Электрохимические технологии хранения энергии быстро развиваются. Компания NantEnergy предлагает бюджетный цинково-воздушный аккумулятор энергии.
Компания NantEnergy, возглавляемая калифорнийским миллиардером Патриком Сун-Шионгом (Patrick Soon-Shiong), представила цинково-воздушный аккумулятор энергии (Zinc-Air Battery), стоимость которого существенно ниже литий-ионных аналогов.
Батарея, «защищённая сотней патентов», предназначена для использования в системах хранения энергии в энергетике. По утверждению NantEnergy, её стоимость ниже ста долларов за киловатт-час.
Устройство цинково-воздушной батареи отличается простотой. При зарядке электричество преобразует оксид цинка в цинк и кислород. В фазе разряда в ячейке цинк окисляется воздухом. Одна батарея, заключённая в пластиковый корпус, по размерам ненамного больше, чем портфель для бумаг.
Цинк не является редким металлом, и проблемы ограниченности ресурсов, обсуждаемые в связи с литий-ионными аккумуляторами, цинк-воздушные батареи не затрагивают. Кроме того, последние практически не содержат вредных для окружающей среды элементов, и цинк очень легко перерабатывается для вторичного использования.
Важно отметить, что устройство NantEnergy - это не прототип, а серийная модель, которая испытывалась в течение последних шести лет «в тысячах разных мест». Эти батареи обеспечивали энергией «более 200 тысяч жителей Азии и Африки и использовались в более чем 1000 башен сотовой связи по всему миру».
Столь низкая стоимость системы хранения энергии позволит «превратить электрическую сеть в работающую круглосуточно полностью безуглеродную систему», то есть основанную полностью на возобновляемых источниках энергии.
Цинк-воздушные батареи - это не новинка, они изобретены еще в XIX веке и широко применяются с 30-х годов прошлого века. Основная сфера применения этих источников питания - слуховые аппараты, портативные радиостанции, фототехника… Определенной научно-технической проблемой, обусловленной химическими свойствами цинка, являлось создание перезаряжаемых аккумуляторов. Судя по всему, данная проблема сегодня в значительной степени преодолены. NantEnergy достигла того, что батарея может повторять цикл заряда и разряда более 1000 раз без ухудшения характеристик.
В числе прочих параметров, указываемых компанией: 72 часа автономии и 20-летний срок службы системы.
К количеству циклов и прочим характеристикам, конечно, есть вопросы, которые надо уточнять. Впрочем, некоторые эксперты в области накопителей энергии верят в технологию. По результатам опроса GTM, проведённого в декабре прошлого года, восемь процентов респондентов указали на цинковые батареи, как на технологию, способную заменить литий-ион в системах хранения энергии.
Ранее, глава Tesla, Илон Маск сообщал, что стоимость литий-ионных элементов (cells), выпускаемых его компанией, может упасть ниже $100/кВт*ч в текущем году.
Часто приходится слышать, что распространение вариабельных ВИЭ, солнечной и ветровой энергетики, якобы тормозится (будет тормозиться) по причине отсутствия дешевых технологий хранения энергии.
Это, разумеется, не так, поскольку накопители энергии - лишь один из инструментов повышения маневренности (гибкости) энергосистемы, но не единственный инструмент. К тому же, как мы видим, электрохимические технологии хранения энергии развиваются высокими темпами. опубликовано
Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта .
Долгое время область применения воздушно-цинковых элементов питания
не выходила за рамки медицины. Высокая емкость и длительный срок службы (в неактивном состоянии) позволили им беспрепятственно занять нишу одноразовых батареек для слуховых аппаратов. Но в последние годы наблюдается большой рост интереса к этой технологии у автопроизводителей. Некоторые считают, что нашлась альтернативу литию. Так ли это?
Воздушно-цинковая батарея для электромобиля может быть устроена следующим образом: в разделенную на отсеки емкость вставлены электроды, на которых адсорбируется и восстанавливается кислород воздуха, а также специальные съемные кассеты, заполненные расходным материалом анода, в данном случае гранулами цинка. Между отрицательными и положительными электродами прокладывается сепаратор. В качестве электролита может использоваться водный раствор гидроксида калия, либо раствор хлорида цинка.
