Технологиите за електрохимично съхранение на енергия се развиват бързо. NantEnergy предлага евтин цинково-въздушен енергиен акумулатор.

NantEnergy, водена от калифорнийския милиардер Патрик Сун-Шионг, представи цинково-въздушната батерия, която струва значително по-малко от своите литиево-йонни аналози.

Цинк-въздушен енергиен акумулатор

Батерията, "защитена от стотици патенти", е предназначена за използване в системи за съхранение на енергия в енергетиката. Според NantEnergy струва по-малко от $100 на киловатчас.

Устройството на цинково-въздушната батерия е просто. При зареждане електричеството превръща цинковия оксид в цинк и кислород. По време на фазата на разреждане в клетката цинкът се окислява от въздуха. Една батерия вградена пластмасова кутия, с размер не много по-голям от портфейл от ценни книжа.

Цинкът не е рядък метал и ресурсните ограничения, обсъждани във връзка с литиево-йонните батерии, не се влияят от цинк-въздушните батерии. В допълнение, последните практически не съдържат вредни заобикаляща средаелементи, а цинкът е много лесно рециклируем.

Важно е да се отбележи, че устройството NantEnergy не е прототип, а сериен модел, който е тестван „на хиляди различни места“ през последните шест години. Тези батерии са осигурили енергия на „над 200 000 души в Азия и Африка и са били използвани в над 1000 клетъчни кули по целия свят“.

Такава ниска цена на системата за съхранение на енергия ще направи възможно "преобразуването на електрическата мрежа в напълно безвъглеродна система, работеща денонощно", тоест базирана изцяло на възобновяеми енергийни източници.

Цинк-въздушните батерии не са нови, те са изобретени през 19 век и са широко използвани от 30-те години на миналия век. Основната област на приложение на тези източници на енергия са слухови апарати, преносими радиостанции, фотографско оборудване ... химични свойствацинк, е създаването на акумулаторни батерии. Очевидно този проблем днес е до голяма степен преодолян. NantEnergy постигна, че батерията може да повтаря цикъла на зареждане и разреждане над 1000 пъти, без да влошава производителността.

Други параметри, посочени от компанията, включват 72 часа автономия и 20 години живот на системата.

Има, разбира се, въпроси относно броя на циклите и други характеристики, които трябва да бъдат изяснени. Въпреки това, някои експерти по съхранение на енергия вярват в технологиите. В проучване на GTM, проведено миналия декември, осем процента от респондентите посочват цинковите батерии като технология, която може да замени литиево-йонните в системите за съхранение на енергия.

По-рано ръководителят на Tesla Илон Мъск съобщи, че цената на литиево-йонните клетки (клетки), произведени от неговата компания, може да падне под 100 $ / kW * h тази година.

Често чуваме, че разпространението на променливи възобновяеми енергийни източници, слънчева и вятърна енергия, се твърди, че се забавя (ще се забави) поради липсата на евтини технологии за съхранение на енергия.

Това, разбира се, не е така, тъй като съхранението на енергия е само един от инструментите за повишаване на маневреността (гъвкавостта) на енергийната система, но не и единственият инструмент. Освен това, както виждаме, се развиват електрохимични технологии за съхранение на енергия високи ставки... публикувани от

Ако имате въпроси по тази тема, попитайте експертите и читателите на нашия проект.

Изобретението се отнася до областта на първичните цинково-въздушни химически източници на ток (VTsKhIT) и може да се използва като самостоятелни източници на енергия. Съгласно изобретението, VTSKhIT с течен алкален електролит, зареден във VTSKhIT веднага след производството или непосредствено преди употреба, съдържа корпус с капак, оборудван с положителни и отрицателни токопроводящи клеми и отвор за пълнене, затворен с щепсел, един или повече катоди за газова дифузия, електрически свързани към положителния извод и оборудвани с газови камери със система от "дишащи" отвори, цинков анод под формата на брикет от цинков прах, свързан към отрицателния извод, и междуелектроден сепаратор, изработен от порест диелектричен материал, докато анодът е направен от няколко плоски порести брикета, поставени с процеп един спрямо друг, електрически свързани успоредно, докато равнините на брикетите са монтирани във VTsKhIT перпендикулярно на повърхността на катодите. Анодните брикети могат да бъдат направени чрез сухо пресоване на цинкови прахове и разширител, набъбващ в електролит с усилие, осигуряващо максимална плътност на брикетите с минимум 10-20% остатъчна порьозност и увити в междуелектроден сепаратор. Всеки аноден брикет с сепаратор се поставя в гнездата на две чаши, изработени от гофриран и перфориран полимерен материал, като се образува кухина между дъното на чашата и повърхността на брикета, посоката на гофрирането на дъното на чашата е под ъгъл спрямо надлъжната ос. Обемът на електролита, зареден във VTsKhIT, е по отношение на общата маса на цинка в анода като 0,4 ÷ 0,6 cm 3 / g. Физическите параметри на "дишащите" отвори (сечение, дължина) се избират въз основа на стойността на ограничителния ток, който е 3-4 пъти по-голям от номиналния разряден ток. Капилярна матрица, изработена от силно порест еластичен хидрофилен материал, устойчив на алкален електролит, може да се постави в пролуките между брикетите и катодите, чийто размер на порите е повече размерпори в разредения аноден брикет и общият обем на порите е по-голям от обема на електролита, зареден към VTsKhIT. Катодът прилепва плътно към капилярната матрица и е направен чрез натискане върху мрежа частично хидрофобизирана смес от прахове от технически въглерод и активен въглен... Техническият резултат на изобретението е да се увеличи степента на използване на активната маса. 6 стр. f-ly, 2 dwg

