Zink luftbatteri. Zink luftbatterier. Används i hörapparater. Fördelar med hörapparatbatterier

Frisläppandet av kompakta zink-luftbatterier på massmarknaden kan avsevärt förändra situationen i marknadssegmentet av små autonoma nätaggregat för bärbara datorer och digitala enheter.

Energiproblem

och på senare år har flottan av bärbara datorer och olika digitala enheter ökat avsevärt, varav många först nyligen har dykt upp på marknaden. Denna process har accelererat märkbart på grund av den ökade populariteten mobiltelefoner. I sin tur den snabba tillväxten av antalet bärbara elektroniska apparater orsakat en allvarlig ökning av efterfrågan på autonoma elkällor, särskilt för olika sorter batterier och ackumulatorer.

Men behovet av att ge en enorm mängd bärbara enheter näringsämnen är bara en sida av problemet. Allteftersom bärbara elektroniska enheter utvecklas, ökar tätheten hos elementen och kraften hos de mikroprocessorer som används i dem på bara tre år, klockfrekvensen för de använda PDA-processorerna har ökat med en storleksordning. Små monokroma skärmar ersätts av färgskärmar med hög upplösning och ökad skärmstorlek. Allt detta leder till en ökning av energiförbrukningen. Dessutom finns det en tydlig trend mot ytterligare miniatyrisering inom området bärbar elektronik. Med hänsyn till dessa faktorer blir det ganska uppenbart att ökning av energiintensiteten, kraften, hållbarheten och tillförlitligheten hos de batterier som används är en av de viktigaste förutsättningarna för att säkerställa vidareutvecklingen av bärbara elektroniska enheter.

Problemet med förnybara autonoma kraftkällor är mycket akut inom segmentet bärbara datorer. Modern teknik låter dig skapa bärbara datorer som praktiskt taget inte är sämre i sin funktionalitet och prestanda än fullfjädrade. skrivbordssystem. Men bristen på tillräckligt effektiva autonoma strömkällor berövar bärbara datoranvändare en av de viktigaste fördelarna med denna typ av dator - mobilitet. En bra indikator för en modern bärbar dator utrustad med ett litiumjonbatteri är en batteritid på cirka 4 timmar 1, men för fullvärdigt arbete V mobila förhållanden detta är uppenbarligen inte tillräckligt (till exempel tar ett flyg från Moskva till Tokyo cirka 10 timmar och från Moskva till Los Angeles nästan 15 timmar).

Ett av alternativen för att lösa problemet med att öka tiden Batteri-liv bärbara datorer är ett skifte från de för närvarande vanliga nickel-metallhydrid- och litiumjonbatterierna till kemiska bränsleceller 2 . De mest lovande bränslecellerna ur tillämpningssynpunkt i bärbara elektroniska enheter och PC:er är bränsleceller med låga driftstemperaturer som PEM (Proton Exchange Membrane) och DMCF (Direct Methanol Fuel Cells). Bränslet som används för dessa element är vattenlösning metylalkohol (metanol) 3.

Men i detta skede skulle det vara för optimistiskt att beskriva framtiden för kemiska bränsleceller enbart i rosa toner. Faktum är att det finns minst två hinder för massdistribution av bränsleceller i bärbara elektroniska enheter. För det första är metanol ett ganska giftigt ämne, vilket innebär ökade krav på täthet och tillförlitlighet hos bränslepatroner. För det andra, för att säkerställa acceptabla hastigheter för kemiska reaktioner i bränsleceller med låga driftstemperaturer, är det nödvändigt att använda katalysatorer. För närvarande används katalysatorer gjorda av platina och dess legeringar i PEM- och DMCF-celler, men naturliga reserver av detta ämne är små och kostnaden är hög. Det är teoretiskt möjligt att ersätta platina med andra katalysatorer, men hittills har ingen av teamen som är engagerade i forskning i denna riktning lyckats hitta ett acceptabelt alternativ. Idag är det så kallade platinaproblemet kanske det allvarligaste hindret för den utbredda användningen av bränsleceller i bärbara datorer och elektroniska enheter.

