Batteria zinco-aria. Batterie zinco-aria. Utilizzo negli apparecchi acustici. Vantaggi delle batterie per apparecchi acustici

L'immissione nel mercato di massa di batterie zinco-aria compatte può cambiare in modo significativo la situazione nel segmento di mercato degli alimentatori autonomi di piccole dimensioni per computer portatili e dispositivi digitali.

Problema energetico

e negli ultimi anni è aumentato notevolmente il parco di computer portatili e vari dispositivi digitali, molti dei quali sono comparsi sul mercato solo di recente. Questo processo è notevolmente accelerato a causa dell'aumento della popolarità cellulari. A sua volta, la rapida crescita del numero di portatili dispositivi elettronici ha causato un grave aumento della domanda di fonti autonome di energia elettrica, in particolare per diversi tipi batterie e accumulatori.

Tuttavia, la necessità di fornire una quantità enorme dispositivi portatili gli elementi nutrizionali sono solo un lato del problema. Pertanto, con lo sviluppo dei dispositivi elettronici portatili, aumenta la densità degli elementi e la potenza dei microprocessori in essi utilizzati; in soli tre anni, la frequenza di clock dei processori PDA utilizzati è aumentata di un ordine di grandezza. I piccoli schermi monocromatici vengono sostituiti da display a colori alta risoluzione e aumento delle dimensioni dello schermo. Tutto ciò porta ad un aumento del consumo energetico. Inoltre, nel settore dell'elettronica portatile si registra una chiara tendenza verso un'ulteriore miniaturizzazione. Tenendo conto di questi fattori, diventa abbastanza ovvio che l’aumento dell’intensità energetica, della potenza, della durata e dell’affidabilità delle batterie utilizzate è una delle condizioni più importanti per garantire l’ulteriore sviluppo dei dispositivi elettronici portatili.

Il problema delle fonti energetiche rinnovabili e autonome è molto acuto nel segmento dei PC portatili. Tecnologie moderne ti consentono di creare laptop che non sono praticamente inferiori in termini di funzionalità e prestazioni a quelli a tutti gli effetti sistemi desktop. Tuttavia, la mancanza di fonti di alimentazione autonome sufficientemente efficienti priva gli utenti di laptop di uno dei principali vantaggi di questo tipo di computer: la mobilità. Un buon indicatore per un laptop moderno dotato di batteria agli ioni di litio è una durata della batteria di circa 4 ore 1, ma per lavoro a tutti gli effetti V condizioni mobili questo chiaramente non è sufficiente (ad esempio, un volo da Mosca a Tokyo dura circa 10 ore e da Mosca a Los Angeles quasi 15).

Una delle opzioni per risolvere il problema dell'aumento del tempo durata della batteria PC portatili rappresenta il passaggio dalle attuali comuni batterie al nichel-metallo idruro e agli ioni di litio alle celle a combustibile chimiche 2 . Le celle a combustibile più promettenti dal punto di vista dell'applicazione nei dispositivi elettronici portatili e nei PC sono le celle a combustibile a bassa temperatura di esercizio come le PEM (Proton Exchange Membrane) e le DMCF (Direct Metanolo Fuel Cells). Il combustibile utilizzato per questi elementi è soluzione acquosa alcol metilico (metanolo) 3.

Tuttavia, in questa fase, sarebbe troppo ottimistico descrivere il futuro delle celle a combustibile chimiche esclusivamente in toni rosei. Il fatto è che ci sono almeno due ostacoli alla diffusione di massa delle celle a combustibile nei dispositivi elettronici portatili. In primo luogo, il metanolo è una sostanza piuttosto tossica, il che implica maggiori requisiti di tenuta e affidabilità delle cartucce di carburante. In secondo luogo, per garantire velocità accettabili di reazioni chimiche nelle celle a combustibile con basse temperature operative, è necessario utilizzare catalizzatori. Attualmente, nelle celle PEM e DMCF vengono utilizzati catalizzatori a base di platino e sue leghe, ma le riserve naturali di questa sostanza sono piccole e il suo costo è elevato. Teoricamente è possibile sostituire il platino con altri catalizzatori, ma finora nessuno dei team impegnati nella ricerca in questa direzione è riuscito a trovare un'alternativa accettabile. Oggi, il cosiddetto problema del platino è forse l’ostacolo più serio all’adozione diffusa delle celle a combustibile nei PC portatili e nei dispositivi elettronici.

