Никель-цинковый аккумулятор
 Никель-цинковые элементы типоразмеров АА и ААА. | |
| Удельная энергия | 100 Вт·ч /кг |
|---|---|
| Плотность энергии | 280 Вт·ч/л |
| Удельная мощность | > 3000 Вт/ кг |
| Энергия/потребительская цена | 2–3 Втч / доллар США |
| Номинальное напряжение ячейки | 1.65 V |
Никель -цинковый аккумулятор ( Ni-Zn аккумулятор или NiZn аккумулятор ) — тип аккумуляторной батареи, аналогичный никель-кадмиевым , но с более высоким напряжением — 1,6 В.
Более крупные 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 перезаряжаемых батарей. В отличие от некоторых других технологий, капельная зарядка не рекомендуется.
История
[ редактировать ]В 1901 году Томас Альва Эдисон получил патент США № 684 204 на систему перезаряжаемых никель-цинковых батарей. [1]
Позже батарея была разработана ирландским химиком доктором Джеймсом Дж. Драммом (1897–1974). [2] и установлен в четырех комплектах двухвагонных вагонов Drumm в период с 1932 по 1949 год для использования на железнодорожной линии Дублин-Брей . Несмотря на успех, их отозвали, когда батареи разрядились. Ранние никель-цинковые батареи обеспечивали лишь небольшое количество циклов разрядки-перезарядки. В 1960-х годах никель-цинковые батареи исследовались как альтернатива серебряно-цинковым батареям для военного применения, а в 1970-х годах они снова представляли интерес для электромобилей. [3] Evercel Inc. разработала и запатентовала несколько усовершенствований в никель-цинковых батареях, но вышла из этой области в 2004 году. [4]
Приложения
[ редактировать ]Никель-цинковые батареи имеют кривую заряда-разряда, аналогичную 1,2 В NiCd или NiMH элементам, но с более высоким номинальным напряжением 1,6 В. [5]
Никель-цинковые батареи хорошо работают в приложениях с высоким потреблением энергии и могут потенциально заменить свинцово-кислотные батареи из-за более высокого отношения энергии к массе и более высокого отношения мощности к массе - всего 25% массы. за ту же мощность. [6] Никель-цинковые батареи дешевле никель-кадмиевых. [6] Ожидается, что их цена будет где-то между никель-кадмиевыми и свинцово-кислотными типами. Никель-цинк может использоваться в качестве заменителя никель-кадмия. Европейский парламент поддержал запрет на батареи на основе кадмия; [1] никель-цинк является хорошей альтернативой для электроинструментов и других применений. Недостатком является повышенная скорость саморазряда примерно после 30–50 циклов, поэтому батареи не держат заряд так долго, как новые. Там, где это не проблема, никель-цинк является хорошим выбором для применений, требующих высокой мощности и высокого напряжения. [7]
Срок службы батареи
[ редактировать ]По сравнению с гидроксидом кадмия склонность растворимого иона гидроксида цинка ( цинката ) растворяться в растворе и не полностью мигрировать обратно к катоду во время перезарядки в прошлом представляла проблему для коммерческой жизнеспособности никель-цинковых аккумуляторов. [1] [3] Другой распространенной проблемой, связанной с цинковыми аккумуляторами, является изменение формы электродов и появление дендритов (или « усов »), которые могут снизить эффективность разряда элемента или, в конечном итоге, вызвать короткое замыкание элемента, что приводит к сокращению срока службы аккумулятора.
Последние достижения позволили значительно уменьшить эту проблему. Эти достижения включают усовершенствование материалов электродных сепараторов, включение стабилизаторов цинкового материала и улучшение электролитов (например, за счет использования фосфатов ). PowerGenix разработала аккумуляторы напряжением 1,6 В, заявленный срок службы которых сопоставим с NiCd аккумуляторами. [8]
Срок службы батареи чаще всего 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 зарядки-разрядки аккумулятора увеличивается. При сравнении Ni-Zn с аккумуляторами других технологий сравнение срока службы может варьироваться в зависимости от используемой скорости разряда и глубины разряда.
Преимущества
[ редактировать ]Никель-цинковые элементы имеют напряжение холостого хода 1,85 В при полной зарядке. [9] и номинальное напряжение 1,65 В. Это делает Ni-Zn особенно подходящим для электронных продуктов, которым требуется 1,5 В щелочных первичных элементов, а не 1,2 В большинства перезаряжаемых элементов (большинство схем допускают немного более высокое напряжение) и не будут работать. обычно выходит за пределы конечного напряжения щелочной ячейки. Выходное напряжение аккумуляторной батареи 1,2 В упадет до этой точки, прежде чем она полностью зарядится. [ нужна ссылка ]
Для использования в многоэлементных батареях Ni-Zn-элементов с более высоким напряжением требуется меньше элементов, чем NiCd и NiMH для того же напряжения. Они имеют низкое внутреннее сопротивление (обычно 5 миллиом до 50 C. ), что позволяет достигать высоких скоростей разряда аккумулятора , ( C — емкость аккумулятора в Ач, деленная на один час.) [ нужна ссылка ]
Альтернативой литий-ионным аккумуляторам для электромобилей могут стать новые элементы, более мощные и имеющие срок службы до 800 циклов.