1 Detta avser drifttiden från ett standardbatteri.

2 Mer information om bränsleceller finns att läsa i artikeln "Fuel cells: a year of hope", publicerad i nr 1’2005.

3 PEM-celler som arbetar på vätgas är utrustade med en inbyggd omvandlare för att producera väte från metanol.

Zink luftelement

Även om författarna till ett antal publikationer anser att zink-luftbatterier och -ackumulatorer är en av undertyperna av bränsleceller, är detta inte helt sant. Efter att ha blivit bekant med designen och driftprincipen för zink-luftelement, även i allmänna termer, kan vi dra en helt otvetydig slutsats att det är mer korrekt att betrakta dem som en separat klass av autonoma kraftkällor.

Zinkluftcellskonstruktionen inkluderar en katod och anod separerade av en alkalisk elektrolyt och mekaniska separatorer. En gasdiffusionselektrod (GDE) används som katod, vars vattengenomsläppliga membran tillåter syre att erhållas från atmosfärisk luft som cirkulerar genom den. "Bränsle" är zinkanoden, som oxideras i processen elementdrift, och oxidationsmedlet är syre som erhålls från atmosfärisk luft som kommer in genom "andningshålen".

Vid katoden sker en elektroreduktionsreaktion av syre, vars produkter är negativt laddade hydroxidjoner:

O 2 + 2H 2 O +4e 4OH – .

Hydroxidjoner rör sig i elektrolyten till zinkanoden, där zinkoxidationsreaktionen inträffar och frigör elektroner som återgår till katoden genom en extern krets:

Zn + 4OH – Zn(OH) 4 2– + 2e.

Zn(OH) 4 2– ZnO + 2OH – + H 2 O.

Det är ganska uppenbart att zink-luftceller inte faller under klassificeringen av kemiska bränsleceller: för det första använder de en förbrukningsbar elektrod (anod), och för det andra placeras bränslet initialt inuti cellen och tillförs inte under drift från utsidan.

Spänningen mellan elektroderna i en cell i en zink-luftcell är 1,45 V, vilket är mycket nära spänningen för alkaliska (alkaliska) batterier. Om det behövs, för att få mer högspänning strömförsörjning kan du kombinera flera seriekopplade celler till ett batteri.

Zink är ett ganska vanligt och billigt material, så när man använder massproduktion av zink-luftceller kommer tillverkare inte att uppleva problem med råvaror. Dessutom, även i det inledande skedet, kommer kostnaden för sådana strömförsörjningar att vara ganska konkurrenskraftiga.

Det är också viktigt att zinkluftelement är mycket miljövänliga produkter. Materialen som används för deras tillverkning förgiftar inte miljön och kan återanvändas efter återvinning. Reaktionsprodukterna av luftelement av zink (vatten och zinkoxid) är också absolut säkra för människor och miljön. zinkoxid används till och med som huvudkomponent i babypulver.

Bland de operativa egenskaperna hos zinkluftelement är det värt att notera sådana fördelar som låg hastighet självurladdning i oaktiverat tillstånd och en liten förändring av spänningsvärdet när urladdningen fortskrider (flat urladdningskurva).

En viss nackdel med zinkluftelement är inverkan av den relativa fuktigheten hos den inkommande luften på elementets egenskaper. Till exempel, för en zinkluftcell konstruerad för drift under förhållanden med relativ luftfuktighet på 60 %, när luftfuktigheten ökar till 90 %, minskar livslängden med cirka 15 %.

Från batterier till batterier

Det enklaste alternativet för zink-luftceller att implementera är engångsbatterier. När du skapar zinkluftelement stor storlek och kraft (till exempel avsedd att driva kraftverk Fordon) zinkanodkassetter kan göras utbytbara. I det här fallet, för att förnya energireserven, räcker det att ta bort kassetten med de använda elektroderna och installera en ny på sin plats. Använda elektroder kan återställas för återanvändning med den elektrokemiska metoden på specialiserade företag.

