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

Выход компактных воздушно-цинковых аккумуляторов на массовый рынок может значительно изменить ситуацию в рыночном сегменте малогабаритных источников автономного питания для портативных компьютеров и цифровых устройств.

Энергетическая проблема

а последние годы значительно увеличился парк портативных компьютеров и различных цифровых устройств, многие из которых появились на рынке совсем недавно. Этот процесс заметно ускорился в связи с увеличением популярности мобильных телефонов. В свою очередь, стремительный рост количества портативных электронных устройств вызвал серьезное увеличение спроса на автономные источники электроэнергии, в частности на различные виды батареек и аккумуляторов.

Однако необходимость обеспечения огромного количества портативных устройств элементами питания является лишь одной стороной проблемы. Так, по мере развития портативных электронных устройств увеличивается плотность монтажа элементов и мощность используемых в них микропроцессоров всего за три года тактовая частота используемых процессоров КПК возросла на порядок. На смену крошечным монохромным экранам приходят цветные дисплеи с высоким разрешением и увеличенным размером экрана. Все это приводит к росту энергопотребления. Кроме того, в сфере портативной электроники явно прослеживается тенденция к дальнейшей миниатюризации. С учетом перечисленных факторов становится вполне очевидно, что увеличение энергоемкости, мощности, долговечности и надежности используемых элементов питания является одним из важнейших условий для обеспечения дальнейшего развития портативных электронных устройств.

Весьма остро проблема возобновляемых источников автономного питания стоит в сегменте портативных ПК. Современные технологии позволяют создавать ноутбуки, практически не уступающие по своей функциональной оснащенности и производительности полноценным настольным системам. Однако отсутствие достаточно эффективных источников автономного питания лишает пользователей ноутбуков одного из главных преимуществ данного вида компьютеров мобильности. Хорошим показателем для современного ноутбука, оснащенного литий-ионным аккумулятором, является время автономной работы порядка 4 часов 1 , но для полноценной работы в мобильных условиях этого явно недостаточно (например, перелет из Москвы в Токио занимает около 10 часов, а из Москвы в Лос-Анджелес почти 15).

Одним из вариантов решения проблемы увеличения времени автономной работы портативных ПК является переход от ныне распространенных никель-металлгидридных и литий-ионных аккумуляторов к химическим топливным элементам 2 . Наиболее перспективными с точки зрения применения в портативных электронных устройствах и ПК являются топливные элементы с низкой рабочей температурой такие как PEM (Proton Exchange Membrane) и DMCF (Direct Methanol Fuel Cells). В качестве топлива для этих элементов используется водный раствор метилового спирта (метанола) 3 .

Впрочем, на данном этапе описывать будущее химических топливных элементов исключительно в розовых тонах было бы чересчур оптимистично. Дело в том, что на пути массового распространения топливных элементов в портативных электронных устройствах стоят как минимум два препятствия. Во-первых, метанол является довольно токсичным веществом, что предполагает повышенные требования к герметичности и надежности топливных картриджей. Во-вторых, для обеспечения приемлемой скорости прохождения химических реакций в топливных элементах с низкой рабочей температурой необходимо использовать катализаторы. В настоящее время в PEM- и DMCF-элементах применяются катализаторы из платины и ее сплавов, но природные запасы этого вещества невелики, а его стоимость высока. Теоретически возможно заменить платину иными катализаторами, однако пока ни одному из коллективов, занимающихся исследованиями в данном направлении, не удалось найти приемлемой альтернативы. Сегодня так называемая платиновая проблема является, пожалуй, наиболее серьезной преградой на пути широкого распространения топливных элементов в портативных ПК и электронных устройствах.

1 Имеется в виду время работы от штатного аккумулятора.

2 Подробнее о топливных элементах можно прочитать в статье «Топливные элементы: год надежд», опубликованной в № 1’2005.

3 PEM-элементы, работающие на газообразном водороде, оснащаются встроенным конвертором для получения водорода из метанола.

Воздушно-цинковые элементы

отя авторы ряда публикаций считают воздушно-цинковые батареи и аккумуляторы одним из подвидов топливных элементов, это не совсем верно. Ознакомившись с устройством и принципом работы воздушно-цинковых элементов даже в общих чертах, можно сделать вполне однозначный вывод о том, что корректнее рассматривать их именно как отдельный класс автономных источников питания.

