Zink-Luft-Akkumulatoren. Zink-Luft-Batterien – ein Durchbruch in der Energiespeicherung? Zink-Luftspeicher
Langzeitbereich Zink-Luft-Batterien ging nicht über die Medizin hinaus. Ihre hohe Kapazität und lange (inaktive) Lebensdauer haben es ihnen ermöglicht, die Nische der Einweg-Hörgerätebatterien nahtlos zu besetzen. Doch in den letzten Jahren hat das Interesse der Automobilhersteller an dieser Technologie stark zugenommen. Einige glauben, dass eine Alternative zu Lithium gefunden wurde. Ist es so?
Eine Zink-Luft-Batterie für ein Elektrofahrzeug kann wie folgt angeordnet werden: Elektroden werden in ein in Kammern unterteiltes Fach eingesetzt, an dem Luftsauerstoff adsorbiert und zurückgewonnen wird, sowie spezielle herausnehmbare Kassetten, die mit Anodenverbrauchsmaterial gefüllt sind, in diesem Fall Zink-Granulat. Zwischen der negativen und der positiven Elektrode wird ein Separator platziert. Als Elektrolyt kann eine wässrige Lösung von Kaliumhydroxid oder eine Lösung von Zinkchlorid verwendet werden.
Die von außen eintretende Luft bildet mit Hilfe von Katalysatoren in der wässrigen Elektrolytlösung Hydroxylionen, die die Zinkelektrode oxidieren. Bei dieser Reaktion werden Elektronen freigesetzt, die einen elektrischen Strom bilden.
Vorteile
Schätzungen zufolge betragen die weltweiten Zinkreserven etwa 1,9 Gigatonnen. Wenn wir jetzt mit der weltweiten Produktion von Zinkmetall beginnen, können in ein paar Jahren eine Milliarde Zink-Luft-Batterien mit einer Kapazität von jeweils 10 kW * h montiert werden. Es wird beispielsweise mehr als 180 Jahre dauern, um die gleiche Menge unter den derzeitigen Bedingungen des Lithiumabbaus zu schaffen. Die Verfügbarkeit von Zink wird auch den Batteriepreis senken.
Es ist auch sehr wichtig, dass Zink-Luft-Zellen mit einem transparenten Recyclingsystem für Abfallzink umweltfreundliche Produkte sind. Die hier verwendeten Materialien belasten die Umwelt nicht und können recycelt werden. Auch das Reaktionsprodukt von Zink-Luft-Zellen (Zinkoxid) ist für Mensch und Umwelt absolut unbedenklich. Nicht umsonst wird Zinkoxid als Hauptbestandteil für Babypuder verwendet.
Der Hauptvorteil, dank dem die Hersteller von Elektrofahrzeugen mit Hoffnung auf diese Technologie blicken, ist die hohe Energiedichte (2-3 mal höher als die von Li-Ion). Der Energieverbrauch von Zink-Luft erreicht bereits 450 W * h / kg, die theoretische Dichte kann jedoch 1350 W * h / kg betragen!
Nachteile
Da wir keine Elektrofahrzeuge mit Zink-Luft-Batterien fahren, gibt es auch Nachteile. Erstens ist es schwierig, solche Zellen mit einer ausreichenden Anzahl von Entlade-/Ladezyklen wiederaufladbar zu machen. Beim Betrieb der Zink-Luft-Batterie trocknet der Elektrolyt einfach aus oder dringt zu tief in die Poren der Luftelektrode ein. Und da das abgeschiedene Zink ungleichmäßig verteilt ist und eine verzweigte Struktur bildet, treten häufig Kurzschlüsse zwischen den Elektroden auf.
Wissenschaftler suchen nach einem Ausweg. Die amerikanische Firma ZAI löste dieses Problem, indem sie einfach den Elektrolyten ersetzte und frische Zinkkartuschen hinzufügte. Dies erfordert natürlich eine ausgebaute Infrastruktur von Tankstellen, an denen das oxidierte Aktivmaterial in der Anodenkassette durch frisches Zink ersetzt wird.
Und obwohl die wirtschaftliche Komponente des Projekts noch nicht ausgearbeitet ist, werden die Kosten für eine solche "Aufladung" nach Angaben der Hersteller deutlich geringer sein als beim Betanken eines Autos mit Verbrennungsmotor. Darüber hinaus dauert der Wechsel des aktiven Materials nicht länger als 10 Minuten. Selbst superschnelle werden in der gleichen Zeit nur 50% ihres Potenzials auffüllen können. Bereits im vergangenen Jahr hat Leo Motors aus Korea die Zink-Luft-Batterien von ZAI auf seinem Elektro-Lkw vorgestellt.