Om vi ​​talar om kompakta batterier som är lämpliga för användning i bärbara datorer och elektroniska enheter, är den praktiska implementeringen av alternativet med utbytbara zinkanodkassetter omöjligt på grund av batteriernas lilla storlek. Det är därför de flesta kompakta zinkluftceller som finns på marknaden är engångsceller. Små engångsbatterier av zink-luft tillverkas av Duracell, Eveready, Varta, Matsushita, GP, såväl som det inhemska företaget Energia. De huvudsakliga användningsområdena för sådana strömkällor är hörapparater, bärbara radioapparater, fotoutrustning etc.

För närvarande tillverkar många företag engångsbatterier av zinkluft

För några år sedan producerade AER Power Slice zinkluftbatterier avsedda för bärbara datorer. Dessa föremål designades för Hewlett-Packards bärbara datorer i Omnibook 600- och Omnibook 800-serien; deras batteritid varierade från 8 till 12 timmar.

I princip finns det också möjlighet att skapa uppladdningsbara zink-luftceller (batterier), i vilka, när de är anslutna, extern källa ström vid anoden kommer en zinkreduktionsreaktion att inträffa. Det praktiska genomförandet av sådana projekt har dock länge hindrats av allvarliga problem orsakade av zinks kemiska egenskaper. Zinkoxid löser sig väl i en alkalisk elektrolyt och i löst form fördelas den över hela elektrolytens volym, bort från anoden. På grund av detta, vid laddning från en extern strömkälla, ändras anodens geometri avsevärt: zinken som utvinns från zinkoxid avsätts på anodens yta i form av bandkristaller (dendriter), formade som långa spikar. Dendriterna tränger igenom separatorerna och orsakar en kortslutning inuti batteriet.

Detta problem förvärras av det faktum att för att öka effekten är anoderna i zink-luftceller gjorda av krossad pulveriserad zink (detta tillåter en betydande ökning av elektrodens yta). Allteftersom antalet laddnings-urladdningscykler ökar, kommer anodens yta gradvis att minska, vilket har en negativ inverkan på cellens prestanda.

Hittills har den största framgången inom området för att skapa kompakta zink-luftbatterier uppnåtts av Zinc Matrix Power (ZMP). ZMP-specialister har utvecklat unik teknik Zinc Matrix, som gjorde det möjligt att lösa de huvudsakliga problemen som uppstår under batteriladdning. Kärnan i denna teknik är användningen av ett polymerbindemedel, som säkerställer obehindrad penetration av hydroxidjoner, men samtidigt blockerar rörelsen av zinkoxid som löser sig i elektrolyten. Tack vare användningen av denna lösning är det möjligt att undvika märkbara förändringar i formen och ytarean på anoden under minst 100 laddnings-urladdningscykler.

Fördelarna med zink-luftbatterier är lång drifttid och hög specifik energiintensitet, minst dubbelt så stor som de bästa litiumjonbatterierna. Den specifika energiintensiteten för zink-luftbatterier når 240 Wh per 1 kg vikt, och maximal kraft 5000 W/kg.

Enligt ZMP-utvecklare är det idag möjligt att skapa zink-luftbatterier för bärbara elektroniska enheter (mobiltelefoner, digitala spelare etc.) med en energikapacitet på cirka 20 Wh. Minsta möjliga tjocklek på sådana nätaggregat är endast 3 mm. Experimentella prototyper av zink-luftbatterier för bärbara datorer har en energikapacitet på 100 till 200 Wh.

En prototyp av ett zink-luftbatteri skapat av Zinc Matrix Power-specialister

En annan viktig fördel med zink-luftbatterier är den fullständiga frånvaron av den så kallade minneseffekten. Till skillnad från andra typer av batterier kan zink-luftceller laddas vid vilken laddningsnivå som helst utan att kompromissa med deras energikapacitet. Dessutom, till skillnad från litiumbatterier, är zink-luftceller mycket säkrare.

