Jaunums solās trīs reizes pārspēt litija jonu akumulatorus enerģijas patēriņa ziņā un vienlaikus maksāt uz pusi lētāk.
Ņemiet vērā, ka tagad cinka-gaisa baterijas tiek ražotas tikai vienreizējās lietošanas šūnu veidā vai "uzlādējamas" manuāli, tas ir, mainot kārtridžu. Starp citu, šāda veida akumulatori ir drošāki par litija jonu, jo nesatur gaistošas vielas un attiecīgi nevar aizdegties.
Galvenais šķērslis, lai izveidotu uzlādējamas opcijas no tīkla - tas ir, akumulatori - ir strauja ierīces degradācija: elektrolīts tiek deaktivizēts, oksidācijas-reducēšanas reakcijas palēninās un pilnībā apstājas jau pēc dažiem uzlādes cikliem.
Lai saprastu, kāpēc tas notiek, vispirms jāapraksta gaisa-cinka elementu darbības princips. Akumulators sastāv no gaisa un cinka elektrodiem un elektrolīta. Izlādes laikā gaiss, kas nāk no ārpuses, ne bez katalizatoru palīdzības, ūdens elektrolīta šķīdumā veido hidroksiljonus (OH -).
Tie oksidē cinka elektrodu. Šīs reakcijas laikā elektroni tiek atbrīvoti, veidojot strāvu. Kamēr akumulators tiek uzlādēts, process notiek otrā puse: Pie gaisa elektroda tiek ražots skābeklis.
Iepriekš uzlādējamā akumulatora darbības laikā ūdens elektrolīta šķīdums bieži vienkārši izžuva vai pārāk dziļi iekļuva gaisa elektroda porās. Turklāt nogulsnētais cinks tika sadalīts nevienmērīgi, veidojot sazarotu struktūru, kuras dēļ starp elektrodiem sāka rasties īssavienojumi.
Jaunumam nav šo trūkumu. Īpašas želējošas un savelkošas piedevas kontrolē cinka elektroda mitrumu un formu. Turklāt zinātnieki ir ierosinājuši jaunus katalizatorus, kas arī būtiski uzlaboja elementu veiktspēju.
Līdz šim labākā prototipu veiktspēja nepārsniedz simtiem uzlādes ciklu (ReVolt foto).
ReVolt izpilddirektors Džeimss Makdugals uzskata, ka pirmie produkti, atšķirībā no pašreizējiem prototipiem, tiks uzlādēti līdz pat 200 reizēm, un drīzumā varēs sasniegt 300-500 ciklu atzīmi. Šis indikators ļaus elementu izmantot, piemēram, mobilajos tālruņos vai klēpjdatoros.
Jaunā akumulatora prototips tika izstrādāts Norvēģijas pētniecības fondā SINTEF, savukārt ReVolt produktu komercializē (ReVolt ilustrācija).
ReVolt izstrādā arī cinka gaisa akumulatorus elektriskajiem transportlīdzekļiem. Šādi produkti atgādina kurināmā elementus. Tajos esošā cinka suspensija pilda šķidruma elektroda lomu, savukārt gaisa elektrods sastāv no cauruļu sistēmas.
Elektroenerģija tiek ražota, sūknējot suspensiju caur caurulēm. Pēc tam iegūtais cinka oksīds tiek uzglabāts citā nodalījumā. Uzlādējot, tas iet pa to pašu ceļu, un oksīds atkal pārvēršas cinkā.
Šādas baterijas var ražot vairāk elektroenerģijas, jo šķidruma elektroda tilpums var būt daudz lielāks nekā gaisa elektroda tilpums. McDougall uzskata, ka šāda veida šūnas var uzlādēt no diviem līdz desmit tūkstošiem reižu.
Mangāna cinka elements. (1) metāla vāciņš, (2) grafīta elektrods ("+"), (3) cinka kauss (" "), (4) mangāna oksīds, (5) elektrolīts, (6) metāla kontakts. Mangāna cinka elements, ... ... Wikipedia
RC 53M (1989) Dzīvsudraba-cinka šūna ("RC tips") ir galvaniska šūna, kurā cinks ir anods ... Wikipedia
Oxyride akumulators Oxyride™ akumulatori ir preču zīme Panasonic izstrādātajām vienreizējās lietošanas (neuzlādējamām) baterijām. Tie ir īpaši izstrādāti ierīcēm ar lielu enerģijas patēriņu ... Wikipedia
Parastā Vestona šūna, dzīvsudraba-kadmija šūna, ir galvaniska šūna, kuras EMF laika gaitā ir ļoti stabila un reproducējama katrā gadījumā. To izmanto kā atsauces sprieguma avotu (ION) vai sprieguma standartu ... ... Wikipedia
STs 25 Sudraba-cinka akumulators ir sekundārs ķīmiskais strāvas avots, akumulators, kurā anods ir sudraba oksīds, saspiesta pulvera veidā, katods ir maisījums ... Wikipedia
Miniatūras baterijas dažāda izmēra Miniatūrs akumulators, pogas izmēra akumulators, pirmo reizi tika plaši izmantots elektronikā rokas pulkstenis, tāpēc saukta arī par ... Wikipedia
Dzīvsudraba-cinka šūna (“RC tips”) ir galvaniska šūna, kurā anods ir cinks, katods ir dzīvsudraba oksīds un elektrolīts ir kālija hidroksīda šķīdums. Priekšrocības: pastāvīgs spriegums un milzīga enerģijas intensitāte un enerģijas blīvums. Trūkumi: ... ... Vikipēdija
Mangāna-cinka elektroķīmiskā šūna, kas izmanto mangāna dioksīdu kā katodu, pulverveida cinku kā anodu un sārmu šķīdumu, parasti kālija hidroksīdu, kā elektrolītu. Saturs 1 Izgudrojumu vēsture ... Wikipedia
Niķeļa-cinka akumulators ir ķīmisks strāvas avots, kurā cinks ir anods, kālija hidroksīds ar litija hidroksīdu kā elektrolītu un niķeļa oksīds kā katods. Bieži saīsināti kā NiZn. Priekšrocības: ... ... Wikipedia
Kompakto cinka-gaisa bateriju ienākšana masu tirgū var būtiski mainīt situāciju maza izmēra avotu tirgus segmentā autonoms barošanas avots portatīvajiem datoriem un digitālajām ierīcēm.