1 Si riferisce al tempo di funzionamento di una batteria standard.

2 Maggiori informazioni sulle celle a combustibile si possono leggere nell’articolo “Celle a combustibile: un anno di speranza”, pubblicato nel n. 1 del 2005.

3 celle PEM funzionanti a gas idrogeno sono dotate di un convertitore integrato per produrre idrogeno dal metanolo.

Elementi aria in zinco

Sebbene gli autori di numerose pubblicazioni considerino le batterie e gli accumulatori zinco-aria uno dei sottotipi delle celle a combustibile, ciò non è del tutto vero. Avendo acquisito familiarità con la struttura e il principio di funzionamento degli elementi zinco-aria, anche in termini generali, possiamo giungere a una conclusione del tutto inequivocabile che è più corretto considerarli come una classe separata di fonti di energia autonome.

Il design della cella ad aria in zinco comprende un catodo e un anodo separati da un elettrolita alcalino e separatori meccanici. Come catodo viene utilizzato un elettrodo a diffusione di gas (GDE), la cui membrana permeabile all'acqua consente di ottenere ossigeno dall'aria atmosferica che circola attraverso di essa. Il “carburante” è l’anodo di zinco, che durante il processo viene ossidato funzionamento dell'elemento, e l'agente ossidante è l'ossigeno ottenuto dall'aria atmosferica che entra attraverso i “boschi di respirazione”.

Al catodo avviene la reazione di elettroriduzione dell'ossigeno, i cui prodotti sono ioni idrossido caricati negativamente:

O2+2H2O+4e4OH – .

Gli ioni idrossido si spostano nell'elettrolita verso l'anodo di zinco, dove avviene la reazione di ossidazione dello zinco, rilasciando elettroni che ritornano al catodo attraverso un circuito esterno:

Zn + 4OH – Zn(OH) 4 2– + 2e.

Zn(OH)4 2– ZnO + 2OH – + H 2 O.

È abbastanza ovvio che le celle zinco-aria non rientrano nella classificazione delle celle a combustibile chimiche: in primo luogo, utilizzano un elettrodo consumabile (anodo) e, in secondo luogo, il combustibile viene inizialmente collocato all'interno della cella e non viene fornito durante il funzionamento da l'esterno.

La tensione tra gli elettrodi di una cella di una cella zinco-aria è di 1,45 V, che è molto vicina a quella delle batterie alcaline (alcaline). Se necessario, per ottenere di più alta tensione alimentatore è possibile combinare più celle collegate in serie in una batteria.

Lo zinco è un materiale abbastanza comune ed economico, quindi quando si implementa la produzione di massa di celle zinco-aria, i produttori non avranno problemi con le materie prime. Inoltre, anche nella fase iniziale, il costo di tali alimentatori sarà piuttosto competitivo.

È anche importante che gli elementi Zinc Air siano prodotti molto rispettosi dell'ambiente. I materiali utilizzati per la loro produzione non avvelenano l'ambiente e possono essere riutilizzati dopo il riciclo. Anche i prodotti di reazione degli elementi zinco-aria (acqua e ossido di zinco) sono assolutamente sicuri per l'uomo e per l'ambiente; l'ossido di zinco viene utilizzato addirittura come componente principale del borotalco.

Tra le proprietà operative degli elementi aria di zinco, vale la pena notare vantaggi come bassa velocità autoscarica nello stato non attivato e una piccola variazione del valore della tensione man mano che la scarica avanza (curva di scarica piatta).

Un certo svantaggio degli elementi Zinc Air è l'influenza dell'umidità relativa dell'aria in entrata sulle caratteristiche dell'elemento. Ad esempio, per una cella d'aria in zinco progettata per funzionare in condizioni di umidità relativa del 60%, quando l'umidità aumenta al 90%, la durata diminuisce di circa il 15%.

