Цинк-воздушная батарея
Удельная энергия | 470 (практическая), 1370 (теоретическая) Втч / кг [1] [2] (1,692, 4,932 МДж/кг) |
---|---|
Плотность энергии | 1480-9780 Втч / л [ нужна ссылка ] (5,328–35,21 МДж/л) |
Удельная мощность | 100 Вт / кг [3] [4] |
Номинальное напряжение ячейки | 1.45 V |


Цинк -воздушная батарея представляет собой -воздушный электрохимический элемент, за счет окисления цинка работающий кислородом металло воздуха. Во время разряда масса частиц цинка образует пористый анод , насыщенный электролитом . Кислород из воздуха реагирует на катоде и образует гидроксильные ионы, которые мигрируют в цинковую пасту и образуют цинкат ( Zn(OH)). 2−
4 ), высвобождая электроны для перемещения к катоду. Цинкат распадается на оксид цинка , а вода возвращается в электролит. Вода и гидроксил с анода перерабатываются на катоде, поэтому вода не расходуется. Реакции дают теоретическое напряжение 1,65 Вольт , но в доступных ячейках оно снижается до 1,35–1,4 В.
Эти батареи имеют высокую плотность энергии и относительно недороги в производстве. Цинк-воздушные батареи обладают некоторыми свойствами топливных элементов и батарей: цинк является топливом, скорость реакции можно контролировать, изменяя поток воздуха, а окисленную цинково-электролитную пасту можно заменить свежей пастой.
Размеры варьируются от очень маленьких кнопочных элементов для слуховых аппаратов и более крупных батарей, используемых в пленочных фотоаппаратах , в которых ранее использовались ртутные батареи , до очень больших батарей, используемых для движения электромобилей и хранения энергии в масштабе сети . Воздушно-цинковые батареи можно использовать для замены снятых с производства ртутных батарей на 1,35 В (хотя и со значительно более коротким сроком службы), которые в 1970-1980-х годах широко использовались в фотокамерах и слуховых аппаратах. Возможные будущие применения этой батареи включают ее использование в качестве аккумулятора для электромобилей и в качестве системы хранения энергии в коммунальном масштабе.
История
[ редактировать ]Влияние кислорода было известно в начале 19 века, когда батареи Leclanche с мокрыми элементами поглощали атмосферный кислород в с углеродным токосъемник катодом. В 1878 году было обнаружено, что пористый платинированный углеродный воздушный электрод работает так же хорошо, как и диоксид марганца ( MnO
2 ) ячейки Лекланша. Коммерческие продукты начали производиться по этому принципу в 1932 году, когда Джордж Хейзе и Эрвин А. Шумахер из Национальной углеродной компании построили элементы, [5] обработка угольных электродов воском для предотвращения затопления. Этот тип до сих пор используется для изготовления больших воздушно-цинковых элементов для навигационных средств и железнодорожного транспорта . Однако текущая емкость низкая, а ячейки громоздкие.
Большие первичные цинк-воздушные элементы, такие как тип Thomas A. Edison Industries Carbonaire, использовались для железнодорожной сигнализации, удаленных объектов связи и навигационных буев. Это были долгосрочные заявки с низкой ставкой. Разработка в 1970-х годах тонких электродов, основанная на исследованиях топливных элементов, позволила применить их к небольшим кнопочным и призматическим первичным элементам для слуховых аппаратов , пейджеров и медицинских устройств , особенно сердечной телеметрии . [6]
Формулы реакций
[ редактировать ]
Химические уравнения воздушно-цинковой ячейки: [2]
- Анод:
- (E 0 = -1.25 V)
- Жидкость:
- Катод:
- (E 0 = 0.34 V pH=11)
- Общий
- (E 0 = 1.59 V)
Воздушно-цинковые батареи нельзя использовать в герметичном держателе , так как должно поступать некоторое количество воздуха; кислорода в 1 литре воздуха требуется на каждый ампер-час используемой мощности.