enerģijas problēma
bet pēdējie gadi ievērojami palielinājies portatīvo datoru un dažādu digitālo ierīču parks, no kuriem daudzi tirgū parādījušies pavisam nesen. Šis process ir ievērojami paātrinājies, jo pieaug popularitāte Mobilie tālruņi. Savukārt portatīvo elektronisko ierīču skaita straujais pieaugums izraisījis nopietnu pieprasījuma pieaugumu pēc autonomiem elektroenerģijas avotiem, jo īpaši Dažādi baterijas un akumulatori.
Tomēr nepieciešamība nodrošināt milzīgu skaitu portatīvo ierīču ar baterijām ir tikai viena problēmas puse. Tādējādi, attīstoties portatīvajām elektroniskajām ierīcēm, palielinās montāžas elementu blīvums un tajās izmantoto mikroprocesoru jauda - tikai trīs gadu laikā izmantoto PDA procesoru takts frekvence ir palielinājusies par lielumu. Mazos vienkrāsainos ekrānus nomaina augstas izšķirtspējas krāsu displeji ar lielākiem ekrāna izmēriem. Tas viss noved pie enerģijas patēriņa pieauguma. Turklāt portatīvās elektronikas jomā ir skaidra tendence uz turpmāku miniaturizāciju. Ņemot vērā iepriekš minētos faktorus, kļūst pilnīgi skaidrs, ka izmantoto akumulatoru enerģijas intensitātes, jaudas, izturības un uzticamības palielināšanās ir viena no būtiski nosacījumi nodrošināt portatīvo elektronisko ierīču tālāku attīstību.
Atjaunojamo autonomo enerģijas avotu problēma ir ļoti aktuāla portatīvo datoru segmentā. Mūsdienu tehnoloģijasļauj izveidot klēpjdatorus, kas funkcionalitātes un veiktspējas ziņā praktiski nav zemāki par pilnvērtīgām galddatoru sistēmām. Taču pietiekami efektīvu autonomo barošanas avotu trūkums klēpjdatoru lietotājiem atņem vienu no galvenajām šāda veida datoru priekšrocībām – mobilitāti. Labs rādītājs mūsdienīgam klēpjdatoram, kas aprīkots ar litija jonu akumulatoru, ir akumulatora darbības laiks aptuveni 4 stundas 1, bet pilnvērtīgu darbu mobilajos apstākļos ar to acīmredzami nepietiek (piemēram, lidojums no Maskavas uz Tokiju aizņem apmēram 10 stundas, bet no Maskavas uz Losandželosu - gandrīz 15).
Viens no laika palielināšanas problēmas risinājumiem akumulatora darbības laiks portatīvie personālie datori ir pāreja no šobrīd izplatītajām niķeļa-metāla hidrīda un litija jonu baterijām uz ķīmiskajām kurināmā elementiem 2 . Visdaudzsološākie no pielietojuma viedokļa portatīvajās elektroniskajās ierīcēs un personālajos datoros ir kurināmā elementi ar zemu Darbības temperatūra- piemēram, PEM (protonu apmaiņas membrāna) un DMCF (tiešās metanola kurināmā elementi). Kā degvielu šiem elementiem izmanto metilspirta (metanola) 3 ūdens šķīdumu.
Tomēr tālāk šis posms Būtu pārāk optimistiski raksturot ķīmisko kurināmā elementu nākotni tikai rožainā izteiksmē. Fakts ir tāds, ka vismaz divi šķēršļi kavē kurināmā elementu masas sadalījumu pārnēsājamās elektroniskās ierīcēs. Pirmkārt, metanols ir diezgan toksiska viela, kas nozīmē paaugstinātas prasības attiecībā uz degvielas kasetņu hermētiskumu un uzticamību. Otrkārt, lai nodrošinātu pieņemamu caurbraukšanas ātrumu ķīmiskās reakcijas zemas darba temperatūras kurināmā elementiem ir jāizmanto katalizatori. PEM un DMCF šūnās pašlaik tiek izmantoti katalizatori, kas izgatavoti no platīna un tā sakausējumiem, taču šīs vielas dabas resursi ir nelieli un izmaksas ir augstas. Teorētiski ir iespējams aizstāt platīnu ar citiem katalizatoriem, taču līdz šim nevienai no šī virziena pētījumos iesaistītajām komandām nav izdevies atrast pieņemamu alternatīvu. Mūsdienās tā dēvētā platīna problēma, iespējams, ir visnopietnākais šķērslis degvielas elementu plašai izmantošanai portatīvajos personālajos datoros un elektroniskajās ierīcēs.