Поступающий извне воздух с помощью катализаторов образует в водном растворе электролита гидроксильные ионы, которые окисляют цинковый электрод. В ходе данной реакции высвобождаются электроны, образующие электрический ток.
Мировые запасы цинка по некоторым оценкам составляют примерно 1.9 гигатонн. Если начать мировое производство металлического цинка сейчас, то уже через пару лет можно будет обеспечить сборку миллиарда воздушно-цинковых аккумуляторов емкостью 10 кВт*ч каждый. К примеру, для создания такого же количества при нынешних условиях добычи лития потребуется более 180 лет. Доступность цинка позволит еще и снизить цену на аккумуляторные батареи.
Очень важно и то, что воздушно-цинковые элементы, имея прозрачную схему рециклирования отработанного цинка, являются экологически чистыми изделиями. Используемые здесь материалы не отравляют окружающую среду и могут быть отработанны вторично. Продукт реакции воздушно-цинковых элементов питания (оксид цинка) также абсолютно безопасен для человека и его среды обитания. Не зря оксид цинка применяется в качестве основного компонента для детской присыпки.
Главным же преимуществом, благодаря которому электромобилестроители смотрят на эту технологию с надеждой, является высокая плотность энергии (в 2-3 раза выше, чем у li-ion). Уже сейчас энергоемкость Zinc-Air достигает 450 Вт*ч/кг, но теоретическая плотность может составлять 1350 Вт*ч/кг!
Раз мы не ездим на электромобилях с воздушно-цинковыми батареями, значит, есть и недостатки. Во-первых, такие элементы сложно сделать перезаряжаемыми с достаточным количеством циклов разряда/заряда. В ходе работы воздушно-цинковой батареи электролит попросту высыхает, либо проникает слишком глубоко в поры воздушного электрода. А поскольку осаждающийся цинк распределяется неравномерно, образуя разветвленную структуру, между электродами нередко происходят короткие замыкания.
Ученые пытаются найти выход. Американская компания ZAI решила эту проблему простой заменой электролита и добавлением свежих картриджей с цинком. Естественно, для этого потребуется развитая инфраструктура заправочных станций, на которых будет происходить смена окисленного активного материала в анодной кассете на свежий цинк.
И хотя экономическая составляющая проекта пока не проработана, производители утверждают, что стоимость такой «зарядки» будет существенно ниже заправки машины с ДВС. Кроме того, процесс смены активного материала потребует не более 10 минут. Даже сверхбыстрые за это же время смогут восполнить только 50% своего потенциала. В прошлом году корейская компания Leo Motors уже продемонстрировала воздушно-цинковые батареи ZAI на своем электрическом грузовике.
Работает над усовершенствованием Zinc-Air батареи и технологическая фирма из Швейцарии ReVolt. Она предложила специальные гелеобразующие и вяжущие добавки, контролирующие влажность и форму цинкового электрода, а также новые катализаторы, которые существенно улучшают работу элементов.
Все же инженерам обеих компаний так и не удалось преодолеть рубеж в 200 циклов разряда/заряда Zinc-Air. Поэтому говорить о воздушно-цинковых элементах, как об электромобильных батареях, пока рано.
Технология батареек значительно усовершенство-валась за последние 10 лет, увеличивая ценность слуховых аппаратов и улучшая их характеристики. С тех пор, как на рынке СА господство завоевал цифровой процессор, индустрия батареек буквально рванулась вперед.День ото дня растет количество людей, использующих в качестве источника питания для слуховых аппаратов воздушно-цинковые батарейки. Эти элементы питания экологически безопасны и, благодаря повышенной емкости, служат значительно дольше, чем другие виды батареек. Однако точный срок службы используемого элемента назвать сложно, он зависит от многих факторов. В определенные моменты у пользователей возникают вопросы и нарекания. <Радуга Звуков> постарается дать исчерпывающий ответ на очень важный вопрос: так от чего же зависит срок службы батарейки?
ДОСТОИНСТВА...
