Никель-цинковые батареи , сокращенно NiZn , представляет собой тип аккумуляторной батареи похож на никель - кадмиевые батареи, но с более высоким напряжением 1,6 В.
Удельная энергия | 100 Вт · ч / кг |
---|---|
Плотность энергии | 280 Вт · ч / л |
Удельная мощность | > 3000 Вт / кг |
Энергия / потребительская цена | 2–3 Втч / долл. США |
Номинальное напряжение ячейки | 1,65 В |
Большие никель - цинковые аккумуляторные системы, известны уже более 100 лет. С 2000 года разработка системы стабилизированных цинковых электродов сделала эту технологию жизнеспособной и конкурентоспособной по сравнению с другими коммерчески доступными системами аккумуляторных батарей. В отличие от некоторых других технологий, капельная зарядка не рекомендуется.
История
В 1901 году Томас Альва Эдисон получил патент США 684 204 на систему перезаряжаемых никель-цинковых батарей. [1]
Позднее аккумулятор был разработан ирландским химиком доктором Джеймсом Дж. Драммом (1897–1974) [2] и установлен в четырех двухвагонных вагонах Драмма между 1932 и 1949 годами для использования на железнодорожной линии Дублин – Брей . Несмотря на то, что они были успешными, они были сняты, когда батареи изнашивались. Ранние никель-цинковые батареи обеспечивали лишь небольшое количество циклов разрядки / перезарядки. В 1960-х годах никель-цинковые батареи были исследованы в качестве альтернативы серебряно-цинковым батареям для военных целей, а в 1970-х годах снова проявили интерес для электромобилей. [3] Evercel Inc. разработала и запатентовала несколько усовершенствований никель-цинковых батарей, но отказалась от этой области в 2004 году. [4]
Приложения
Никель-цинковые батареи имеют кривую заряда / разряда, аналогичную никель- кадмиевым или никель-металлгидридным элементам на 1,2 В , но с более высоким номинальным напряжением 1,6 В. [5]
Никель-цинковые батареи хорошо работают в приложениях с высоким энергопотреблением и могут иметь потенциал для замены свинцово-кислотных аккумуляторов из-за их более высокого отношения энергии к массе и более высокого отношения мощности к массе - всего лишь 25% от массы. за такую же мощность. [6] NiZn дешевле, чем никель-кадмиевые батареи , [6] и, как ожидается, будет стоить где-то между NiCd и свинцово-кислотными аккумуляторами . NiZn может использоваться как заменитель никель-кадмия. Европейский парламент поддержал запрет на использование кадмиевых батарей; [1] никель-цинк - хорошая альтернатива для электроинструментов и других применений. Недостатком является повышенная скорость саморазряда примерно после 30-50 циклов, так что батареи не держат заряд так долго, как новые. Там, где это не проблема, NiZn - хороший выбор батарей для приложений, требующих большой мощности и высокого напряжения. [7]
Срок службы батареи
По сравнению с гидроксидом кадмия, тенденция растворимого иона гидроксида цинка ( цинката ) растворяться в растворе и не полностью возвращаться обратно на катод во время перезарядки в прошлом представляла проблемы для коммерческой жизнеспособности NiZn-аккумулятора. [1] [3] Другой распространенной проблемой , связанной с цинковыми аккумуляторными батареями, является изменение формы электродов и образование дендритов (или « усов »), которые могут снизить разрядку элемента или, в конечном итоге, привести к короткому замыканию элемента, что приведет к сокращению срока службы.
Последние достижения позволили значительно уменьшить эту проблему. Эти достижения включают улучшения в материалах для разделения электродов, включение стабилизаторов цинкового материала и улучшение электролита (например, за счет использования фосфатов ). PowerGenix разработала батареи на 1,6 В с заявленным сроком службы батарей, сопоставимым с никель-кадмиевыми батареями. [8]
Срок службы батареи обычно указывается при глубине разряда 80 процентов от номинальной емкости и при условии, что ток разряда составляет один час. По мере уменьшения тока разряда или глубины разряда количество циклов заряда-разряда батареи увеличивается. При сравнении NiZn с другими технологиями аккумуляторов сравнение срока службы может отличаться в зависимости от скорости разряда и глубины используемого разряда.
Преимущества
Никель-цинковые элементы имеют напряжение холостого хода 1,85 В при полной зарядке [9] и номинальное напряжение 1,65 В. Это делает NiZn отличной заменой электронным изделиям, предназначенным для использования щелочных первичных элементов 1,5 В. [ необходима цитата ] Оборудование, разработанное для щелочных батарей, не будет работать должным образом при напряжении ниже конечной точки, основанном на 1,5 В в свежем виде; NiCd и NiMH оба имеют номинальное напряжение элемента 1,2 В и достигнут этой конечной точки до того, как их зарядная емкость полностью истощится. [ необходима цитата ]
Альтернативой литий-ионным аккумуляторам для электромобилей могут стать новые элементы, более мощные и со сроком службы до 800 циклов. Из-за более высокого напряжения элементов для данного напряжения батареи требуется меньше элементов, чем для NiCd и NiMH. Они также имеют низкое внутреннее сопротивление (обычно 5 мЫе ), что позволяет при высоких скоростях разряда батарей, до 50 C . ( С это емкость батареи в Ач, разделенная на один час.) [ Править ]
В NiZn батареях не используются ртуть, свинец, кадмий или гидриды металлов , все из которых трудно переработать. [10] И никель, и цинк являются обычными элементами в природе и могут быть полностью переработаны.
