Batterie zinc-air. Piles zinc-air. Utilisation dans les appareils auditifs. Avantages des piles pour appareils auditifs

La commercialisation de batteries compactes zinc-air sur le marché de masse peut changer considérablement la situation dans le segment de marché des alimentations autonomes de petite taille pour ordinateurs portables et appareils numériques.

Problème énergétique

et ces dernières années, le parc d'ordinateurs portables et de divers appareils numériques a considérablement augmenté, dont beaucoup ne sont apparus que récemment sur le marché. Ce processus s'est sensiblement accéléré en raison de la popularité croissante téléphones portables. À son tour, la croissance rapide du nombre de téléphones portables appareils électroniques provoqué une forte augmentation de la demande de sources d’électricité autonomes, en particulier pour différentes sortes piles et accumulateurs.

Cependant, la nécessité de fournir une somme considérable des appareils portables Les éléments nutritionnels ne sont qu’un aspect du problème. Ainsi, à mesure que les appareils électroniques portables se développent, la densité des éléments et la puissance des microprocesseurs qui y sont utilisés augmentent : en seulement trois ans, la fréquence d'horloge des processeurs PDA utilisés a augmenté d'un ordre de grandeur. Les minuscules écrans monochromes sont remplacés par des écrans couleur avec haute résolution et une taille d'écran accrue. Tout cela entraîne une augmentation de la consommation d’énergie. En outre, il existe une nette tendance vers une miniaturisation accrue dans le domaine de l’électronique portable. Compte tenu de ces facteurs, il devient évident que l'augmentation de l'intensité énergétique, de la puissance, de la durabilité et de la fiabilité des batteries utilisées est l'une des conditions les plus importantes pour assurer le développement ultérieur des appareils électroniques portables.

Le problème des sources d’énergie autonomes renouvelables est très aigu dans le segment des PC portables. Technologies modernes vous permettent de créer des ordinateurs portables dont les fonctionnalités et les performances ne sont pratiquement pas inférieures à celles des ordinateurs portables à part entière systèmes de bureau. Cependant, le manque de sources d'alimentation autonomes suffisamment efficaces prive les utilisateurs d'ordinateurs portables de l'un des principaux avantages de ce type d'ordinateur : la mobilité. Un bon indicateur pour un ordinateur portable moderne équipé d'une batterie lithium-ion est une autonomie d'environ 4 heures 1, mais pour travail à part entière V conditions mobiles ce n'est clairement pas suffisant (par exemple, un vol de Moscou à Tokyo prend environ 10 heures, et de Moscou à Los Angeles près de 15 heures).

Une des options pour résoudre le problème de l'augmentation du temps vie de la batterie Les ordinateurs portables marquent le passage des batteries nickel-hydrure métallique et lithium-ion, actuellement courantes, aux piles à combustible chimiques 2 . Les piles à combustible les plus prometteuses du point de vue de l'application dans les appareils électroniques portables et les PC sont les piles à combustible à basses températures de fonctionnement telles que les PEM (Proton Exchange Membrane) et DMCF (Direct Méthanol Fuel Cells). Le combustible utilisé pour ces éléments est Solution aqueuse alcool méthylique (méthanol) 3.

Cependant, à ce stade, il serait trop optimiste de décrire l’avenir des piles à combustible chimiques uniquement en rose. Le fait est qu’il existe au moins deux obstacles à la distribution massive des piles à combustible dans les appareils électroniques portables. Premièrement, le méthanol est une substance plutôt toxique, ce qui implique des exigences accrues en matière d'étanchéité et de fiabilité des cartouches de carburant. Deuxièmement, pour garantir des vitesses de réactions chimiques acceptables dans les piles à combustible à basses températures de fonctionnement, il est nécessaire d'utiliser des catalyseurs. Actuellement, des catalyseurs à base de platine et de ses alliages sont utilisés dans les cellules PEM et DMCF, mais les réserves naturelles de cette substance sont faibles et son coût est élevé. Il est théoriquement possible de remplacer le platine par d'autres catalyseurs, mais jusqu'à présent aucune des équipes engagées dans des recherches dans ce sens n'a réussi à trouver une alternative acceptable. Aujourd’hui, le problème dit du platine constitue peut-être l’obstacle le plus sérieux à l’adoption généralisée des piles à combustible dans les ordinateurs portables et les appareils électroniques.