1 Tas attiecas uz darbības laiku no standarta akumulatora.
2 Vairāk informācijas par kurināmā elementiem var atrast rakstā “Fuel cell: a year of hope”, publicēts Nr.1’2005.
3 Ūdeņraža gāzes PEM šūnas ir aprīkotas ar iebūvētu pārveidotāju ūdeņraža ražošanai no metanola.
Gaisa-cinka elementi
Lai gan vairāku publikāciju autori cinka-gaisa baterijas un akumulatorus uzskata par vienu no kurināmā elementu apakštipiem, tā nav gluži taisnība. Iepazīstoties ar ierīci un cinka-gaisa elementu darbības principu, pat in vispārīgi runājot, mēs varam izdarīt pilnīgi nepārprotamu secinājumu, ka pareizāk ir tos uzskatīt par atsevišķu autonomo enerģijas avotu klasi.
Cinka gaisa elementa konstrukcija ietver katodu un anodu, kas atdalīti ar sārmainu elektrolītu un mehāniskie separatori. Kā katods tiek izmantots gāzes difūzijas elektrods (GDE), kura caurlaidīgā membrāna ļauj iegūt skābekli no caur to cirkulējošā atmosfēras gaisa. "Degviela" ir cinka anods, kas procesā tiek oksidēts elementu darbs, un oksidētājs ir skābeklis, kas iegūts no ienākošā caur "elpošanas atverēm" atmosfēras gaiss.
Katodā notiek skābekļa elektroredukcijas reakcija, kuras produkti ir negatīvi lādēti hidroksīda joni:
O 2 + 2H 2 O + 4e 4OH -.
Hidroksīda joni elektrolītā pārvietojas uz cinka anodu, kur notiek cinka oksidēšanās reakcija, atbrīvojoties elektroniem, kas caur ārēju ķēdi atgriežas katodā:
Zn + 4OH – Zn(OH) 4 2– + 2e.
Zn(OH) 4 2– ZnO + 2OH – + H 2 O.
Ir pilnīgi skaidrs, ka cinka-gaisa šūnas neietilpst ķīmisko kurināmā elementu klasifikācijā: pirmkārt, tajās tiek izmantots patērējams elektrods (anods), un, otrkārt, degviela sākotnēji tiek ievietota elementa iekšpusē, nevis tiek piegādāta no ārpuses. darbības laikā.
Spriegums starp cinka gaisa elementa vienas šūnas elektrodiem ir 1,45 V, kas ir ļoti tuvs sārma (sārma) akumulatoru spriegumam. Ja nepieciešams, lai iegūtu lielāku barošanas spriegumu, vairākas virknē savienotas šūnas var apvienot akumulatorā.
Cinks ir diezgan izplatīts un lēts materiāls, lai, ieviešot gaisa-cinka elementu masveida ražošanu, ražotājiem nebūtu problēmas ar izejvielām. Turklāt pat sākotnējā posmā šādu barošanas avotu izmaksas būs diezgan konkurētspējīgas.
Svarīgi ir arī tas, ka gaisa-cinka elementi ir ļoti videi draudzīgi izstrādājumi. To ražošanai izmantotie materiāli nesaindē vidi un pēc apstrādes tos var izmantot atkārtoti. Arī gaisa un cinka elementu reakcijas produkti (ūdens un cinka oksīds) ir absolūti droši cilvēkiem un vide Cinka oksīds tiek izmantots pat kā galvenā sastāvdaļa bērnu pulverī.
No ekspluatācijas īpašības Ir vērts atzīmēt tādas cinka-gaisa elementu priekšrocības kā zems pašizlādes ātrums neaktivizētā stāvoklī un nelielas sprieguma vērtības izmaiņas izlādes laikā (plakana izlādes līkne).
Zināms gaisa-cinka elementu trūkums ir ienākošā gaisa relatīvā mitruma ietekme uz elementa īpašībām. Piemēram, cinka-gaisa elementam, kas paredzēts darbībai 60% relatīvā gaisa mitruma apstākļos, palielinoties mitrumam līdz 90%, kalpošanas laiks samazinās par aptuveni 15%.
No baterijām līdz akumulatoriem
Vienreizējās lietošanas baterijas ir visvieglāk ieviešamās cinka-gaisa šūnas. Veidojot gaisa-cinka elementus liels izmērs un jaudas (piemēram, paredzētas transportlīdzekļu spēkstaciju darbināšanai), cinka anoda kasetes var padarīt nomaināmas. Šajā gadījumā, lai atjaunotu enerģijas rezervi, pietiek izņemt kaseti ar izlietotajiem elektrodiem un tā vietā uzstādīt jaunu. Izlietotos elektrodus specializētos uzņēmumos var reģenerēt atkārtotai izmantošanai ar elektroķīmisko metodi.
