아연공기전지. 아연 공기 배터리. 보청기에 사용합니다. 보청기 배터리의 장점

소형 아연공기 배터리가 대중 시장에 출시되면 노트북 컴퓨터 및 노트북용 소형 자율 전원 공급 장치 시장 부문의 상황이 크게 바뀔 수 있습니다. 디지털 장치.

에너지 문제

최근 몇 년 동안 노트북 컴퓨터와 다양한 디지털 장치의 수가 크게 증가했으며 그 중 상당수는 최근에야 시장에 출시되었습니다. 이 프로세스는 인기 증가로 인해 눈에 띄게 가속화되었습니다. 휴대 전화. 이에 따라 휴대용 기기의 급속한 성장이 이루어지고 있다. 전자 기기특히 자율 전력 공급원에 대한 수요가 크게 증가했습니다. 다른 종류배터리 및 축전지.

그러나 막대한 금액을 제공해야 하는 상황 휴대용 장치영양 성분은 문제의 한 측면일 뿐입니다. 따라서 휴대용 전자 장치가 발전함에 따라 여기에 사용되는 부품의 밀도와 마이크로 프로세서의 성능이 증가하고 있으며 불과 3년 만에 사용되는 PDA 프로세서의 클럭 주파수가 몇 배나 증가했습니다. 작은 흑백 화면이 컬러 디스플레이로 대체되고 있습니다. 높은 해상도그리고 화면 크기도 커졌습니다. 이 모든 것이 에너지 소비의 증가로 이어집니다. 또한, 휴대용 전자 장치 분야에서는 더욱 소형화되는 경향이 뚜렷하게 나타나고 있습니다. 이러한 요소를 고려하면, 사용되는 배터리의 에너지 강도, 전력, 내구성 및 신뢰성을 높이는 것이 휴대용 전자 장치의 추가 개발을 보장하는 가장 중요한 조건 중 하나라는 것이 매우 분명해졌습니다.

재생 가능한 자율 전원 문제는 휴대용 PC 부문에서 매우 심각합니다. 현대 기술본격적인 노트북에 비해 기능과 성능이 실질적으로 열등하지 않은 노트북을 만들 수 있습니다. 데스크탑 시스템. 그러나 충분히 효율적인 자율 전원이 부족하여 랩톱 사용자는 이러한 유형의 컴퓨터의 주요 장점 중 하나인 이동성을 박탈당합니다. 리튬 이온 배터리가 장착된 최신 노트북의 좋은 지표는 약 4시간의 배터리 수명입니다1. 본격적인 작업 V 모바일 조건이것은 분명히 충분하지 않습니다 (예를 들어 모스크바에서 도쿄까지의 비행은 약 10시간이 걸리고 모스크바에서 로스앤젤레스까지의 비행은 거의 15시간이 걸립니다).

시간 증가 문제를 해결하기 위한 옵션 중 하나 배터리 수명휴대용 PC는 현재 일반적인 니켈-금속 수소화물 및 리튬 이온 배터리에서 화학 연료 전지로 전환됩니다 2 . 휴대용 전자기기 및 PC에 적용하는 관점에서 볼 때 가장 유망한 연료전지는 PEM(Proton Exchange Membrane), DMCF(직접 메탄올 연료전지) 등 낮은 작동온도를 갖는 연료전지이다. 이러한 요소에 사용되는 연료는 다음과 같습니다. 수용액메틸알코올(메탄올) 3.

그러나 현 단계에서 화학연료전지의 미래를 장밋빛으로만 설명하기에는 너무 낙관적이다. 사실 휴대용 전자 장치에 연료 전지를 대량으로 보급하는 데는 적어도 두 가지 장애물이 있습니다. 첫째, 메탄올은 독성이 강한 물질로, 이는 연료 카트리지의 견고성과 신뢰성에 대한 요구 사항이 증가함을 의미합니다. 둘째, 작동 온도가 낮은 연료 전지에서 허용 가능한 화학 반응 속도를 보장하려면 촉매를 사용해야 합니다. 현재 PEM 및 DMCF 셀에는 백금 및 그 합금으로 만든 촉매가 사용되지만 이 물질의 천연 매장량이 적고 가격이 높습니다. 백금을 다른 촉매로 대체하는 것은 이론적으로 가능하지만, 지금까지 이 방향으로 연구를 진행하는 팀 중 어느 누구도 수용 가능한 대안을 찾지 못했습니다. 오늘날 소위 백금 문제는 아마도 휴대용 PC 및 전자 장치에 연료 전지를 널리 채택하는 데 가장 심각한 장애물일 것입니다.

