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.

Цинково-воздушный аккумулятор энергии

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 .

В слуховых аппаратах применяются воздушно-цинковые батарейки, которые при работе в качестве катода используют кислород, поглощаемый из воздуха, а в качестве анода - порошок цинка.

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-цинковые батарейки более энергоемкие, если сравнивать между собой батарейки разного типа. Ниже приведена сравнительная характеристика срока службы алкалиновой и воздушно-цинковой батареек. Как видно из рисунка воздушно-цинковая батарейка работает не только дольше, но и держит свое напряжение постоянным в течение всего срока эксплуатации. С воздушно-цинковой батареей, Вы можете ожидать от аппарата более чистого звучания, нормальной и стабильной работы всех его систем. И еще одним очень важным преимуществом батарей является то, что они не текут, как скажем, щелочные батареи . На графике видно, что воздушно-цинковые элементы питания не только служат дольше, но и равномерно отдают свой заряд в течение всего срока службы в отличие от, скажем, щелочных батареек. Это значит, что Вам не придется постоянно прибавлять громоксти, а слуховой аппарат будет обеспечен током необходимого напряжения для нормальной работы всех его функций на протяжении всей службы батарейки.

В состоянии хранения (храниться они могут 2 и более лет) воздушные отверстия батареек заклеены липкой пленкой. Как только Вы срываете защитную пленку с положительного контакта, батарея активируется и начинает отдавать энергию. Разряд активированной батарейки происходит независимо от того, питает она слуховой аппарат или просто лежит на столе. Поэтому срывать защитную пленку следует только, если Вы действительно будете использовать ее в слуховом аппарате.

Время работы батареек составляет от нескольких дней до нескольких недель. К концу периода работы Вашей батарейки Вы заметите, что слуховой аппарат стал работать заметно тише. Значит, пришло время заменить батарейку.

Если воздушно-цинковая батарейка разряжена почти полностью, то обычно заметны следующие проявления: после включения слуховой аппарат работает совершенно нормально, но через короткое время почти полностью замолкает. Чем более разряжена батарейка, тем быстрее замолкает слуховой аппарат.

• Используйте в слуховом аппарате батарейки типоразмера, указанного в паспорте или инструкции по эксплуатации к слуховому аппарату.
• 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.
• Каждый раз, вставляя батарейку, обращайте внимание на плюсовую сторону. Плюсовая сторона отличается тем, что является плоской и обычно имеет на себе одно или несколько воздушных отверстий и небольшой крестик — плюс в центре.
• Используйте батарейку до конца, после чего вставьте новую. Не храните уже использованные батарейки.
• Храните батарейки в блистерах при комнатной температуре и нормальной влажности. Желание «сберечь» подольше батарейки в холодильнике может привести к прямо противоположному результату - слуховой аппарат с новой батарейкой вообще не заработает.
• Выключайте слуховой аппарат, когда им не пользуетесь. На ночь вынимайте источники питания из аппарата и оставляйте открытым батарейный отсек.
• Всегда имейте при себе новую запасную батарейку. Запасные батарейки не должны храниться вместе с металлическими предметами (ключами, другими батарейками) , которые могут закоротить контакты батарейки, и вызвать ее преждевременный разряд или порчу. Лучше поместить каждую запасную батарейку в индивидуальный изолирующий контейнер.
• Храните батарейки в местах, недоступных для детей. Дети могут проглотить батарейки и этим причинить вред здоровью.

В ртутно-цинковых элементах используется пористый цинковый электрод, в который для уменьшения коррозии вводят до 10 % ртути, и катод из оксида ртути в смеси с графитом. Электролит представляет собой 30…40 % раствор КОН. Основные электродные процессы описываются уравнениями:

Zn + 2OH − → Zn(OH) 2 + 2e − (с последующим разложением

гидрооксида цинка на ZnО и воду) и

Hg + H 2 O + 2e − → Hg + 2OH −

Напряжение ртутно-цинкового элемента остается стабильным до конца разряда малыми токами (до 0,01 С Н). При таких токах стабильное напряжение обеспечивается даже при 0 0 С. Это позволяет использовать их в качестве опорных элементов в измерительной аппаратуре. Элементы имеют одинаково хорошие характеристики, как при непрерывном, так и при прерывистом режимах работы. Типовые разрядные характеристики ртутно-цинковых элементов приведены на рис.17.7.