Плотность хранения
[ редактировать ]Воздушно-цинковые батареи имеют более высокую плотность энергии, чем многие другие типы батарей, поскольку атмосферный воздух является одним из реагентов батареи, в отличие от типов батарей, для которых требуется такой материал, как диоксид марганца в сочетании с цинком. Плотность энергии, измеряемая по весу (массе), называется удельной энергией . В следующей таблице показан расчет удельной энергии для конкретной воздушно-цинковой батареи и нескольких других общедоступных батарей различного химического состава.
Химия аккумуляторов | Описание | Емкость (мАч) | Напряжение | Вес (г) | Удельная энергия (мВт/г) |
---|---|---|---|---|---|
Цинк-воздух | Призматическая форма, по объему похожа на батарейку ААА. [7] | 3600 | 1.3 | 11.7 | 400 |
Цинк-марганец диоксид «щелочной» | Типичная ячейка АА [8] | 3000 | 1.5 | 23 | 195.7 |
Оксид серебра | Кнопочный элемент 357/303 [9] | 150 | 1.55 | 2.3 | 101 |
Литий-ионный | Литий-никель-кобальт 18650. [10] | 3200 | 3.6 | 38.5 | 243 |
Хранение и срок эксплуатации
[ редактировать ]Цинк-воздушные ячейки имеют длительный срок хранения, если герметично закрыты для предотвращения попадания воздуха; даже миниатюрные кнопочные элементы можно хранить до 3 лет при комнатной температуре с небольшой потерей емкости, если не снять с них пломбу. Промышленные элементы, хранящиеся в сухом состоянии, имеют неопределенный срок хранения.
Срок службы воздушно-цинкового элемента является важнейшей функцией его взаимодействия с окружающей средой. Электролит быстрее теряет воду в условиях высокой температуры и низкой влажности. Поскольку гидроксида калия электролит расплывается , в очень влажных условиях в ячейке скапливается избыточная вода, заливая катод и разрушая его активные свойства. Гидроксид калия также реагирует с углекислым газом воздуха ; образование карбонатов в конечном итоге снижает проводимость электролита. Миниатюрные элементы имеют высокий саморазряд при открытии на воздух; емкость ячейки рассчитана на использование в течение нескольких недель. [6]
Свойства разряда
[ редактировать ]Поскольку катод не меняет свойств во время разряда, напряжение на выводе остается достаточно стабильным до тех пор, пока элемент не достигнет истощения.
Энергоемкость является функцией нескольких переменных: площади катода, наличия воздуха, пористости и каталитической ценности поверхности катода. Поступление кислорода в клетку должно быть сбалансировано с потерей воды из электролита; катодные мембраны покрыты ( гидрофобным ) тефлоновым материалом для ограничения потери воды. Низкая влажность увеличивает потерю воды; если теряется достаточно воды, клетка выходит из строя. Кнопочные элементы имеют ограниченный ток потребления; например, ячейка IEC PR44 имеет емкость 600 миллиампер-часов ( мАч ), но максимальный ток составляет всего 22 миллиампера (мА). Токи импульсной нагрузки могут быть намного выше, поскольку между импульсами в ячейке остается некоторое количество кислорода. [6]
Низкая температура снижает емкость первичного элемента, но эффект невелик при низких расходах. Элемент может отдать 80% своей емкости, если его разряжать в течение 300 часов при температуре 0 °C (32 °F), но только 20% емкости, если разряжать его со скоростью 50 часов при этой температуре. Более низкая температура также снижает напряжение элемента.
Типы ячеек
[ редактировать ]Первичный (неперезаряжаемый)
[ редактировать ]
Большие воздушно-цинковые батареи емкостью до 2000 ампер-часов на элемент используются для питания навигационных приборов и габаритных огней, океанографических экспериментов и железнодорожных сигналов.
Первичные элементы выполнены в виде кнопок емкостью около 1 Ач. Они также производились в прямоугольном корпусе, совместимом с приложениями с напряжением 9 В, хотя и имели выходное напряжение только 8,4 В. Они продавались под торговой маркой «Tronox» и использовались в медицинских целях. Призматические формы для портативных устройств производятся емкостью от 5 до 30 Ач. Катоды с гибридными элементами содержат диоксид марганца, обеспечивающий высокие пиковые токи.