Dalle batterie alle batterie

L'opzione più semplice da implementare per le celle zinco-aria sono le batterie usa e getta. Quando si creano elementi aria zinco grande taglia e potenza (ad esempio, destinati ad alimentare centrali elettriche Veicolo) le cassette dell'anodo di zinco possono essere sostituite. In questo caso, per rinnovare la riserva di energia, è sufficiente rimuovere la cassetta con gli elettrodi usati e installarne una nuova al suo posto. Gli elettrodi usati possono essere ripristinati per il riutilizzo utilizzando il metodo elettrochimico presso imprese specializzate.

Se parliamo di batterie compatte adatte all'uso in PC portatili e dispositivi elettronici, l'implementazione pratica dell'opzione con cassette anodi di zinco sostituibili è impossibile a causa delle dimensioni ridotte delle batterie. Questo è il motivo per cui la maggior parte delle celle d'aria compatte in zinco attualmente sul mercato sono usa e getta. Le batterie zinco-aria usa e getta di piccole dimensioni sono prodotte da Duracell, Eveready, Varta, Matsushita, GP, nonché dall'impresa nazionale Energia. I principali campi di applicazione di tali fonti di energia sono gli apparecchi acustici, le radio portatili, le apparecchiature fotografiche, ecc.

Attualmente molte aziende producono batterie zinco-aria usa e getta

Alcuni anni fa, AER ha prodotto le batterie zinco-aria Power Slice progettate per computer portatili. Questi articoli sono stati progettati per i laptop della serie Omnibook 600 e Omnibook 800 di Hewlett-Packard; la durata della batteria variava dalle 8 alle 12 ore.

In linea di principio esiste anche la possibilità di creare celle zinco-aria (batterie) ricaricabili nelle quali, una volta collegate, fonte esterna corrente all'anodo, si verificherà una reazione di riduzione dello zinco. Tuttavia, la realizzazione pratica di tali progetti è stata a lungo ostacolata da gravi problemi causati dalle proprietà chimiche dello zinco. L'ossido di zinco si dissolve bene in un elettrolita alcalino e, in forma disciolta, si distribuisce in tutto il volume dell'elettrolita, allontanandosi dall'anodo. Per questo motivo, quando si carica da una fonte di corrente esterna, la geometria dell'anodo cambia in modo significativo: lo zinco recuperato dall'ossido di zinco si deposita sulla superficie dell'anodo sotto forma di cristalli nastriformi (dendriti), a forma di lunghe punte. I dendriti penetrano nei separatori provocando un cortocircuito all'interno della batteria.

Questo problema è aggravato dal fatto che per aumentare la potenza, gli anodi delle celle zinco-aria sono realizzati con zinco in polvere frantumato (questo consente un aumento significativo della superficie dell'elettrodo). Pertanto, all’aumentare del numero di cicli di carica-scarica, la superficie dell’anodo diminuirà gradualmente, con un impatto negativo sulle prestazioni della cella.

Ad oggi, il più grande successo nel campo della creazione di batterie zinco-aria compatte è stato ottenuto da Zinc Matrix Power (ZMP). Gli specialisti ZMP si sono sviluppati tecnologia unica Zinc Matrix, che ha permesso di risolvere i principali problemi che si presentano durante la ricarica della batteria. L'essenza di questa tecnologia è l'uso di un legante polimerico, che garantisce la penetrazione senza ostacoli degli ioni idrossido, ma allo stesso tempo blocca il movimento dell'ossido di zinco che si dissolve nell'elettrolita. Grazie all'utilizzo di questa soluzione è possibile evitare notevoli cambiamenti nella forma e nella superficie dell'anodo per almeno 100 cicli di carica-scarica.

I vantaggi delle batterie zinco-aria sono la lunga autonomia e l'elevata intensità energetica specifica, almeno doppia rispetto alle migliori batterie agli ioni di litio. L'intensità energetica specifica delle batterie zinco-aria raggiunge i 240 Wh per 1 kg di peso, e massima potenza 5000 W/kg.

