодное мировое производство цинка достаточно для производства цинково-воздушных батарей для питания более одного миллиарда электромобилей, тогда как текущего производства лития достаточно только для производства десяти миллионов литий-ионных транспортных средств. Примерно 35% мировых запасов или 1,8 гигатонны запасов цинка находятся в Соединенных Штатах, в то время как в США находится только 0,38% известных запасов лития.
.
Батарея Eos Energy System составляет примерно половину размера транспортного контейнера и обеспечивает хранение 1 МВтч. Con Edison, National Grid, Enel и GDF SUEZ начали испытания аккумуляторной батареи для хранения в сети. Con Edison и Городской университет Нью-Йорка испытывают батарею на основе цинка от Urban Electric Power в рамках программы Управления энергетических исследований и развития штата Нью-Йорк. Eos прогнозирует, что стоимость хранения электроэнергии с такими батареями EOS составляет 160 долларов США / кВтч, и что они будут обеспечивать электроэнергию дешевле, чем новая пиковая электростанция, работающая на природном газе. Стоимость других аккумуляторных технологий варьируется от 400 до 1000 долларов за киловатт-час.
Попытки устранить ограничения цинк-воздух включают:
Цинк коррозия может привести к образованию потенциально взрывоопасного водорода. Вентиляционные отверстия предотвращают повышение давления внутри ячейки. Производители предостерегают от накопления водорода в закрытых помещениях. Короткозамкнутый элемент дает относительно низкий ток. Глубокий разряд ниже 0,5 В / элемент может привести к утечке электролита; малая полезная емкость ниже 0,9 В / элемент.
В более старых конструкциях для предотвращения коррозии цинка использовалась ртутная амальгама, составляющая около 1% веса кнопочного элемента. Новые типы не содержат ртути. Сам цинк относительно не токсичен. Конструкции, не содержащие ртути, не требуют особого обращения при утилизации или утилизации.
В водах США экологические нормы теперь требуют надлежащей утилизации первичных батарей, снятых с навигационных средств. Раньше выброшенные первичные цинково-воздушные батареи сбрасывались в воду вокруг буев, что позволяло ртути попадать в окружающую среду.
Энергетический портал 