В течение долгих лет основным источником энергии для слуховых аппаратов служили ртутно-окисные батарейки. Однако в середине 90-х гг. стало ясно, что они окончательно устарели. Во-первых, они содержали ртуть - крайне вредное вещество. Во-вторых, возникли и начали бурно завоевывать рынок цифровые СА, предъявляющие принципиально иные требования к характеристикам элементов питания.
На смену ртутно-окисной пришла воздушно-цинковая технология. Она уникальна тем, что в качестве одного из компонентов (катода) химического элемента питания используется кислород окружающего воздуха, который поступает через специальные отверстия. Благодаря удалению из корпуса батарейки оксида ртути или серебра, которые до сих пор служили в качестве катода, в нем освободилось больше пространства для цинкового порошка. Поэтому воздушно-цинковая батарейка является более энергоемкой, если сравнивать между собой разные типы батареек одинакового объема. Благодаря этому остроумному решению воздушно-цинковая батарейка будет оставаться вне конкуренции до тех пор, пока ее емкость будет ограничиваться крохотным объемом современных миниатюрных СА.
На плюсовой стороне батарейки имеется одно или несколько отверстий (в зависимости от ее величины), в которые поступает воздух. Химическая реакция, в ходе которой генерируется ток, протекает довольно быстро и полностью завершается в течение двух-трех месяцев, даже без нагрузки на батарейку. Поэтому в процессе изготовления эти отверстия закрывают защитной пленкой.
Для подготовки к работе необходимо удалить наклейку и дать время активному веществу насытиться кислородом (от 3 до 5 минут). Если начать эксплуатацию батарейки сразу после вскрытия, то активация произойдет только в поверхностном слое вещества, что существенно скажется на сроке службы.
Важную роль играет размер батарейки. Чем он больше, тем больше в ней запасов активного вещества, а, значит, и больше накопленной энергии. Поэтому самой большой емкостью обладает батарейка 675 типоразмера, а самой маленькой - 5 типоразмера. Емкость батареек зависит и от фирмы-производителя. Например, для батареек 675 типоразмера она может варьироваться от 440 мАч до 460 мАч.
И ОСОБЕННОСТИ
Во-первых, напряжение, поставляемое батарейкой, зависит от времени ее работы, а точнее сказать, от степени ее разрядки. Новая воздушно-цинковая батарейка может давать напряжение до 1,4 В, но лишь на короткое время. Затем напряжение падает до 1,25 В, и держится продолжительное время. А под конец эксплуатации батарейки напряжение резко падает до величины менее 1 В.
Во-вторых, воздушно-цинковые батарейки функционируют тем лучше, чем теплее вокруг. При этом, конечно, не следует превышать максимальную температуру, установленную для данного вида батареек. Это относится ко всем батарейкам. Но особенность воздушно-цинковых батареек заключается в том, что их производительность зависит еще и от влажности воздуха. Протекающие в ней химические процессы зависят от наличия определенного количества влаги. Говоря проще: чем жарче и влажнее, тем лучше (это относится только к батарейкам для СА!). А то, что влажность отрицательно действует на другие компоненты слуховой системы - это уже другой вопрос.
В-третьих, внутреннее сопротивление батарейки зависит от ряда факторов: температура, влажность, время работы и технологии, используемой фирмой-производителем. Чем выше температура и влажность, тем меньше импеданс, что благотворно влияет на работу слуховой системы. У новой 675-й батарейки внутреннее сопротивление составляет 1-2 Ом. Однако в конце срока службы эта величина может возрасти до 10 Ом, а у 13-й батарейки - до 20 Ом. В зависимости от производителя, эта величина может значительно изменяться, что создает проблемы в случае, когда требуется максимальная мощность, записанная в техническом паспорте.
При превышении критической величины потребления тока конечная ступень или вся слуховая система отключается, чтобы батарейка могла восстановиться. Если после <дыхательной паузы> батарейка вновь начинает давать ток в количестве, достаточном для эксплуатации, СА снова включается. Во многих слуховых системах повторное включение сопровождается звуковым сигналом, тем же, который оповещает о падении напряжения в батарейке. То есть, в ситуации, когда СА отключается из-за высокого потребления тока, при его повторном включении звучит оповещающий сигнал, хотя батарейка может быть абсолютно новой. Эта ситуация обычно наблюдается в том случае, когда в слуховой аппарат поступает очень высокий входной УЗД, а сам аппарат настроен на полную мощность.
