Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлен с воздушно-цинковой батареи )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Цинково-воздушная батарея
Удельная энергия470 (практическое), 1370 (теоретическое) Втч / кг [1] [2] (1,692, 4,932 МДж / кг)
Плотность энергии1480-9780 Вт · ч / л [ необходима ссылка ] (5,328–35,21 МДж / л)
Удельная мощность100 Вт / кг [3] [4]
Номинальное напряжение ячейки1,45 В
Цинково-воздушные батарейки для слуховых аппаратов

Цинк-воздушные батареи (не перезаряжаемые) и цинково-воздушные топливные элементы (механически перезаряжаемые) являются металл-воздушные батареи , питание от окислительных цинка с кислородом из воздуха. Эти батареи обладают высокой плотностью энергии и относительно недороги в производстве. Размеры варьируются от очень маленьких кнопочных элементов для слуховых аппаратов , более крупных батарей, используемых в пленочных фотоаппаратах , в которых раньше использовались ртутные батареи , до очень больших батарей, используемых для приведения в движение электромобилей и аккумуляторов энергии в масштабе сети .

Во время разряда масса частиц цинка образует пористый анод , насыщенный электролитом . Кислород из воздуха реагирует на катоде и образует ионы гидроксила , которые мигрируют в цинковую пасту и образуют цинкат ( Zn (OH)2-
4), высвобождая электроны для движения к катоду. Цинкат распадается на оксид цинка, а вода возвращается в электролит. Вода и гидроксил с анода рециркулируют на катоде, поэтому вода не расходуется. В результате реакции вырабатывается теоретическое значение 1,65 В , но в доступных элементах оно снижается до 1,35–1,4 В.

Цинково-воздушные батареи обладают некоторыми свойствами топливных элементов, а также батарей: цинк является топливом, скорость реакции можно контролировать, изменяя поток воздуха, а пасту из окисленного цинка и электролита можно заменить свежей пастой.

Воздушно-цинковые батареи можно использовать для замены снятых с производства ртутных батарей 1,35 В (хотя и со значительно меньшим сроком службы), которые в 1970–1980-х годах обычно использовались в фотоаппаратах и ​​слуховых аппаратах.

Возможные будущие применения этой батареи включают ее развертывание в качестве батареи электромобиля и в качестве системы хранения энергии в масштабе коммунального предприятия.

История [ править ]

Влияние кислорода было известно в начале XIX века, когда батареи Leclanche с мокрыми элементами поглощали атмосферный кислород в токосъемник с углеродным катодом. В 1878 году было обнаружено , что пористый платинированный углеродный воздушный электрод работает так же, как и диоксид марганца ( MnO
2) ячейки Лекланша. Коммерческие продукты начали изготавливаться по этому принципу в 1932 году, когда Джордж У. Хейз и Эрвин А. Шумахер из Национальной углеродной компании построили ячейки, [5] 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 ячейки громоздки.

Большие первичные цинк-воздушные ячейки, такие как тип Thomas A. Edison Industries 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 для сердечной телеметрии . [6]


Формулы реакции [ править ]

Анимация работы цинково-воздушной ячейки.

В химических уравнениях для клетки-цинкового воздуха являются: [2]

Анод: Zn + 4OH - → Zn (OH) 4 2− + 2e - (E 0 = 1,25 В)
Жидкость: Zn (OH) 4 2− → ZnO + H 2 O + 2OH -
Катод: 1/2 O 2 + H 2 O + 2e - → 2OH - (E 0 = 0,34 В pH 11)
Итого: 2Zn + O 2 → 2ZnO (E 0 = 1,59 В)

Цинково-воздушные батареи нельзя использовать в герметичных держателях батарей, так как должно поступать некоторое количество воздуха; кислород в 1 литре воздуха требуется на каждый ампер-час используемой емкости.

Плотность хранения [ править ]

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 в батарею, 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 оксидно-серебряные (SR44) и щелочные элементы того же размера потребляют 150–200 мАч и весят 2,3–2,4 г. [7]

Хранение и срок эксплуатации [ править ]

Цинково-воздушные ячейки имеют длительный срок хранения, если они герметизированы, 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 электролит гидроксида калия является расплывающимся веществом , в очень влажных условиях избыточная вода накапливается в элементе, затопляя катод и разрушая его активные свойства. Гидроксид калия также реагирует с атмосферным углекислым газом ; карбонатное образование в конечном итоге снижает проводимость электролита. Миниатюрные элементы имеют высокий саморазряд при открытии для воздуха; емкость ячейки рассчитана на использование в течение нескольких недель. [6]

Свойства разряда [ править ]

Поскольку катод не меняет своих свойств во время разряда, напряжение на клеммах остается достаточно стабильным, пока элемент не истощится.

