亜鉛空気アキュムレータ。空気亜鉛電池-エネルギー貯蔵の飛躍的進歩？亜鉛空気アキュムレータ

長期スコープ 空気亜鉛電池薬を超えませんでした。それらの大容量と長い（非アクティブな）寿命により、使い捨て補聴器バッテリーのニッチをシームレスに占有することができました。しかし、近年、自動車メーカーからこの技術への関心が大幅に高まっています。リチウムに代わるものが見つかったと考える人もいます。そうですか？

電気自動車用の空気亜鉛電池は、次のように配置できます。電極は、空気酸素が吸着および還元されるコンパートメントに分割されたコンパートメント、およびこの場合はアノード消耗材料で満たされた特別な取り外し可能なカセットに挿入されます。亜鉛顆粒。セパレータは、負極と正極の間に配置されます。水酸化カリウムの水溶液または塩化亜鉛の溶液を電解質として使用することができます。

触媒の助けを借りて外部から入る空気は、電解質水溶液中でヒドロキシルイオンを形成し、それが亜鉛電極を酸化します。この反応の間に、電子が放出され、電流を形成します。

利点

いくつかの推定によると、亜鉛の世界の埋蔵量は約1.9ギガトンです。今、亜鉛金属の世界生産を開始すれば、数年以内に、それぞれ10 kW * hの容量を持つ10億個の空気亜鉛電池を組み立てることが可能になります。たとえば、現在のリチウム採掘条件下で同じ量を生成するには、180年以上かかります。亜鉛の入手可能性はまた電池の価格を下げるでしょう。

廃亜鉛の透明なリサイクルスキームを備えた空気亜鉛電池が環境に優しい製品であることも非常に重要です。ここで使用されている材料は環境を汚染せず、リサイクルすることができます。空気亜鉛電池の反応生成物（酸化亜鉛）は、人間とその環境にとっても絶対に安全です。酸化亜鉛がベビーパウダーの主成分として使われているのは当然です。

電気自動車メーカーがこの技術を期待して見ている主な利点は、エネルギー密度が高いことです（リチウムイオンの2〜3倍）。すでに、空気亜鉛のエネルギー消費量は450 W * h / kgに達しますが、理論密度は1350 W * h / kgになる可能性があります。

短所

空気亜鉛電池で電気自動車を運転しないため、デメリットもあります。第一に、そのようなセルを十分な数の放電/充電サイクルで再充電可能にすることは困難です。空気亜鉛電池の動作中、電解液は単に乾燥するか、空気電極の細孔に深く浸透しすぎます。また、堆積した亜鉛が不均一に分布し、分岐構造を形成するため、電極間で短絡が発生することがよくあります。

科学者たちは逃げ道を見つけようとしています。アメリカの会社ZAIは、電解液を交換し、新しい亜鉛カートリッジを追加するだけでこの問題を解決しました。当然、これには、アノードカセット内の酸化された活物質が新しい亜鉛に置き換えられるガソリンスタンドの開発されたインフラストラクチャが必要になります。

プロジェクトの経済的要素はまだ解明されていませんが、メーカーは、このような「充電」のコストは、内燃エンジンを搭載した車に燃料を補給するよりも大幅に低いと主張しています。さらに、活物質を交換するプロセスは、10分以内で完了します。超高速のものでさえ、同時にそれらの可能性の50％しか補充することができません。昨年、韓国の会社Leo Motorsは、すでに電気トラックでZAI空気亜鉛電池のデモを行いました。

スイスを拠点とするテクノロジー企業であるReVoltは、空気亜鉛電池の改善に取り組んでいます。彼女は、亜鉛電極の水分と形状を制御する特別なゲル化および収斂性添加剤、ならびに元素の性能を大幅に改善する新しい触媒を提案しました。

それでも、両社のエンジニアは、200回の空気亜鉛放電/充電サイクルのマイルストーンを克服することができませんでした。したがって、空気亜鉛電池を電気自動車のバッテリーと呼ぶのは時期尚早です。

雑誌の第5号では、ガスアキュムレータの作り方を自分たちで説明し、第6号では、鉛カリアキュムレータを紹介しました。読者にもう1つのタイプの電源である空気亜鉛電池を提供します。このセルは、動作中に充電する必要がありません。これは、バッテリーよりも非常に重要な利点です。

空気亜鉛電池は、比エネルギーが比較的高く（110〜180 Wh / kg）、製造と操作が簡単で、比特性の向上という点で最も有望であるため、現在、最も先進的な電流源となっています。理論的に計算された空気亜鉛電池の出力密度は、最大880 Wh / kgです。この出力の少なくとも半分に達すると、この要素は内燃機関の非常に深刻なライバルになります。