Secondo gli sviluppatori di ZMP, oggi è possibile creare batterie zinco-aria per dispositivi elettronici portatili (telefoni cellulari, lettori digitali, ecc.) con una capacità energetica di circa 20 Wh. Lo spessore minimo possibile di tali alimentatori è di soli 3 mm. I prototipi sperimentali di batterie zinco-aria per laptop hanno una capacità energetica compresa tra 100 e 200 Wh.

Un prototipo di batteria zinco-aria creato dagli specialisti di Zinc Matrix Power

Un altro importante vantaggio delle batterie zinco-aria è la completa assenza del cosiddetto effetto memoria. A differenza di altri tipi di batterie, le celle zinco-aria possono essere ricaricate a qualsiasi livello di carica senza comprometterne la capacità energetica. Inoltre, a differenza delle batterie al litio, le celle zinco-aria sono molto più sicure.

In conclusione, non si può non citare un evento importante, che è diventato un simbolico punto di partenza nel percorso verso la commercializzazione delle celle zinco-aria: il 9 giugno dello scorso anno, Zinc Matrix Power ha annunciato ufficialmente la firma di un accordo strategico con Intel Società. Secondo i termini di questo accordo, ZMP e Intel uniranno le forze per sviluppare una nuova tecnologia per le batterie dei PC portatili. Tra gli obiettivi principali di questo lavoro c'è quello di aumentare la durata della batteria dei laptop a 10 ore. Secondo il piano attuale, i primi modelli di computer portatili dotati di batterie zinco-aria dovrebbero essere messi in vendita nel 2006.

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Le tecnologie di stoccaggio dell’energia elettrochimica stanno avanzando rapidamente. La società NantEnergy offre una batteria di accumulo di energia zinco-aria economica.

NantEnergy, guidata dal miliardario californiano Patrick Soon-Shiong, ha introdotto una batteria energetica zinco-aria (Zinc-Air Battery), il cui costo è significativamente inferiore rispetto alle sue controparti agli ioni di litio.

Accumulatore di energia zinco-aria

La batteria, “protetta da centinaia di brevetti”, è destinata all’uso nei sistemi di accumulo dell’energia nel settore dei servizi pubblici. Secondo NantEnergy, il suo costo è inferiore a cento dollari per kilowattora.

Il design di una batteria zinco-aria è semplice. Durante la ricarica, l'elettricità converte l'ossido di zinco in zinco e ossigeno. Durante la fase di scarico nella cella, lo zinco viene ossidato dall'aria. Una batteria, racchiusa in una custodia di plastica, non è molto più grande di una valigetta.

Lo zinco non è un metallo raro e le limitazioni delle risorse sono discusse in relazione ad esso batterie agli ioni di litio, le batterie zinco-aria non sono interessate. Inoltre, questi ultimi non contengono praticamente alcun elemento dannoso per l'ambiente e lo zinco è molto facilmente riciclabile per un uso secondario.

È importante notare che il dispositivo NantEnergy non è un prototipo, ma modello di produzione, che è stato testato negli ultimi sei anni "in migliaia di luoghi diversi". Queste batterie hanno fornito energia a "più di 200mila persone in Asia e Africa e sono state utilizzate in più di 1.000 torri comunicazione cellulare In tutto il mondo".

Un sistema di stoccaggio dell’energia a basso costo “si trasformerà”. rete elettrica in un sistema 24 ore su 24, 7 giorni su 7, completamente privo di emissioni di carbonio”, ovvero basato interamente su fonti energetiche rinnovabili.

Le batterie zinco-aria non sono una novità: sono state inventate nel XIX secolo e sono state ampiamente utilizzate a partire dagli anni '30 del secolo scorso. I principali campi di applicazione di queste fonti di energia sono gli apparecchi acustici, le radio portatili, le apparecchiature fotografiche... Un certo problema scientifico e tecnico causato dalle proprietà chimiche dello zinco è stata la creazione di batterie ricaricabili. A quanto pare, questo problema è stato ormai ampiamente superato. NantEnergy è riuscita a far sì che la batteria possa ripetere il ciclo di carica e scarica più di 1000 volte senza deterioramento.