Факторы, влияющие на срок службы
Одна из основных задач, стоящих перед батарейками, это обеспечение постоянной подачи тока в течение всего срока службы батарейки.
В первую очередь срок службы батарейки определяется типом используемого СА. Как правило, аналоговые аппараты потребляют больший ток, чем цифровые, а мощные - больше, чем маломощные. Типичные значения потребляемого тока для аппаратов средней мощности составляют от 0.8 до 1.5 мА, а для мощных и сверхмощных аппаратов - от 2 до 8 мА.
Цифровые СА в целом проявляют большую экономичность, чем аналоговые СА той же мощности. Однако им присущ один недостаток - в момент переключения программ или автоматического срабатывания сложных функций обработки сигнала (подавление шумов, распознавание речи и пр.) эти аппараты потребляют существенно больший ток, чем в обычном режиме. Потребность в энергии может возрастать и снижаться в зависимости от того, какую функцию по обработке сигнала осуществляет в данный момент цифровая схема, и даже от того, требует ли коррекция потери слуха пациента разного усиления при разных входных УЗД.
Окружающая акустическая ситуация также сказывается на сроке службы батареек. В тихой обстановке уровень акустического сигнала обычно невысок - порядка 30-40 дБ. При этом сигнал, поступающий в СА, также невелик. В шумной обстановке, например в метро, электричке, на производстве или шумной улице уровень акустического сигнала может достигать 90 и более дБ (отбойный молоток - около 110 дБ). Это ведет к повышению уровня выходящего сигнала СА и, соответственно, повышенному току его потребления. При этом начинают сказываться и настройки аппарата - при большем усилении ток потребления также больше. Обычно окружающие шумы сосредоточены в низкочастотном диапазоне, поэтому при большем подавлении НЧ диапазона регулятором тембра ток потребления также снижается.
Ток потребления аппаратов средней мощности не слишком зависит от уровня входящего сигнала, но для мощных и сверхмощных СА разница достаточно велика. Например, при входящем сигнале интенсивностью 60 дБ (при которой и нормируется ток потребления СА) сила тока составляет 2-3 мА. При входящем сигнале 90 дБ (и тех же настройках СА) ток возрастает до 15-20 мА.
Методика оценки срока службы батарейки
Обычно срок службы батарейки оценивается с учетом ее номинальной емкости и расчетного тока потребления аппарата,указанного в технических данных (паспорте) на аппарат. Возьмем типичный случай: воздушно-цинковая батарейка 675 типоразмера типовой емкостью 460 мАч.
При использовании ее в аппарате средней мощности с током потребления 1.4мА теоретический срок службы составит 460/1.4=328 часов. При ношении аппарата в течение 10 часов в сутки это означает более месяца работы аппарата (328/10=32.8).
При питании мощного аппарата в тихой обстановке (ток потребления 2 мА) срок службы составит 230 часов, то есть, около трех недель при 10-часовом ношении. Но, если обстановка шумная, то ток потребления может достигать 15-20 мА (в зависимости от типа аппарата). В таком режиме срок службы составит 460/20=23 часа, т.е. менее 3 дней. Конечно, все 10 часов в такой обстановке никто не ходит, и реальный режим будет смешанным по току потребления. Так что данный пример просто иллюстрирует методику расчета, давая крайние значения срока службы. Обычно срок службы батареек в мощном аппарате располагается в диапазоне от двух до трех недель.
Применяйте элементы питания, предназначенные специально для слуховых аппаратов (имеющие маркировку или соответствующие надписи) известных производителей источников питания (GP, Renata, Energizer, Varta, Panasonic, Duracell Activair, Rayovac).
Не нарушайте защитную пленку батарейки (не вскрывайте) до момента установки в слуховой аппарат.
Храните батарейки в блистерах при комнатной температуре и нормальной влажности. Желание <сберечь> подольше батарейки в холодильнике может привести к прямо противоположному результату - СА с новой батарейкой вообще не заработает.