空気亜鉛電池の非常に重要な利点は

放電時の負荷時の電圧の小さな変化。さらに、その容器は鋼で作ることができるので、そのような要素はかなりの強度を持っています。

空気亜鉛電池の動作原理は、電気化学システムの使用に基づいています。亜鉛-苛性カリウム溶液-活性炭は、大気中の酸素を吸着します。電解質の組成、電極の有効質量を選択し、セルの最適な設計を選択することで、その比出力を大幅に増加させることができます。

これらの要素は、すべての最新テクノロジーの中で最も密度が高いことで区別されます。この理由は、これらのバッテリーで使用されているコンポーネントです。これらの元素の陰極試薬として大気中の酸素が使用されており、その名前に反映されています。空気が亜鉛アノードと反応するために、バッテリーケースに小さな穴が開けられています。これらのセルの電解質には、導電率の高い水酸化カリウムが使用されています。
もともと非充電式電源として設計された空気亜鉛電池は、少なくとも気密に保たれている場合、非アクティブ状態で長く安定した貯蔵寿命を特徴としています。この場合、1年間のストレージで、このような要素は容量の約2％を失います。バッテリーに空気が入ると、使用するかどうかに関係なく、これらのバッテリーの寿命は1か月以内になります。
いくつかのメーカーが充電式電池で同じ技術を使い始めています。何よりも、このような要素は、低電力デバイスでの長期間の動作中に実証されています。これらの要素の主な欠点は、内部抵抗が高いことです。つまり、高出力を実現するには、サイズを大きくする必要があります。これは、ラップトップに、コンピューター自体に匹敵するサイズの追加のバッテリーコンパートメントを作成する必要があることを意味します。
しかし、彼らはごく最近そのような申請を受け取り始めたことに注意する必要があります。そのような最初の製品は、Hewlett-PackardCo。の共同作成です。およびAEREnergy Resources Inc. --PowerSlice XL-ラップトップコンピューターで使用した場合、このテクノロジーの不完全性を示しました。 HP OmniBook 600ノートブック用に設計されたこのバッテリーは、コンピューター自体よりも3.3kg重くなりました。彼女はたった12時間の仕事を提供した。エナジャイザーは、補聴器に使用される小さなボタン電池にもこの技術を採用しています。
バッテリーの充電も簡単な作業ではありません。化学プロセスは、バッテリーに供給される電流に非常に敏感です。印加電圧が低すぎると、バッテリーは電流を供給し、受け入れません。電圧が高すぎると、セルに損傷を与える可能性のある不要な反応が始まる可能性があります。たとえば、電圧が上昇すると、電流強度が確実に増加し、その結果、バッテリーが過熱します。また、完全に充電された後もセルを充電し続けると、爆発性ガスがセル内で発生し始め、爆発さえ発生する可能性があります。

充電技術
最新の充電デバイスは、さまざまな程度の保護を備えたかなり洗練された電子デバイスです-あなたとあなたのバッテリーの両方のために。ほとんどの場合、各セルタイプには独自の充電器があります。充電器を誤って使用すると、バッテリーだけでなく、デバイス自体、さらにはバッテリー駆動のシステムにも損傷を与える可能性があります。
充電器には、定電圧と定電流の2つの動作モードがあります。
最も単純なのは定電圧デバイスです。バッテリーレベル（およびその他の環境要因）に応じて、常に同じ電圧と供給電流を生成します。バッテリーが充電されると、その電圧が上昇するため、充電器とバッテリーの電位差が小さくなります。その結果、回路を流れる電流が少なくなります。
このようなデバイスに必要なのは、変圧器（充電電圧をバッテリーに必要なレベルまで下げるため）と整流器（バッテリーの充電に使用されるACをDCに整流するため）だけです。これらのシンプルな充電器は、車や船のバッテリーを充電するために使用されます。
原則として、無停電電源装置用の鉛蓄電池は、同様のデバイスで充電されます。さらに、定電圧デバイスはリチウムイオン電池の再充電にも使用されます。バッテリーとその所有者を保護するための回路が追加されているだけです。
2番目のタイプの充電器は、一定のアンペア数を提供し、必要な量の電流を提供するために電圧を変更します。電圧がフル充電レベルに達するとすぐに、充電が停止します。（セルによって生成される電圧は、放電するにつれて低下することを忘れないでください。）通常、このようなデバイスはニッケルカドミウムおよびニッケル水素電池を充電します。
必要な電圧レベルに加えて、充電器はセルの再充電にかかる時間を知る必要があります。充電時間が長すぎると、バッテリーが損傷する可能性があります。バッテリーの種類と充電器の「知性」に応じて、再充電時間を決定するためにいくつかの技術が使用されます。
最も単純なケースでは、バッテリーによって生成された電圧がこれに使用されます。充電器はバッテリー電圧を監視し、バッテリー電圧がしきい値レベルに達するとオフになります。しかし、このテクノロジーはすべての要素に適しているわけではありません。たとえば、ニッケルカドミウムには使用できません。これらの要素では、放電曲線が直線に近く、しきい値電圧のレベルを決定するのが非常に難しい場合があります。
より「洗練された」充電器は、温度に基づいて再充電時間を決定します。つまり、デバイスはセルの温度を監視し、バッテリーが熱くなり始めると（つまり過充電を意味する）、オフになるか、充電電流を減らします。通常、温度計はこのようなバッテリーに組み込まれており、セルの温度を監視し、適切な信号を充電器に送信します。
スマートデバイスは、これらの両方の方法を使用します。高い充電電流から低い充電電流に切り替えることも、特別な電圧および温度センサーを使用して定電流を維持することもできます。
標準の充電器は、セルの放電電流よりも少ない充電電流を提供します。また、電流値が高い充電器は、バッテリーの公称放電電流よりも高い電流を供給します。トリクル充電デバイスは、バッテリーの自己放電を防ぐだけの小さな電流を使用します（定義上、このようなデバイスは自己放電を補償するために使用されます）。通常、このようなデバイスの充電電流は、バッテリーの公称放電電流の20分の1、つまり30分の1です。最近の充電器は、多くの場合、複数の充電電流で動作できます。それらは最初はより高い電流を使用し、フル充電に近づくにつれて徐々により低い電流に切り替わります。低電流の再充電に耐えることができるバッテリーが使用されている場合（たとえば、ニッケルカドミウムは耐えられない）、再充電サイクルの終わりに、デバイスはこのモードに切り替わります。ラップトップや携帯電話用のほとんどの充電器は、セルに恒久的に接続でき、セルに害を及ぼさないように設計されています。

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コンパクトな空気亜鉛電池のマスマーケット参入は、ラップトップコンピュータやデジタルデバイス用の小型バッテリーパックに大きな違いをもたらす可能性があります。

エネルギー問題

そして近年、ポータブルコンピュータやさまざまなデジタルデバイスのフリートが大幅に増加し、その多くが最近市場に登場しています。携帯電話の人気が高まっているため、このプロセスは著しく加速しています。同様に、携帯型電子機器の数の急速な増加は、特にさまざまなタイプのバッテリーおよびアキュムレーターに対する自律的な電源の需要の深刻な増加を引き起こしました。

ただし、膨大な数のポータブルデバイスにバッテリーを提供する必要性は、問題の片側にすぎません。したがって、ポータブル電子デバイスの開発に伴い、要素の組み立て密度とそれらに使用されるマイクロプロセッサの電力が増加します。わずか3年で、使用されるPDAプロセッサのクロック周波数は桁違いに増加しました。小さなモノクロ画面は、高解像度の大画面カラーディスプレイに置き換えられています。これらすべてがエネルギー消費の増加につながります。また、携帯用電子機器の分野では、さらに小型化する傾向が見られます。上記の要因を考慮すると、使用済みバッテリーのエネルギー強度、電力、耐久性、信頼性の向上は、携帯型電子機器のさらなる開発を確実にするための最も重要な条件の1つであることが明らかになります。

自律型電源の再生可能エネルギー源の問題は、ポータブルPCのセグメントで非常に深刻です。最新のテクノロジーにより、機能的な機器とパフォーマンスが本格的なデスクトップシステムに実質的に劣らないラップトップを作成できます。ただし、自律電源の十分に効果的な電源がないため、ラップトップユーザーはこのタイプのコンピューターの主な利点の1つであるモビリティを奪われています。リチウムイオンバッテリーを搭載した最新のラップトップの良い指標は、バッテリー寿命が約4時間1であることですが、これはモバイル環境での本格的な作業には明らかに十分ではありません（たとえば、モスクワから東京へのフライトには約10時間、そしてモスクワからロサンゼルスまで-ほぼ15）。

ポータブルPCのバッテリー寿命を延ばすという問題を解決するためのオプションの1つは、現在普及しているニッケル水素およびリチウムイオンバッテリーから化学燃料電池への移行です2。 PEM（プロトン交換膜）やDMCF（直接メタノール燃料電池）などの低動作温度の燃料電池は、携帯型電子機器やPCでのアプリケーションに最も有望です。これらの元素の燃料には、メチルアルコール（メタノール）3の水溶液が使用されます。

しかし、この段階では、化学燃料電池の将来をピンク色だけで説明するのは楽観的すぎます。事実、携帯型電子機器の燃料電池の質量分布を妨げる障害が少なくとも2つあります。第一に、メタノールはかなり有毒な物質であり、これは燃料カートリッジの気密性と信頼性に対する要件の高まりを意味します。第二に、触媒を使用して、低い作動温度の燃料電池で化学反応の許容可能な通過速度を確保する必要があります。現在、白金とその合金から作られた触媒がPEMとDMCFセルで使用されていますが、この物質の自然保護区は少なく、コストが高くなっています。理論的には白金を他の触媒に置き換えることは可能ですが、これまでのところ、この方向の研究に従事しているチームのいずれも、許容できる代替物を見つけることができていません。今日、いわゆるプラチナ問題は、ラップトップPCや電子機器に燃料電池が広く採用される上でおそらく最も深刻な障害となっています。

1これは標準バッテリーからの動作時間を指します。

2燃料電池の詳細については、2005年1月1日に発行された記事「FuelCells：A YearofHope」を参照してください。

3ガス状水素を燃料とするPEMセルには、メタノールから水素を生成するための統合コンバーターが装備されています。

空気亜鉛電池

多くの出版物の著者は、空気亜鉛電池とアキュムレータを燃料電池のサブタイプの1つと見なしていますが、これは完全に真実ではありません。空気亜鉛電池の装置と動作原理を一般的に理解していれば、それらを独立したクラスの自律型電源と見なす方が正しいという完全に明白な結論を下すことができます。

空気亜鉛電池の設計には、アルカリ電解質と機械的セパレーターによって分離されたカソードとアノードが含まれます。陰極にはガス拡散電極（GDE）を使用し、その透過膜により、循環する大気から酸素を得ることができます。「燃料」は、セルの動作中に酸化される亜鉛アノードであり、酸化剤は、「呼吸穴」から入る大気から得られる酸素です。

カソードでは、酸素の電気還元反応が起こり、その生成物は負に帯電した水酸化物イオンです。

O 2 + 2H 2 O + 4e4OH-。

水酸化物イオンは電解質中を亜鉛アノードに移動し、そこで亜鉛酸化反応が起こり、電子が放出されます。電子は外部回路を介してカソードに戻ります。

Zn + 4OH-Zn（OH）4 2– + 2e。

Zn（OH）4 2– ZnO + 2OH- + H2O。

空気亜鉛電池が化学燃料電池の分類に該当しないことは明らかです。第一に、それらは消耗電極（アノード）を使用し、第二に、燃料は最初にセル内に配置され、動作中にセルから供給されません。外。

1つの空気亜鉛電池の電極間の電圧は1.45Vで、アルカリ（アルカリ）電池の電圧に非常に近い値です。必要に応じて、より高い供給電圧を得るために、直列に接続された複数のセルを組み合わせてバッテリーにすることができます。

亜鉛はかなり一般的で安価な材料であるため、亜鉛空気電池の大量生産を展開する際に、製造業者は原材料に問題を経験することはありません。さらに、初期段階でさえ、そのような電源のコストは非常に競争力があります。

空気亜鉛電池が非常に環境に優しい製品であることも重要です。生産に使用される材料は環境を汚染せず、リサイクル後に再利用できます。亜鉛-空気元素（水と酸化亜鉛）の反応生成物は、人間と環境にとっても絶対に安全です-酸化亜鉛はベビーパウダーの主成分としても使用されています。

空気亜鉛電池の動作特性の中でも、非活性状態での自己放電率が低く、放電時の電圧値の変化が小さい（平坦な放電曲線）などの利点があります。

空気亜鉛電池の特定の欠点は、要素の特性に対する流入空気の相対湿度の影響です。たとえば、60％RHで動作するように設計された空気亜鉛電池の場合、湿度が90％に上昇すると、耐用年数は約15％短縮されます。