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 теряется достаточно воды, ячейка выходит 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 ячейке между импульсами. [6]

Низкая температура снижает емкость первичного элемента, но эффект невелик 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.

Типы ячеек [ править ]

Первичный (неперезаряжаемый) [ править ]

Поперечное сечение цинково-воздушной кнопочной ячейки. A: сепаратор, B: анод и электролит из цинкового порошка, C: анодный баллон, D: изолирующая прокладка, E: катодный баллон, 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 элементы сделаны в формате кнопки примерно на 1 Ач. Призматические формы для портативных устройств производятся емкостью от 5 до 30 Ач. Катоды гибридных ячеек содержат диоксид марганца для обеспечения высоких пиковых токов.

Кнопочные элементы очень эффективны, но трудно расширить ту же конструкцию до более крупных размеров из-за характеристик диффузии воздуха, рассеивания тепла и проблем утечки. Эти проблемы решаются в конструкциях призматических и цилиндрических ячеек. Для штабелирования призматических ячеек требуются воздушные каналы в батарее, и может потребоваться вентилятор для нагнетания воздуха через стопку. [6]

Вторичный (перезаряжаемый) [ править ]

Перезаряжаемые цинк-воздушные элементы требуют тщательного контроля осаждения цинка из электролита на водной основе. Проблемы включают образование дендритов , неравномерное растворение цинка и ограниченную растворимость в электролитах. Электрически реверсирование реакции на бифункциональном воздушном катоде для высвобождения кислорода из продуктов реакции разряда затруднено; мембраны, испытанные 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. [6]Удовлетворительная электрически заряженная система потенциально предлагает низкие материальные затраты и высокую удельную энергию. По состоянию на 2014 год только у одной компании есть коммерческие подразделения на продажу, как описано в видео, снятом Департаментом энергетики на саммите ARPA-e Energy Innovation Summit в 2013 году. [8] Fluidic Energy , очевидно, покрыла сотни тысяч отключений в Азии [ 9] на распределенных площадках с критической нагрузкой. EOS Energy Storage развернула систему на 1 МВтч для микросети на станции очистки сточных вод в Нью-Джерси [10] и ранее протестировала приложения резервного копирования в масштабе сети. [11] Утверждается, что ячейки были разработаны с характеристиками, подходящими как для стационарного хранения, так и для мобильных приложений. [12]

Механическая подзарядка [ править ]

Перезаряжаемые системы могут механически заменять анод и электролит, по существу работая как восстанавливаемый первичный элемент, или могут использовать 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 легкой подзарядки. Однако первичные литиевые батареи обеспечивали более высокую скорость разряда и более простое обращение.

Системы механической подзарядки разрабатывались на протяжении десятилетий 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 помещаются в камеру, а отработанный оксид цинка закачивается в резервуар для отходов или камеру внутри топливного бака. Свежая цинковая паста или гранулы берутся из топливного бака. Отходы оксида цинка вывозятся на автозаправочную станцию ​​на переработку. Альтернативно, этот термин может относиться к электрохимической системе, в которой цинк является сореагентом, способствующим преобразованию углеводородов на аноде топливного элемента.

Преимущества механических систем подзарядки перед перезаряжаемыми батареями включают разделение энергии и силовых компонентов, что обеспечивает гибкость конструкции для различных требований к скорости заряда, разряда и энергоемкости. [13]

Материалы [ править ]

Катализаторы [ править ]

Гибридный катализатор восстановления кислорода оксид кобальта / углеродные нанотрубки и катодные катализаторы выделения кислорода с двойным гидроксидом никеля и железа показали более высокую каталитическую активность и долговечность в концентрированных щелочных электролитах, чем катализаторы из драгоценных металлов, платины и иридия . Полученная первичная воздушно-цинковая батарея показала пиковую плотность мощности ~ 265 мВт / см 3 , плотность тока ~ 200 мА / см 3 при 1 В и плотность энергии> 700 Втч / кг. [14] [15]

Перезаряжаемые Zn-воздушные батареи в трехэлектродной конфигурации продемонстрировали беспрецедентно малую поляризацию напряжения заряда-разряда ~ 0,70 В при 20 мА / см 3 , высокую обратимость и стабильность при длительных циклах заряда и разряда. [14] [15]

В 2015 году исследователи анонсировали электрокатализатор на углеродной основе, не содержащий металлов, который эффективно работает как в реакциях восстановления, так и в реакциях оксигенации. Органическое соединение анилин , полимеризованное в длинные цепи в растворе фитиновой кислоты , было подвергнуто лиофилизации в стабильный мезопористый углеродный аэрогель с порами 2–50 нм, обеспечивающий большую площадь поверхности и пространство для диффузии электролита батареи. Исследователи подвергли аэрогель пиролизу до 1000 градусов Цельсия, превратив пену в графитовую сетку с множеством каталитических графеновых краев. Анилин легировал пену азотом, что усиливает восстановление. Фитиновая кислота насыщает пену фосфором, способствуя выделению кислорода. [16] Пена имеет площадь поверхности около 1663 м 2.2 / гр. Первичные батареи продемонстрировали потенциал холостого хода 1,48 В, удельную емкость 735 мАч / г (Zn) (плотность энергии 835 Втч / кг (Zn)), пиковую плотность мощности 55 мВт / см3 и стабильную работу в течение 240 ч после механической подзарядки. Двухэлектродные аккумуляторные батареи стабильно работали в течение 180 циклов при 2 мА / см 3 . [17]

Приложения [ править ]

Двигательная установка [ править ]

Металлический цинк можно использовать в качестве альтернативного топлива для транспортных средств либо в цинково-воздушной батарее [18], либо 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. [19]

Помимо жидкости могут образовываться гранулы , достаточно маленькие для перекачивания. Топливные элементы, использующие пеллеты, смогут быстро заменить оксид цинка свежим металлическим цинком. [20] Отработанный материал может быть переработан. Цинк-воздушный элемент является первичным (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 лития , на единицу энергии батареи. Текущее годовое производство цинка в мире достаточно для производства цинково-воздушных батарей, чтобы привести в действие более одного миллиарда электромобилей, тогда как текущего производства лития достаточно для производства десяти миллионов литий-ионных транспортных средств. [21] Примерно 35% мировых запасов, или 1,8 гигатонны запасов цинка, находятся в Соединенных Штатах [22], тогда как в США находится только 0,38% известных запасов лития .

Сетевое хранилище [ править ]

Батарея Eos Energy System составляет примерно половину размера транспортного контейнера и обеспечивает емкость хранения 1 МВтч. Con Edison , National Grid , Enel и GDF SUEZ начали тестирование батареи для хранения в сети. Con Edison и Городской университет Нью-Йорка тестируют 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. [23] [24]

Альтернативные конфигурации [ править ]

Попытки устранить ограничения цинка-воздуха включают: [25]

  • Прокачивание цинковой суспензии через аккумулятор в одном направлении для зарядки и реверсирование для разрядки. Емкость ограничена только размером резервуара для жидкого навоза.
  • Альтернативные формы электродов (с помощью гелеобразователей и связующих веществ)
  • Управление влажностью
  • Тщательное диспергирование катализатора для улучшения восстановления и производства кислорода
  • Модульность компонентов для ремонта без полной замены

Безопасность и окружающая среда [ править ]

Цинк коррозия может привести к потенциально взрывоопасный водород. 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 амальгама ртути, составляющая около 1% от веса кнопочного элемента. Новые типы не содержат ртути. Сам цинк относительно не токсичен. Не содержащие ртути конструкции не требуют специального обращения при утилизации или утилизации. [6]

В водах Соединенных Штатов экологические нормы теперь требуют надлежащей утилизации первичных батарей, снятых с навигационных средств. Раньше выброшенные первичные воздушно-цинковые батареи сбрасывались в воду вокруг буев, что позволяло ртути улетучиваться в окружающую среду. [26]

См. Также [ править ]

  • Список типов батарей
  • Список размеров батарей
  • Сравнение типов батарей
  • Алюминиево-воздушная батарея
  • Жидкая энергия
  • Топливная ячейка
  • Газодиффузионный электрод
  • Водородные технологии
  • Электрохимическая ячейка металл-воздух
  • Цинк-бромидная батарея

Ссылки [ править ]