Sammanfattningsvis är det omöjligt att inte nämna en viktig händelse, som blev en symbolisk startpunkt på vägen mot kommersialisering av zink-luftceller: den 9 juni förra året tillkännagav Zinc Matrix Power officiellt undertecknandet av ett strategiskt avtal med Intel Företag. Enligt villkoren i detta avtal kommer ZMP och Intel att gå samman för att utveckla ny batteriteknik för bärbara datorer. Bland huvudmålen med detta arbete är att öka batteritiden för bärbara datorer till 10 timmar. Enligt den nuvarande planen ska de första modellerna av bärbara datorer utrustade med zink-luftbatterier dyka upp till försäljning 2006.

Ge dig själv glädjen av vardagskommunikation

Det internationella företaget WIDEX har tillverkat och sålt hörapparater sedan 1956. Vi förbättrar ständigt enheter för att säkerställa optimal hörsel och komfort för våra kunder.

WIDEX-sortimentet av hörapparater inkluderar fem kategorier:

• PREMIE; FÖRETAG; BEKVÄMLIGHET; BUDGET; EKONOMI

Våra fördelar

Om du har svårt att höra, kontakta WIDEX hörcentral – vi hjälper dig att lösa problemet. Våra specialister kommer att välja enheter som bäst passar dina individuella behov. Med vår hjälp kommer du att återfå förmågan att höra en mängd olika ljud.

Snyggt utseende

Vårt utbud av hörapparater inkluderar en komplett laguppställningen enheter av moderna former och färger: miniatyr in-ear, elegant med en mottagare i örat, klassisk bakom-örat. Widex-enheter och tillbehör har fått internationella designpriser - RED DOT Design, Good Design, IF Design Award

Naturligt ljud från enheter

Widex-enheter gör ljud igenkännbara, talet förståeligt, brus icke-irriterande tack vare ett antal patenterade Widex-teknologier - Widex-förstärkningsformel, talförstärkare, tyst bakgrundsljudsdämpning, Inter Ear-komprimering, brett ingångsområde av ljud från 5dB till 113 dB, HD locator, TruSound Softner och andra teknologier.

Kvalitetssäkring

Vi arbetar enligt danska Wideх standarder. Det finns en komplett uppsättning internationella och ryska tillstånd, de bekräftar enheternas tillförlitlighet och säkerhet. Vi övervakar regelbundet kvalitet och användarnöjdhet.

All inclusive pris

I kostnaden för hörapparater ingår alla nödvändiga konsultationer och underhåll under hörapparaternas livstid. En personlig specialist guidar användaren på kontoret, via telefon eller genom en onlinekonsultation på hemsidan.

Minsta tjänsteperioder

Garantiperioder Reparationer på ett certifierat Widex-servicecenter i Moskva tar 2–3 arbetsdagar. Vi levererar enheter till Moskva och tillbaka varje vecka på vårt företags bekostnad genom Widex regionala hörcentraler. Du kan övervaka statusen för servicearbetet.

Bekväm användning och stabil drift av enheterna

Individuella höljen för intrakanal- och in-ear-enheter och individuella öronsnäckor tillverkas med CAMISHA Widex 3D-teknik. De sitter bekvämt i användarens öron, eftersom de helt motsvarar intrycken av hörselgångarna. En tät passform och optimal storlek på produkterna säkerställer korrekt funktion av enhetssystemen och ett attraktivt utseende på enheten.

Elektrokemisk energilagringsteknik går snabbt framåt. NantEnergy-företaget erbjuder ett lågprisbatteri för energilagring av zink-luft.

NantEnergy, ledd av den kaliforniske miljardären Patrick Soon-Shiong, har introducerat ett zink-luft-energibatteri (Zinc-Air Battery), vars kostnad är betydligt lägre än dess motsvarigheter med litiumjoner.

Zink-luft energiackumulator

Batteriet, "skyddat av hundratals patent", är avsett för användning i energilagringssystem inom allmännyttiga industrier. Enligt NantEnergy är dess kostnad mindre än hundra dollar per kilowattimme.

Utformningen av ett zink-luftbatteri är enkel. Vid laddning omvandlar el zinkoxid till zink och syre. Under urladdningsfasen i cellen oxideras zink av luft. Ett batteri, inneslutet i ett plastfodral, är inte mycket större i storlek än en portfölj.