В элементах NiZn не используются горючие активные материалы или органические электролиты, а в новейших моделях используются полимерные сепараторы, которые уменьшают проблему дендритов.
Правильно спроектированные элементы NiZn могут иметь очень высокую удельную мощность и низкотемпературные характеристики разряда, а также могут разряжаться почти до 100% и без проблем перезаряжаться. По состоянию на 2017 год[Обновить] они были доступны в размерах до F и 50 Ач / призматическая ячейка.
Цинк - дешевый и распространенный металл, занимает 24-е место по содержанию в земной коре и не опасен для здоровья. Обычное окисление составляет +2, поэтому заряд и разряд перемещают два электрона вместо одного, как в никель-металлгидридных батареях.
Зарядка
Зарядные устройства для NiZn-аккумуляторов должны быть способны заряжать аккумулятор с полностью заряженным напряжением 1,85 В на элемент, что выше 1,4 В для NiMH аккумуляторов. Технология NiZn хорошо подходит для быстрой циклической перезарядки, так как предпочтительны оптимальные скорости зарядки C или C / 2. [11]
Известные режимы зарядки включают постоянный ток C или C / 2 до напряжения элемента = 1,9 В. Один производитель [12] рекомендует заряжать постоянным током от C / 4 до C до тех пор, пока напряжение элемента не достигнет 1,9 В, а затем продолжите зарядку при постоянное напряжение 1,9 В до тех пор, пока ток заряда не снизится до C / 40.
Максимальное время зарядки указано как 2+1 ⁄ 2 часа [11] и 3 часа. [13] После зарядки не рекомендуется непрерывная подзарядка, так как рекомбинация не предусмотрена, а избыток водорода со временем улетучится, что отрицательно скажется на сроке службы батареи. [ Требуется цитата ] Типичное зарядное устройство для NiZn аккумуляторов специально не подзаряжается после того, как аккумулятор полностью заряжен, а отключается. [14]
Химия
- (-) электрод: Zn + 4 OH - ⇌ Zn (OH) 4 2− + 2e - (E 0 = −1,2 В / SHE)
- Электролит: КОН
- Zn (OH) 4 2− ⇌ Zn (OH) 2 + 2OH -
- Zn (OH) 2 ⇌ ZnO + H 2 O
- (+) электрод: 2 NiO (OH) + 2 H 2 O + 2 e - ⇌ 2 Ni (OH) 2 + 2 OH - (E 0 = +0,50 В / SHE)
- Общая реакция: Zn + 2 NiO (OH) + H 2 O ⇌ ZnO + 2 Ni (OH) 2
- Паразитарная реакция: Zn + 2 H 2 O → Zn (OH) 2 + H 2
Смотрите также
- Сравнение типов батарей
- Список размеров батарей
- Список типов батарей
- Никель-кадмиевый аккумулятор
- Цинково-воздушная батарея
Рекомендации
- ^ a b c "Building A Better Battery", Керри А. Долан, Forbes.com, журнал Forbes , 11 мая 2009 г., дата обращения 12 февраля 2011 г., Forbes-44 .
- ^ "Известные ирландские химики: Джеймс Дж. Драмм" . Ul.ie . Архивировано из оригинального 22 июля 2012 года . Проверено 1 июля 2012 года .
- ^ a b Дэвид Линден (редактор)., Справочник по батареям , McGraw Hill, 2002, ISBN 0-07-135978-8 , глава 31.
- ^ Evercel финансового отчет 2007 архивации 7 марта 2016 в Wayback Machine , Evercel.com, стр.9, Получена 23 ноябрь 2010.
- ^ Проблема с измерителем заряда батареи , кривые разряда NiZn и отсечки напряжения камеры, PentaxForums.com
- ^ а б «Никель-цинк» . EnerSys.com . EnerSys . Проверено 13 июля 2015 года .
- ^ Томас, Джастин (16 марта 2012 г.). «Обзор NiZn аккумуляторов» . MetaEfficient.com . Тема inSync . Проверено 10 августа 2020 .
- ^ «Краткая история разработок батарей» , PowerGenix.com, 2010 г., дата обращения 12 февраля 2011 г. Архивировано 25 февраля 2011 г., Wayback Machine
- ^ [1] Новые NiZn аккумуляторы обеспечивают молниеносную переработку.
- ^ «Паспорт безопасности: Никель-цинковые батареи (элементы), размеры: Sub-C и призматические» . ZincFive . 24 мая 2019 . Проверено 10 августа 2020 .
- ^ а б «Характеристики батарей PowerGenix AA» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 15 февраля 2010 года . Проверено 1 июля 2012 года .
- ^ «Инструкции по загрузке никель-цинка» . Zincfive . Дата обращения 5 июня 2019 .
- ^ «Зарядное устройство PowerGenix NiZn Quick Charger» . Powergenix.com . Архивировано из оригинального 23 апреля 2016 года . Проверено 1 июля 2012 года .
- ^ «Панель батарей UPStealth NEMA» . - ZincFive (ранее PowerGenix) . 2017 . Проверено 23 января 2017 года .