В никель-цинковых батареях не используются ртуть, свинец, кадмий или гидриды металлов , которые сложно переработать. [10] И никель, и цинк являются широко встречающимися в природе элементами и могут быть полностью переработаны. В NiZn-элементах не используются легковоспламеняющиеся активные материалы или органические электролиты, а в более поздних конструкциях используются полимерные сепараторы, которые уменьшают проблему дендритов.
Правильно спроектированные NiZn-элементы могут иметь очень высокую удельную мощность и хорошие характеристики разрядки при низких температурах, а также могут без проблем разряжаться почти до 100% и перезаряжаться. По состоянию на 2017 год [update] они были доступны в размерах до F и 50 Ач/призматическая ячейка.
Цинк — дешевый и распространенный металл, 24-й по распространенности элемент в земной коре, не опасный для здоровья.Обычное окисление равно +2, поэтому при заряде и разряде перемещаются два электрона, а не один, как в NiMH батареях.
Зарядка
[ редактировать ]Зарядные устройства для никель-цинковых аккумуляторов должны быть способны заряжать аккумуляторы с полностью заряженным напряжением 1,85 В на элемент, что выше, чем 1,4 В для NiMH. NiZn-технология хорошо подходит для быстрой циклической перезарядки, поскольку предпочтительными являются 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 продолжать зарядку при постоянном напряжении 1,9 В до тех пор, пока ток заряда не снизится до C/40.
В 2009 году максимальное время зарядки составляло около трех часов. [11] После зарядки непрерывная подзарядка не рекомендуется, так как рекомбинация не предусмотрена, а избыток водорода в конечном итоге выйдет наружу, отрицательно влияя на срок службы батареи. [ нужна ссылка ] В некоторых зарядных устройствах для никель-цинковых аккумуляторов указано, что они не заряжают струйным способом после полной зарядки аккумулятора, а отключаются. [13]
Химия
[ редактировать ]- (-) электрод: Zn + 4 OH − ⇌ Zn(OH) 4 2− + 2е − (И 0 = −1,2 В/ШЭ )
- 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 − (И 0 = +0,50 В/ШЭ)
- Общая реакция: Zn + 2 NiO(OH) + H 2 O ⇌ ZnO + 2 Ni(OH) 2.
- Паразитная реакция: Zn + 2 H 2 O → Zn(OH) 2 + H 2
См. также
[ редактировать ]- Сравнение типов аккумуляторов
- Список размеров батарей
- Список типов батарей
- Никель-кадмиевый аккумулятор
- Цинк-воздушная батарея
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с «Создание лучшей батареи», Керри А. Долан, Forbes.com, Журнал Forbes , 11 мая 2009 г., дата обращения 12 февраля 2011 г., Форбс-44 .
- ^ «Знаменитые ирландские химики: Джеймс Дж. Драмм» . Ул.и. Архивировано из оригинала 22 июля 2012 года . Проверено 1 июля 2012 года .
- ^ Jump up to: а б Дэвид Линден (ред.), Справочник по батареям , McGraw Hill, 2002 г., ISBN 0-07-135978-8 , глава 31.
- ↑ Финансовый отчет Evercel за 2007 г. Архивировано 7 марта 2016 г. на Wayback Machine , Evercel.com, стр. 9, дата обращения 23 ноября 2010 г.
- ^ Проблема с счетчиком батареи , кривые разряда NiZn и ограничения напряжения камеры, PentaxForums.com
- ^ Jump up to: а б «Никель-Цинк» . EnerSys.com . ЭнерСис . Проверено 13 июля 2015 г.
- ^ Томас, Джастин (16 марта 2012 г.). «Обзор NiZn-аккумуляторов» . MetaEfficient.com . Тема inSync . Проверено 10 августа 2020 г.
- ^ «Краткая история развития аккумуляторов» , PowerGenix.com, 2010, дата обращения 12 февраля 2011 г. Архивировано 25 февраля 2011 г. на Wayback Machine.
- ^ [1] Новые никель-цинковые аккумуляторы обеспечивают молниеносную перезарядку.
- ^ «Паспорт безопасности: Никель-цинковые батареи (элементы) Размеры: Sub-C и призматические» . ЦинкФайв . 24 мая 2019 года . Проверено 10 августа 2020 г.
- ^ Jump up to: а б «Быстрое зарядное устройство PowerGenix NiZn» . Powergenix.com . 2009. Архивировано из оригинала 23 апреля 2016 года.
- ^ «Инструкция по зарядке никеля-цинка» . Цинкфайв . Проверено 5 июня 2019 г.
- ^ «Панель батареи UPStealth NEMA» . ZincFive (ранее PowerGenix) . 2017. Архивировано из оригинала 2 февраля 2017 года.
{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )
