Συσσωρευτές ψευδάργυρου-αέρα. Μπαταρίες αέρα ψευδαργύρου - Μια σημαντική ανακάλυψη στην αποθήκευση ενέργειας; Συσσωρευτής αέρα ψευδάργυρου
Μακροχρόνιο εύρος μπαταρίες αέρα ψευδαργύρουδεν προχώρησε πέρα από την ιατρική. Η υψηλή χωρητικότητα και η μεγάλη (ανενεργή) διάρκεια ζωής τους επέτρεψαν να καταλαμβάνουν απρόσκοπτα τη θέση των μπαταριών ακουστικών βαρηκοΐας μιας χρήσης. Αλλά τα τελευταία χρόνια, υπάρχει μια μεγάλη αύξηση του ενδιαφέροντος για αυτήν την τεχνολογία από τις αυτοκινητοβιομηχανίες. Μερικοί πιστεύουν ότι έχει βρεθεί μια εναλλακτική λύση για το λίθιο. Είναι έτσι?
Μια μπαταρία ψευδαργύρου-αέρα για ένα ηλεκτρικό όχημα μπορεί να διαταχθεί ως εξής: τα ηλεκτρόδια εισάγονται σε ένα διαμέρισμα χωρισμένο σε διαμερίσματα, στο οποίο απορροφάται και μειώνεται το οξυγόνο του αέρα, καθώς και ειδικές αφαιρούμενες κασέτες γεμάτες με αναλώσιμο υλικό ανόδου, στην περίπτωση αυτή, κόκκοι ψευδαργύρου. Ένας διαχωριστής τοποθετείται μεταξύ του αρνητικού και του θετικού ηλεκτροδίου. Ένα υδατικό διάλυμα υδροξειδίου του καλίου ή ένα διάλυμα χλωριούχου ψευδαργύρου μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ηλεκτρολύτης.
Ο αέρας που εισέρχεται από έξω με τη βοήθεια καταλυτών σχηματίζει ιόντα υδροξυλίου στο υδατικό διάλυμα ηλεκτρολυτών, τα οποία οξειδώνουν το ηλεκτρόδιο ψευδαργύρου. Κατά τη διάρκεια αυτής της αντίδρασης, τα ηλεκτρόνια απελευθερώνονται, σχηματίζοντας ένα ηλεκτρικό ρεύμα.
Πλεονεκτήματα
Σύμφωνα με ορισμένες εκτιμήσεις, τα παγκόσμια αποθέματα ψευδαργύρου είναι περίπου 1,9 γιγατόνα. Αν ξεκινήσουμε τώρα την παγκόσμια παραγωγή μετάλλου ψευδαργύρου, τότε σε μερικά χρόνια θα είναι δυνατή η συναρμολόγηση ενός δισεκατομμυρίου μπαταριών ψευδαργύρου-αέρα χωρητικότητας 10 kW * h η κάθε μία. Για παράδειγμα, θα χρειαστούν περισσότερα από 180 χρόνια για να δημιουργηθεί το ίδιο ποσό υπό τις τρέχουσες συνθήκες εξόρυξης λιθίου. Η διαθεσιμότητα ψευδαργύρου θα μειώσει επίσης την τιμή των μπαταριών.
Είναι επίσης πολύ σημαντικό τα κύτταρα αέρα ψευδαργύρου, έχοντας ένα διαφανές σχήμα ανακύκλωσης απορριμμάτων ψευδαργύρου, να είναι φιλικά προς το περιβάλλον προϊόντα. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται εδώ δεν μολύνουν το περιβάλλον και μπορούν να ανακυκλωθούν. Το προϊόν αντίδρασης των κυττάρων αέρα ψευδαργύρου (οξείδιο ψευδαργύρου) είναι επίσης απολύτως ασφαλές για τον άνθρωπο και το περιβάλλον του. Δεν είναι τίποτα που το οξείδιο του ψευδαργύρου χρησιμοποιείται ως το κύριο συστατικό για τη σκόνη του μωρού.
Το κύριο πλεονέκτημα, χάρη στο οποίο οι κατασκευαστές ηλεκτρικών οχημάτων βλέπουν με ελπίδα αυτήν την τεχνολογία, είναι η υψηλή ενεργειακή πυκνότητα (2-3 φορές μεγαλύτερη από αυτή του ιόντος λιθίου). Δη, η κατανάλωση ενέργειας του Zinc-Air φτάνει τα 450 W * h / kg, αλλά η θεωρητική πυκνότητα μπορεί να είναι 1350 W * h / kg!
μειονεκτήματα
Δεδομένου ότι δεν οδηγούμε ηλεκτρικά οχήματα με μπαταρίες αέρα ψευδαργύρου, τότε υπάρχουν και μειονεκτήματα. Πρώτον, είναι δύσκολο να καταστούν αυτά τα κύτταρα επαναφορτιζόμενα με επαρκή αριθμό κύκλων εκφόρτισης / φόρτισης. Κατά τη λειτουργία της μπαταρίας ψευδαργύρου αέρα, ο ηλεκτρολύτης απλά στεγνώνει ή διεισδύει πολύ βαθιά στους πόρους του ηλεκτροδίου αέρα. Και δεδομένου ότι ο εναποτιθέμενος ψευδάργυρος κατανέμεται άνισα, σχηματίζοντας διακλαδισμένη δομή, συχνά συμβαίνουν βραχυκυκλώματα μεταξύ των ηλεκτροδίων.
Οι επιστήμονες προσπαθούν να βρουν μια διέξοδο. Η αμερικανική εταιρεία ZAI έλυσε αυτό το πρόβλημα αντικαθιστώντας απλά τον ηλεκτρολύτη και προσθέτοντας φρέσκα φυσίγγια ψευδαργύρου. Φυσικά, αυτό θα απαιτήσει μια ανεπτυγμένη υποδομή σταθμών πλήρωσης, όπου το οξειδωμένο ενεργό υλικό στην κασέτα ανόδου θα αντικατασταθεί με φρέσκο ψευδάργυρο.
Και παρόλο που η οικονομική συνιστώσα του έργου δεν έχει ακόμη επεξεργαστεί, οι κατασκευαστές ισχυρίζονται ότι το κόστος μιας τέτοιας "φόρτισης" θα είναι σημαντικά χαμηλότερο από τον ανεφοδιασμό ενός αυτοκινήτου με κινητήρα εσωτερικής καύσης. Επιπλέον, η διαδικασία αλλαγής του ενεργού υλικού θα διαρκέσει όχι περισσότερο από 10 λεπτά. Ακόμα και οι υπερταχείες θα είναι σε θέση να αναπληρώσουν μόνο το 50% των δυνατοτήτων τους την ίδια στιγμή. Πέρυσι, η κορεατική εταιρεία Leo Motors παρουσίασε ήδη μπαταρίες αέρα ZAI ψευδαργύρου στο ηλεκτρικό φορτηγό της.
Η ReVolt, μια ελβετική εταιρεία τεχνολογίας, εργάζεται για τη βελτίωση της μπαταρίας Zinc-Air. Πρότεινε ειδικά πηκτικά και στυπτικά πρόσθετα που ελέγχουν την υγρασία και το σχήμα του ηλεκτροδίου ψευδαργύρου, καθώς και νέους καταλύτες που βελτιώνουν σημαντικά την απόδοση των στοιχείων.
Ωστόσο, οι μηχανικοί και των δύο εταιρειών δεν κατάφεραν να ξεπεράσουν το ορόσημο των 200 κύκλων εκφόρτισης / φόρτισης Zinc-Air. Ως εκ τούτου, είναι πολύ νωρίς για να μιλήσουμε για κυψέλες αέρα ψευδαργύρου ως μπαταρίες ηλεκτρικών οχημάτων.
Στο πέμπτο τεύχος του περιοδικού μας, είπαμε πώς να φτιάξουμε μόνοι μας έναν συσσωρευτή αερίου και στο έκτο - έναν συσσωρευτή μολύβδου -ποτάσας. Προσφέρουμε στους αναγνώστες μας έναν άλλο τύπο πηγής ενέργειας - μια κυψέλη αέρα ψευδαργύρου. Αυτό το κελί δεν απαιτεί φόρτιση κατά τη λειτουργία, το οποίο είναι ένα πολύ σημαντικό πλεονέκτημα έναντι των μπαταριών.
Η κυψέλη ψευδαργύρου-αέρα είναι πλέον η πιο προηγμένη τρέχουσα πηγή, αφού έχει σχετικά υψηλή ειδική ενέργεια (110-180 Wh / kg), είναι εύκολη στην κατασκευή και λειτουργία και είναι πολλά υποσχόμενη όσον αφορά την αύξηση των ειδικών χαρακτηριστικών της. Η θεωρητικά υπολογισμένη πυκνότητα ισχύος της κυψέλης αέρα ψευδαργύρου μπορεί να είναι έως 880 Wh / kg. Εάν επιτευχθεί τουλάχιστον το ήμισυ αυτής της ισχύος, το στοιχείο θα γίνει ένας πολύ σοβαρός ανταγωνιστής του κινητήρα εσωτερικής καύσης.
Ένα πολύ σημαντικό πλεονέκτημα της κυψέλης αέρα ψευδαργύρου είναι
μικρή μεταβολή της τάσης υπό φορτίο καθώς αποφορτίζεται. Επιπλέον, ένα τέτοιο στοιχείο έχει σημαντική αντοχή, καθώς το δοχείο του μπορεί να είναι κατασκευασμένο από χάλυβα.
Η αρχή λειτουργίας των κυψελών αέρα ψευδαργύρου βασίζεται στη χρήση ενός ηλεκτροχημικού συστήματος: ψευδάργυρος - καυστικό διάλυμα καλίου - ενεργός άνθρακας, ο οποίος απορροφά το ατμοσφαιρικό οξυγόνο. Επιλέγοντας τη σύνθεση του ηλεκτρολύτη, την ενεργό μάζα των ηλεκτροδίων και επιλέγοντας τον βέλτιστο σχεδιασμό του στοιχείου, είναι δυνατό να αυξηθεί σημαντικά η ειδική του ισχύ.
Αυτά τα στοιχεία διακρίνονται από την υψηλότερη πυκνότητα όλων των σύγχρονων τεχνολογιών. Ο λόγος για αυτό είναι τα εξαρτήματα που χρησιμοποιούνται σε αυτές τις μπαταρίες. Το ατμοσφαιρικό οξυγόνο χρησιμοποιείται ως αντιδραστήριο καθόδου σε αυτά τα στοιχεία, το οποίο αντικατοπτρίζεται στο όνομά τους. Για να αντιδράσει ο αέρας με την άνοδο ψευδαργύρου, γίνονται μικρές οπές στη θήκη της μπαταρίας. Το υδροξείδιο του καλίου, το οποίο έχει υψηλή αγωγιμότητα, χρησιμοποιείται ως ηλεκτρολύτης σε αυτά τα κύτταρα.
Αρχικά σχεδιασμένα ως μη επαναφορτιζόμενα τροφοδοτικά, τα κύτταρα ψευδάργυρου-αέρα χαρακτηρίζονται από μεγάλη και σταθερή διάρκεια ζωής, τουλάχιστον αν διατηρούνται αεροστεγώς, σε ανενεργή κατάσταση. Σε αυτή την περίπτωση, πάνω από ένα χρόνο αποθήκευσης, τέτοια στοιχεία χάνουν περίπου το 2 τοις εκατό της χωρητικότητάς τους. Μόλις εισέλθει αέρας στην μπαταρία, αυτές οι μπαταρίες δεν διαρκούν περισσότερο από ένα μήνα, ανεξάρτητα από το αν τις χρησιμοποιείτε ή όχι.
Αρκετοί κατασκευαστές έχουν αρχίσει να χρησιμοποιούν την ίδια τεχνολογία σε επαναφορτιζόμενες κυψέλες. Το καλύτερο από όλα, τέτοια στοιχεία έχουν αποδειχθεί κατά τη μακροχρόνια λειτουργία σε συσκευές χαμηλής ισχύος. Το κύριο μειονέκτημα αυτών των στοιχείων είναι η υψηλή εσωτερική τους αντίσταση, πράγμα που σημαίνει ότι για να επιτευχθεί υψηλή ισχύς, πρέπει να έχουν τεράστιο μέγεθος. Αυτό σημαίνει ότι πρέπει να δημιουργηθούν πρόσθετα διαμερίσματα μπαταριών σε φορητούς υπολογιστές, συγκρίσιμα σε μέγεθος με τον ίδιο τον υπολογιστή.
Αλλά πρέπει να σημειωθεί ότι άρχισαν να λαμβάνουν τέτοια αίτηση πολύ πρόσφατα. Το πρώτο τέτοιο προϊόν είναι μια κοινή δημιουργία της Hewlett-Packard Co. και AER Energy Resources Inc. - PowerSlice XL - έδειξε την ατέλεια αυτής της τεχνολογίας όταν χρησιμοποιείται σε φορητούς υπολογιστές. Αυτή η μπαταρία, σχεδιασμένη για το φορητό υπολογιστή HP OmniBook 600, ζύγιζε 3,3 κιλά - περισσότερο από τον ίδιο τον υπολογιστή. Παρείχε δουλειά μόνο για 12 ώρες. Η Energizer υιοθέτησε επίσης αυτήν την τεχνολογία στις μικρές μπαταρίες κουμπιών που χρησιμοποιούνται στα ακουστικά βαρηκοΐας.
Η επαναφόρτιση μπαταριών δεν είναι επίσης εύκολη υπόθεση. Οι χημικές διεργασίες είναι πολύ ευαίσθητες στο ηλεκτρικό ρεύμα που παρέχεται στην μπαταρία. Εάν η εφαρμοζόμενη τάση είναι πολύ χαμηλή, η μπαταρία θα τροφοδοτήσει ρεύμα και όχι. Εάν η τάση είναι πολύ υψηλή, μπορεί να ξεκινήσουν ανεπιθύμητες αντιδράσεις που μπορούν να βλάψουν το κύτταρο. Για παράδειγμα, όταν η τάση αυξηθεί, η τρέχουσα ισχύς σίγουρα θα αυξηθεί, με αποτέλεσμα η μπαταρία να υπερθερμανθεί. Και αν συνεχίσετε να φορτίζετε το κύτταρο αφού έχει φορτιστεί πλήρως, εκρηκτικά αέρια μπορούν να αρχίσουν να εξελίσσονται σε αυτό και ακόμη και μια έκρηξη.
Τεχνολογίες φόρτισης
Οι σύγχρονες συσκευές φόρτισης είναι μάλλον εξελιγμένες ηλεκτρονικές συσκευές με διάφορους βαθμούς προστασίας - τόσο για τη δική σας όσο και για τις μπαταρίες σας. Στις περισσότερες περιπτώσεις, κάθε τύπος κυψέλης έχει το δικό του φορτιστή. Η λανθασμένη χρήση του φορτιστή μπορεί να βλάψει όχι μόνο τις μπαταρίες, αλλά και την ίδια τη συσκευή, ή ακόμη και συστήματα που τροφοδοτούνται με μπαταρία.
Υπάρχουν δύο τρόποι λειτουργίας για τους φορτιστές - σταθερή τάση και σταθερό ρεύμα.
Οι απλούστερες είναι συσκευές σταθερής τάσης. Παράγουν πάντα την ίδια τάση και ρεύμα τροφοδοσίας ανάλογα με το επίπεδο της μπαταρίας (και άλλους περιβαλλοντικούς παράγοντες). Καθώς η μπαταρία φορτίζει, η τάση της αυξάνεται, οπότε η διαφορά μεταξύ των δυνατοτήτων του φορτιστή και της μπαταρίας μειώνεται. Ως αποτέλεσμα, περνάει λιγότερο ρεύμα στο κύκλωμα.
Το μόνο που χρειάζεται για μια τέτοια συσκευή είναι ένας μετασχηματιστής (για τη μείωση της τάσης φόρτισης στο επίπεδο που απαιτείται από την μπαταρία) και ένας ανορθωτής (για τη διόρθωση AC σε DC που χρησιμοποιείται για τη φόρτιση της μπαταρίας). Αυτοί οι απλοί φορτιστές χρησιμοποιούνται για τη φόρτιση μπαταριών αυτοκινήτων και πλοίων.
Κατά κανόνα, οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος για αδιάλειπτα τροφοδοτικά φορτίζονται με παρόμοιες συσκευές. Επιπλέον, συσκευές σταθερής τάσης χρησιμοποιούνται επίσης για την επαναφόρτιση κυττάρων ιόντων λιθίου. Μόνο που υπάρχουν πρόσθετα κυκλώματα για την προστασία των μπαταριών και των ιδιοκτητών τους.
Ο δεύτερος τύπος φορτιστών παρέχει σταθερό ρεύμα και αλλάζει την τάση για να παρέχει την απαιτούμενη ποσότητα ρεύματος. Μόλις η τάση φτάσει στο επίπεδο πλήρους φόρτισης, η φόρτιση σταματά. (Θυμηθείτε, η τάση που παράγεται από το κελί πέφτει καθώς αποφορτίζεται.) Συνήθως τέτοιες συσκευές φορτίζουν κυψέλες υδριδίου νικελίου-καδμίου και νικελίου-μετάλλου.
Εκτός από το απαιτούμενο επίπεδο τάσης, οι φορτιστές πρέπει να γνωρίζουν πόσο χρόνο χρειάζεται για να επαναφορτιστεί το κελί. Η μπαταρία μπορεί να καταστραφεί εάν φορτιστεί για μεγάλο χρονικό διάστημα. Αρκετές τεχνολογίες χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό του χρόνου επαναφόρτισης, ανάλογα με τον τύπο της μπαταρίας και την «ευφυΐα» του φορτιστή.
Στις απλούστερες περιπτώσεις, η τάση που παράγεται από την μπαταρία χρησιμοποιείται για αυτό. Ο φορτιστής παρακολουθεί την τάση της μπαταρίας και απενεργοποιείται τη στιγμή που η τάση της μπαταρίας φτάσει στο επίπεδο κατωφλίου. Αλλά αυτή η τεχνολογία δεν είναι κατάλληλη για όλα τα στοιχεία. Για παράδειγμα, δεν είναι αποδεκτό για νικέλιο-κάδμιο. Σε αυτά τα στοιχεία, η καμπύλη εκφόρτισης είναι κοντά σε μια ευθεία γραμμή και μπορεί να είναι πολύ δύσκολο να προσδιοριστεί το επίπεδο της τάσης κατωφλίου.
Πιο "εξελιγμένοι" φορτιστές καθορίζουν το χρόνο επαναφόρτισης με βάση τη θερμοκρασία. Δηλαδή, η συσκευή παρακολουθεί τη θερμοκρασία της κυψέλης και απενεργοποιείται ή μειώνει το ρεύμα φόρτισης όταν η μπαταρία αρχίζει να θερμαίνεται (πράγμα που σημαίνει υπερφόρτιση). Συνήθως, τα θερμόμετρα είναι ενσωματωμένα σε τέτοιες μπαταρίες, οι οποίες παρακολουθούν τη θερμοκρασία της κυψέλης και μεταδίδουν ένα κατάλληλο σήμα στο φορτιστή.
Οι έξυπνες συσκευές χρησιμοποιούν και τις δύο αυτές μεθόδους. Μπορούν να αλλάξουν από υψηλό ρεύμα φόρτισης σε χαμηλό ή μπορούν να διατηρήσουν ένα σταθερό ρεύμα χρησιμοποιώντας ειδικούς αισθητήρες τάσης και θερμοκρασίας.
Οι τυπικοί φορτιστές παρέχουν λιγότερο ρεύμα φόρτισης από το ρεύμα εκφόρτισης κυψέλης. Και οι φορτιστές με υψηλότερη τιμή ρεύματος παρέχουν υψηλότερο ρεύμα από το ονομαστικό ρεύμα εκφόρτισης της μπαταρίας. Οι συσκευές φόρτισης τρίχας χρησιμοποιούν τόσο μικρό ρεύμα που εμποδίζει μόνο την αυτοεκφόρτιση της μπαταρίας (εξ ορισμού, τέτοιες συσκευές χρησιμοποιούνται για να αντισταθμίσουν την αυτο-εκφόρτιση). Τυπικά, το ρεύμα φόρτισης σε τέτοιες συσκευές είναι το ένα εικοστό ή το ένα τριακοστό του ονομαστικού ρεύματος εκφόρτισης της μπαταρίας. Οι σύγχρονοι φορτιστές μπορούν συχνά να λειτουργούν με πολλαπλά ρεύματα φόρτισης. Χρησιμοποιούν υψηλότερα ρεύματα στην αρχή και σταδιακά μεταβαίνουν σε χαμηλότερα ρεύματα καθώς πλησιάζουν σε πλήρη φόρτιση. Εάν χρησιμοποιείται μια μπαταρία που μπορεί να αντέξει επαναφόρτιση χαμηλού ρεύματος (νικέλιο-κάδμιο, για παράδειγμα, δεν αντέχει), τότε στο τέλος του κύκλου επαναφόρτισης η συσκευή θα μεταβεί σε αυτήν τη λειτουργία. Οι περισσότεροι φορτιστές για φορητούς υπολογιστές και κινητά τηλέφωνα έχουν σχεδιαστεί έτσι ώστε να μπορούν να συνδέονται μόνιμα με τα κύτταρα και να μην τους βλάπτουν.
Στοιχείο ψευδαργύρου μαγγανίου. (1) μεταλλικό καπάκι, (2) ηλεκτρόδιο γραφίτη ("+"), (3) κύπελλο ψευδαργύρου (""), (4) οξείδιο του μαγγανίου, (5) ηλεκτρολύτης, (6) επαφή μετάλλου. Στοιχείο ψευδαργύρου μαγγανίου, ... ... Wikipedia
RC 53M (1989) Γαλβανικό κύτταρο ψευδαργύρου υδραργύρου ("τύπου RC") στο οποίο η άνοδος είναι ψευδάργυρος ... Wikipedia
Oxyride Battery Οι μπαταρίες Oxyride are είναι το σήμα κατατεθέν για μπαταρίες μιας χρήσης (μη επαναφορτιζόμενες) που αναπτύχθηκαν από την Panasonic. Είναι ειδικά σχεδιασμένα για συσκευές με υψηλή κατανάλωση ενέργειας ... Wikipedia
Ένα κανονικό κύτταρο Weston, ένα κύτταρο υδραργύρου-καδμίου είναι ένα γαλβανικό κύτταρο, το EMF του οποίου είναι πολύ σταθερό με την πάροδο του χρόνου και μπορεί να αναπαραχθεί από το ένα αντίγραφο στο άλλο. Χρησιμοποιείται ως πηγή τάσης αναφοράς (τάση αναφοράς) ή πρότυπο τάσης ... ... Wikipedia
SC 25 Μπαταρία αργύρου-ψευδαργύρου, δευτερεύουσα χημική πηγή ρεύματος, μπαταρία, στην οποία η άνοδος είναι οξείδιο του αργύρου, με τη μορφή συμπιεσμένης σκόνης, η κάθοδος είναι ένα μείγμα ... Wikipedia
Μικροσκοπικές μπαταρίες διαφόρων μεγεθών Μια μικροσκοπική μπαταρία, μια μπαταρία μεγέθους κουμπιού, χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά ευρέως σε ηλεκτρονικά ρολόγια χειρός, επομένως ονομάζεται επίσης ... Wikipedia
Το κύτταρο ψευδάργυρου υδραργύρου ("τύπος RC") είναι ένα γαλβανικό κύτταρο στο οποίο η άνοδος είναι ψευδάργυρος, η κάθοδος είναι οξείδιο του υδραργύρου, ο ηλεκτρολύτης είναι ένα διάλυμα υδροξειδίου του καλίου. Πλεονεκτήματα: σταθερή τάση και τεράστια ενεργειακή ένταση και ενεργειακή πυκνότητα. Μειονεκτήματα: ... ... Wikipedia
Γαλβανικό κύτταρο ψευδαργύρου μαγγανίου, στο οποίο χρησιμοποιείται διοξείδιο του μαγγανίου ως κάθοδος, άνοδος ψευδαργύρου σε σκόνη και διάλυμα αλκαλίου, συνήθως υδροξείδιο του καλίου, ως ηλεκτρολύτης. Περιεχόμενα 1 Ιστορία της εφεύρεσης ... Wikipedia
Η μπαταρία νικελίου-ψευδαργύρου είναι μια πηγή χημικού ρεύματος στην οποία η άνοδος είναι ψευδάργυρος, ο ηλεκτρολύτης είναι υδροξείδιο του καλίου με την προσθήκη υδροξειδίου του λιθίου και η κάθοδος είναι οξείδιο του νικελίου. Συχνά συντομογραφείται ως NiZn. Pluses: ... ... Wikipedia
Η μαζική είσοδος μικρών μπαταριών αέρα ψευδαργύρου έχει τη δυνατότητα να κάνει σημαντική διαφορά στη μικρή μπαταρία μπαταριών για φορητούς υπολογιστές και ψηφιακές συσκευές.
Ενεργειακό πρόβλημα
και τα τελευταία χρόνια, ο στόλος φορητών υπολογιστών και διαφόρων ψηφιακών συσκευών έχει αυξηθεί σημαντικά, πολλά από τα οποία έχουν εμφανιστεί πρόσφατα στην αγορά. Αυτή η διαδικασία έχει επιταχυνθεί σημαντικά λόγω της αυξανόμενης δημοτικότητας των κινητών τηλεφώνων. Με τη σειρά του, η ταχεία αύξηση του αριθμού των φορητών ηλεκτρονικών συσκευών έχει προκαλέσει μια σοβαρή αύξηση της ζήτησης για αυτόνομες πηγές ηλεκτρικής ενέργειας, ιδίως για διάφορους τύπους μπαταριών και συσσωρευτών.
Ωστόσο, η ανάγκη παροχής τεράστιου αριθμού φορητών συσκευών με μπαταρίες είναι μόνο η μία πλευρά του προβλήματος. Έτσι, με την ανάπτυξη φορητών ηλεκτρονικών συσκευών, η πυκνότητα συναρμολόγησης των στοιχείων και η ισχύς των μικροεπεξεργαστών που χρησιμοποιούνται σε αυτά αυξάνονται - σε μόλις τρία χρόνια, η συχνότητα ρολογιού των χρησιμοποιούμενων επεξεργαστών PDA αυξήθηκε κατά μια τάξη μεγέθους. Οι μικροσκοπικές μονόχρωμες οθόνες αντικαθίστανται από έγχρωμες οθόνες υψηλής ανάλυσης και μεγαλύτερης οθόνης. Όλα αυτά οδηγούν σε αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας. Επιπλέον, υπάρχει μια σαφής τάση για περαιτέρω μικρογραφία στον τομέα των φορητών ηλεκτρονικών. Λαμβάνοντας υπόψη τους παραπάνω παράγοντες, γίνεται προφανές ότι η αύξηση της ενεργειακής έντασης, ισχύος, αντοχής και αξιοπιστίας των χρησιμοποιημένων μπαταριών είναι μία από τις πιο σημαντικές προϋποθέσεις για την εξασφάλιση της περαιτέρω ανάπτυξης φορητών ηλεκτρονικών συσκευών.
Το πρόβλημα των ανανεώσιμων πηγών αυτόνομης τροφοδοσίας είναι πολύ έντονο στον τομέα των φορητών Η / Υ. Οι σύγχρονες τεχνολογίες καθιστούν δυνατή τη δημιουργία φορητών υπολογιστών που πρακτικά δεν είναι κατώτεροι στον λειτουργικό εξοπλισμό και την απόδοσή τους σε σχέση με τα πλήρη επιτραπέζια συστήματα. Ωστόσο, η έλλειψη επαρκώς αποτελεσματικών πηγών αυτόνομης τροφοδοσίας στερεί από τους χρήστες φορητών υπολογιστών ένα από τα κύρια πλεονεκτήματα αυτού του τύπου υπολογιστή - την κινητικότητα. Ένας καλός δείκτης για ένα σύγχρονο φορητό υπολογιστή εξοπλισμένο με μπαταρία ιόντων λιθίου είναι η διάρκεια ζωής της μπαταρίας περίπου 4 ώρες 1, αλλά αυτό σαφώς δεν είναι αρκετό για πλήρη εργασία σε κινητές συνθήκες (για παράδειγμα, μια πτήση από τη Μόσχα στο Τόκιο διαρκεί περίπου 10 ώρες, και από τη Μόσχα στο Λος Άντζελες - σχεδόν 15).
Μία από τις επιλογές για την επίλυση του προβλήματος της αύξησης της διάρκειας ζωής της μπαταρίας των φορητών Η / Υ είναι η μετάβαση από τις πλέον διαδεδομένες μπαταρίες νικελίου-μεταλλικού υδριδίου και ιόντων λιθίου σε χημικές κυψέλες καυσίμου 2. Οι κυψέλες καυσίμου χαμηλής θερμοκρασίας λειτουργίας όπως το PEM (Proton Exchange Membrane) και το DMCF (Direct Methanol Fuel Cells) είναι οι πιο ελπιδοφόρες για εφαρμογές σε φορητές ηλεκτρονικές συσκευές και υπολογιστές. Ένα υδατικό διάλυμα μεθυλικής αλκοόλης (μεθανόλη) 3 χρησιμοποιείται ως καύσιμο για αυτά τα στοιχεία.
Ωστόσο, σε αυτό το στάδιο, θα ήταν πολύ αισιόδοξο να περιγράψουμε το μέλλον των χημικών κυψελών καυσίμου αποκλειστικά σε ροζ χρώματα. Το γεγονός είναι ότι υπάρχουν τουλάχιστον δύο εμπόδια στη διανομή μάζας των κυψελών καυσίμου σε φορητές ηλεκτρονικές συσκευές. Πρώτον, η μεθανόλη είναι μια μάλλον τοξική ουσία, η οποία συνεπάγεται αυξημένες απαιτήσεις για τη στεγανότητα και την αξιοπιστία των φυσιγγίων καυσίμου. Δεύτερον, οι καταλύτες πρέπει να χρησιμοποιούνται για να εξασφαλιστεί ένας αποδεκτός ρυθμός μετάδοσης χημικών αντιδράσεων σε κυψέλες καυσίμου με χαμηλή θερμοκρασία λειτουργίας. Επί του παρόντος, καταλύτες από πλατίνα και τα κράματά του χρησιμοποιούνται σε κύτταρα PEM και DMCF, αλλά τα φυσικά αποθέματα αυτής της ουσίας είναι μικρά και το κόστος της είναι υψηλό. Θεωρητικά είναι δυνατόν να αντικατασταθεί η πλατίνα με άλλους καταλύτες, αλλά μέχρι στιγμής καμία από τις ομάδες που ασχολούνται με την έρευνα σε αυτόν τον τομέα δεν έχει καταφέρει να βρει μια αποδεκτή εναλλακτική λύση. Σήμερα, το λεγόμενο πρόβλημα πλατίνας είναι ίσως το πιο σοβαρό εμπόδιο στην ευρεία υιοθέτηση κυψελών καυσίμου σε φορητούς υπολογιστές και ηλεκτρονικές συσκευές.
1 Αυτό αναφέρεται στον χρόνο λειτουργίας από την τυπική μπαταρία.
2 Διαβάστε περισσότερα για τις κυψέλες καυσίμου στο άρθρο "Fuel Cells: A Year of Hope" που δημοσιεύτηκε στο # 1'2005.
3 κύτταρα ΡΕΜ που τροφοδοτούνται με αέριο υδρογόνο έχουν ενσωματωμένο μετατροπέα για την παραγωγή υδρογόνου από μεθανόλη.
Κύτταρα αέρα ψευδαργύρου
Αν και οι συγγραφείς πολλών δημοσιεύσεων θεωρούν ότι οι μπαταρίες και οι συσσωρευτές αέρα ψευδαργύρου είναι ένας από τους υποτύπους των κυψελών καυσίμου, αυτό δεν είναι απολύτως αληθές. Έχοντας εξοικειωθεί με τη συσκευή και την αρχή λειτουργίας των κυψελών αέρα-ψευδαργύρου, ακόμη και σε γενικές γραμμές, μπορεί κανείς να κάνει ένα εντελώς ξεκάθαρο συμπέρασμα ότι είναι πιο σωστό να τις θεωρούμε ως ξεχωριστή κατηγορία αυτόνομων τροφοδοτικών.
Ο σχεδιασμός των κυττάρων αέρα ψευδαργύρου περιλαμβάνει μια κάθοδο και μια άνοδο, που χωρίζονται από έναν αλκαλικό ηλεκτρολύτη και μηχανικούς διαχωριστές. Ως κάθοδος χρησιμοποιείται ηλεκτρόδιο διάχυσης αερίου (GDE), η διαπερατή μεμβράνη του οποίου επιτρέπει τη λήψη οξυγόνου από τον ατμοσφαιρικό αέρα που κυκλοφορεί μέσα από αυτό. Το "καύσιμο" είναι η άνοδος ψευδαργύρου, η οποία οξειδώνεται κατά τη λειτουργία της κυψέλης και ο οξειδωτής είναι το οξυγόνο που λαμβάνεται από τον ατμοσφαιρικό αέρα που εισέρχεται μέσω των "οπών αναπνοής".
Στην κάθοδο, συμβαίνει η αντίδραση ηλεκτροαναγωγής οξυγόνου, τα προϊόντα των οποίων είναι αρνητικά φορτισμένα ιόντα υδροξειδίου:
O 2 + 2H 2 O + 4e 4OH -.
Τα ιόντα υδροξειδίου κινούνται στον ηλεκτρολύτη στην άνοδο ψευδαργύρου, όπου η αντίδραση οξείδωσης ψευδαργύρου λαμβάνει χώρα με την απελευθέρωση ηλεκτρονίων, τα οποία επιστρέφουν στην κάθοδο μέσω του εξωτερικού κυκλώματος:
Zn + 4OH - Zn (OH) 4 2– + 2e.
Zn (OH) 4 2– ZnO + 2OH - + H 2 O.
Είναι προφανές ότι οι κυψέλες αέρα ψευδαργύρου δεν εμπίπτουν στην ταξινόμηση των χημικών κυψελών καυσίμου: πρώτον, χρησιμοποιούν αναλώσιμο ηλεκτρόδιο (άνοδο), και δεύτερον, το καύσιμο τοποθετείται αρχικά μέσα στο κελί και δεν τροφοδοτείται κατά τη λειτουργία από το εξω απο.
Η τάση μεταξύ των ηλεκτροδίων μιας κυψέλης αέρα ψευδαργύρου είναι 1,45 V, πολύ κοντά σε αυτή των αλκαλικών (αλκαλικών) μπαταριών. Εάν είναι απαραίτητο, για την επίτευξη υψηλότερης τάσης τροφοδοσίας, πολλές κυψέλες συνδεδεμένες σε σειρά μπορούν να συνδυαστούν σε μια μπαταρία.
Ο ψευδάργυρος είναι ένα αρκετά κοινό και φθηνό υλικό, έτσι ώστε όταν αναπτύσσεται η μαζική παραγωγή κυψελών αέρα-ψευδαργύρου, οι κατασκευαστές δεν θα αντιμετωπίσουν προβλήματα με τις πρώτες ύλες. Επιπλέον, ακόμη και στο αρχικό στάδιο, το κόστος τέτοιων τροφοδοτικών θα είναι αρκετά ανταγωνιστικό.
Είναι επίσης σημαντικό τα κύτταρα αέρα ψευδαργύρου να είναι πολύ φιλικά προς το περιβάλλον προϊόντα. Τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή τους δεν μολύνουν το περιβάλλον και μπορούν να επαναχρησιμοποιηθούν μετά την ανακύκλωση. Τα προϊόντα αντίδρασης των στοιχείων ψευδαργύρου -αέρα (νερό και οξείδιο του ψευδαργύρου) είναι επίσης απολύτως ασφαλή για τον άνθρωπο και το περιβάλλον - το οξείδιο του ψευδαργύρου χρησιμοποιείται ακόμη και ως το κύριο συστατικό της σκόνης για βρέφη.
Μεταξύ των λειτουργικών ιδιοτήτων των κυψελών ψευδαργύρου-αέρα, αξίζει να σημειωθούν τέτοια πλεονεκτήματα όπως ο χαμηλός ρυθμός αυτοεκφόρτισης σε μη ενεργοποιημένη κατάσταση και μια μικρή αλλαγή στην τιμή τάσης κατά την εκφόρτιση (επίπεδη καμπύλη εκφόρτισης).
Ένα ορισμένο μειονέκτημα των κυψελών αέρα-ψευδαργύρου είναι η επίδραση της σχετικής υγρασίας του εισερχόμενου αέρα στα χαρακτηριστικά του στοιχείου. Για παράδειγμα, για μια κυψέλη αέρα ψευδαργύρου σχεδιασμένη να λειτουργεί σε 60% RH, η διάρκεια ζωής μειώνεται κατά περίπου 15% καθώς η υγρασία ανεβαίνει στο 90%.
Από μπαταρίες έως επαναφορτιζόμενες μπαταρίες
Οι μπαταρίες μιας χρήσης είναι η ευκολότερη επιλογή κυψελών αέρα ψευδαργύρου για εφαρμογή. Κατά τη δημιουργία κυψελών αέρα-ψευδαργύρου μεγάλου μεγέθους και ισχύος (για παράδειγμα, που προορίζονται για την τροφοδοσία των σταθμών ηλεκτροπαραγωγής οχημάτων), οι κασέτες ανόδου ψευδαργύρου μπορούν να αντικατασταθούν. Σε αυτή την περίπτωση, για να ανανεώσετε την παροχή ενέργειας, αρκεί να αφαιρέσετε την κασέτα με τα ηλεκτρόδια που έχουν χρησιμοποιηθεί και να εγκαταστήσετε μια νέα. Τα χρησιμοποιημένα ηλεκτρόδια μπορούν να ανακτηθούν για επαναχρησιμοποίηση ηλεκτροχημικά σε εξειδικευμένες επιχειρήσεις.
Αν μιλάμε για συμπαγείς μπαταρίες κατάλληλες για χρήση σε φορητούς υπολογιστές και ηλεκτρονικές συσκευές, τότε η πρακτική εφαρμογή της επιλογής με αντικαταστάσιμες κασέτες ανόδου ψευδαργύρου είναι αδύνατη λόγω του μικρού μεγέθους των μπαταριών. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα περισσότερα από τα συμπαγή κύτταρα αέρα ψευδαργύρου που κυκλοφορούν σήμερα στην αγορά είναι μιας χρήσης. Μικρές μπαταρίες μίας χρήσης ψευδαργύρου-αέρα παράγονται από την Duracell, Eveready, Varta, Matsushita, GP, καθώς και την εγχώρια εταιρεία Energia. Ο κύριος τομέας εφαρμογής τέτοιων πηγών ενέργειας είναι τα ακουστικά βαρηκοΐας, τα φορητά ραδιόφωνα, ο φωτογραφικός εξοπλισμός κ.λπ.
Πολλές εταιρείες κατασκευάζουν πλέον μπαταρίες αέρα μίας χρήσης ψευδαργύρου
Πριν από αρκετά χρόνια, η AER παρήγαγε μπαταρίες ψευδαργύρου Power Slice για φορητούς υπολογιστές. Αυτά τα αντικείμενα σχεδιάστηκαν για φορητούς υπολογιστές της σειράς Omnibook 600 και Omnibook 800 της Hewlett-Packard. η διάρκεια ζωής της μπαταρίας τους κυμαινόταν από 8 έως 12 ώρες.
Κατ 'αρχήν, υπάρχει επίσης η δυνατότητα δημιουργίας επαναφορτιζόμενων κυψελών αέρα-ψευδαργύρου (μπαταρίες), στις οποίες, όταν είναι συνδεδεμένη εξωτερική πηγή ρεύματος, η αντίδραση αναγωγής ψευδαργύρου θα λάβει χώρα στην άνοδο. Ωστόσο, η πρακτική εφαρμογή τέτοιων έργων παρεμποδίζεται εδώ και καιρό από σοβαρά προβλήματα που σχετίζονται με τις χημικές ιδιότητες του ψευδαργύρου. Το οξείδιο του ψευδαργύρου διαλύεται καλά σε έναν αλκαλικό ηλεκτρολύτη και σε διαλυμένη μορφή κατανέμεται σε ολόκληρο τον όγκο του ηλεκτρολύτη, απομακρύνεται από την άνοδο. Εξαιτίας αυτού, κατά τη φόρτιση από εξωτερική πηγή ρεύματος, η γεωμετρία της ανόδου αλλάζει σημαντικά: το οξείδιο ψευδαργύρου που ανακτήθηκε από το οξείδιο εναποτίθεται στην επιφάνεια της ανόδου με τη μορφή κρυστάλλων κορδέλας (δενδρίτες), παρόμοιου σχήματος με μακριές ακίδες. Οι δενδρίτες τρυπάνε τους διαχωριστές, προκαλώντας βραχυκύκλωμα στο εσωτερικό της μπαταρίας.
Αυτό το πρόβλημα επιδεινώνεται από το γεγονός ότι για να αυξηθεί η ισχύς, οι άνοδοι των κυψελών ψευδαργύρου-αέρα είναι κατασκευασμένοι από θρυμματισμένο σκόνη ψευδαργύρου (αυτό επιτρέπει την σημαντική αύξηση της επιφάνειας του ηλεκτροδίου). Έτσι, καθώς αυξάνεται ο αριθμός των κύκλων φόρτισης-εκφόρτισης, η επιφάνεια της ανόδου μειώνεται σταδιακά, επηρεάζοντας αρνητικά την απόδοση του κυττάρου.
Μέχρι σήμερα, η Zinc Matrix Power (ZMP) έχει επιτύχει τη μεγαλύτερη επιτυχία σε συμπαγείς μπαταρίες ψευδάργυρου αέρα. Οι ειδικοί της ZMP έχουν αναπτύξει μια μοναδική τεχνολογία Zinc Matrix, η οποία έχει λύσει τα κύρια προβλήματα που προκύπτουν στη διαδικασία φόρτισης μπαταριών. Η ουσία αυτής της τεχνολογίας είναι η χρήση ενός συνδετικού πολυμερούς, το οποίο εξασφαλίζει την ανεμπόδιστη διείσδυση των ιόντων υδροξειδίου, αλλά ταυτόχρονα εμποδίζει την κίνηση του οξειδίου του ψευδαργύρου που διαλύεται στον ηλεκτρολύτη. Χρησιμοποιώντας αυτό το διάλυμα, είναι δυνατόν να αποφευχθούν αισθητές αλλαγές στο σχήμα και την επιφάνεια της ανόδου για τουλάχιστον 100 κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης.
Τα πλεονεκτήματα των μπαταριών ψευδαργύρου-αέρα είναι ο μεγάλος χρόνος λειτουργίας και η υψηλή ειδική κατανάλωση ενέργειας, τουλάχιστον δύο φορές υψηλότερες από αυτές των καλύτερων μπαταριών ιόντων λιθίου. Η ειδική κατανάλωση ενέργειας των μπαταριών ψευδαργύρου-αέρα φτάνει τα 240 Wh ανά 1 κιλό βάρους και η μέγιστη ισχύς είναι 5000 W / kg.
Σύμφωνα με τους προγραμματιστές του ZMP, σήμερα είναι δυνατή η δημιουργία μπαταριών ψευδαργύρου-αέρα για φορητές ηλεκτρονικές συσκευές (κινητά τηλέφωνα, ψηφιακά προγράμματα αναπαραγωγής κ.λπ.) με ενεργειακή χωρητικότητα περίπου 20 Wh. Το μικρότερο δυνατό πάχος τέτοιων τροφοδοτικών είναι μόνο 3 mm. Πειραματικά πρωτότυπα μπαταρίες ψευδαργύρου-αέρα για φορητούς υπολογιστές έχουν ενεργειακή χωρητικότητα 100 έως 200 Wh.
Μπαταρία Zinc Air Prototype από Zinc Matrix Power
Ένα άλλο σημαντικό πλεονέκτημα των μπαταριών αέρα ψευδαργύρου είναι η πλήρης απουσία του λεγόμενου φαινομένου μνήμης. Σε αντίθεση με άλλους τύπους μπαταριών, οι κυψέλες αέρα ψευδαργύρου μπορούν να επαναφορτιστούν σε οποιοδήποτε επίπεδο φόρτισης χωρίς να διακυβεύεται η ενεργειακή τους ικανότητα. Επιπλέον, οι κυψέλες αέρα ψευδαργύρου είναι πολύ ασφαλέστερες από τις μπαταρίες λιθίου.
Συμπερασματικά, δεν μπορούμε να μην αναφέρουμε ένα σημαντικό γεγονός που έγινε μια συμβολική αφετηρία για την εμπορευματοποίηση κυψελών αέρα ψευδαργύρου: στις 9 Ιουνίου του περασμένου έτους, η Zinc Matrix Power ανακοίνωσε επίσημα την υπογραφή στρατηγικής συμφωνίας με την Intel Corporation. Υπό την επιφύλαξη των όρων αυτής της συμφωνίας, η ZMP και η Intel θα ενώσουν τις δυνάμεις τους για να αναπτύξουν μια νέα τεχνολογία μπαταρίας φορητού υπολογιστή. Μεταξύ των κύριων στόχων αυτών των εργασιών είναι η αύξηση της διάρκειας ζωής της μπαταρίας των φορητών υπολογιστών έως και 10 ώρες. Σύμφωνα με το υπάρχον σχέδιο, τα πρώτα μοντέλα φορητών υπολογιστών με μπαταρίες ψευδαργύρου-αέρα θα πρέπει να κυκλοφορήσουν το 2006.