1 표준 배터리의 작동 시간을 나타냅니다.

2 연료전지에 대한 자세한 내용은 2005년 1호에 게재된 "연료전지: 희망의 해" 기사에서 읽을 수 있습니다.

수소 가스로 작동하는 3개의 PEM 셀에는 메탄올에서 수소를 생산하는 변환기가 내장되어 있습니다.

아연 공기 요소

여러 출판물의 저자는 아연공기 배터리와 축전지를 연료전지의 하위 유형 중 하나로 간주하지만 이는 전적으로 사실이 아닙니다. 일반적인 용어로도 아연 공기 요소의 설계 및 작동 원리에 익숙해지면 이를 별도의 자율 전원 클래스로 간주하는 것이 더 정확하다는 완전히 명확한 결론을 내릴 수 있습니다.

아연 공기 전지 셀 설계에는 알칼리성 전해질과 기계적 분리기로 분리된 음극과 양극이 포함됩니다. 가스 확산 전극(GDE)이 음극으로 사용되며, 이 전극의 투수성 막을 통해 순환하는 대기 공기로부터 산소를 얻을 수 있습니다. "연료"는 공정에서 산화되는 아연 양극입니다. 요소 연산, 산화제는 "호흡 구멍"을 통해 유입되는 대기에서 얻은 산소입니다.

음극에서는 산소의 전기 환원 반응이 발생하며 그 생성물은 음으로 하전된 수산화 이온입니다.

O 2 + 2H 2 O +4e 4OH – .

수산화물 이온은 전해질에서 아연 양극으로 이동하여 아연 산화 반응이 일어나고 외부 회로를 통해 음극으로 돌아가는 전자를 방출합니다.

Zn + 4OH – Zn(OH) 4 2– + 2e.

Zn(OH) 4 2– ZnO + 2OH – + H 2 O.

아연-공기 전지가 화학 연료 전지의 분류에 속하지 않는다는 것은 매우 분명합니다. 첫째, 소모성 전극(양극)을 사용하고, 둘째, 연료는 처음에 전지 내부에 배치되며 작동 중에는 공급되지 않습니다. 외부.

아연공기 전지의 한 셀 전극 사이의 전압은 1.45V로 알카라인(알카라인) 배터리의 전압과 매우 가깝습니다. 필요한 경우 더 많은 정보를 얻으려면 높은 전압전원 공급 장치를 사용하면 여러 개의 직렬 연결된 셀을 배터리로 결합할 수 있습니다.

아연은 상당히 흔하고 저렴한 재료이므로 아연-공기 전지를 대량 생산할 때 제조업체는 원자재 문제를 겪지 않을 것입니다. 또한 초기 단계에서도 이러한 전원 공급 장치의 가격은 상당히 경쟁력이 있습니다.

공기 아연 성분이 환경 친화적인 제품이라는 점도 중요합니다. 생산에 사용되는 재료는 환경을 오염시키지 않으며 재활용 후 재사용할 수 있습니다. 공기아연 성분(물과 산화아연)의 반응 생성물 역시 인간과 환경에 절대적으로 안전하며, 산화아연은 ​​베이비파우더의 주성분으로도 사용됩니다.

아연 공기 요소의 작동 특성 중 다음과 같은 장점에 주목할 가치가 있습니다. 느린 속도비활성 상태에서는 자체 방전이 발생하고 방전이 진행됨에 따라 전압 값의 작은 변화(평탄한 방전 곡선)가 발생합니다.

공기 아연 요소의 특정 단점은 들어오는 공기의 상대 습도가 요소의 특성에 미치는 영향입니다. 예를 들어, 상대 습도가 60%인 조건에서 작동하도록 설계된 아연 공기 전지의 경우 습도가 90%로 증가하면 서비스 수명이 약 15% 감소합니다.