1 Il s’agit de la durée de fonctionnement d’une batterie standard.

2 De plus amples informations sur les piles à combustible peuvent être lues dans l’article « Piles à combustible : une année d’espoir », publié dans le n° 1’2005.

3 cellules PEM fonctionnant à l'hydrogène gazeux sont équipées d'un convertisseur intégré pour produire de l'hydrogène à partir de méthanol.

Éléments à air en zinc

Bien que les auteurs d'un certain nombre de publications considèrent les piles et accumulateurs zinc-air comme l'un des sous-types de piles à combustible, ce n'est pas tout à fait vrai. Après nous être familiarisés avec la conception et le principe de fonctionnement des éléments zinc-air, même en termes généraux, nous pouvons conclure sans ambiguïté qu'il est plus correct de les considérer comme une classe distincte de sources d'énergie autonomes.

La conception de la cellule zinc-air comprend une cathode et une anode séparées par un électrolyte alcalin et des séparateurs mécaniques. Comme cathode, on utilise une électrode à diffusion gazeuse (GDE), dont la membrane perméable à l'eau permet d'obtenir de l'oxygène à partir de l'air atmosphérique qui y circule. Le « combustible » est l’anode de zinc, qui est oxydée au cours du processus fonctionnement des éléments, et l'agent oxydant est l'oxygène obtenu à partir de l'air atmosphérique entrant par les « trous respiratoires ».

A la cathode se produit la réaction d'électroréduction de l'oxygène, dont les produits sont des ions hydroxyde chargés négativement :

O 2 + 2H 2 O +4e 4OH – .

Les ions hydroxyde se déplacent dans l'électrolyte vers l'anode de zinc, où se produit la réaction d'oxydation du zinc, libérant des électrons qui retournent à la cathode via un circuit externe :

Zn + 4OH – Zn(OH) 4 2– + 2e.

Zn(OH) 4 2– ZnO + 2OH – + H 2 O.

Il est bien évident que les piles zinc-air n'entrent pas dans la classification des piles à combustible chimiques : d'une part, elles utilisent une électrode consommable (anode), et d'autre part, le combustible est initialement placé à l'intérieur de la pile, et n'est pas fourni pendant le fonctionnement depuis l'extérieur.

La tension entre les électrodes d'une cellule d'une pile zinc-air est de 1,45 V, ce qui est très proche de celle des piles alcalines (alcalines). Si nécessaire, pour en obtenir davantage haute tension Alimentation électrique, vous pouvez combiner plusieurs cellules connectées en série dans une batterie.

Le zinc est un matériau assez courant et peu coûteux. Ainsi, lors du déploiement de la production en série de cellules zinc-air, les fabricants n'auront aucun problème avec les matières premières. De plus, même au stade initial, le coût de telles alimentations sera assez compétitif.

Il est également important que les éléments à air en zinc soient des produits très respectueux de l'environnement. Les matériaux utilisés pour leur production n'empoisonnent pas l'environnement et peuvent être réutilisés après recyclage. Les produits de réaction des éléments zinc-air (eau et oxyde de zinc) sont également absolument sans danger pour l'homme et l'environnement ; l'oxyde de zinc est même utilisé comme composant principal de la poudre pour bébé.

Parmi les propriétés opérationnelles des éléments à air en zinc, il convient de noter des avantages tels que faible vitesse autodécharge à l'état non activé et légère modification de la valeur de tension au fur et à mesure de la progression de la décharge (courbe de décharge plate).