Ja mēs runājam par kompaktajām baterijām, kas piemērotas lietošanai portatīvajos datoros un elektroniskajās ierīcēs, tad šeit praktiska īstenošana opcija ar maināmām cinka anoda kasetēm nav iespējama bateriju mazā izmēra dēļ. Tāpēc lielākā daļa šobrīd tirgū esošo kompakto cinka gaisa šūnu ir vienreizējās lietošanas. Vienreizējās lietošanas cinka gaisa baterijas mazs izmērs ražo Duracell, Eveready, Varta, Matsushita, GP, kā arī pašmāju uzņēmums Energia. Galvenais šādu barošanas avotu darbības joma ir dzirdes aparāti, pārnēsājamas radiostacijas, fototehnika utt.
Daudzi uzņēmumi tagad ražo vienreizējās lietošanas cinka gaisa baterijas.
Pirms vairākiem gadiem AER ražoja Power Slice cinka-gaisa plakanos akumulatorus portatīvajiem datoriem. Šie priekšmeti bija paredzēti Hewlett-Packard Omnibook 600 un Omnibook 800 sērijas piezīmjdatoriem; to akumulatora darbības laiks bija no 8 līdz 12 stundām.
Principā ir arī iespēja izveidot atkārtoti uzlādējamas cinka-gaisa šūnas (akumulatorus), kurās, pieslēdzot ārēju strāvas avotu, pie anoda notiks cinka reducēšanās reakcija. Tomēr šādu projektu praktiskā īstenošana ilgu laiku traucē nopietnas problēmas, ko izraisa ķīmiskās īpašības cinks. Cinka oksīds labi šķīst sārmainā elektrolītā un izšķīdinātā veidā tiek sadalīts visā elektrolīta tilpumā, attālinoties no anoda. Sakarā ar to, uzlādējot no ārēja strāvas avota, anoda ģeometrija lielā mērā mainās: no oksīda reducētais cinks tiek nogulsnēts uz anoda virsmas lentes kristālu (dendrītu) veidā, kas pēc formas ir līdzīgi gariem tapas. . Dendriti izurbjas cauri separatoriem, izraisot īssavienojumu akumulatora iekšpusē.
Šī problēma pasliktina fakts, ka, lai palielinātu jaudu, gaisa-cinka elementu anodi ir izgatavoti no sasmalcināta cinka pulvera (tas ļauj ievērojami palielināt elektroda virsmas laukumu). Tādējādi, palielinoties uzlādes-izlādes ciklu skaitam, anoda virsmas laukums pakāpeniski samazināsies, padarot Negatīvā ietekme par elementa veiktspēju.
Līdz šim Zinc Matrix Power (ZMP) ir guvis vislielākos panākumus kompakto cinka-gaisa akumulatoru jomā. ZMP eksperti ir izstrādājuši unikālu tehnoloģiju Zinc Matrix, kas ļāva atrisināt galvenās problēmas, kas rodas akumulatoru uzlādes procesā. Šīs tehnoloģijas būtība ir polimēru saistvielas izmantošana, kas nodrošina netraucētu hidroksīda jonu iespiešanos, bet tajā pašā laikā bloķē elektrolītā šķīstošā cinka oksīda kustību. Pateicoties šī risinājuma izmantošanai, ir iespējams izvairīties no manāmām anoda formas un virsmas laukuma izmaiņām vismaz 100 uzlādes-izlādes cikliem.
Cinka-gaisa akumulatoru priekšrocības ir ilgu laiku darbs un augsta īpatnējā enerģijas intensitāte, vismaz divas reizes lielāka nekā labākajiem litija jonu akumulatoriem. Cinka-gaisa akumulatoru īpatnējā enerģijas intensitāte sasniedz 240 Wh uz 1 kg svara, un maksimālā jauda ir 5000 W/kg.
Pēc ZMP izstrādātāju domām, mūsdienās ir iespējams izveidot cinka-gaisa baterijas pārnēsājamām elektroniskām ierīcēm (mobilajiem tālruņiem, digitālajiem atskaņotājiem u.c.) ar enerģētisko jaudu aptuveni 20 Wh. Minimālais iespējamais šādu barošanas avotu biezums ir tikai 3 mm. Klēpjdatoriem paredzēto cinka-gaisa bateriju eksperimentālo prototipu enerģijas jauda ir no 100 līdz 200 Wh.
Cinka gaisa akumulatora prototips, ko izstrādājis Zinc Matrix Power
Vēl viena svarīga cinka-gaisa bateriju priekšrocība ir tā sauktā atmiņas efekta pilnīga neesamība. Atšķirībā no cita veida akumulatoriem, cinka-gaisa šūnas var uzlādēt jebkurā uzlādes līmenī, nesamazinot to enerģijas ietilpību. Turklāt atšķirībā no litija baterijas gaisa-cinka elementi ir daudz drošāki.