  1. ^ power one: Батарейки для слуховых аппаратов. Архивировано 28 апреля 2009 г. в Wayback Machine . Powerone-batteries.com. Проверено 30 сентября 2012.
  2. ^ a b Duracell: Технический бюллетень цинк-воздух . duracell.com
  3. ^ zincair_hybrid . greencarcongress (2004-11-03). Проверено 30 сентября 2012.
  4. ^ типы батарей . термоаналитика. Проверено 30 сентября 2012.
  5. ^ US 1899615 Первичная батарея с деполяризацией воздуха Heise - февраль 1933 г. 
  6. ^ a b c d e е Дэвид Линден, Томас Б. Редди (ред). Справочник по батареям, 3-е издание , McGraw-Hill, New York, 2002 ISBN  0-07-135978-8 , глава 13 и глава 38
  7. ^ "Техническая информация Energizer" . Data.energizer.com. 2004-01-01 . Проверено 1 июня 2013 .
  8. ^ http://vimeo.com/60446135
  9. ^ «Жидкая энергия» . www.fluidicenergy.com . Проверено 18 апреля 2018 года .
  10. ^ «Детские ступеньки для цинковых батарей EOS в США» . Новости хранения энергии. 2019-06-11 . Проверено 26 июня 2019 .
  11. ^ «Eos тестирует свои цинково-воздушные сетчатые батареи с помощью ConEd» . Greentech Media. 2013-05-02 . Проверено 8 октября 2013 .
  12. ^ "Первый международный семинар по цинково-воздушным батареям" . Weiterbildungszentrum für Innovation Energietechnologien. 2016-04-05 . Проверено 26 июня 2019 .
  13. ^ С.И. Смедли, XG Чжан. Регенеративный цинково-воздушный топливный элемент . Журнал источников энергии 165 (2007) 897–904
  14. ^ a b Li, Y .; Gong, M .; Liang, Y .; Feng, J .; Kim, JE; Wang, H .; Hong, G .; Zhang, B .; Дай, Х. (2013). «Перспективные воздушно-цинковые батареи на основе высокоэффективных гибридных электрокатализаторов» . Nature Communications . 4 : 1805. Bibcode : 2013NatCo ... 4E1805L . DOI : 10.1038 / ncomms2812 . PMID 23651993 . 
  15. ^ a b Первая запись : 29 мая 2013 г., 18:22 EDT. "Новые высокоэффективные цинково-воздушные батареи намного дешевле литий-ионных: технология" . Всемирный доклад науки . Проверено 1 июня 2013 .
  16. ^ Mayhood, Кевин (2015-04-06). «Исследователи создали первый безметалловый катализатор для аккумуляторных цинково-воздушных батарей». НИОКР.
  17. ^ Zhang, J .; Zhao, Z .; Xia, Z .; Дай, Л. (2015). «Безметалловый бифункциональный электрокатализатор для реакций восстановления и выделения кислорода». Природа Нанотехнологии . DOI : 10.1038 / nnano.2015.48 .
  18. ^ Дж. Норинг и др., Цинково-воздушные элементы электромобиля с механической заправкой в материалах симпозиума по аккумуляторным батареям и топливным элементам для стационарных и электрических транспортных средств, том 93–98 трудов (Электрохимическое общество) , Электрохимическое общество, 1993 ISBN 1- 56677-055-6 с. 235–236 
  19. ^ CAC Sequeira Экологическая ориентированная электрохимия Elsevier, 1994 ISBN 0-444-89456-X , стр. 216–217 
  20. ^ "Обзор науки и технологий" . Llnl.gov. 1995-10-16 . Проверено 8 октября 2013 .
  21. ^ Уильям Тахил (декабрь 2006 г.). Проблема с литием. Последствия будущего производства PHEV для спроса на литий. Архивировано 22 февраля 2009 года в Wayback Machine . Меридиан международное исследование
  22. ^ Цинково-воздушные топливные элементы имеют больше преимуществ, чем литий-ионные батареи . Дизайн машин (07.10.2010). Проверено 30 сентября 2012.
  23. ^ Cardwell, Диана (16 июля 2013). «Батарея рассматривается как способ сократить потери мощности, связанные с нагревом» . Проверено 18 апреля 2018 г. - через NYTimes.com.
  24. ^ eosenergystorage.com
  25. ^ Bullis, Кевин (28 октября 2009). «На рынок выходят высокоэнергетические батареи» . Обзор технологий . Проверено 15 июня 2010 года .
  26. ^ Директива USCG , получено 18 января 2010 г.

Внешние ссылки [ править ]

  • Автобусы с цинково-воздушным двигателем
  • Военное использование цинково-воздушных батарей
  • Цинково-воздушные аккумуляторы для БПЛА и МАВ.
  • Реакция на ZnO показана в гидратированной форме Zn (OH) 2
  • Цинк-воздушный топливный элемент
  • ReVolt Technology разрабатывает аккумуляторные воздушно-цинковые батареи
  • Технический бюллетень Duracell (поставщики воздушно-цинковых батарей для слуховых аппаратов)
  • Обзор батарей
  • Revolt Введение
  • Металлические воздушные батареи

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Heise, GW и Schumacher, EA, Первичная ячейка с деполяризацией воздуха и едким щелочным электролитом, Transactions of the Electrochemical Society, Vol. 62, стр. 363, 1932.