Напряжение разорванной цепи этих элементов составляет 1,35 В, рабочее напряжение – 1,22…1,25 В. Диапазон рабочих температур от −30 до +70 0 С. Конечное напряжение разряда составляет 0,9…1,0 В.

Наибольшее распространение получили ртутно-цинковые элементы в дисковом исполнении (рис.17.8), в которых положительный цинковый электрод 1 впрессовывается в стальной корпус, а отрицательный (активная масса) 2 – в крышку. В них нет свободного пространства, и водород, который выделяется при коррозии цинка, удаляется через герметизирующую прокладку 4 путем диффузии. Электролит при этом вытекать не должен.

Миниатюрные ртутно-цинковые элементы широко использовались в фототехнике, ручных электронных часах, калькуляторах и медицинской аппаратуре. Однако экологические проблемы, связанные с токсичностью ртути, привели повсеместно к прекращению производства этих элементов. Для их замены рекомендуется использовать серебряно-цинковые или литиевые гальванические элементы.

17.3.3 Серебряно-цинковые элементы

Серебряно-цинковые гальванические элементы обладают электрическими характеристиками близкими к характеристиками ртутно-цинковых элементов, стабильной разрядной характеристикой при высоком рабочем напряжении (1,5 В) и длительным сроком хранения. Однако, они менее чувствительны к повышению токовой нагрузки. Диапазон рабочих температур составляет от 0 до +40 0 С. Эти элементы наиболее безопасны для экологии, однако они относительно дороги.

Серебряно-цинковые элементы выпускаются в основном в дисковом исполнении и их конструкция подобна конструкции ртутно-цинковых элементов. Основное применение серебряно-цинковых элементов – ручные электронные часы. Параметры таких элементов основных производителей приведены в табл.17.7.

17.3.4 Воздушно-цинковые элементы

Воздушно-цинковые элементы отличаются от остальных первичных химических источников тока наличием специального отверстия, которое вскрывается при вводе в эксплуатацию для того, чтобы обеспечивать поступление внутрь элемента воздуха, кислород которого используется в качестве окислителя.

В качестве катода, на котором восстанавливается кислород воздуха, используются угольные электроды, модифицированные катализатором. Активным материалом анода является цинк, электролитом – раствор КОН или NaOH. Суммарная токообразующая реакция в элементе может быть записана:

Zn +1/2 H 2 O + 2OH − + H 2 O → Zn(OH) 4 2−

По мере растворения цинка и насыщения раствора цинкат-ионами Zn(OH) 4 2− разлагается с выпадением в осадок оксида цинка ZnO.

Напряжение разорванной цепи такого элемента составляет 1,4 В, а рабочее напряжение – 1,35 В.Диапазон рабочих температур составляет +10…+40 0 С.

Малогабаритные воздушно-цинковые элементы имеют дисковую конструкцию (рис.17.9) и в основном применяются для слуховых аппаратов. Анод изготавливается из порошкообразного цинка. Катод – тонкий из активированного угля, сажи и катализатора. Электролит обычно сгущенный. С помощью специальной мембраны воздух после вскрытия отверстия равномерно распределяется по поверхности катода. Электролит через гидрофорбный слой не проходит. Такие элементы изготавливаются емкостью от 50 до 6300 мА·ч.

Батареи из марганцево-воздушно-цинковых элементов в призматическом исполнении используются также для работы навигационного оборудования, например, серии «Лиман» или «Бакен».

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.

Преимущества

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!

Недостатки

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.

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