Noslēgumā nevar nepieminēt vienu svarīgs notikums, kas kļuva par simbolisku sākumpunktu cinka gaisa šūnu komercializācijai: pagājušā gada 9. jūnijā Zinc Matrix Power oficiāli paziņoja par stratēģiskā līguma parakstīšanu ar Intel Corporation. Saskaņā ar šī līguma punktiem ZMP un Intel apvienos spēkus, izstrādājot jauna tehnoloģija uzlādējamās baterijas klēpjdatoriem. Starp galvenajiem šo darbu mērķiem ir palielināt portatīvo datoru akumulatora darbības laiku līdz 10 stundām. Saskaņā ar esošo plānu pirmajiem piezīmjdatoru modeļiem, kas aprīkoti ar cinka-gaisa baterijām, tirdzniecībā vajadzētu parādīties 2006. gadā.
Dzīvsudraba-cinka šūnās izmanto porainu cinka elektrodu, kurā ievada līdz 10% dzīvsudraba, lai samazinātu koroziju, un dzīvsudraba oksīda katodu, kas sajaukts ar grafītu. Elektrolīts ir 30...40% KOH šķīdums. Galvenie elektrodu procesi ir aprakstīti ar vienādojumiem:
Zn + 2OH − → Zn(OH) 2 + 2e − (ar sekojošu sadalīšanos
cinka hidroksīds uz ZnO un ūdeni) un
Hg + H 2 O + 2e - → Hg + 2OH -
Dzīvsudraba-cinka elementa spriegums saglabājas stabils līdz izlādes beigām ar nelielām strāvām (līdz 0,01 C N). Ar šādām strāvām tiek nodrošināts stabils spriegums pat pie 0 0 C. Tas ļauj tos izmantot kā atskaites elementus mērīšanas iekārtās. Elementi darbojas vienlīdz labi gan nepārtrauktā, gan neregulārā darbībā. Dzīvsudraba-cinka elementu tipiskie izlādes raksturlielumi parādīti 17.7. attēlā.
Šo elementu atvērtās ķēdes spriegums ir 1,35 V, darba spriegums ir 1,22 ... 1,25 V. Darba temperatūras diapazons ir no -30 līdz +70 0 C. Galīgais izlādes spriegums ir 0,9 ... 1,0 V.
Visizplatītākie ir dzīvsudraba-cinka elementi diskveida versijā (17.8. att.), kuros pozitīvais cinka elektrods 1 ir iespiests tērauda korpusā, bet negatīvais (aktīvā masa) 2 – vāciņā. Tajos nav brīvas vietas, un ūdeņradis, kas izdalās cinka korozijas laikā, tiek izvadīts caur blīvējuma blīvi 4 difūzijas ceļā. Elektrolītam nevajadzētu izplūst.
Miniatūrie dzīvsudraba-cinka elementi tika plaši izmantoti fotoiekārtās, elektroniskajos pulksteņos, kalkulatoros un medicīnas iekārtās. Tomēr vides problēmas saistībā ar dzīvsudraba toksicitāti ir izraisījušas šo elementu ražošanas pārtraukšanu. Lai tos aizstātu, ieteicams izmantot sudraba-cinka vai litija galvaniskās šūnas.
17.3.3 Sudraba-cinka elementi
Sudraba-cinka elektroķīmisko elementu elektriskās īpašības ir līdzīgas dzīvsudraba-cinka elementiem, stabilas izlādes īpašības pie augsta darba sprieguma (1,5 V) un ilgs glabāšanas laiks. Tomēr tie ir mazāk jutīgi pret palielinātu strāvas slodzi. Darba temperatūras diapazons ir no 0 līdz +40 0 C. Šie elementi ir videi visdrošākie, taču tie ir salīdzinoši dārgi.
Sudraba-cinka elementi tiek ražoti galvenokārt disku versijā un to dizains ir līdzīgs dzīvsudraba-cinka elementiem. Sudraba-cinka elementu galvenais pielietojums ir manuālie elektroniskie pulksteņi. Galveno ražotāju šādu elementu parametri ir doti 17.7. tabulā.
17.3.4 Cinka gaisa elementi
Gaisa-cinka elementi no citiem primārajiem ķīmiskajiem strāvas avotiem atšķiras ar speciālu atveri, kas tiek atvērta nodošanas ekspluatācijā laikā, lai nodrošinātu gaisa iekļūšanu elementā, kura skābeklis tiek izmantots kā oksidētājs.
Kā katods, uz kura tiek reducēts gaisa skābeklis, tiek izmantoti oglekļa elektrodi, kas modificēti ar katalizatoru. Anoda aktīvais materiāls ir cinks, elektrolīts ir KOH vai NaOH šķīdums. Kopējo strāvas ģenerēšanas reakciju elementā var uzrakstīt:
Zn +1/2 H 2 O + 2OH − + H 2 O → Zn(OH) 4 2−
Cinkam šķīstot un šķīdumam piesātinot ar cinkāta joniem, Zn(OH) 4 2− sadalās, izgulsnējot cinka oksīdu ZnO.
Šāda elementa atvērtās ķēdes spriegums ir 1,4 V, un darba spriegums ir 1,35 V. Darba temperatūras diapazons ir +10 ... +40 0 С.
M 
maza izmēra gaisa-cinka elementiem ir diska konstrukcija (17.9. att.), un tos galvenokārt izmanto dzirdes aparātiem. Anods ir izgatavots no pulverveida cinka. Katods ir plāns, izgatavots no aktīvās ogles, ogļu un katalizatora. Elektrolīts parasti ir kondensēts. Ar speciālas membrānas palīdzību gaiss pēc cauruma atvēršanas tiek vienmērīgi sadalīts pa katoda virsmu. Elektrolīts neiziet cauri hidrofobajam slānim. Šādi elementi tiek ražoti ar jaudu no 50 līdz 6300 mAh.