Un certain inconvénient des éléments à air en zinc est l'influence de l'humidité relative de l'air entrant sur les caractéristiques de l'élément. Par exemple, pour une pile zinc-air conçue pour fonctionner dans des conditions d'humidité relative de l'air de 60 %, lorsque l'humidité augmente jusqu'à 90 %, la durée de vie diminue d'environ 15 %.

De piles en piles

L’option la plus simple à mettre en œuvre pour les piles zinc-air est celle des piles jetables. Lors de la création d'éléments d'air en zinc grande taille et de l'énergie (par exemple destinée à alimenter les centrales électriques) Véhicule) les cassettes d'anodes en zinc peuvent être remplacées. Dans ce cas, pour renouveler la réserve d'énergie, il suffit de retirer la cassette contenant les électrodes usagées et d'en installer une nouvelle à sa place. Les électrodes usagées peuvent être restaurées pour être réutilisées par la méthode électrochimique dans des entreprises spécialisées.

Si nous parlons de batteries compactes adaptées à une utilisation dans des ordinateurs portables et des appareils électroniques, la mise en œuvre pratique de l'option avec des cassettes à anodes de zinc remplaçables est impossible en raison de la petite taille des batteries. C'est pourquoi la plupart des piles zinc-air compactes actuellement sur le marché sont jetables. Les piles zinc-air jetables de petite taille sont produites par Duracell, Eveready, Varta, Matsushita, GP, ainsi que par l'entreprise nationale Energia. Les principaux domaines d'application de ces sources d'énergie sont les appareils auditifs, les radios portables, les équipements photographiques, etc.

Actuellement, de nombreuses entreprises produisent des piles zinc-air jetables.

Il y a quelques années, AER produisait des batteries zinc-air Power Slice conçues pour les ordinateurs portables. Ces éléments ont été conçus pour les ordinateurs portables des séries Omnibook 600 et Omnibook 800 de Hewlett-Packard ; leur autonomie variait de 8 à 12 heures.

En principe, il existe également la possibilité de créer des piles (batteries) zinc-air rechargeables dans lesquelles, une fois connectées, source externe courant à l’anode, une réaction de réduction du zinc se produira. Cependant, la mise en œuvre pratique de tels projets a longtemps été entravée par de graves problèmes causés par les propriétés chimiques du zinc. L'oxyde de zinc se dissout bien dans un électrolyte alcalin et, sous forme dissoute, se répartit dans tout le volume de l'électrolyte en s'éloignant de l'anode. De ce fait, lors d'une charge à partir d'une source de courant externe, la géométrie de l'anode change considérablement : le zinc récupéré de l'oxyde de zinc se dépose à la surface de l'anode sous forme de cristaux en ruban (dendrites), en forme de longues pointes. Les dendrites traversent les séparateurs, provoquant un court-circuit à l'intérieur de la batterie.

Ce problème est aggravé par le fait que pour augmenter la puissance, les anodes des cellules zinc-air sont fabriquées à partir de zinc en poudre broyé (cela permet une augmentation significative de la surface de l'électrode). Ainsi, à mesure que le nombre de cycles de charge-décharge augmente, la surface de l'anode va progressivement diminuer, ayant un impact négatif sur les performances de la cellule.

À ce jour, le plus grand succès dans le domaine de la création de batteries zinc-air compactes a été obtenu par Zinc Matrix Power (ZMP). Les spécialistes ZMP ont développé technologie unique Zinc Matrix, qui a permis de résoudre les principaux problèmes qui surviennent lors du chargement de la batterie. L'essence de cette technologie réside dans l'utilisation d'un liant polymère, qui assure une pénétration sans entrave des ions hydroxyde, mais bloque en même temps le mouvement de la dissolution de l'oxyde de zinc dans l'électrolyte. Grâce à l'utilisation de cette solution, il est possible d'éviter des changements notables dans la forme et la surface de l'anode pendant au moins 100 cycles de charge-décharge.

Les avantages des batteries zinc-air sont une longue durée de fonctionnement et une intensité énergétique spécifique élevée, au moins deux fois supérieure à celle des meilleures batteries lithium-ion. L'intensité énergétique spécifique des batteries zinc-air atteint 240 Wh pour 1 kg de poids, et Puissance maximum 5000 W/kg.

Selon les développeurs de ZMP, il est aujourd'hui possible de créer des batteries zinc-air pour appareils électroniques portables (téléphones portables, lecteurs numériques, etc.) avec une capacité énergétique d'environ 20 Wh. L'épaisseur minimale possible de ces alimentations n'est que de 3 mm. Des prototypes expérimentaux de batteries zinc-air pour ordinateurs portables ont une capacité énergétique de 100 à 200 Wh.

Un prototype de batterie zinc-air créé par les spécialistes de Zinc Matrix Power

Un autre avantage important des batteries zinc-air est l’absence totale de ce qu’on appelle l’effet mémoire. Contrairement à d’autres types de batteries, les piles zinc-air peuvent être rechargées à n’importe quel niveau de charge sans compromettre leur capacité énergétique. De plus, contrairement aux piles au lithium, les piles zinc-air sont beaucoup plus sûres.

En conclusion, il est impossible de ne pas mentionner un événement important, qui est devenu un point de départ symbolique sur le chemin de la commercialisation des cellules zinc-air : le 9 juin de l'année dernière, Zinc Matrix Power a officiellement annoncé la signature d'un accord stratégique avec Intel. Société. Aux termes de cet accord, ZMP et Intel uniront leurs forces pour développer une nouvelle technologie de batterie pour les PC portables. L'un des principaux objectifs de ces travaux est d'augmenter la durée de vie de la batterie des ordinateurs portables à 10 heures. Selon le plan actuel, les premiers modèles d'ordinateurs portables équipés de batteries zinc-air devraient être commercialisés en 2006.

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Les technologies de stockage électrochimique de l’énergie progressent rapidement. La société NantEnergy propose une batterie de stockage d’énergie zinc-air économique.

NantEnergy, dirigé par le milliardaire californien Patrick Soon-Shiong, a introduit une batterie énergétique zinc-air (Zinc-Air Battery), dont le coût est nettement inférieur à celui de ses homologues lithium-ion.

Accumulateur d'énergie zinc-air

La batterie, « protégée par des centaines de brevets », est destinée à être utilisée dans les systèmes de stockage d’énergie du secteur des services publics. Selon NantEnergy, son coût est inférieur à cent dollars le kilowattheure.

La conception d’une batterie zinc-air est simple. Lors de la charge, l'électricité convertit l'oxyde de zinc en zinc et en oxygène. Lors de la phase de décharge dans la cellule, le zinc est oxydé par l'air. Une batterie, enfermée dans un boîtier en plastique, n’est pas beaucoup plus grande qu’une mallette.

Le zinc n'est pas un métal rare et les limitations des ressources discutées en relation avec batteries lithium-ion, les piles zinc-air ne sont pas concernées. De plus, ces derniers ne contiennent pratiquement aucun élément nocif pour l’environnement, et le zinc est très facilement recyclé pour une utilisation secondaire.

Il est important de noter que le dispositif NantEnergy n'est pas un prototype, mais modèle de fabrication, qui a été testé au cours des six dernières années "dans des milliers d'endroits différents". Ces batteries ont fourni de l'énergie à « plus de 200 000 personnes en Asie et en Afrique et ont été utilisées dans plus de 1 000 tours ». communications cellulaires Mondial".

Un système de stockage d’énergie aussi peu coûteux « transformera réseau électrique dans un système 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7, totalement sans carbone », c'est-à-dire entièrement basé sur des sources d'énergie renouvelables.

Les piles zinc-air ne sont pas nouvelles, elles ont été inventées au 19ème siècle et sont largement utilisées depuis les années 30 du siècle dernier. Les principaux domaines d'application de ces sources d'énergie sont les appareils auditifs, les radios portables, le matériel photographique... Un certain problème scientifique et technique causé par les propriétés chimiques du zinc a été la création de piles rechargeables. Apparemment, ce problème est désormais en grande partie résolu. NantEnergy a réussi à ce que la batterie puisse répéter le cycle de charge et de décharge plus de 1 000 fois sans dégradation.

Entre autres paramètres indiqués par l'entreprise : 72 heures d'autonomie et une durée de vie du système de 20 ans.

Bien entendu, des questions concernant le nombre de cycles et d’autres caractéristiques doivent être clarifiées. Cependant, certains experts en stockage d’énergie croient en cette technologie. Dans une enquête du GTM menée en décembre dernier, huit pour cent des personnes interrogées ont cité les batteries au zinc comme une technologie susceptible de remplacer le lithium-ion dans les systèmes de stockage d'énergie.

Plus tôt, le patron de Tesla, Elon Musk, avait annoncé que le coût des cellules lithium-ion produites par son entreprise pourrait tomber en dessous de 100 dollars/kWh cette année.

Nous entendons souvent dire que la propagation des sources d’énergie renouvelables variables, l’énergie solaire et éolienne, est censée ralentir (va ralentir) en raison du manque de technologies de stockage d’énergie bon marché.

Bien entendu, ce n’est pas le cas, puisque les dispositifs de stockage d’énergie ne sont qu’un des outils permettant d’augmenter l’agilité (flexibilité) du système électrique, mais pas le seul. De plus, comme on le voit, les technologies de stockage électrochimique de l’énergie se développent à un rythme rapide. publié

Si vous avez des questions sur ce sujet, posez-les aux experts et lecteurs de notre projet.

Le nouveau produit promet de dépasser de trois fois l'intensité énergétique des batteries lithium-ion et en même temps de coûter deux fois moins cher.

A noter que désormais les piles zinc-air sont produites uniquement sous forme de piles jetables ou « rechargeables » manuellement, c'est-à-dire en changeant la cartouche. À propos, ce type de batterie est plus sûr que les batteries lithium-ion, car elle ne contient pas de substances volatiles et ne peut donc pas s'enflammer.

Le principal obstacle à la création d'options rechargeables - c'est-à-dire de batteries - est la dégradation rapide de l'appareil : l'électrolyte est désactivé, les réactions d'oxydo-réduction ralentissent et s'arrêtent complètement après seulement quelques cycles de recharge.

Pour comprendre pourquoi cela se produit, nous devons d’abord décrire le principe de fonctionnement des cellules zinc-air. La batterie est composée d'électrodes à air et de zinc et d'électrolyte. Lors de la décharge, l'air venant de l'extérieur, à l'aide de catalyseurs, forme des ions hydroxyle (OH -) dans la solution électrolytique aqueuse.

Ils oxydent l'électrode de zinc. Lors de cette réaction, des électrons sont libérés, formant un courant. Pendant le chargement de la batterie, le processus continue verso: L'oxygène est produit au niveau de l'électrode à air.

Auparavant, lors du fonctionnement d'une batterie rechargeable, la solution électrolytique aqueuse se desséchait souvent simplement ou pénétrait trop profondément dans les pores de l'électrode à air. De plus, le zinc déposé était inégalement réparti, formant une structure ramifiée, ce qui provoquait des courts-circuits entre les électrodes.

Le nouveau produit est exempt de ces défauts. Des additifs gélifiants et astringents spéciaux contrôlent l’humidité et la forme de l’électrode de zinc. De plus, les scientifiques ont proposé de nouveaux catalyseurs, qui améliorent également considérablement les performances des éléments.

Jusqu'à présent, les meilleures performances des prototypes ne dépassent pas les centaines de cycles de recharge (photo de ReVolt).

Le directeur général de ReVolt, James McDougall, estime que les premiers produits, contrairement aux prototypes actuels, pourront se recharger jusqu'à 200 fois et pourront bientôt atteindre 300 à 500 cycles. Cet indicateur permettra d'utiliser l'élément, par exemple, dans téléphones portables ou des ordinateurs portables.

Prototype nouvelle batterie a été développé par la fondation de recherche norvégienne SINTEF, et ReVolt commercialise le produit (illustration par ReVolt).

ReVolt développe également des batteries zinc-air pour les véhicules électriques. Ces produits ressemblent à des piles à combustible. La suspension de zinc qu'ils contiennent joue le rôle d'électrode liquide, tandis que l'électrode à air est constituée d'un système de tubes.

L'électricité est générée en pompant la suspension à travers les tubes. L'oxyde de zinc obtenu est ensuite stocké dans un autre compartiment. Une fois rechargé, il continue sur le même chemin et l’oxyde se transforme à nouveau en zinc.

De telles batteries peuvent produire plus d’électricité, puisque le volume de l’électrode liquide peut être beaucoup plus grand que le volume de l’électrode à air. McDougall estime que ce type de cellule pourra se recharger entre deux et dix mille fois.

Les batteries zinc-air sont bien plus fiables que leurs prédécesseurs : elles ne fuient pas. Cela signifie qu’une pile soudainement détériorée n’endommagera pas votre aide auditive. Cependant, les nouvelles piles zinc-air sont assez fiables et cessent rarement de fonctionner prématurément. Mais ils ont aussi leurs propres caractéristiques.

Si vous n'avez pas besoin de changer les piles de votre aide auditive, vous ne devez pas retirer l'emballage de la pile. Avant utilisation, une telle batterie est scellée avec un film spécial qui empêche la pénétration de l'air. Une fois le film retiré, la cathode (oxygène) et l'anode (poudre de zinc) réagissent. Il ne faut pas oublier ceci : si vous retirez le film, la batterie perd sa charge, qu'elle ait été placée ou non dans l'appareil.

Les batteries zinc-air sont une nouvelle génération de batteries qui présentent de sérieux avantages par rapport à leurs prédécesseurs. Sans aucun doute, ils sont beaucoup plus économes en énergie et durables en raison de leur plus grande capacité. La cathode de la batterie n'est pas de l'argent ou de l'oxyde de mercure, comme dans les autres batteries, mais de l'oxygène obtenu à partir de l'air. L'interaction entre la cathode et l'anode se produit uniformément tout au long de la durée de vie de la batterie. L'aide auditive n'aura pas besoin d'être constamment reconfigurée ni le volume modifié en raison d'une pile affaiblie. Le zinc en poudre est utilisé comme anode, qui est contenue en quantités beaucoup plus importantes que l'anode des batteries de la génération précédente - cela garantit son intensité énergétique.

Vous pouvez remarquer une pile faible par ce « symptôme » caractéristique : quelques minutes après la mise en marche, l'aide auditive devient soudainement silencieuse. C'est le signal qu'il est temps de changer les piles.

1. Il est recommandé d'utiliser la batterie jusqu'au bout puis de la changer immédiatement. Vous ne devez pas stocker les piles usagées.
2. Les piles doivent être sélectionnées en fonction de la taille spécifiée dans la description de l'aide auditive.
3. Gardez les piles éloignées des objets métalliques ! Le métal provoque la fermeture des contacts, ce qui entraînera des dommages au produit.
4. Il est conseillé d'emporter avec vous une batterie de rechange, placée dans un sac de protection spécial.
5. Lors de l'installation d'une batterie, il est très important de déterminer où se trouve son côté « plus » (il est plus convexe et comporte des trous pour l'air).
6. Insertion nouvelle batterie, attendez quelques minutes après l'arrachage film protecteur: la substance active doit être saturée en oxygène autant que possible. Ceci est nécessaire pour une durée de vie complète de la batterie. Si vous vous précipitez, l'anode ne sera saturée d'oxygène qu'en surface et la batterie s'épuisera prématurément.
7. Lorsque vous n'utilisez pas votre aide auditive, elle doit être éteinte et les piles retirées.

8. Les piles doivent être conservées dans des blisters spéciaux, à température ambiante et hors de portée des enfants.