ReVolt, ein Schweizer Technologieunternehmen, arbeitet an der Verbesserung der Zink-Luft-Batterie. Sie schlug spezielle gelbildende und adstringierende Additive vor, die die Feuchtigkeit und Form der Zinkelektrode kontrollieren, sowie neue Katalysatoren, die die Leistung der Elemente deutlich verbessern.
Den Meilenstein von 200 Zink-Luft-Entlade- / Ladezyklen schafften die Ingenieure beider Unternehmen jedoch nicht. Daher ist es noch zu früh, von Zink-Luft-Zellen als Elektrofahrzeugbatterien zu sprechen.
In der fünften Ausgabe unseres Magazins haben wir erzählt, wie man selbst einen Gasspeicher herstellt, und in der sechsten - einen Blei-Kali-Akkumulator. Wir bieten unseren Lesern eine andere Art von Stromquelle - eine Zink-Luft-Zelle. Diese Zelle muss während des Betriebs nicht aufgeladen werden, was ein sehr wichtiger Vorteil gegenüber Batterien ist.
Die Zink-Luft-Zelle ist heute die fortschrittlichste Stromquelle, da sie eine relativ hohe spezifische Energie (110-180 Wh / kg) aufweist, einfach herzustellen und zu betreiben ist und hinsichtlich der Steigerung ihrer spezifischen Eigenschaften am vielversprechendsten ist. Die theoretisch berechnete Leistungsdichte der Zink-Luft-Zelle kann bis zu 880 Wh/kg betragen. Wird mindestens die Hälfte dieser Leistung erreicht, wird das Element zu einem ernstzunehmenden Konkurrenten des Verbrennungsmotors.
Ein ganz wichtiger Vorteil der Zink-Luft-Zelle ist
kleine Spannungsänderung unter Last beim Entladen. Darüber hinaus weist ein solches Element eine erhebliche Festigkeit auf, da sein Gefäß aus Stahl bestehen kann.
Das Funktionsprinzip von Zink-Luft-Zellen basiert auf der Verwendung eines elektrochemischen Systems: Zink - Kalilauge - Aktivkohle, die Luftsauerstoff adsorbiert. Durch die Wahl der Zusammensetzung des Elektrolyten, der aktiven Masse der Elektroden und der Wahl des optimalen Designs der Zelle ist es möglich, ihre spezifische Leistung deutlich zu erhöhen.
Diese Elemente zeichnen sich durch die höchste Dichte aller modernen Technologien aus. Der Grund dafür sind die in diesen Batterien verwendeten Komponenten. In diesen Elementen wird atmosphärischer Sauerstoff als Kathodenreagenz verwendet, was sich im Namen widerspiegelt. Damit die Luft mit der Zinkanode reagieren kann, werden kleine Löcher in das Batteriegehäuse gebohrt. Als Elektrolyt wird in diesen Zellen Kaliumhydroxid verwendet, das eine hohe Leitfähigkeit besitzt.
Ursprünglich als nicht wiederaufladbare Netzteile konzipiert, zeichnen sich Zink-Luft-Zellen durch eine lange und stabile Haltbarkeit aus, zumindest bei luftdichter Lagerung im inaktiven Zustand. In diesem Fall verlieren solche Elemente über ein Jahr Lagerung etwa 2 Prozent ihrer Kapazität. Sobald Luft in die Batterie eindringt, halten diese Batterien nicht länger als einen Monat, unabhängig davon, ob Sie sie verwenden oder nicht.
Mehrere Hersteller haben damit begonnen, dieselbe Technologie in wiederaufladbaren Zellen zu verwenden. Das Beste daran ist, dass sich solche Elemente im Langzeitbetrieb in Low-Power-Geräten bewährt haben. Der Hauptnachteil dieser Elemente ist ihr hoher Innenwiderstand, was bedeutet, dass sie sehr groß sein müssen, um eine hohe Leistung zu erzielen. Dies bedeutet die Notwendigkeit, zusätzliche Batteriefächer in Laptops zu schaffen, die in der Größe mit dem Computer selbst vergleichbar sind.