Baterijas, kas izgatavotas no mangāna-gaisa-cinka elementiem prizmatiskā dizainā, tiek izmantotas arī navigācijas iekārtu darbināšanai, piemēram, Liman vai Baken sērijas.
Kompakto cinka-gaisa bateriju izlaišana masu tirgum var būtiski mainīt situāciju portatīvo datoru un digitālo ierīču maza izmēra autonomo barošanas avotu tirgus segmentā.
enerģijas problēma
un pēdējos gados ievērojami pieaudzis portatīvo datoru un dažādu digitālo ierīču parks, no kuriem daudzi tirgū parādījušies pavisam nesen. Šis process ir ievērojami paātrinājies mobilo tālruņu pieaugošās popularitātes dēļ. Savukārt portatīvo elektronisko ierīču skaita straujais pieaugums izraisījis nopietnu pieprasījuma pieaugumu pēc autonomiem elektroenerģijas avotiem, īpaši pēc dažāda veida baterijām un akumulatoriem.
Tomēr nepieciešamība nodrošināt milzīgu skaitu portatīvo ierīču ar baterijām ir tikai viena problēmas puse. Tādējādi, attīstoties portatīvajām elektroniskajām ierīcēm, palielinās montāžas elementu blīvums un tajās izmantoto mikroprocesoru jauda - tikai trīs gadu laikā izmantoto PDA procesoru takts frekvence ir palielinājusies par lielumu. Mazos vienkrāsainos ekrānus nomaina augstas izšķirtspējas krāsu displeji ar lielākiem ekrāna izmēriem. Tas viss noved pie enerģijas patēriņa pieauguma. Turklāt portatīvās elektronikas jomā ir skaidra tendence uz turpmāku miniaturizāciju. Ņemot vērā iepriekš minētos faktorus, kļūst pilnīgi acīmredzams, ka izlietoto akumulatoru enerģijas intensitātes, jaudas, izturības un uzticamības palielināšana ir viens no svarīgākajiem nosacījumiem, lai nodrošinātu portatīvo elektronisko ierīču turpmāko attīstību.
Atjaunojamo autonomo enerģijas avotu problēma ir ļoti aktuāla portatīvo datoru segmentā. Mūsdienu tehnoloģijas ļauj izveidot klēpjdatorus, kas funkcionalitātes un veiktspējas ziņā praktiski neatpaliek no pilnvērtīgām galddatoru sistēmām. Taču pietiekami efektīvu autonomo barošanas avotu trūkums klēpjdatoru lietotājiem atņem vienu no galvenajām šāda veida datoru priekšrocībām – mobilitāti. Labs rādītājs mūsdienīgam klēpjdatoram, kas aprīkots ar litija jonu akumulatoru, ir akumulatora darbības laiks aptuveni 4 stundas 1 , taču ar to acīmredzami nepietiek pilnvērtīgam darbam mobilajos apstākļos (piemēram, lidojums no Maskavas uz Tokiju ilgst aptuveni 10 stundas un no Maskavas līdz Losandželosai). Andželosa - gandrīz 15).
Viens no risinājumiem portatīvo datoru akumulatoru darbības ilguma problēmai ir pāriet no pašlaik izplatītajām niķeļa-metāla hidrīda un litija jonu baterijām uz ķīmiskajām kurināmā elementiem 2 . Visdaudzsološākie no pielietojuma viedokļa portatīvajās elektroniskajās ierīcēs un personālajos datoros ir kurināmā elementi ar zemu darba temperatūru, piemēram, PEM (Proton Exchange Membrane) un DMCF (Direct Methanol Fuel Cells). Kā degvielu šiem elementiem izmanto metilspirta (metanola) 3 ūdens šķīdumu.
Tomēr šajā posmā būtu pārāk optimistiski aprakstīt ķīmisko kurināmā elementu nākotni tikai rozā krāsā. Fakts ir tāds, ka vismaz divi šķēršļi kavē kurināmā elementu masas sadalījumu pārnēsājamās elektroniskās ierīcēs. Pirmkārt, metanols ir diezgan toksiska viela, kas nozīmē paaugstinātas prasības attiecībā uz degvielas kasetņu hermētiskumu un uzticamību. Otrkārt, lai nodrošinātu pieņemamu ķīmisko reakciju ātrumu kurināmā elementos ar zemu darba temperatūru, ir nepieciešams izmantot katalizatorus. PEM un DMCF šūnās pašlaik tiek izmantoti katalizatori, kas izgatavoti no platīna un tā sakausējumiem, taču šīs vielas dabas resursi ir nelieli un izmaksas ir augstas. Teorētiski ir iespējams aizstāt platīnu ar citiem katalizatoriem, taču līdz šim nevienai no šī virziena pētījumos iesaistītajām komandām nav izdevies atrast pieņemamu alternatīvu. Mūsdienās tā dēvētā platīna problēma, iespējams, ir visnopietnākais šķērslis degvielas elementu plašai izmantošanai portatīvajos personālajos datoros un elektroniskajās ierīcēs.