배터리에서 배터리로

아연공기 전지를 구현하는 가장 쉬운 옵션은 일회용 배터리입니다. 아연 공기 요소를 만들 때 큰 사이즈및 전력(예: 발전소에 전력을 공급하기 위한 것) 차량) 아연 양극 카세트를 교체할 수 있습니다. 이 경우 에너지 비축량을 갱신하려면 사용한 전극이 있는 카세트를 제거하고 그 자리에 새 전극을 설치하면 충분합니다. 사용한 전극은 전문업체에서 전기화학적 방법을 이용하여 복원하여 재사용할 수 있습니다.

휴대용 PC 및 전자 장치에 사용하기에 적합한 소형 배터리에 대해 이야기하면 배터리 크기가 작기 때문에 교체 가능한 아연 양극 카세트 옵션을 실제로 구현하는 것이 불가능합니다. 이것이 현재 시중에 나와 있는 대부분의 소형 아연 공기 전지가 일회용인 이유입니다. 일회용 소형 아연공기전지는 듀라셀, 에버레디, 바르타, 마츠시타, GP 등 국내 기업 에네르기아에서 생산하고 있다. 이러한 전원의 주요 적용 분야는 보청기, 휴대용 라디오, 사진 장비 등입니다.

현재 많은 업체에서 일회용 아연공기전지를 생산하고 있습니다.

몇 년 전, AER은 노트북 컴퓨터용으로 설계된 Power Slice 아연 공기 배터리를 생산했습니다. 이 항목은 Hewlett-Packard의 Omnibook 600 및 Omnibook 800 시리즈 노트북용으로 설계되었습니다. 배터리 수명은 8~12시간이었습니다.

원칙적으로 충전 가능한 아연-공기 전지(배터리)를 만들 수도 있습니다. 외부 소스양극에 전류가 흐르면 아연 환원 반응이 일어납니다. 그러나 이러한 프로젝트의 실제 구현은 아연의 화학적 특성으로 인한 심각한 문제로 인해 오랫동안 방해를 받아왔습니다. 산화아연은 ​​알칼리성 전해질에 잘 용해되며 용해된 형태로 양극에서 멀어지면서 전해질의 전체 부피에 분포됩니다. 이로 인해 외부 전류원에서 충전할 때 양극의 기하학적 구조가 크게 변경됩니다. 산화아연에서 회수된 아연은 긴 스파이크 모양의 리본 결정(수상돌기) 형태로 양극 표면에 증착됩니다. 수상돌기는 분리막을 관통하여 배터리 내부에 단락을 일으킵니다.

이 문제는 전력을 증가시키기 위해 아연-공기 전지의 양극이 분쇄된 분말 아연으로 만들어지기 때문에 더욱 악화됩니다(이로 인해 전극 표면적이 크게 증가합니다). 따라서, 충방전 횟수가 증가할수록 양극의 표면적이 점차 감소하여 전지 성능에 부정적인 영향을 미치게 된다.

현재까지 Zinc Matrix Power(ZMP)는 소형 아연공기 배터리 제조 분야에서 가장 큰 성공을 거두었습니다. ZMP 전문가들이 개발한 독특한 기술배터리 충전 중에 발생하는 주요 문제를 해결하는 아연 매트릭스. 이 기술의 핵심은 수산화물 이온의 방해받지 않는 침투를 보장하는 동시에 전해질에 용해되는 산화아연의 움직임을 차단하는 폴리머 바인더를 사용하는 것입니다. 이 솔루션을 사용하면 최소 100회 충방전 주기 동안 양극의 모양과 표면적에 눈에 띄는 변화를 방지할 수 있습니다.

아연공기 배터리의 장점은 긴 작동 시간과 높은 비에너지 강도로, 이는 최고의 리튬 이온 배터리보다 최소 2배 이상 높습니다. 아연공기 배터리의 비에너지 강도는 중량 1kg당 240Wh에 달합니다. 최대 전력 5000W/kg.