Tra gli altri parametri indicati dall'azienda: 72 ore di autonomia e 20 anni di vita utile del sistema.

Naturalmente ci sono domande riguardanti il ​​numero di cicli e altre caratteristiche che devono essere chiarite. Tuttavia, alcuni esperti di stoccaggio dell’energia credono nella tecnologia. In un sondaggio GTM condotto lo scorso dicembre, l’8% degli intervistati ha indicato le batterie allo zinco come una tecnologia che potrebbe sostituire gli ioni di litio nei sistemi di accumulo dell’energia.

In precedenza, il capo di Tesla, Elon Musk, aveva riferito che il costo delle celle agli ioni di litio prodotte dalla sua azienda potrebbe scendere sotto i 100 dollari/kWh quest’anno.

Sentiamo spesso dire che la diffusione delle fonti energetiche rinnovabili variabili, solare ed eolica, sta presumibilmente rallentando (rallenterà) a causa della mancanza di tecnologie di stoccaggio dell’energia a basso costo.

Questo, ovviamente, non è il caso, poiché i dispositivi di accumulo dell’energia sono solo uno degli strumenti per aumentare l’agilità (flessibilità) del sistema energetico, ma non l’unico strumento. Inoltre, come vediamo, le tecnologie di stoccaggio dell’energia elettrochimica si stanno sviluppando rapidamente. pubblicato

Se hai domande su questo argomento, chiedile agli esperti e ai lettori del nostro progetto.

Il nuovo prodotto promette di superare di tre volte l'intensità energetica delle batterie agli ioni di litio e allo stesso tempo di costare la metà.

Si noti che ora le batterie zinco-aria vengono prodotte solo sotto forma di celle usa e getta o “ricaricabili” manualmente, cioè cambiando la cartuccia. A proposito, questo tipo di batteria è più sicura delle batterie agli ioni di litio, poiché non contiene sostanze volatili e, di conseguenza, non può accendersi.

L'ostacolo principale alla creazione di opzioni ricaricabili - cioè le batterie - è il rapido degrado del dispositivo: l'elettrolita viene disattivato, le reazioni di ossidoriduzione rallentano e si fermano del tutto dopo pochi cicli di ricarica.

Per capire perché ciò accade, dobbiamo prima descrivere il principio di funzionamento delle celle ad aria di zinco. La batteria è composta da elettrodi di aria e zinco ed elettrolita. Durante la scarica, l'aria proveniente dall'esterno, con l'aiuto di catalizzatori, forma ioni ossidrile (OH -) nella soluzione acquosa dell'elettrolita.

Ossidano l'elettrodo di zinco. Durante questa reazione, gli elettroni vengono rilasciati, formando una corrente. Durante la ricarica della batteria, il processo continua rovescio: L'ossigeno viene prodotto sull'elettrodo ad aria.

In precedenza, durante il funzionamento di una batteria ricaricabile, la soluzione acquosa di elettroliti spesso semplicemente si seccava o penetrava troppo in profondità nei pori dell'elettrodo ad aria. Inoltre, lo zinco depositato era distribuito in modo non uniforme, formando una struttura ramificata, che provocava cortocircuiti tra gli elettrodi.

Il nuovo prodotto è esente da queste carenze. Speciali additivi gelificanti e astringenti controllano l'umidità e la forma dell'elettrodo di zinco. Inoltre, gli scienziati hanno proposto nuovi catalizzatori, che hanno anche migliorato significativamente le prestazioni degli elementi.

Finora le prestazioni migliori dei prototipi non superano le centinaia di cicli di ricarica (foto di ReVolt).

L'amministratore delegato di ReVolt, James McDougall, ritiene che i primi prodotti, a differenza degli attuali prototipi, si ricaricheranno fino a 200 volte, e presto saranno in grado di raggiungere i 300-500 cicli. Questo indicatore consentirà di utilizzare l'elemento, ad esempio, in telefono cellulare o laptop.