Перед установкой батарейки в аппарат выдержите ее без пленки 3-5 минут.
Выключайте СА, когда им не пользуетесь. На ночь вынимайте источники питания из аппарата и оставляйте открытым батарейный отсек.
Воздушно-цинковые батарейки гораздо надежнее своих предшественников: они не текут. Это значит, что внезапно испортившаяся батарейка не выведет из строя слуховой аппарат. Впрочем, новые батарейки на воздушно-цинковой основе достаточно надежные и крайне редко перестают работать раньше срока. Но и у них есть свои особенности.
Если у вас нет необходимости менять элементы питания в слуховом аппарате, снимать упаковку с батарейки не следует. До эксплуатации такая батарейка заклеена специальной пленкой, препятствующей проникновению воздуха. Как только пленка снимается, катод (кислород) и анод (цинковый порошок) вступают в реакцию. Об этом следует помнить: если снять пленку, батарея теряет заряд вне зависимости от того, поместили ее в аппарат или нет.
Воздушно-цинковые батарейки - это элементы питания нового поколения, которые отличаются серьезными преимуществами перед своими предшественниками. Несомненно, они гораздо более энергоемкие и долговечные благодаря большей вместительности. Катод батарейки - не окись серебра или ртути, как в других элементах питания, а кислород, полученный из воздуха. Взаимодействие катода и анода происходит равномерно на протяжении всего эксплуатационного срока батареи. Слуховой аппарат не нужно будет постоянно перенастраивать и менять громкость из-за ослабевшего элемента питания. В качестве анода используется порошковый цинк, который содержится в гораздо большем количестве, чем анод в батарейках предыдущего поколения - это и обеспечивает его энергоемкость.
Разряжение батареи вы сможете заметить по такому характерному «симптому»: спустя несколько минут после включения слуховой аппарат внезапно замолкает. Это сигнал о том, что элементы питания пора сменить.
8.Хранить батарейки следует в специальных блистерах, при комнатной температуре и в недоступном для детей месте.
Марганцево цинковый элемент. (1) металлической колпачок, (2) графитовый электрод («+»), (3) цинковый стакан (« »), (4) оксид марганца, (5) электролит, (6) металлический контакт. Марганцево цинковый элемент,… … Википедия
РЦ 53М (1989 год) Ртутно цинковый элемент («тип РЦ») гальванический элемент в котором анодом является цинк … Википедия
Батарея «Oxyride» Элементы питания Oxyride™ это торговая марка для одноразовых (неперезаряжаемых) элементов питания, разработанных фирмой Panasonic. Они разработаны специально для устройств с большим потреблением электроэнер … Википедия
Нормальный элемент Вестона, ртутно кадмиевый элемент гальванический элемент, ЭДС которого весьма стабильна во времени и воспроизводима от экземпляра к экземпляру. Применяется в качестве источника опорного напряжения (ИОН) либо эталона напряжения… … Википедия
СЦ 25 Серебряно цинковый аккумулятор вторичный химический источник тока, аккумулятор, в котором анод это оксид серебра, в виде спресованного порошка, катод смесь … Википедия
Миниатюрные элементы питания различного размера Миниатюрный элемент питания батарейка размером с пуговицу, впервые широко начала применяться в электронных наручных часах, поэтому называется также … Википедия
Ртутно цинковый элемент («тип РЦ») гальванический элемент в котором анодом является цинк, катодом оксид ртути, электролит раствор гидроксида калия. Достоинства: постоянство напряжения и огромная энергоемкость и энергоплотность. Недостатки:… … Википедия
Марганцево цинковый гальванический элемент, в котором в качестве катода используется диоксид марганца, анода порошкообразный цинк, а в качестве электролита раствор щёлочи, обычно гидроксида калия. Содержание 1 История изобретения … Википедия
Никель цинковый аккумулятор это химический источник тока, в котором анодом является цинк, электролитом гидроксид калия с добавкой гидроксида лития, а катодом оксид никеля. Часто сокращается аббревиатурой NiZn. Достоинства:… … Википедия