1 Tas attiecas uz darbības laiku no standarta akumulatora.
2 Vairāk informācijas par kurināmā elementiem var atrast rakstā “Fuel cell: a year of hope”, publicēts Nr.1’2005.
3 Ūdeņraža gāzes PEM šūnas ir aprīkotas ar iebūvētu pārveidotāju ūdeņraža ražošanai no metanola.
Gaisa-cinka elementi
Lai gan vairāku publikāciju autori cinka-gaisa baterijas un akumulatorus uzskata par vienu no kurināmā elementu apakštipiem, tā nav gluži taisnība. Iepazīstoties ar ierīci un cinka-gaisa šūnu darbības principu, pat vispārīgi, varam izdarīt pilnīgi nepārprotamu secinājumu, ka pareizāk ir tos uzskatīt par atsevišķu autonomo enerģijas avotu klasi.
Cinka gaisa elementa konstrukcija ietver katodu un anodu, kas atdalīti ar sārmainu elektrolītu un mehāniskiem separatoriem. Kā katods tiek izmantots gāzes difūzijas elektrods (GDE), kura caurlaidīgā membrāna ļauj iegūt skābekli no caur to cirkulējošā atmosfēras gaisa. “Degviela” ir cinka anods, kas elementa darbības laikā tiek oksidēts, bet oksidētājs ir skābeklis, ko iegūst no atmosfēras gaisa, kas ieplūst caur “elpošanas atverēm”.
Katodā notiek skābekļa elektroredukcijas reakcija, kuras produkti ir negatīvi lādēti hidroksīda joni:
O 2 + 2H 2 O + 4e 4OH -.
Hidroksīda joni elektrolītā pārvietojas uz cinka anodu, kur notiek cinka oksidēšanās reakcija, atbrīvojoties elektroniem, kas caur ārēju ķēdi atgriežas katodā:
Zn + 4OH – Zn(OH) 4 2– + 2e.
Zn(OH) 4 2– ZnO + 2OH – + H 2 O.
Ir pilnīgi skaidrs, ka cinka-gaisa šūnas neietilpst ķīmisko kurināmā elementu klasifikācijā: pirmkārt, tajās tiek izmantots patērējams elektrods (anods), un, otrkārt, degviela sākotnēji tiek ievietota elementa iekšpusē, nevis tiek piegādāta no ārpuses. darbības laikā.
Spriegums starp cinka gaisa elementa vienas šūnas elektrodiem ir 1,45 V, kas ir ļoti tuvs sārma (sārma) akumulatoru spriegumam. Ja nepieciešams, lai iegūtu lielāku barošanas spriegumu, vairākas virknē savienotas šūnas var apvienot akumulatorā.
Cinks ir diezgan izplatīts un lēts materiāls, tāpēc, izvēršot cinka-gaisa elementu masveida ražošanu, ražotājiem nebūs problēmas ar izejvielām. Turklāt pat sākotnējā posmā šādu barošanas avotu izmaksas būs diezgan konkurētspējīgas.
Svarīgi ir arī tas, ka gaisa-cinka elementi ir ļoti videi draudzīgi izstrādājumi. To ražošanai izmantotie materiāli nesaindē vidi un pēc apstrādes tos var izmantot atkārtoti. Arī gaisa-cinka elementu reakcijas produkti (ūdens un cinka oksīds) ir absolūti droši cilvēkiem un videi - cinka oksīds tiek izmantots pat kā bērnu pulvera galvenā sastāvdaļa.
No cinka-gaisa elementu darbības īpašībām ir vērts atzīmēt tādas priekšrocības kā zems pašizlādes ātrums neaktivizētā stāvoklī un nelielas sprieguma vērtības izmaiņas izlādes laikā (plakana izlādes līkne).
Zināms gaisa-cinka elementu trūkums ir ienākošā gaisa relatīvā mitruma ietekme uz elementa īpašībām. Piemēram, cinka-gaisa elementam, kas paredzēts darbībai 60% relatīvā gaisa mitruma apstākļos, palielinoties mitrumam līdz 90%, kalpošanas laiks samazinās par aptuveni 15%.
No baterijām līdz akumulatoriem
Vienreizējās lietošanas baterijas ir visvieglāk ieviešamās cinka-gaisa šūnas. Veidojot liela izmēra un jaudas cinka-gaisa šūnas (piemēram, paredzētas transportlīdzekļu spēkstaciju darbināšanai), cinka anoda kasetes var padarīt nomaināmas. Šajā gadījumā, lai atjaunotu enerģijas rezervi, pietiek izņemt kaseti ar izlietotajiem elektrodiem un tā vietā uzstādīt jaunu. Izlietotos elektrodus specializētos uzņēmumos var reģenerēt atkārtotai izmantošanai ar elektroķīmisko metodi.
Ja runājam par kompaktiem akumulatoriem, kas piemēroti lietošanai portatīvajos personālajos datoros un elektroniskajās ierīcēs, tad iespēju praktiski realizēt ar maināmām cinka anoda kasetēm nav iespējams bateriju mazā izmēra dēļ. Tāpēc lielākā daļa šobrīd tirgū esošo kompakto cinka gaisa šūnu ir vienreizējās lietošanas. Maza izmēra vienreizējās lietošanas cinka-gaisa baterijas ražo Duracell, Eveready, Varta, Matsushita, GP, kā arī pašmāju uzņēmums Energia. Galvenais šādu barošanas avotu darbības joma ir dzirdes aparāti, pārnēsājamas radiostacijas, fototehnika utt.