Prototipo nuova batteriaè stato sviluppato dalla fondazione di ricerca norvegese SINTEF e ReVolt sta commercializzando il prodotto (illustrazione di ReVolt).

ReVolt sta inoltre sviluppando batterie zinco-aria per veicoli elettrici. Tali prodotti assomigliano alle celle a combustibile. La sospensione di zinco in essi contenuta svolge il ruolo di un elettrodo liquido, mentre l'elettrodo ad aria è costituito da un sistema di tubi.

L'elettricità viene generata pompando la sospensione attraverso i tubi. L'ossido di zinco risultante viene quindi immagazzinato in un altro compartimento. Una volta ricaricato, continua lungo lo stesso percorso e l'ossido si trasforma nuovamente in zinco.

Tali batterie possono produrre più elettricità, poiché il volume dell'elettrodo liquido può essere molto maggiore del volume dell'elettrodo ad aria. McDougall ritiene che questo tipo di cella sarà in grado di ricaricarsi tra le due e le diecimila volte.

Le batterie zinco-aria sono molto più affidabili delle precedenti: non perdono. Ciò significa che una batteria improvvisamente deteriorata non danneggerà il tuo apparecchio acustico. Tuttavia, le nuove batterie zinco-aria sono abbastanza affidabili e raramente smettono di funzionare prematuramente. Ma hanno anche le loro caratteristiche.

Se non è necessario cambiare le batterie dell'apparecchio acustico, non rimuovere l'imballaggio dalla batteria. Prima dell'uso, tale batteria viene sigillata con una pellicola speciale che impedisce la penetrazione dell'aria. Una volta rimossa la pellicola, il catodo (ossigeno) e l'anodo (polvere di zinco) reagiscono. Questo va ricordato: se si rimuove la pellicola, la batteria perde carica, indipendentemente dal fatto che sia stata inserita o meno nel dispositivo.

Le batterie zinco-aria sono una nuova generazione di batterie che presentano seri vantaggi rispetto ai loro predecessori. Indubbiamente, sono molto più efficienti dal punto di vista energetico e durevoli grazie alla loro maggiore capacità. Il catodo della batteria non è argento o ossido di mercurio, come in altre batterie, ma ossigeno ottenuto dall'aria. L'interazione tra catodo e anodo avviene in modo uniforme durante l'intera durata operativa della batteria. Non sarà necessario riconfigurare costantemente l'apparecchio acustico né modificare il volume a causa della batteria scarica. Come anodo viene utilizzato lo zinco in polvere, che è contenuto in quantità molto maggiori rispetto all'anodo delle batterie della generazione precedente: ciò ne garantisce l'intensità energetica.

Puoi notare una batteria scarica da questo caratteristico “sintomo”: pochi minuti dopo l'accensione l'apparecchio acustico diventa improvvisamente silenzioso. Questo è un segnale che è ora di cambiare le batterie.

1. Si consiglia di utilizzare la batteria fino in fondo e poi sostituirla immediatamente. Non conservare le batterie usate.
2. Le batterie devono essere selezionate in base alla dimensione specificata nella descrizione dell'apparecchio acustico.
3. Tenere le batterie lontano da oggetti metallici! Il metallo provoca la chiusura dei contatti e ciò causerà danni al prodotto.
4. Si consiglia di portare con sé una batteria di riserva, riposta in un'apposita custodia protettiva.
5. Quando si installa una batteria, è molto importante determinare dove si trova il suo lato "più" (è più convesso e presenta fori per l'aria).
6. Inserimento nuova batteria, attendere qualche minuto dopo lo strappo pellicola protettiva: il principio attivo deve essere quanto più saturo possibile di ossigeno. Ciò è necessario per garantire la durata completa della batteria. Se hai fretta, l'anodo si saturerà di ossigeno solo in superficie e la batteria si scaricherà prematuramente.
7. Quando non si utilizza l'apparecchio acustico, è necessario spegnerlo e rimuovere le batterie.

8.Le batterie devono essere conservate in appositi blister, a temperatura ambiente e fuori dalla portata dei bambini.