Кнопочные элементы очень эффективны, но расширить ту же конструкцию до больших размеров сложно из-за диффузии воздуха, рассеивания тепла и проблем с утечками . Призматические и цилиндрические конструкции ячеек решают эти проблемы. Для установки призматических элементов в стопку требуются воздушные каналы в батарее, а также может потребоваться наличие вентилятора для нагнетания воздуха через стопку. [6]
Вторичный (перезаряжаемый)
[ редактировать ]Перезаряжаемые цинк-воздушные элементы требуют тщательного контроля осаждения цинка из электролита на водной основе. Проблемы включают образование дендритов , [11] неравномерное растворение цинка и ограниченная растворимость в электролитах. Электрическое обращение реакции на бифункциональном воздушном катоде для высвобождения кислорода из продуктов реакции разряда затруднено; Мембраны, протестированные на сегодняшний день, имеют низкую общую эффективность. Напряжение заряда намного выше напряжения разряда, что обеспечивает энергоэффективность цикла всего на 50%. Обеспечение функций заряда и разряда отдельными универсальными катодами увеличивает размер, вес и сложность элемента. [6] Удовлетворительная система с электрической подзарядкой потенциально обеспечивает низкую стоимость материалов и высокую удельную энергию. По состоянию на 2014 год только одна компания выставила на продажу коммерческие объекты, как описано в видео, снятом Министерством энергетики на Саммите энергетических инноваций ARPA-e в 2013 году. [12] Fluidic Energy, по-видимому, покрыла сотни тысяч отключений электроэнергии в Азии. [13] на участках распределенной критической нагрузки. EOS Energy Storage развернула систему мощностью 1 МВтч для микросети на станции очистки сточных вод в Нью-Джерси. [14] и ранее тестировал приложения для резервного копирования в масштабе сети. [15] AZA Battery объявила о разработке опытного производства призматических цинковых воздушных элементов с характеристиками, подходящими как для стационарного хранения, так и для мобильных устройств. [16] [17]
Механическая перезарядка
[ редактировать ]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 перезарядкой исследовались для использования в военной электронике в 1960-х годах из-за высокой плотности энергии и простоты перезарядки. Однако первичные литиевые батареи обеспечивают более высокую скорость разряда и более простое обращение.
Механические системы подзарядки десятилетиями исследовались для использования в электромобилях. В некоторых подходах используется большая воздушно-цинковая батарея для поддержания заряда батареи с высокой скоростью разряда, используемой для пиковых нагрузок во время ускорения. Реагентом служат гранулы цинка. Транспортные средства перезаряжаются путем замены использованного электролита и обедненного цинка на свежие реагенты на станции технического обслуживания.
Термин «цинково-воздушный топливный элемент» обычно относится к воздушно-цинковому аккумулятору, в который добавляется металлический цинк и непрерывно удаляется оксид цинка. Паста или гранулы цинкового электролита помещаются в камеру, а отработанный оксид цинка перекачивается в резервуар для отходов или баллон внутри топливного бака. Свежую цинковую пасту или окатыши забирают из топливного бака. Отходы оксида цинка вывозятся на заправочную станцию для переработки. Альтернативно, этот термин может относиться к электрохимической системе, в которой цинк является сореагентом, способствующим реформированию углеводородов на аноде топливного элемента.