ZMP 개발자에 따르면 오늘날 약 20Wh의 에너지 용량을 갖춘 휴대용 전자 장치(휴대폰, 디지털 플레이어 등)용 아연공기 배터리를 만드는 것이 가능합니다. 이러한 전원 공급 장치의 가능한 최소 두께는 3mm에 불과합니다. 노트북용 아연공기 배터리의 실험적 프로토타입은 100~200Wh의 에너지 용량을 갖습니다.

Zinc Matrix Power 전문가가 제작한 아연공기 배터리 프로토타입

아연공기 배터리의 또 다른 중요한 장점은 소위 메모리 효과가 전혀 없다는 것입니다. 다른 유형의 배터리와 달리 아연공기 전지는 에너지 용량을 저하시키지 않고 어떤 충전 수준에서도 재충전할 수 있습니다. 또한 리튬 배터리와 달리 아연공기 배터리는 훨씬 더 안전합니다.

결론적으로, 아연-공기 전지 상용화의 길에서 상징적인 출발점이 된 중요한 사건을 언급하지 않는 것은 불가능합니다. 작년 6월 9일 Zinc Matrix Power는 Intel과 전략적 계약을 체결했다고 공식 발표했습니다. 법인. 이번 계약 조건에 따라 ZMP와 인텔은 휴대용 PC를 위한 새로운 배터리 기술을 개발하기 위해 힘을 합칠 것입니다. 이 작업의 주요 목표 중 하나는 노트북의 배터리 수명을 10시간으로 늘리는 것입니다. 현재 계획에 따르면 아연공기 배터리를 탑재한 첫 번째 노트북 모델은 2006년에 출시될 예정이다.

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전기화학적 에너지 저장 기술은 빠르게 발전하고 있다. NantEnergy 회사는 저렴한 아연공기 에너지 저장 배터리를 제공합니다.

캘리포니아 억만장자 패트릭 순시옹(Patrick Soon-Shiong)이 이끄는 NantEnergy는 리튬이온 배터리보다 가격이 훨씬 저렴한 아연공기 에너지 배터리(Zinc-Air Battery)를 출시했습니다.

아연-공기 에너지 축적기

수백 개의 특허로 보호되는 이 배터리는 유틸리티 산업의 에너지 저장 시스템에 사용하도록 고안되었습니다. NantEnergy에 따르면 그 비용은 킬로와트시당 100달러 미만입니다.

아연공기전지의 디자인은 간단하다. 충전 시 전기는 산화아연을 아연과 산소로 변환합니다. 전지의 방전 단계에서 아연은 공기에 의해 산화됩니다. 플라스틱 케이스에 들어있는 배터리 1개는 서류가방보다 크기가 그리 크지 않습니다.

아연은 희귀금속이 아니며, 자원의 한계와 관련하여 논의됩니다. 리튬 이온 배터리, 아연공기 배터리는 영향을 받지 않습니다. 또한 후자는 환경에 유해한 요소를 거의 포함하지 않으며 아연은 2차 용도로 매우 쉽게 재활용됩니다.

NantEnergy 장치는 프로토타입이 아니지만, 생산 모델, 지난 6년 동안 "수천 개의 다른 장소에서" 테스트되었습니다. 이 배터리는 "아시아와 아프리카의 20만 명 이상의 사람들에게 에너지를 공급했으며 1,000개 이상의 타워에서 사용되었습니다. 셀룰러 통신세계적인".

이러한 저비용 에너지 저장 시스템은 “변혁”을 가져올 것입니다. 전기 네트워크 24/7 완전 무탄소 시스템으로 전환합니다. 즉, 전적으로 재생 가능 에너지원을 기반으로 합니다.

아연공기 배터리는 새로운 것이 아니며 19세기에 발명되었으며 지난 세기 30년대부터 널리 사용되었습니다. 이러한 전원의 주요 적용 분야는 보청기, 휴대용 라디오, 사진 장비입니다. 아연의 화학적 특성으로 인해 발생하는 특정 과학적, 기술적 문제는 충전식 배터리의 생성이었습니다. 분명히 이 문제는 이제 대부분 극복되었습니다. NantEnergy는 배터리가 성능 저하 없이 1000회 이상 충전 및 방전 주기를 반복할 수 있다는 것을 달성했습니다.

회사가 명시한 다른 매개변수 중에는 72시간의 자율성과 20년의 시스템 서비스 수명이 있습니다.

물론, 명확히 해야 할 사이클 수와 기타 특성에 관한 질문이 있습니다. 그러나 일부 에너지 저장 전문가들은 이 기술을 믿습니다. 지난해 12월 실시된 GTM 조사에서 응답자의 8%는 에너지 저장 시스템에서 리튬이온을 대체할 수 있는 기술로 아연 배터리를 꼽았다.

앞서 일론 머스크 테슬라 최고경영자(CEO)는 올해 자신의 회사에서 생산하는 리튬이온 셀(셀) 가격이 kWh당 100달러 이하로 떨어질 수 있다고 보고한 바 있다.

우리는 저렴한 에너지 저장 기술의 부족으로 인해 다양한 재생 에너지원인 태양광 및 풍력 에너지의 확산이 둔화되고 있다는 이야기를 자주 듣습니다.

물론 이는 사실이 아닙니다. 에너지 저장 장치는 전력 시스템의 민첩성(유연성)을 높이는 도구 중 하나일 뿐이고 유일한 도구는 아니기 때문입니다. 또한, 보시다시피 전기화학적 에너지 저장 기술은 빠른 속도로 발전하고 있습니다. 출판됨

이 주제에 대해 질문이 있으면 우리 프로젝트의 전문가와 독자에게 문의하세요.

신제품은 에너지 집약도에서 리튬이온 배터리를 3배 초과하는 동시에 비용은 절반으로 줄일 것을 약속합니다.

이제 아연공기 배터리는 일회용 셀 형태로만 생산되거나 수동으로, 즉 카트리지를 교체하여 "충전식"으로 생산됩니다. 그런데 이러한 유형의 배터리는 휘발성 물질이 포함되어 있지 않아 발화할 수 없기 때문에 리튬 이온 배터리보다 안전합니다.

충전식 옵션(즉, 배터리)을 만드는 데 가장 큰 장애물은 장치의 급격한 성능 저하입니다. 전해질이 비활성화되고 산화 환원 반응이 느려지고 몇 번의 재충전 주기 후에 완전히 중지됩니다.

왜 이런 일이 발생하는지 이해하려면 먼저 아연 공기 전지의 작동 원리를 설명해야 합니다. 배터리는 공기 및 아연 전극과 전해질로 구성됩니다. 방전 중에 외부에서 들어오는 공기는 촉매의 도움으로 전해질 수용액에서 수산기 이온(OH-)을 형성합니다.

아연 전극을 산화시킵니다. 이 반응 중에 전자가 방출되어 전류가 형성됩니다. 배터리를 충전하는 동안 프로세스가 계속됩니다. 반대쪽: 공기극에서 산소가 생성됩니다.

기존에는 이차전지 작동 시 전해질 수용액이 단순히 건조되거나 공기극의 기공 속으로 너무 깊게 침투하는 경우가 많았다. 또한, 석출된 아연이 불균일하게 분포되어 가지형 구조를 형성하여 전극 사이에 단락이 발생하는 현상도 발생하였다.

신제품에는 이러한 단점이 없습니다. 특수 겔화제 및 수렴성 첨가제는 아연 전극의 수분과 모양을 제어합니다. 또한 과학자들은 요소의 성능을 크게 향상시키는 새로운 촉매를 제안했습니다.

지금까지 프로토타입의 최고 성능은 수백 번의 재충전 주기를 초과하지 않았습니다(사진: ReVolt).

ReVolt의 최고 경영자인 James McDougall은 첫 번째 제품은 현재 프로토타입과 달리 최대 200회까지 재충전할 수 있으며 곧 300~500사이클에 도달할 수 있을 것이라고 믿습니다. 이 표시기를 사용하면 요소를 다음과 같이 사용할 수 있습니다. 휴대폰아니면 노트북.


원기 새 배터리노르웨이 연구 재단 SINTEF가 개발했으며 ReVolt는 해당 제품을 상용화하고 있습니다(그림: ReVolt).