Es sollte jedoch beachtet werden, dass sie vor kurzem einen solchen Antrag erhalten haben. Das erste Produkt dieser Art ist eine gemeinsame Kreation von Hewlett-Packard Co. und AER Energy Resources Inc. - PowerSlice XL - zeigte die Unvollkommenheit dieser Technologie beim Einsatz in Laptop-Computern. Dieser für das HP OmniBook 600 Notebook entwickelte Akku wog 3,3 kg - mehr als der Computer selbst. Sie leistete nur 12 Stunden Arbeit. Energizer hat diese Technologie auch in seine kleinen Knopfbatterien übernommen, die in Hörgeräten verwendet werden.
Auch das Aufladen der Batterien ist keine leichte Aufgabe. Chemische Prozesse reagieren sehr empfindlich auf den der Batterie zugeführten elektrischen Strom. Wenn die angelegte Spannung zu niedrig ist, liefert die Batterie Strom, nimmt nicht an. Ist die Spannung zu hoch, können unerwünschte Reaktionen beginnen, die die Zelle schädigen können. Wenn beispielsweise die Spannung ansteigt, wird die Stromstärke sicherlich steigen, wodurch die Batterie überhitzt. Und wenn Sie die Zelle nach dem vollständigen Aufladen weiter aufladen, können sich explosive Gase darin entwickeln und es kann sogar zu einer Explosion kommen.
Ladetechnologien
Moderne Ladegeräte sind eher anspruchsvolle elektronische Geräte mit unterschiedlichen Schutzgraden – sowohl für Ihre als auch für Ihre Batterien. In den meisten Fällen verfügt jeder Zelltyp über ein eigenes Ladegerät. Bei unsachgemäßer Verwendung des Ladegeräts können nicht nur die Akkus, sondern auch das Gerät selbst oder sogar batteriebetriebene Systeme beschädigt werden.
Es gibt zwei Betriebsarten für Ladegeräte - Konstantspannung und Konstantstrom.
Die einfachsten sind Konstantspannungsgeräte. Sie produzieren je nach Batteriestand (und anderen Umgebungsfaktoren) immer die gleiche Spannung und den gleichen Strom. Wenn die Batterie geladen wird, erhöht sich ihre Spannung, sodass die Differenz zwischen Ladegerät und Batteriepotential kleiner wird. Dadurch fließt weniger Strom durch die Schaltung.
Alles, was für ein solches Gerät benötigt wird, ist ein Transformator (um die Ladespannung auf das von der Batterie benötigte Niveau zu reduzieren) und ein Gleichrichter (um AC in DC zum Laden der Batterie gleichzurichten). Diese einfachen Ladegeräte werden zum Laden von Auto- und Schiffsbatterien verwendet.
Blei-Säure-Batterien für unterbrechungsfreie Stromversorgungen werden in der Regel mit ähnlichen Geräten geladen. Darüber hinaus werden Konstantspannungsgeräte auch zum Aufladen von Lithium-Ionen-Zellen verwendet. Nur es gibt zusätzliche Schaltkreise, um Batterien und ihre Besitzer zu schützen.
Die zweite Art von Ladegeräten bietet eine konstante Stromstärke und ändert die Spannung, um die erforderliche Strommenge bereitzustellen. Sobald die Spannung den vollen Ladezustand erreicht, wird der Ladevorgang beendet. (Denken Sie daran, dass die von der Zelle erzeugte Spannung beim Entladen abfällt.) Normalerweise laden solche Geräte Nickel-Cadmium- und Nickel-Metallhydrid-Zellen.
Neben dem erforderlichen Spannungsniveau müssen Ladegeräte wissen, wie lange das Aufladen der Zelle dauert. Der Akku kann beschädigt werden, wenn er zu lange geladen wird. Je nach Batterietyp und „Intelligenz“ des Ladegeräts kommen verschiedene Technologien zum Einsatz, um die Ladezeit zu bestimmen.
Im einfachsten Fall wird dafür die von der Batterie erzeugte Spannung verwendet. Das Ladegerät überwacht die Batteriespannung und schaltet sich aus, sobald die Batteriespannung den Schwellenwert erreicht. Diese Technologie ist jedoch nicht für alle Elemente geeignet. Beispielsweise ist es für Nickel-Cadmium nicht akzeptabel. Bei diesen Elementen verläuft die Entladungskurve nahe einer geraden Linie, und es kann sehr schwierig sein, den Pegel der Schwellenspannung zu bestimmen.
„Ausgefeiltere“ Ladegeräte bestimmen die Aufladezeit anhand der Temperatur. Das heißt, das Gerät überwacht die Temperatur der Zelle und schaltet ab oder reduziert den Ladestrom, wenn die Batterie zu erwärmen beginnt (was eine Überladung bedeutet). Typischerweise werden in solche Batterien Thermometer eingebaut, die die Temperatur der Zelle überwachen und ein entsprechendes Signal an das Ladegerät übermitteln.
Intelligente Geräte verwenden beide Methoden. Sie können von einem hohen auf einen niedrigen Ladestrom umschalten oder mit speziellen Spannungs- und Temperatursensoren einen konstanten Strom halten.
Standardladegeräte liefern weniger Ladestrom als Zellenentladestrom. Und Ladegeräte mit einem höheren Stromwert liefern einen höheren Strom als der Nennentladestrom der Batterie. Erhaltungsladegeräte verwenden einen so kleinen Strom, dass er nur die Selbstentladung der Batterie verhindert (solche Geräte werden definitionsgemäß verwendet, um die Selbstentladung zu kompensieren). Typischerweise beträgt der Ladestrom in solchen Geräten ein Zwanzigstel oder ein Dreißigstel des Nennentladestroms der Batterie. Moderne Ladegeräte können oft mit mehreren Ladeströmen betrieben werden. Sie verwenden zunächst höhere Ströme und schalten allmählich auf niedrigere Ströme um, wenn sie sich einer vollen Ladung nähern. Wenn eine Batterie verwendet wird, die einem Aufladen mit geringem Strom standhält (z. B. Nickel-Cadmium nicht standhalten), wechselt das Gerät am Ende des Ladezyklus in diesen Modus. Die meisten Ladegeräte für Laptops und Handys sind so konzipiert, dass sie dauerhaft mit den Zellen verbunden sind und diese nicht beschädigen.
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Der Massenmarkteintritt von kompakten Zink-Luft-Batterien hat das Potenzial, bei kleinen Akkus für Laptops und digitale Geräte einen signifikanten Unterschied zu machen.
Energieproblem
und in den letzten Jahren ist die Flotte tragbarer Computer und verschiedener digitaler Geräte erheblich gewachsen, von denen viele erst kürzlich auf dem Markt erschienen sind. Dieser Prozess hat sich durch die zunehmende Popularität von Mobiltelefonen deutlich beschleunigt. Die rasche Zunahme der Zahl tragbarer elektronischer Geräte wiederum hat zu einem starken Anstieg der Nachfrage nach autonomen Stromquellen, insbesondere nach verschiedenen Arten von Batterien und Akkumulatoren, geführt.
Die Notwendigkeit, eine Vielzahl tragbarer Geräte mit Batterien auszustatten, ist jedoch nur eine Seite des Problems. Mit der Entwicklung tragbarer elektronischer Geräte steigt also die Bestückungsdichte der Elemente und die Leistung der darin verwendeten Mikroprozessoren - in nur drei Jahren hat sich die Taktfrequenz der verwendeten PDA-Prozessoren um eine Größenordnung erhöht. Winzige monochrome Bildschirme werden durch hochauflösende, großformatige Farbdisplays ersetzt. All dies führt zu einem erhöhten Energieverbrauch. Darüber hinaus ist im Bereich der portablen Elektronik ein klarer Trend zur weiteren Miniaturisierung zu erkennen. Unter Berücksichtigung der oben genannten Faktoren wird deutlich, dass eine Steigerung der Energieintensität, Leistung, Lebensdauer und Zuverlässigkeit der gebrauchten Batterien eine der wichtigsten Voraussetzungen für die Weiterentwicklung tragbarer elektronischer Geräte ist.
Das Problem der erneuerbaren Quellen der autonomen Stromversorgung ist im Segment der tragbaren PCs sehr akut. Moderne Technologien ermöglichen es, Laptops zu erstellen, die in ihrer funktionalen Ausstattung und Leistung vollwertigen Desktop-Systemen praktisch nicht nachstehen. Das Fehlen ausreichend wirksamer Quellen für eine autonome Stromversorgung beraubt jedoch Laptop-Benutzer eines der Hauptvorteile dieser Art von Computer - die Mobilität. Ein guter Indikator für einen modernen Laptop, der mit einem Lithium-Ionen-Akku ausgestattet ist, ist eine Akkulaufzeit von etwa 4 Stunden 1, die jedoch für ein vollwertiges Arbeiten unter mobilen Bedingungen eindeutig nicht ausreicht (z. B. dauert ein Flug von Moskau nach Tokio etwa 10 Stunden und von Moskau nach Los Angeles - fast 15).
Eine der Lösungsoptionen für das Problem der Erhöhung der Batterielebensdauer tragbarer PCs ist der Übergang von den inzwischen weit verbreiteten Nickel-Metallhydrid- und Lithium-Ionen-Batterien hin zu chemischen Brennstoffzellen 2. Brennstoffzellen mit niedriger Betriebstemperatur wie PEM (Proton Exchange Membrane) und DMCF (Direct Methanol Fuel Cells) sind die vielversprechendsten für Anwendungen in tragbaren elektronischen Geräten und PCs. Als Brennstoff für diese Elemente wird eine wässrige Lösung von Methylalkohol (Methanol) 3 verwendet.
Allerdings wäre es zum jetzigen Zeitpunkt zu optimistisch, die Zukunft der chemischen Brennstoffzellen ausschließlich in rosa Farben zu beschreiben. Tatsache ist, dass der Massenverteilung von Brennstoffzellen in tragbaren elektronischen Geräten mindestens zwei Hindernisse im Wege stehen. Zum einen ist Methanol ein ziemlich giftiger Stoff, was erhöhte Anforderungen an die Dichtheit und Zuverlässigkeit von Tankpatronen mit sich bringt. Zweitens müssen Katalysatoren verwendet werden, um eine akzeptable Durchtrittsgeschwindigkeit chemischer Reaktionen in Brennstoffzellen mit niedriger Betriebstemperatur zu gewährleisten. Derzeit werden Katalysatoren aus Platin und seinen Legierungen in PEM- und DMCF-Zellen verwendet, aber die natürlichen Reserven dieser Substanz sind gering und ihre Kosten hoch. Es ist theoretisch möglich, Platin durch andere Katalysatoren zu ersetzen, aber bisher konnte keines der Teams, die in diese Richtung forschen, eine akzeptable Alternative finden. Heutzutage ist das sogenannte Platinproblem vielleicht das gravierendste Hindernis für die weit verbreitete Einführung von Brennstoffzellen in Laptops und elektronischen Geräten.
1 Dies bezieht sich auf die Betriebszeit des Standardakkus.
2 Lesen Sie mehr über Brennstoffzellen im Artikel "Fuel Cells: A Year of Hope", erschienen in # 1'2005.
3 Mit gasförmigem Wasserstoff betriebene PEM-Zellen verfügen über einen integrierten Konverter zur Herstellung von Wasserstoff aus Methanol.
Zink-Luft-Zellen
Obwohl die Autoren einer Reihe von Veröffentlichungen Zink-Luft-Batterien und -Akkumulatoren als eine der Unterarten der Brennstoffzellen betrachten, ist dies nicht ganz richtig. Nachdem man sich mit dem Gerät und dem Funktionsprinzip von Zink-Luft-Zellen vertraut gemacht hat, kann man auch im Allgemeinen eine völlig eindeutige Schlussfolgerung ziehen, dass es richtiger ist, sie als separate Klasse autonomer Stromversorgungen zu betrachten.
Die Zink-Luft-Zellen-Konstruktion umfasst eine Kathode und eine Anode, die durch einen alkalischen Elektrolyten und mechanische Separatoren getrennt sind. Als Kathode wird eine Gasdiffusionselektrode (GDE) verwendet, deren permeable Membran die Gewinnung von Sauerstoff aus der durch sie zirkulierenden Atmosphärenluft ermöglicht. Der "Brennstoff" ist die Zinkanode, die während des Betriebs der Zelle oxidiert wird, und das Oxidationsmittel ist Sauerstoff, der aus der atmosphärischen Luft gewonnen wird, die durch die "Atemlöcher" eindringt.
An der Kathode findet die Reaktion der Elektroreduktion von Sauerstoff statt, deren Produkte negativ geladene Hydroxidionen sind:
O 2 + 2H 2 O + 4e 4OH –.