Преимущества механических систем подзарядки по сравнению с перезаряжаемыми батареями включают развязку энергетических и силовых компонентов, обеспечивая гибкость конструкции для различных требований к скорости заряда, скорости разряда и энергоемкости. [18]
Материалы
[ редактировать ]Катализаторы
[ редактировать ]Гибридный катализатор восстановления кислорода на основе оксида кобальта и углеродных нанотрубок никеля и железа и катодные катализаторы с двойным гидроксидом выделения кислорода со слоем продемонстрировали 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 напряжении 1 В и плотности энергии >700 Втч/кг. [19] [20]
Перезаряжаемые Zn-воздушные батареи в трехэлектродной конфигурации продемонстрировали беспрецедентно малую поляризацию напряжения заряда-разряда ~0,70 В при токе 20 мА/см. 3 , высокая обратимость и стабильность в течение длительных циклов зарядки и разрядки. [19] [20]
В 2015 году исследователи объявили о создании безметаллового электрокатализатора на основе углерода, который эффективно работает как в реакциях восстановления, так и в реакциях оксигенации. Органическое соединение анилин , полимеризованное в длинные цепи в растворе фитиновой кислоты , было лиофилизировано в стабильный мезопористый углеродный аэрогель с порами размером 2–50 нм, обеспечивающий большую площадь поверхности и пространство для диффузии электролита батареи. Исследователи пиролизовали аэрогель до 1000 градусов по Цельсию, превратив пену в графитовую сетку со множеством каталитических графеновых краев. Анилин легировал пену азотом, что усиливает восстановление. Фитиновая кислота насыщает пену фосфором, способствуя выделению кислорода. [21] Пена имеет площадь поверхности ~ 1663 м . 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/см. 3 и стабильная работа в течение 240 часов после механической подзарядки. Двухэлектродные аккумуляторные батареи стабильно работают в течение 180 циклов при токе 2 мА/см. 3 . [22]
Приложения
[ редактировать ]Движение автомобиля
[ редактировать ]Металлический цинк можно использовать в качестве альтернативного топлива для транспортных средств либо в воздушно-цинковых батареях, либо в воздушно-цинковых батареях. [23] или для выработки водорода рядом с местом использования. Свойства цинка вызвали значительный интерес в качестве источника 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 созданию коммерческого продукта. [24]
Помимо жидкости, гранулы могут образовываться , достаточно маленькие для перекачивания. Топливные элементы, использующие гранулы, смогут быстро заменить оксид цинка свежим металлическим цинком. [25] Отработанный материал можно переработать. Цинк-воздушный элемент является первичным (неперезаряжаемым); для восстановления цинка требуется переработка; Для восстановления цинка требуется гораздо больше энергии, чем можно использовать в автомобиле.
Одним из преимуществ использования воздушно-цинковых батарей для движения транспортных средств является относительное изобилие минерала по сравнению с литием. По состоянию на 2020 год общие мировые запасы цинка оцениваются примерно в 1,9 миллиарда тонн, тогда как общие запасы лития оцениваются в 86 миллионов тонн. [26] [27]
Сетевое хранилище
[ редактировать ]Батарея Eos Energy System занимает примерно половину размера транспортного контейнера и обеспечивает емкость 1 МВтч. Con Edison , National Grid , Enel и GDF SUEZ начали тестирование батареи для хранения энергии 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 разработок штата Нью-Йорк. Eos прогнозирует, что стоимость хранения электроэнергии с помощью таких батарей 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. [28] [29]
Создание давления
[ редактировать ]Когда к воздушно-цинковым батареям прилагается нагрузка без доступа к кислороду, они генерируют газообразный водород с достаточно контролируемой скоростью, пропорциональной нагрузке. Это может привести к повышению давления, которое в некоторых случаях используется для вытеснения другой жидкости в течение более длительного периода, например, в автоматических лубрикаторах. [30] или освежители воздуха . [31]
Альтернативные конфигурации
[ редактировать ]Попытки устранить ограничения, связанные с цинком и воздухом, включают: [32]
- Прокачивание цинковой суспензии через батарею в одном направлении для зарядки и в обратном направлении для разрядки. Производительность ограничена только размером резервуара для навоза.
- Альтернативные формы электродов (за счет гелеобразующих и связующих веществ)
- Управление влажностью
- Тщательное рассеивание катализатора для улучшения восстановления и производства кислорода.
