Воздушно-цинковые элементы: от батарей к аккумуляторам

Вполне очевидно, что воздушно-цинковые элементы не попадают под классификацию химических топливных элементов: во-первых, в них используется расходуемый электрод (анод), а во-вторых, топливо изначально закладывается внутрь ячейки, а не подается в ходе работы извне.

Напряжение между электродами одной ячейки воздушно-цинкового элемента составляет 1,45 В, что очень близко к аналогичному параметру щелочных (алкалиновых) батареек. При необходимости, чтобы получить более высокое напряжение питания, можно объединять несколько последовательно соединенных ячеек в батарею.

Схема устройства ячейки воздушно-цинкового элемента

Цинк является довольно распространенным и недорогим материалом, благодаря чему при развертывании массового производства воздушно-цинковых элементов производители не будут испытывать проблем с сырьем. Кроме того, даже на начальном этапе стоимость таких источников питания будет вполне конкурентоспособной.

Немаловажно и то, что воздушно-цинковые элементы являются весьма экологичными изделиями. Материалы, применяемые для их производства, не отравляют окружающую среду и могут быть вторично использованы после переработки. Продукты реакции воздушно-цинковых элементов (вода и оксид цинка) тоже абсолютно безопасны для человека и окружающей среды — оксид цинка даже применяется в качестве основного компонента детской присыпки.

Из эксплуатационных свойств воздушно-цинковых элементов стоит отметить такие достоинства, как низкая скорость саморазряда в неактивированном состоянии и малое изменение величины напряжения по мере разряда (плоская разрядная кривая).

Определенным недостатком воздушно-цинковых элементов является влияние относительной влажности поступающего воздуха на характеристики элемента. Например, у воздушно-цинкового элемента, рассчитанного на эксплуатацию в условиях относительной влажности воздуха 60%, при увеличении влажности до 90% срок службы уменьшается примерно на 15%.

От батарей к аккумуляторам

аиболее простым в реализации вариантом воздушно-цинковых элементов являются одноразовые батареи. При создании воздушно-цинковых элементов большого размера и мощности (например, предназначенных для питания силовых установок транспортных средств) кассеты цинковых анодов можно делать заменяемыми. В этом случае для возобновления запаса энергии достаточно изъять кассету с отработавшими электродами и установить вместо нее новую. Отработанные электроды можно восстанавливать для повторного применения электрохимическим способом на специализированных предприятиях.

Если же говорить о компактных элементах питания, пригодных для использования в портативных ПК и электронных устройствах, то здесь практическая реализация варианта с заменяемыми кассетами цинковых анодов невозможна из-за небольшого размера батарей. Именно поэтому большинство представленных в настоящее время на рынке компактных воздушно-цинковых элементов являются одноразовыми. Однократно используемые воздушно-цинковые элементы питания небольшого размера выпускают компании Duracell, Eveready, Varta, Matsushita, GP, а также отечественное предприятие «Энергия». Основная сфера применения подобных источников питания — слуховые аппараты, портативные радиостанции, фототехника и т.п.

В настоящее время многие компании производят одноразовые воздушно-цинковые батареи

Несколько лет тому назад компания AER выпускала плоские воздушно-цинковые батареи Power Slice, предназначенные для портативных компьютеров. Эти элементы были разработаны для ноутбуков серий Omnibook 600 и Omnibook 800 компании Hewlett-Packard; время их автономной работы составляло от 8 до 12 часов.

В принципе существует и возможность создания и перезаряжаемых воздушно-цинковых элементов (аккумуляторов), в которых при подключении внешнего источника тока на аноде будет протекать реакция восстановления цинка. Однако практическому воплощению подобных проектов долгое время препятствовали серьезные проблемы, обусловленные химическими свойствами цинка. Оксид цинка хорошо растворяется в щелочном электролите и в растворенном виде распределяется по всему объему электролита, удаляясь от анода. Из-за этого при зарядке от внешнего источника тока в значительной степени изменяется геометрия анода: восстанавливаемый из оксида цинк осаждается на поверхности анода в виде ленточных кристаллов (дендритов), по форме похожих на длинные шипы. Дендриты пронзают насквозь сепараторы, вызывая короткое замыкание внутри батареи.

Данная проблема усугубляется тем, что для повышения мощности аноды воздушно-цинковых элементов изготавливаются из измельченного порошкового цинка (это позволяет значительно увеличить площадь поверхности электрода). Таким образом, по мере увеличения количества циклов заряда-разряда площадь поверхности анода будет постепенно уменьшаться, оказывая негативное влияние на рабочие характеристики элемента.

К настоящему времени наибольших успехов в области создания компактных воздушно-цинковых аккумуляторов удалось достичь компании Zinc Matrix Power (ZMP). Специалисты ZMP разработали уникальную технологию Zinc Matrix, которая позволила решить основные проблемы, возникающие в процессе заряда аккумуляторов. Суть этой технологии заключается в использовании полимерного связующего вещества, которое обеспечивает беспрепятственное проникновение гидроксид-ионов, но при этом блокирует перемещение растворяющегося в электролите оксида цинка. Благодаря использованию этого решения удается избежать заметного изменения формы и площади поверхности анода на протяжении как минимум 100 циклов заряда-разряда.

Достоинствами воздушно-цинковых аккумуляторов являются длительное время работы и большая удельная энергоемкость, как минимум вдвое превышающая аналогичные показатели лучших литий-ионных аккумуляторов. Удельная энергоемкость воздушно-цинковых аккумуляторов достигает 240 Вт·ч на 1 кг веса, а максимальная мощность — 5000 Вт/кг.

По данным разработчиков ZMP, сегодня возможно создание воздушно-цинковых аккумуляторов для портативных электронных устройств (мобильных телефонов, цифровых плееров и т.п.) с энергоемкостью порядка 20 Вт·ч. Минимально возможная толщина подобных источников питания составляет всего 3 мм. Экспериментальные же прототипы воздушно-цинковых аккумуляторов для ноутбуков обладают энергоемкостью от 100 до 200 Вт·ч.

Прототип воздушно-цинкового аккумулятора, созданный специалистами компании Zinc Matrix Power

Еще одно важное достоинство воздушно-цинковых аккумуляторов — полное отсутствие так называемого эффекта памяти. В отличие от других типов аккумуляторов, воздушно-цинковые элементы можно подзаряжать при любом уровне заряда, причем без ущерба для их энергоемкости. Кроме того, в отличие от литиевых аккумуляторов воздушно-цинковые элементы являются гораздо более безопасными.

В заключение нельзя не упомянуть об одном важном событии, которое стало символической отправной точкой на пути коммерциализации воздушно-цинковых элементов: 9 июня прошедшего года Zinc Matrix Power официально объявила о подписании стратегического соглашения с корпорацией Intel. В соответствии с пунктами данного соглашения ZMP и Intel объединят свои усилия в области разработки новой технологии аккумуляторных батарей для портативных ПК. Среди основных целей этих работ — увеличение времени автономной работы ноутбуков до 10 часов. Согласно имеющемуся плану, первые модели оснащенных воздушно-цинковыми аккумуляторами ноутбуков должны появиться в продаже уже в 2006 году.

КомпьютерПресс 3'2005