Zink är inte en sällsynt metall, och resursbegränsningar diskuteras i samband med litiumjonbatterier, zink-luft-batterier påverkas inte. Dessutom innehåller de senare praktiskt taget inga miljöskadliga element, och zink återvinns mycket lätt för sekundär användning.

Det är viktigt att notera att NantEnergy-enheten inte är en prototyp, men produktionsmodell, som har testats under de senaste sex åren "på tusentals olika platser." Dessa batterier gav energi till "mer än 200 tusen människor i Asien och Afrika och användes i mer än 1 000 torn cellulär kommunikationÖver hela världen".

Ett sådant lågkostnadssystem för energilagring kommer att göra det möjligt att ”omvandla elektriska nätverk till ett 24/7, helt kolfritt system”, det vill säga helt baserat på förnybara energikällor.

Zink-luftbatterier är inte nya de uppfanns redan på 1800-talet och har använts flitigt sedan 30-talet av förra seklet. De huvudsakliga användningsområdena för dessa kraftkällor är hörapparater, bärbara radioapparater, fotografisk utrustning... Ett visst vetenskapligt och tekniskt problem orsakat av zinks kemiska egenskaper var skapandet av laddningsbara batterier. Tydligen har detta problem nu till stor del övervunnits. NantEnergy har uppnått att batteriet kan upprepa laddnings- och urladdningscykeln mer än 1000 gånger utan försämring.

Bland andra parametrar som anges av företaget: 72 timmars autonomi och en 20-årig livslängd för systemet.

Naturligtvis finns det frågor angående antalet cykler och andra egenskaper som behöver klargöras. Vissa energilagringsexperter tror dock på tekniken. I en GTM-undersökning som genomfördes i december förra året pekade åtta procent av de tillfrågade på zinkbatterier som en teknik som kan ersätta litiumjon i energilagringssystem.

Tidigare rapporterade Teslas chef, Elon Musk, att kostnaden för litiumjonceller (celler) som produceras av hans företag kan falla under 100 USD/kWh i år.

Vi hör ofta att spridningen av variabla förnybara energikällor, sol- och vindenergi, antas sakta ner (kommer att sakta ner) på grund av bristen på billiga energilagringstekniker.

Detta är naturligtvis inte fallet, eftersom energilagringsenheter bara är ett av verktygen för att öka smidigheten (flexibiliteten) i kraftsystemet, men inte det enda verktyget. Dessutom, som vi ser, utvecklas elektrokemisk energilagringsteknik i snabb takt. publiceras

Om du har några frågor om detta ämne, ställ dem till experterna och läsarna av vårt projekt.

Den nya produkten lovar att överträffa litiumjonbatterier i energiintensitet med tre gånger och samtidigt kosta hälften så mycket.

Observera att nu tillverkas zink-luftbatterier endast i form av engångsceller eller "uppladdningsbara" manuellt, det vill säga genom att byta patronen. Förresten, denna typ av batteri är säkrare än litiumjonbatterier, eftersom det inte innehåller flyktiga ämnen och därför inte kan antändas.

Det främsta hindret för skapandet av laddningsbara alternativ - det vill säga batterier - är den snabba nedbrytningen av enheten: elektrolyten avaktiveras, saktar ner och slutar helt efter bara några laddningscykler.

För att förstå varför detta händer måste vi först beskriva funktionsprincipen för zinkluftceller. Batteriet består av luft- och zinkelektroder samt elektrolyt. Under urladdning bildar luft som kommer utifrån, med hjälp av katalysatorer, hydroxyljoner (OH -) i den vattenhaltiga elektrolytlösningen.

De oxiderar zinkelektroden. Under denna reaktion frigörs elektroner och bildar en ström. Under laddning av batteriet fortsätter processen baksidan: Syre produceras vid luftelektroden.

Tidigare, under driften av ett uppladdningsbart batteri, torkade den vattenhaltiga elektrolytlösningen ofta helt enkelt ut eller trängde för djupt in i luftelektrodens porer. Dessutom fördelades den avsatta zinken ojämnt och bildade en grenad struktur, vilket gjorde att kortslutningar uppstod mellan elektroderna.

