Cinkov zrak. Po prvi put su stvorene punjive cink-zrak baterije. Moderan izgled
Dugotrajni opseg primjene cink zračne baterije nije otišao dalje od medicine. Njihov veliki kapacitet i dug radni vijek (u neaktivnom stanju) omogućili su im da lako zauzmu nišu jednokratnih baterija za slušna pomagala. No posljednjih godina došlo je do velikog porasta interesa za ovu tehnologiju među proizvođačima automobila. Neki smatraju da je pronađena alternativa litiju. Je li tako?
Baterija cink-zrak za električno vozilo može se konstruirati na sljedeći način: elektrode se umetnu u spremnik podijeljen na odjeljke, na kojima se adsorbira i reducira kisik iz zraka, kao i posebne uklonjive kasete ispunjene anodnim potrošnim materijalom, u ovom slučaju granulama cinka . Između negativne i pozitivne elektrode postavljen je separator. Kao elektrolit se može koristiti vodena otopina kalijevog hidroksida ili otopina cinkovog klorida.
Zrak koji dolazi izvana uz pomoć katalizatora stvara u vodenoj otopini elektrolita hidroksilne ione koji oksidiraju cinčanu elektrodu. Tijekom te reakcije otpuštaju se elektroni koji stvaraju električnu struju.
Prednosti
Svjetske rezerve cinka procjenjuju se na oko 1,9 gigatona. Ako sada započnemo globalnu proizvodnju metala cinka, tada će za nekoliko godina biti moguće sastaviti milijardu cink-zrak baterija kapaciteta 10 kWh svaka. Na primjer, trebalo bi više od 180 godina da se stvori ista količina u trenutnim uvjetima rudarenja litija. Dostupnost cinka također će smanjiti cijenu baterija.
Također je vrlo važno da su cink-zračne ćelije, koje imaju transparentnu shemu recikliranja otpadnog cinka, ekološki prihvatljivi proizvodi. Materijali koji se ovdje koriste ne truju okoliš i mogu se reciklirati. Produkt reakcije cink-zračnih baterija (cinkov oksid) također je apsolutno siguran za ljude i njihovu okolinu. Nije uzalud što se cinkov oksid koristi kao glavna komponenta dječjeg pudera.
Glavna prednost, zahvaljujući kojoj proizvođači električnih vozila gledaju na ovu tehnologiju s nadom, jest visoka gustoća energije (2-3 puta veća od Li-ion). Energetski intenzitet cink-zraka već doseže 450 Wh/kg, ali teoretska gustoća može biti 1350 Wh/kg!
Mane
Budući da ne vozimo električna vozila s cink-zrak baterijama, postoje nedostaci. Prvo, teško je učiniti takve ćelije punjivim s dovoljnim brojem ciklusa pražnjenja/punjenja. Tijekom rada cink-zračne baterije, elektrolit se jednostavno isušuje ili prodire preduboko u pore zračne elektrode. A budući da je taloženi cink neravnomjerno raspoređen, tvoreći razgranatu strukturu, često dolazi do kratkih spojeva između elektroda.
Znanstvenici pokušavaju pronaći izlaz. Američka tvrtka ZAI riješila je ovaj problem jednostavnom zamjenom elektrolita i dodavanjem svježih cinkovih uložaka. Naravno, to će zahtijevati razvijenu infrastrukturu benzinskih postaja, gdje će se oksidirani aktivni materijal u anodnoj kaseti zamijeniti svježim cinkom.
Iako ekonomska komponenta projekta još nije razrađena, proizvođači tvrde da će trošak takvog "punjenja" biti znatno niži od punjenja goriva u automobilu s motorom s unutarnjim izgaranjem. Osim toga, proces izmjene aktivnog materijala neće trajati više od 10 minuta. Čak i oni superbrzi moći će napuniti samo 50% svog potencijala tijekom istog vremena. Prošle je godine korejska tvrtka Leo Motors već demonstrirala ZAI cink-zrak baterije na svom električnom kamionu.
Švicarska tehnološka tvrtka ReVolt također radi na poboljšanju Zinc-Air baterije. Predložila je posebne dodatke za želiranje i adstringente koji kontroliraju vlažnost i oblik cinčane elektrode, kao i nove katalizatore koji značajno poboljšavaju rad ćelija.
Međutim, inženjeri iz obje tvrtke nisu uspjeli prevladati granicu od 200 ciklusa pražnjenja/punjenja cink-zrak. Stoga je prerano govoriti o cink-zrak ćelijama kao baterijama za električna vozila.