Hydroxidionen wandern im Elektrolyten zur Zinkanode, wo die Zinkoxidationsreaktion unter Freisetzung von Elektronen stattfindet, die über den äußeren Kreislauf zur Kathode zurückkehren:
Zn + 4OH - Zn (OH) 4 2– + 2e.
Zn (OH) 4 2– ZnO + 2OH - + H 2 O.
Dass Zink-Luft-Zellen nicht unter die Einordnung der chemischen Brennstoffzellen fallen, liegt auf der Hand: Zum einen verwenden sie eine verbrauchbare Elektrode (Anode), zum anderen befindet sich der Brennstoff zunächst im Inneren der Zelle und wird im Betrieb nicht aus der Zelle zugeführt außen.
Die Spannung zwischen den Elektroden einer Zink-Luft-Zelle beträgt 1,45 V, was sehr nahe an der von Alkalibatterien liegt. Zur Erzielung einer höheren Versorgungsspannung können bei Bedarf mehrere in Reihe geschaltete Zellen zu einer Batterie zusammengefasst werden.
Zink ist ein recht verbreitetes und kostengünstiges Material, aufgrund dessen Hersteller bei der Massenproduktion von Zink-Luft-Zellen keine Probleme mit Rohstoffen haben. Darüber hinaus werden die Kosten für solche Netzteile bereits in der Anfangsphase recht wettbewerbsfähig sein.
Wichtig ist auch, dass Zink-Luft-Zellen sehr umweltfreundliche Produkte sind. Die zu ihrer Herstellung verwendeten Materialien belasten die Umwelt nicht und können nach dem Recycling wiederverwendet werden. Auch die Reaktionsprodukte der Zink-Luft-Elemente (Wasser und Zinkoxid) sind für Mensch und Umwelt absolut unbedenklich – Zinkoxid wird sogar als Hauptbestandteil von Babypuder verwendet.
Unter den Betriebseigenschaften von Zink-Luft-Zellen sind solche Vorteile wie eine geringe Selbstentladungsrate im nicht aktivierten Zustand und eine geringe Änderung des Spannungswerts während der Entladung (flache Entladekurve) zu erwähnen.
Ein gewisser Nachteil von Zink-Luft-Zellen ist der Einfluss der relativen Feuchtigkeit der einströmenden Luft auf die Eigenschaften des Elements. Beispielsweise verringert sich bei einer Zink-Luft-Zelle, die für den Betrieb bei 60 % RH ausgelegt ist, die Lebensdauer um etwa 15 %, wenn die Luftfeuchtigkeit auf 90 % ansteigt.
Von Batterien bis Akkus
Einwegbatterien sind die am einfachsten zu implementierende Option für Zink-Luft-Zellen. Bei der Herstellung von Zink-Luft-Zellen großer Größe und Leistung (z. B. für den Antrieb von Kraftwerken von Fahrzeugen) können Zinkanodenkassetten austauschbar gemacht werden. Um die Energieversorgung zu erneuern, reicht es in diesem Fall aus, die Kassette mit den verbrauchten Elektroden zu entfernen und stattdessen eine neue zu installieren. Gebrauchte Elektroden können in Fachbetrieben elektrochemisch zur Wiederverwendung zurückgewonnen werden.
Sprechen wir von Kompaktbatterien, die für den Einsatz in tragbaren PCs und elektronischen Geräten geeignet sind, dann ist die praktische Umsetzung der Option mit auswechselbaren Zink-Anoden-Kassetten aufgrund der geringen Größe der Batterien nicht möglich. Aus diesem Grund sind die meisten der derzeit auf dem Markt befindlichen kompakten Zink-Luft-Zellen Einwegartikel. Kleine Einweg-Zink-Luft-Batterien werden von Duracell, Eveready, Varta, Matsushita, GP sowie dem inländischen Unternehmen Energia hergestellt. Das Hauptanwendungsgebiet solcher Stromquellen sind Hörgeräte, tragbare Radios, Fotoausrüstung usw.
Viele Unternehmen stellen jetzt Einweg-Zink-Luft-Batterien her
Vor einigen Jahren produzierte AER Zink-Luft-Batterien von Power Slice für Laptops. Diese Artikel wurden für die Notebooks der Serien Omnibook 600 und Omnibook 800 von Hewlett-Packard entwickelt; ihre Akkulaufzeit reichte von 8 bis 12 Stunden.
Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, wiederaufladbare Zink-Luft-Zellen (Akkumulatoren) zu schaffen, bei denen bei Anschluss einer externen Stromquelle die Zinkreduktionsreaktion an der Anode stattfindet. Die praktische Umsetzung solcher Projekte wurde jedoch lange Zeit durch gravierende Probleme im Zusammenhang mit den chemischen Eigenschaften von Zink behindert. Zinkoxid löst sich gut in einem alkalischen Elektrolyten und verteilt sich in gelöster Form im Elektrolytvolumen von der Anode weg. Aus diesem Grund ändert sich beim Laden aus einer externen Stromquelle die Geometrie der Anode erheblich: Aus Oxid gewonnenes Zinkoxid lagert sich auf der Oberfläche der Anode in Form von Bandkristallen (Dendriten) ab, die in ihrer Form langen Spitzen ähneln. Dendriten durchdringen die Separatoren und verursachen einen Kurzschluss im Inneren der Batterie.
Dieses Problem wird durch die Tatsache verschärft, dass die Anoden der Zink-Luft-Zellen zur Leistungssteigerung aus zerkleinertem Zinkpulver bestehen (dies ermöglicht eine deutliche Vergrößerung der Oberfläche der Elektrode). Somit nimmt mit zunehmender Anzahl von Lade-Entlade-Zyklen die Oberfläche der Anode allmählich ab, was die Zellleistung nachteilig beeinflusst.
Bis heute hat Zinc Matrix Power (ZMP) den größten Erfolg bei kompakten Zink-Luft-Batterien erzielt. ZMP-Spezialisten haben eine einzigartige Zink-Matrix-Technologie entwickelt, die die Hauptprobleme beim Laden von Batterien gelöst hat. Die Essenz dieser Technologie ist die Verwendung eines Polymerbinders, der das ungehinderte Eindringen von Hydroxidionen gewährleistet, aber gleichzeitig die Bewegung des sich im Elektrolyten lösenden Zinkoxids blockiert. Durch die Verwendung dieser Lösung ist es möglich, für mindestens 100 Lade-Entlade-Zyklen merkliche Veränderungen in Form und Oberfläche der Anode zu vermeiden.
Die Vorteile von Zink-Luft-Batterien sind eine lange Betriebsdauer und ein hoher spezifischer Energieverbrauch, mindestens doppelt so hoch wie bei den besten Lithium-Ionen-Batterien. Der spezifische Energieverbrauch von Zink-Luft-Batterien erreicht 240 Wh pro 1 kg Gewicht und die maximale Leistung beträgt 5000 W / kg.
Nach Angaben der ZMP-Entwickler ist es heute möglich, Zink-Luft-Batterien für tragbare elektronische Geräte (Mobiltelefone, digitale Player etc.) mit einer Energiekapazität von etwa 20 Wh herzustellen. Die kleinstmögliche Dicke solcher Netzteile beträgt nur 3 mm. Experimentelle Prototypen von Zink-Luft-Batterien für Notebooks haben eine Energiekapazität von 100 bis 200 Wh.
Zink-Luft-Prototyp-Batterie von Zinc Matrix Power
Ein weiterer wichtiger Vorteil von Zink-Luft-Batterien ist das völlige Fehlen des sogenannten Memory-Effekts. Im Gegensatz zu anderen Batterietypen können Zink-Luft-Zellen bei jedem Ladezustand aufgeladen werden, ohne ihre Energiekapazität zu beeinträchtigen. Darüber hinaus sind Zink-Luft-Zellen viel sicherer als Lithium-Batterien.
Abschließend sei noch ein wichtiges Ereignis erwähnt, das zu einem symbolischen Ausgangspunkt für die Kommerzialisierung von Zink-Luft-Zellen wurde: Am 9. Juni letzten Jahres gab Zinc Matrix Power offiziell die Unterzeichnung einer strategischen Vereinbarung mit der Intel Corporation bekannt. Vorbehaltlich der Bedingungen dieser Vereinbarung werden ZMP und Intel ihre Kräfte bündeln, um eine neue Laptop-Akkutechnologie zu entwickeln. Zu den Hauptzielen dieser Arbeiten gehört es, die Akkulaufzeit von Laptops auf bis zu 10 Stunden zu erhöhen. Nach bisherigem Plan sollen die ersten Notebook-Modelle mit Zink-Luft-Batterien im Jahr 2006 auf den Markt kommen.