- Модульность компонентов для ремонта без полной замены
Безопасность и окружающая среда
[ редактировать ]цинка Коррозия может привести к образованию потенциально взрывоопасного водорода. Вентиляционные отверстия предотвращают повышение давления внутри ячейки. Производители предостерегают от накопления водорода в закрытых помещениях. Короткозамкнутый элемент дает относительно небольшой ток. Глубокий разряд ниже 0,5 В/элемент может привести к утечке электролита ; при напряжении ниже 0,9 В/ячейка полезная емкость незначительна.
В более старых конструкциях использовалась ртутная амальгама в количестве около 1% от веса таблеточного элемента, чтобы предотвратить коррозию цинка. В более новых типах нет добавленной ртути. Цинк сам по себе относительно малотоксичен. Безртутные конструкции не требуют специального обращения при выбрасывании или переработке. [6]
В водах Соединенных Штатов экологические нормы теперь требуют надлежащей утилизации первичных батарей, снятых с навигационных средств. Раньше выброшенные воздушно-цинковые первичные батареи сбрасывали в воду вокруг буев, что позволяло ртути попасть в окружающую среду. [33]
См. также
[ редактировать ]- Список типов батарей
- Список размеров батарей
- Сравнение типов аккумуляторов
- Алюминий-воздушная батарея
- Жидкостная энергия
- Топливный элемент
- Газодиффузионный электрод
- Водородные технологии
- Металловоздушная электрохимическая ячейка
- Цинк-бромидный аккумулятор
Ссылки
[ редактировать ]- ^ power one: Батарейки для слуховых аппаратов. Архивировано 28 апреля 2009 г. в Wayback Machine . Powerone-batteries.com. Проверено 30 сентября 2012 г.
- ^ Перейти обратно: а б Duracell: Цинк-воздушный технический бюллетень . duracell.com
- ^ цинкаир_гибрид . зеленыйкарконгресс (3 ноября 2004 г.). Проверено 30 сентября 2012 г.
- ^ типы батарей . термоаналитика. Проверено 30 сентября 2012 г.
- ^ США 1899615 Воздушно-деполяризованная первичная батарея Heise - февраль 1933 г.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Дэвид Линден, Томас Б. Редди (редактор). Справочник по батареям, 3-е издание , МакГроу-Хилл, Нью-Йорк, 2002 г. ISBN 0-07-135978-8 , глава 13 и глава 38.
- ^ «Энерджайзер ПП425» (PDF) (pdf). п. 6.
- ^ «Энерджайзер Е91» (PDF) (pdf). п. 1.
- ^ «Энерджайзер 357/303» (PDF) (pdf). п. 1.
- ^ «Panasonic NCR18650B» (PDF) (pdf). п. 1.
- ^ Пей, Пученг; Ван, Кельян; Ма, Зе (01 сентября 2014 г.). «Технологии продления срока службы воздушно-цинковых аккумуляторов: обзор» . Прикладная энергетика . 128 : 315–324. дои : 10.1016/j.apenergy.2014.04.095 . ISSN 0306-2619 .
- ^ «Вимео» . vimeo.com .
- ^ «Жидкая энергия» . www.fluidicenergy.com . Проверено 18 апреля 2018 г.
- ^ «Baby Steps для цинковых батарей EOS в США» . Новости хранения энергии. 11.06.2019 . Проверено 26 июня 2019 г.
- ^ «Eos испытывает свои воздушно-цинковые аккумуляторы с помощью ConEd» . Гринтек Медиа. 02 мая 2013 г. Проверено 8 октября 2013 г.
- ^ «Старая» воздушно-цинковая батарея произведет революцию в хранении энергии» . Эхо. 13 апреля 2021 г. Проверено 20 августа 2021 г.
- ^ «Первый международный семинар по Zn/воздушным батареям» . Центр повышения квалификации инновационных энергетических технологий. 05 апреля 2016 г. Проверено 26 июня 2019 г.
- ^ С. И. Смедли, XG Чжан. Регенеративный цинк-воздушный топливный элемент . Журнал источников энергии 165 (2007) 897–904.
- ^ Перейти обратно: а б Ли, Ю.; Гонг, М.; Лян, Ю.; Фэн, Дж.; Ким, Дж. Э.; Ван, Х.; Хонг, Г.; Чжан, Б.; Дай, Х. (2013). «Усовершенствованные воздушно-цинковые аккумуляторы на основе высокоэффективных гибридных электрокатализаторов» . Природные коммуникации . 4 : 1805. Бибкод : 2013NatCo...4.1805L . дои : 10.1038/ncomms2812 . ПМИД 23651993 .
- ^ Перейти обратно: а б Первое опубликовано: 29 мая 2013 г., 18:22 по восточному времени. «Новые высокоэффективные воздушно-цинковые батареи намного дешевле, чем литий-ионные: технология» . Всемирный доклад науки . Проверено 1 июня 2013 г.
{{cite web}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) - ^ Мэйхуд, Кевин (06 апреля 2015 г.). «Исследователи создают первый безметалловый катализатор для воздушно-цинковых аккумуляторов». НИОКР.
- ^ Чжан, Дж.; Чжао, З.; Ся, З.; Дай, Л. (2015). «Безметалловый бифункциональный электрокатализатор для реакций восстановления и выделения кислорода». Природные нанотехнологии . 10 (5): 444–452. Бибкод : 2015NatNa..10..444Z . дои : 10.1038/nnano.2015.48 . ПМИД 25849787 . S2CID 205454041 .
- ^ Дж. Норинг и др., Механически перезаправляемые цинк-воздушные элементы электромобилей в Трудах симпозиума по батареям и топливным элементам для стационарных и электромобилей, тома 93–98 трудов (Электрохимическое общество) , Электрохимическое общество, 1993 ISBN 1-56677-055-6, стр. 235–236.
- ^ CAC Sequeira Электрохимия, ориентированная на окружающую среду , Elsevier, 1994 г. ISBN 0-444-89456-X , стр. 216–217.
- ^ «Обзор науки и технологий» . Llnl.gov. 16 октября 1995 г. Проверено 8 октября 2013 г.
- ^ «ЦИНК» (PDF) . Геологическая служба США. 2020-01-02 . Проверено 20 апреля 2022 г.
- ^ «ЛИТИЙ» (PDF) . Геологическая служба США. 01.01.2021 . Проверено 20 апреля 2022 г.
- ^ Кардуэлл, Дайан (16 июля 2013 г.). «Батарея рассматривается как способ сократить потери мощности, связанные с перегревом» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 18 апреля 2018 г.
- ^ «Технологии и продукты – хранилище энергии Eos» . 16 апреля 2017 г. Архивировано из оригинала 16 апреля 2017 г.
- ^ Большой Клайв (24 июня 2022 г.). «Абсолютно гениальный автоматический лубрикатор» . Ютуб . Проверено 5 июля 2022 г.
- ^ Большой Клайв (4 июля 2022 г.). «Демонтаж установки по производству ароматизирующего газа Rubbermaid» . Ютуб . Проверено 5 июля 2022 г.
- ^ Буллис, Кевин (28 октября 2009 г.). «Высокоэнергетические аккумуляторы выходят на рынок» . Обзор технологий . Проверено 15 июня 2010 г.
- ↑ Директива USCG , получено 18 января 2010 г.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Хейзе, Г.В. и Шумахер, Е.А., Деполяризованная воздухом первичная ячейка с едким щелочным электролитом, Труды электрохимического общества, Vol. 62, стр. 363, 1932.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Автобусы с воздушно-цинковым двигателем
- Военное использование воздушно-цинковых батарей
- Цинк-воздушные батареи для БПЛА и МАВ
- Реакция на ZnO, показанная в гидратированной форме Zn(OH)2
- Цинк-воздушный топливный элемент
- ReVolt Technology разрабатывает воздушно-цинковые аккумуляторы
- Технический бюллетень Duracell (поставщики воздушно-цинковых батарей для слуховых аппаратов)
- Обзор аккумуляторов
- Введение в восстание
- Металлические воздушные батареи