Element mangan-cink. (1) metalna kapica, (2) grafitna elektroda (“+”), (3) cinkova čašica (“”), (4) manganov oksid, (5) elektrolit, (6) metalni kontakt. Element mangan-cink, ... ... Wikipedia
RC 53M (1989) Živino-cink ćelija ("RC tip") galvanska ćelija u kojoj je cink anoda ... Wikipedia
Oxyride baterija Oxyride™ baterije su zaštitni znak za jednokratne (nepunjive) baterije koje je razvio Panasonic. Osmišljeni su posebno za uređaje s velikom potrošnjom energije... Wikipedia
Normalni Westonov element, element žive i kadmija, je galvanski element, čija je emf vrlo stabilna tijekom vremena i ponovljiva od instance do instance. Koristi se kao izvor referentnog napona (VR) ili standard napona... ... Wikipedia
SC 25 Srebrno-cink baterija je sekundarni kemijski izvor struje, baterija u kojoj je anoda srebrov oksid, u obliku prešanog praha, katoda je smjesa ... Wikipedia
Minijaturne baterije različitih veličina Minijaturna baterija, baterija veličine gumba, prvi put je naširoko korištena u elektroničkim ručnim satovima, stoga se također naziva ... Wikipedia
Živo-cinkov članak (“RC tip”) je galvanski članak u kojem je anoda cink, katoda živin oksid, a elektrolit otopina kalijevog hidroksida. Prednosti: konstantan napon i veliki energetski intenzitet i gustoća energije. Nedostaci: ... ... Wikipedia
Galvanski članak mangan-cink u kojem se kao katoda koristi mangan-dioksid, kao anoda cink u prahu, a kao elektrolit otopina lužine, obično kalijev hidroksid. Sadržaj 1 Povijest izuma ... Wikipedia
Nikal-cink baterija je kemijski izvor struje u kojem je cink anoda, kalijev hidroksid s dodatkom litijevog hidroksida je elektrolit, a nikal oksid je katoda. Često skraćeno NiZn. Prednosti: ... ... Wikipedia
U petom broju našeg časopisa rekli smo vam kako sami napraviti plinsku bateriju, au šestom olovno-potašnu. 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 tijekom pražnjenja. 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.
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 proizvodni model koji je testiran u proteklih šest godina "na tisućama različitih lokacija". 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 jeftini sustav za pohranu energije omogućit će "transformaciju električne mreže u sustav koji radi 24 sata dnevno, 100% bez ugljika", odnosno u potpunosti se temelji na obnovljivim izvorima energije.
Cink-zrak baterije nisu nove; izumljene su još u 19. stoljeću i naširoko se koriste od 30-ih godina prošlog stoljeća. Glavne primjene ovih izvora napajanja su slušna pomagala, prijenosni radio uređaji, fotografska oprema... Određeni znanstveni i tehnički problem uzrokovan kemijskim svojstvima cinka bilo je stvaranje punjivih baterija. Očigledno je ovaj problem sada uglavnom prevladan. 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.
Puštanje kompaktnih cink-zrak baterija na masovno tržište može značajno promijeniti situaciju u segmentu tržišta malih autonomnih izvora napajanja za prijenosna računala i digitalnih uređaja.
Energetski problem
a posljednjih godina znatno 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 taktna frekvencija korištenih PDA procesora porasla je za red veličine. Sićušne jednobojne zaslone zamjenjuju zasloni u boji s visoka rezolucija i povećanu veličinu zaslona. Sve to dovodi do povećanja potrošnje energije. Osim toga, postoji jasan trend prema daljnjoj minijaturizaciji u području prijenosne elektronike. Uzimajući u obzir ove čimbenike, postaje sasvim očito da je povećanje energetske intenzivnosti, snage, trajnosti i pouzdanosti korištenih baterija jedan od najvažnijih uvjeta za osiguranje daljnjeg razvoja prijenosnih elektroničkih uređaja.
Problem obnovljivih autonomnih izvora energije vrlo je akutan u segmentu prijenosnih računala. Moderne tehnologije omogućuju vam 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 gotovo 15).
Jedna od opcija za rješavanje problema povećanja vremena život baterije prijenosna računala je pomak od 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 ove 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, kako bi se osigurale prihvatljive brzine kemijskih reakcija u gorivim ćelijama s niskim radnim temperaturama, potrebno je koristiti katalizatore. 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 se s dizajnom i principom rada elemenata cink-zrak, čak i općenito, možemo potpuno nedvosmisleno zaključiti da ih je ispravnije smatrati zasebnom klasom 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 kroz vanjski krug vraćeno na katodu:
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, dobiti više visoki napon napajanje, možete kombinirati nekoliko serijski spojenih ćelija 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. Produkti reakcije 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 cinkovih zračnih elemenata, vrijedi istaknuti takve prednosti kao što su mala brzina samopražnjenje u neaktiviranom stanju i mala promjena vrijednosti napona kako pražnjenje napreduje (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. Pri stvaranju elemenata cink-zrak velike veličine i snage (na primjer, namijenjenih pogonu elektrana vozila), kazete s cinkovom anodom mogu se učiniti 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 prikladnim za korištenje u prijenosnim računalima i elektroničkim uređajima, tada je praktična provedba opcije s izmjenjivim kazetama s cinkovom anodom nemoguća 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 spoji 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 prodiru kroz 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 tijekom 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 je 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 efekta pamćenja. Za razliku od drugih vrsta baterija, cink-zrak ćelije mogu se puniti pri bilo kojoj razini napunjenosti bez ugrožavanja njihovog energetskog kapaciteta. Štoviše, za razliku od litijske baterije Cink-zračne ćelije su mnogo sigurnije.
Zaključno, nemoguće je ne spomenuti jedan važan događaj, koji je postao simbolična polazna točka na putu komercijalizacije cink-zračnih ćelija: 9. lipnja prošle godine, Zinc Matrix Power službeno je najavio potpisivanje strateškog sporazuma s Intelom. Korporacija. 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 trenutnom planu, prvi modeli prijenosnih računala opremljeni cink-zrak baterijama trebali bi se pojaviti u prodaji 2006. godine.