Конструкция ячейки воздушно-цинкового элемента включает катод и анод, разделенные щелочным электролитом и механическими сепараторами. В качестве катода используется газодиффузный электрод (gas diffusion electrode, GDE), водопроницаемая мембрана которого позволяет получать кислород из циркулирующего через нее атмосферного воздуха. «Топливом» является цинковый анод, окисляющийся в процессе работы элемента, а окислителем кислород, получаемый из поступающего через «дыхательные отверстия» атмосферного воздуха.

На катоде происходит реакция электровосстановления кислорода, продуктами которой являются отрицательно заряженные гидроксид-ионы:

O 2 + 2H 2 O +4e 4OH – .

Гидроксид-ионы движутся в электролите к цинковому аноду, где происходит реакция окисления цинка с высвобождением электронов, которые через внешнюю цепь возвращаются на катод:

Zn + 4OH – Zn(OH) 4 2– + 2e.

Zn(OH) 4 2– ZnO + 2OH – + H 2 O.

Вполне очевидно, что воздушно-цинковые элементы не попадают под классификацию химических топливных элементов: во-первых, в них используется расходуемый электрод (анод), а во-вторых, топливо изначально закладывается внутрь ячейки, а не подается в ходе работы извне.

Напряжение между электродами одной ячейки воздушно-цинкового элемента составляет 1,45 В, что очень близко к аналогичному параметру щелочных (алкалиновых) батареек. При необходимости, чтобы получить более высокое напряжение питания, можно объединять несколько последовательно соединенных ячеек в батарею.

Цинк является довольно распространенным и недорогим материалом, благодаря чему при развертывании массового производства воздушно-цинковых элементов производители не будут испытывать проблем с сырьем. Кроме того, даже на начальном этапе стоимость таких источников питания будет вполне конкурентоспособной.

Немаловажно и то, что воздушно-цинковые элементы являются весьма экологичными изделиями. Материалы, применяемые для их производства, не отравляют окружающую среду и могут быть вторично использованы после переработки. Продукты реакции воздушно-цинковых элементов (вода и оксид цинка) тоже абсолютно безопасны для человека и окружающей среды оксид цинка даже применяется в качестве основного компонента детской присыпки.

Из эксплуатационных свойств воздушно-цинковых элементов стоит отметить такие достоинства, как низкая скорость саморазряда в неактивированном состоянии и малое изменение величины напряжения по мере разряда (плоская разрядная кривая).

Определенным недостатком воздушно-цинковых элементов является влияние относительной влажности поступающего воздуха на характеристики элемента. Например, у воздушно-цинкового элемента, рассчитанного на эксплуатацию в условиях относительной влажности воздуха 60%, при увеличении влажности до 90% срок службы уменьшается примерно на 15%.

От батарей к аккумуляторам

аиболее простым в реализации вариантом воздушно-цинковых элементов являются одноразовые батареи. При создании воздушно-цинковых элементов большого размера и мощности (например, предназначенных для питания силовых установок транспортных средств) кассеты цинковых анодов можно делать заменяемыми. В этом случае для возобновления запаса энергии достаточно изъять кассету с отработавшими электродами и установить вместо нее новую. Отработанные электроды можно восстанавливать для повторного применения электрохимическим способом на специализированных предприятиях.

Если же говорить о компактных элементах питания, пригодных для использования в портативных ПК и электронных устройствах, то здесь практическая реализация варианта с заменяемыми кассетами цинковых анодов невозможна из-за небольшого размера батарей. Именно поэтому большинство представленных в настоящее время на рынке компактных воздушно-цинковых элементов являются одноразовыми. Однократно используемые воздушно-цинковые элементы питания небольшого размера выпускают компании Duracell, Eveready, Varta, Matsushita, GP, а также отечественное предприятие «Энергия». Основная сфера применения подобных источников питания слуховые аппараты, портативные радиостанции, фототехника и т.п.