Daudzi uzņēmumi tagad ražo vienreizējās lietošanas cinka gaisa baterijas.
Pirms vairākiem gadiem AER ražoja Power Slice cinka-gaisa plakanos akumulatorus portatīvajiem datoriem. Šie priekšmeti bija paredzēti Hewlett-Packard Omnibook 600 un Omnibook 800 sērijas piezīmjdatoriem; to akumulatora darbības laiks bija no 8 līdz 12 stundām.
Principā ir arī iespēja izveidot atkārtoti uzlādējamas cinka-gaisa šūnas (akumulatorus), kurās, pieslēdzot ārēju strāvas avotu, pie anoda notiks cinka reducēšanās reakcija. Taču šādu projektu praktisko realizāciju jau sen kavē nopietnas cinka ķīmisko īpašību radītās problēmas. Cinka oksīds labi šķīst sārmainā elektrolītā un izšķīdinātā veidā tiek sadalīts visā elektrolīta tilpumā, attālinoties no anoda. Sakarā ar to, uzlādējot no ārēja strāvas avota, anoda ģeometrija lielā mērā mainās: no oksīda reducētais cinks tiek nogulsnēts uz anoda virsmas lentes kristālu (dendrītu) veidā, kas pēc formas ir līdzīgi gariem tapas. . Dendriti izurbjas cauri separatoriem, izraisot īssavienojumu akumulatora iekšpusē.
Šo problēmu saasina fakts, ka, lai palielinātu jaudu, gaisa-cinka elementu anodi ir izgatavoti no sasmalcināta cinka pulvera (tas ļauj ievērojami palielināt elektroda virsmas laukumu). Tādējādi, palielinoties uzlādes-izlādes ciklu skaitam, anoda virsmas laukums pakāpeniski samazināsies, negatīvi ietekmējot šūnas veiktspēju.
Līdz šim Zinc Matrix Power (ZMP) ir guvis vislielākos panākumus kompakto cinka-gaisa akumulatoru jomā. ZMP eksperti ir izstrādājuši unikālu tehnoloģiju Zinc Matrix, kas ļāva atrisināt galvenās problēmas, kas rodas akumulatoru uzlādes procesā. Šīs tehnoloģijas būtība ir polimēru saistvielas izmantošana, kas nodrošina netraucētu hidroksīda jonu iespiešanos, bet tajā pašā laikā bloķē elektrolītā šķīstošā cinka oksīda kustību. Pateicoties šī risinājuma izmantošanai, ir iespējams izvairīties no manāmām anoda formas un virsmas laukuma izmaiņām vismaz 100 uzlādes-izlādes cikliem.
Cinka-gaisa akumulatoru priekšrocības ir ilgs darbības laiks un augsta īpatnējā enerģijas intensitāte, kas ir vismaz divas reizes lielāka nekā labākajiem litija jonu akumulatoriem. Cinka-gaisa akumulatoru īpatnējā enerģijas intensitāte sasniedz 240 Wh uz 1 kg svara, un maksimālā jauda ir 5000 W/kg.
Pēc ZMP izstrādātāju domām, mūsdienās ir iespējams izveidot cinka-gaisa baterijas pārnēsājamām elektroniskām ierīcēm (mobilajiem tālruņiem, digitālajiem atskaņotājiem u.c.) ar enerģētisko jaudu aptuveni 20 Wh. Minimālais iespējamais šādu barošanas avotu biezums ir tikai 3 mm. Klēpjdatoriem paredzēto cinka-gaisa bateriju eksperimentālo prototipu enerģijas jauda ir no 100 līdz 200 Wh.
Cinka gaisa akumulatora prototips, ko izstrādājis Zinc Matrix Power
Vēl viena svarīga cinka-gaisa bateriju priekšrocība ir tā sauktā atmiņas efekta pilnīga neesamība. Atšķirībā no cita veida akumulatoriem, cinka-gaisa šūnas var uzlādēt jebkurā uzlādes līmenī, nesamazinot to enerģijas ietilpību. Turklāt, atšķirībā no litija baterijām, cinka gaisa šūnas ir daudz drošākas.
Nobeigumā nevar nepieminēt vienu svarīgu notikumu, kas kļuva par simbolisku sākumpunktu cinka gaisa šūnu komercializācijai: pagājušā gada 9. jūnijā Zinc Matrix Power oficiāli paziņoja par stratēģiskā līguma parakstīšanu ar Intel Corporation. Saskaņā ar šī līguma nosacījumiem ZMP un Intel apvienos spēkus, lai izstrādātu jaunu klēpjdatoru akumulatoru tehnoloģiju. Starp galvenajiem šo darbu mērķiem ir palielināt portatīvo datoru akumulatora darbības laiku līdz 10 stundām. Saskaņā ar esošo plānu pirmajiem piezīmjdatoru modeļiem, kas aprīkoti ar cinka-gaisa baterijām, tirdzniecībā vajadzētu parādīties 2006. gadā.