ReVolt는 전기 자동차용 아연공기 배터리도 개발하고 있습니다. 이러한 제품은 연료전지와 유사합니다. 그 안의 아연 현탁액은 액체 전극의 역할을 하는 반면, 공기 전극은 튜브 시스템으로 구성됩니다.

현탁액을 튜브를 통해 펌핑하면 전기가 생성됩니다. 생성된 산화아연은 ​​다른 구획에 저장됩니다. 재충전되면 동일한 경로를 따라 계속되고 산화물은 다시 아연으로 변합니다.

이러한 배터리는 액체 전극의 부피가 공기 전극의 부피보다 훨씬 클 수 있기 때문에 더 많은 전기를 생산할 수 있습니다. McDougall은 이러한 유형의 전지가 2,000회에서 10,000회까지 재충전할 수 있을 것이라고 믿습니다.

아연공기 배터리는 이전 배터리보다 훨씬 더 안정적입니다. 누출이 없습니다. 즉, 갑자기 배터리 성능이 저하되더라도 보청기가 손상되지는 않습니다. 그러나 새로운 아연공기 배터리는 매우 안정적이며 조기에 작동이 중단되는 경우가 거의 없습니다. 그러나 그들은 또한 자신의 특성을 가지고 있습니다.

보청기 배터리를 교체할 필요가 없다면 배터리 포장을 제거하지 마세요. 사용하기 전에 이러한 배터리는 공기 침투를 방지하는 특수 필름으로 밀봉되어 있습니다. 필름이 제거되면 음극(산소)과 양극(아연 분말)이 반응합니다. 기억해야 할 점은 필름을 제거하면 장치에 장착했는지 여부에 관계없이 배터리가 충전되지 않는다는 것입니다.

아연공기 배터리는 이전 배터리에 비해 상당한 장점을 지닌 차세대 배터리입니다. 의심할 여지 없이 용량이 크기 때문에 에너지 효율성과 내구성이 훨씬 더 뛰어납니다. 배터리 음극은 다른 배터리처럼 은이나 산화수은이 아니라 공기에서 얻은 산소입니다. 음극과 양극 사이의 상호 작용은 배터리의 전체 작동 수명 동안 균일하게 발생합니다. 보청기는 약해진 배터리로 인해 지속적으로 재구성하거나 볼륨을 변경할 필요가 없습니다. 분말 아연은 양극으로 사용되며 이전 세대 배터리의 양극보다 훨씬 더 많은 양이 포함되어 있어 에너지 강도가 보장됩니다.

이러한 특징적인 "증상"으로 배터리 부족을 알 수 있습니다. 보청기를 켠 후 몇 분 후에 갑자기 조용해집니다. 이는 배터리 교체 시기가 되었음을 알리는 신호입니다.

  1. 배터리는 끝까지 사용한 후 즉시 교체하는 것이 좋습니다. 사용한 배터리를 보관하면 안 됩니다.
  2. 배터리는 보청기 설명에 명시된 크기에 따라 선택해야 합니다.
  3. 배터리를 금속 물체로부터 멀리 두십시오! 금속은 접점 폐쇄를 유발하여 제품이 손상될 수 있습니다.
  4. 특수 보호 가방에 넣어 여분의 배터리를 휴대하는 것이 좋습니다.
  5. 배터리를 설치할 때 "플러스" 쪽이 어디에 있는지 확인하는 것이 매우 중요합니다(더 볼록하고 공기 구멍이 있음).
  6. 삽입 새 배터리, 떼어낸 후 몇 분 정도 기다리십시오. 보호 필름: 활성물질은 가능한 한 산소로 포화되어야 합니다. 이는 전체 배터리 수명을 위해 필요합니다. 서두르면 양극 표면만 산소로 포화되어 배터리가 조기에 소모됩니다.
  7. 보청기를 사용하지 않을 때에는 보청기를 끄고 배터리를 제거해야 합니다.

8. 배터리는 특수 용기에 담아 실온에서 어린이의 손이 닿지 않는 곳에 보관해야 합니다.




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