В настоящее время многие компании производят одноразовые воздушно-цинковые батареи

Несколько лет тому назад компания AER выпускала плоские воздушно-цинковые батареи Power Slice, предназначенные для портативных компьютеров. Эти элементы были разработаны для ноутбуков серий Omnibook 600 и Omnibook 800 компании Hewlett-Packard; время их автономной работы составляло от 8 до 12 часов.

В принципе существует и возможность создания и перезаряжаемых воздушно-цинковых элементов (аккумуляторов), в которых при подключении внешнего источника тока на аноде будет протекать реакция восстановления цинка. Однако практическому воплощению подобных проектов долгое время препятствовали серьезные проблемы, обусловленные химическими свойствами цинка. Оксид цинка хорошо растворяется в щелочном электролите и в растворенном виде распределяется по всему объему электролита, удаляясь от анода. Из-за этого при зарядке от внешнего источника тока в значительной степени изменяется геометрия анода: восстанавливаемый из оксида цинк осаждается на поверхности анода в виде ленточных кристаллов (дендритов), по форме похожих на длинные шипы. Дендриты пронзают насквозь сепараторы, вызывая короткое замыкание внутри батареи.

Данная проблема усугубляется тем, что для повышения мощности аноды воздушно-цинковых элементов изготавливаются из измельченного порошкового цинка (это позволяет значительно увеличить площадь поверхности электрода). Таким образом, по мере увеличения количества циклов заряда-разряда площадь поверхности анода будет постепенно уменьшаться, оказывая негативное влияние на рабочие характеристики элемента.

К настоящему времени наибольших успехов в области создания компактных воздушно-цинковых аккумуляторов удалось достичь компании Zinc Matrix Power (ZMP). Специалисты ZMP разработали уникальную технологию Zinc Matrix, которая позволила решить основные проблемы, возникающие в процессе заряда аккумуляторов. Суть этой технологии заключается в использовании полимерного связующего вещества, которое обеспечивает беспрепятственное проникновение гидроксид-ионов, но при этом блокирует перемещение растворяющегося в электролите оксида цинка. Благодаря использованию этого решения удается избежать заметного изменения формы и площади поверхности анода на протяжении как минимум 100 циклов заряда-разряда.

Достоинствами воздушно-цинковых аккумуляторов являются длительное время работы и большая удельная энергоемкость, как минимум вдвое превышающая аналогичные показатели лучших литий-ионных аккумуляторов. Удельная энергоемкость воздушно-цинковых аккумуляторов достигает 240 Вт·ч на 1 кг веса, а максимальная мощность 5000 Вт/кг.

По данным разработчиков ZMP, сегодня возможно создание воздушно-цинковых аккумуляторов для портативных электронных устройств (мобильных телефонов, цифровых плееров и т.п.) с энергоемкостью порядка 20 Вт·ч. Минимально возможная толщина подобных источников питания составляет всего 3 мм. Экспериментальные же прототипы воздушно-цинковых аккумуляторов для ноутбуков обладают энергоемкостью от 100 до 200 Вт·ч.

Прототип воздушно-цинкового аккумулятора, созданный специалистами компании Zinc Matrix Power

Еще одно важное достоинство воздушно-цинковых аккумуляторов полное отсутствие так называемого эффекта памяти. В отличие от других типов аккумуляторов, воздушно-цинковые элементы можно подзаряжать при любом уровне заряда, причем без ущерба для их энергоемкости. Кроме того, в отличие от литиевых аккумуляторов воздушно-цинковые элементы являются гораздо более безопасными.

В заключение нельзя не упомянуть об одном важном событии, которое стало символической отправной точкой на пути коммерциализации воздушно-цинковых элементов: 9 июня прошедшего года Zinc Matrix Power официально объявила о подписании стратегического соглашения с корпорацией Intel. В соответствии с пунктами данного соглашения ZMP и Intel объединят свои усилия в области разработки новой технологии аккумуляторных батарей для портативных ПК. Среди основных целей этих работ увеличение времени автономной работы ноутбуков до 10 часов. Согласно имеющемуся плану, первые модели оснащенных воздушно-цинковыми аккумуляторами ноутбуков должны появиться в продаже уже в 2006 году.

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 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.

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.