Den nya produkten är fri från dessa brister. Speciella gelande och sammandragande tillsatser styr fukten och formen på zinkelektroden. Dessutom har forskare föreslagit nya katalysatorer, som också avsevärt förbättrade elementens prestanda.

Hittills överstiger inte den bästa prestandan hos prototyper hundratals laddningscykler (foto av ReVolt).

ReVolts vd James McDougall tror att de första produkterna, till skillnad från nuvarande prototyper, kommer att laddas upp till 200 gånger och snart kommer att kunna nå 300-500 cykler. Denna indikator gör att elementet kan användas, till exempel i mobiltelefoner eller bärbara datorer.

Prototyp nytt batteri utvecklades av den norska forskningsstiftelsen SINTEF och ReVolt kommersialiserar produkten (illustration av ReVolt).

ReVolt utvecklar även zink-luftbatterier för elfordon. Sådana produkter liknar bränsleceller. Zinksuspensionen i dem spelar rollen som en flytande elektrod, medan luftelektroden består av ett system av rör.

Elektricitet genereras genom att suspensionen pumpas genom rören. Den resulterande zinkoxiden lagras sedan i ett annat fack. När den laddas om fortsätter den längs samma väg, och oxiden förvandlas tillbaka till zink.

Sådana batterier kan producera mer elektricitet, eftersom volymen av vätskeelektroden kan vara mycket större än volymen av luftelektroden. McDougall tror att den här typen av celler kommer att kunna laddas mellan två och tio tusen gånger.

Zink-luftbatterier är mycket mer pålitliga än sina föregångare: de läcker inte. Det betyder att ett plötsligt försämrat batteri inte skadar din hörapparat. Nya zink-luftbatterier är dock ganska pålitliga och slutar sällan att fungera i förtid. Men de har också sina egna egenskaper.

Om du inte behöver byta batterierna i din hörapparat bör du inte ta bort förpackningen från batteriet. Före användning är ett sådant batteri förseglat med en speciell film som förhindrar inträngning av luft. När filmen väl har tagits bort reagerar katoden (syre) och anoden (zinkpulver). Detta bör komma ihåg: om du tar bort filmen tappar batteriet laddning, oavsett om det placerades i enheten eller inte.

Zink-luftbatterier är en ny generation batterier som har stora fördelar jämfört med sina föregångare. Utan tvekan är de mycket mer energieffektiva och hållbara på grund av sin större kapacitet. Batterikatoden är inte silver- eller kvicksilveroxid, som i andra batterier, utan syre som erhålls från luften. Interaktionen mellan katoden och anoden sker jämnt under hela batteriets livslängd. Hörapparaten kommer inte att behöva konfigureras om hela tiden och volymen ändras på grund av ett försvagat batteri. Zinkpulver används som en anod, som finns i mycket större mängder än anoden i batterier från föregående generation - detta säkerställer dess energiintensitet.

Du kan märka ett lågt batteri genom detta karakteristiska "symtom": några minuter efter att hörapparaten slagits på blir hörapparaten plötsligt tyst. Detta är en signal om att det är dags att byta batterier.

1. Det rekommenderas att använda batteriet till slutet och sedan byta det omedelbart. Du bör inte förvara använda batterier.
2. Batterier bör väljas enligt den storlek som anges i beskrivningen av hörapparaten.
3. Håll batterier borta från metallföremål! Metall framkallar kontaktförslutning, vilket leder till skada på produkten.
4. Det är lämpligt att ha med sig ett reservbatteri, placerat i en speciell skyddsväska.
5. När du installerar ett batteri är det mycket viktigt att bestämma var dess "plus" sida är (det är mer konvext och har hål för luft).
6. Infogar nytt batteri, vänta några minuter efter att du har rivit av skyddsfilm: den aktiva substansen måste vara mättad med syre så mycket som möjligt. Detta är nödvändigt för full batteritid. Om du rusar kommer anoden att bli mättad med syre endast på ytan, och batteriet tar slut i förtid.
7. När du inte använder din hörapparat ska den stängas av och batterierna tas ur.

8.Batterier ska förvaras i speciella blister, i rumstemperatur och utom räckhåll för barn.