電池から充電式電池まで

使い捨て電池は、実装が最も簡単な空気亜鉛電池オプションです。大きなサイズと電力の空気亜鉛電池を作成する場合（たとえば、車両の発電所に電力を供給することを目的としています）、亜鉛アノードカセットを交換可能にすることができます。この場合、エネルギー供給を更新するには、使用済み電極のあるカセットを取り外し、代わりに新しいものを取り付けるだけで十分です。廃電極は、専門企業で電気化学的に再利用するために回収できます。

ポータブルPCや電子機器での使用に適したコンパクトなバッテリーについて言えば、バッテリーのサイズが小さいため、交換可能な亜鉛アノードカセットを使用したオプションの実際の実装は不可能です。これが、現在市場に出ているコンパクトな空気亜鉛電池のほとんどが使い捨てである理由です。小型の使い捨て空気亜鉛電池は、Duracell、Eveready、Varta、Matsushita、GP、および国内企業のEnergiaによって製造されています。このような電源の主な用途は、補聴器、携帯ラジオ、写真撮影機器などです。

現在、多くの企業が使い捨ての空気亜鉛電池を製造しています

数年前、AERはノートブックコンピューター用のパワースライス空気亜鉛電池を製造しました。これらのアイテムは、Hewlett-PackardのOmnibook600およびOmnibook800シリーズのノートブック用に設計されました。それらのバッテリー寿命は8から12時間の範囲でした。

原則として、外部電流源が接続されている場合、亜鉛還元反応がアノードで発生する、再充電可能な空気亜鉛電池（バッテリー）を作成する可能性もあります。しかし、そのようなプロジェクトの実際の実施は、亜鉛の化学的性質に関連する深刻な問題によって長い間妨げられてきました。酸化亜鉛はアルカリ電解質によく溶解し、溶解した形で電解質の全体積に分布し、アノードから離れます。このため、外部電流源から充電すると、アノードの形状が大幅に変化します。酸化物から回収された酸化亜鉛は、長いスパイクに似た形状のリボン結晶（デンドライト）の形でアノードの表面に堆積します。デンドライトがセパレーターを貫通し、バッテリー内部で短絡を引き起こします。

この問題は、電力を増やすために、空気亜鉛電池のアノードが粉砕された粉末亜鉛でできているという事実によって悪化します（これにより、電極の表面積を大幅に増やすことができます）。したがって、充放電サイクルの数が増えると、アノードの表面積が徐々に減少し、セルの性能に悪影響を及ぼします。

これまで、亜鉛マトリックスパワー（ZMP）は、コンパクトな空気亜鉛電池で最大の成功を収めてきました。 ZMPスペシャリストは、バッテリー充電の過程で発生する主な問題を解決した独自の亜鉛マトリックス技術を開発しました。この技術の本質は、ポリマーバインダーの使用です。これにより、水酸化物イオンの浸透が妨げられず、同時に電解質に溶解する酸化亜鉛の動きがブロックされます。このソリューションを使用することにより、少なくとも100回の充放電サイクルでアノードの形状と表面積の顕著な変化を回避することができます。

空気亜鉛電池の利点は、動作時間が長く、比エネルギー消費量が多く、最高のリチウムイオン電池の少なくとも2倍です。空気亜鉛電池の比エネルギー消費量は、重量1kgあたり240Whに達し、最大電力は5000 W / kgです。

ZMPの開発者によると、今日では、約20 Whのエネルギー容量を持つ携帯用電子機器（携帯電話、デジタルプレーヤーなど）用の空気亜鉛電池を作成することが可能です。このような電源の可能な最小の厚さはわずか3mmです。ノートブック用の空気亜鉛電池の実験的なプロトタイプは、100〜200Whのエネルギー容量を持っています。

亜鉛マトリックスパワーによる亜鉛空気プロトタイプバッテリー

空気亜鉛電池のもう1つの重要な利点は、いわゆるメモリー効果がまったくないことです。他のタイプのバッテリーとは異なり、空気亜鉛電池は、エネルギー容量を損なうことなく、任意の充電レベルで再充電できます。さらに、空気亜鉛電池はリチウム電池よりもはるかに安全です。

結論として、空気亜鉛電池の商業化の象徴的な出発点となった1つの重要なイベントについて言及することは間違いありません。昨年の6月9日、亜鉛マトリックスパワーはインテルコーポレーションとの戦略的合意の署名を正式に発表しました。この契約の条件に従い、ZMPとIntelは協力して、新しいラップトップバッテリーテクノロジーを開発します。これらの作業の主な目標の中には、ラップトップのバッテリー寿命を最大10時間延長することがあります。既存の計画によると、空気亜鉛電池を搭載したノートブックの最初のモデルは、2006年に発売される予定です。

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