Чертежи за патент на RF 2349991

Изобретението се отнася до областта на първичните цинково-въздушни химически източници на ток (VTsKhIT) и може да се използва като самостоятелни източници на енергия.

Известен първичен VTsKhIT, съдържащ положителен електрод (катод), направен чрез пресоване на брикети от прах от въглеродни сажди (сажди, графит) и манганов диоксид с добавка към сместа от алкален електролит (Батерия "Liman", Спецификации TU 16-729.374-82, ИЛЕВ. 563212.003 ТОВА). Недостатъкът на този известен VTsKhIT е ниската плътност на тока в режим на непрекъснат разряд.

От известните VTSKHIT, най-близкият по техническа същност и постигнатия технически резултат е VTSKHIT с течен алкален електролит, зареден в клетката непосредствено след производството или непосредствено преди употреба, съдържащ корпус с капак, оборудван с положителни и отрицателни изводи за ток. и отвор за пълнене, затворен с тапа, един или няколко газодифузионни катода, херметически монтирани в тялото на клетката, електрически свързани към положителния извод, оборудвани с газови камери и система от "дишащи" отвори, цинков анод под формата на брикет от цинков прах, свързан към отрицателния извод, и междуелектроден сепаратор, изработен от порест диелектричен материал (вижте http://www.itpower.co.uk/investire/zmcrep/pdf: Доклад на WP „Изследване на технологиите за съхранение на периодични възобновяеми енергии ", Доклад за технологиите за съхранение, WPST9-Системи метал-въздух. Материали 2002 г.). Недостатъците на този VTsKhIT са:

Ограничаване на дебелината (или масата) на анодния брикет, което след достигане на определена стойност води до появата на изравнителни токове вътре в анодния брикет, които в допълнение към основния разряден ток на клетката водят до допълнително разтваряне цинк във фронталната зона на анода и електрохимично отлагане на същото количество цинк в дълбоките или задните му слоеве. В зоната на отлагане на цинк порьозността на анода намалява и специфичното съдържание на електролита там намалява. Това явление води до пасивиране на цинка в дълбоките слоеве на анода и изключване на част от секциите на анодния материал от работата на елемента;

Неефективно използване на анодния материал (цинк) в отрицателния електрод поради използването на прахообразен цинк с голяма специфична повърхност. Такива прахове се отличават с повишено саморазреждане, което при продължително време на работа (хиляди часове) води до непродуктивна загуба на значително (до 30%) количество от активния аноден материал.

Техническият резултат на изобретението е да се увеличи степента на използване на активната маса и поради това да се увеличи специфичният капацитет на VTsKhIT.

Посоченият технически резултат се постига от факта, че цинков въздух първичен химичен източникток (VTSKHIT) с течен алкален електролит, зареден във VTSKHIT непосредствено след производството или непосредствено преди употреба, съдържа корпус с капак, оборудван с положителни и отрицателни токови клеми и отвор за пълнене, затворен с щепсел, един или повече, катоди за газодифузия, електрически свързани към положителния извод и оборудвани с газови камери със система от "дишащи" отвори, цинков анод под формата на брикет от цинков прах, свързан към отрицателния извод, и междуелектроден сепаратор, изработен от порест диелектричен материал, докато анодът е направен от няколко плоски порести брикета, поставени с процеп един спрямо друг, електрически свързани паралелно, докато равнините на брикетите са монтирани във VTsKhIT перпендикулярно на повърхността на катодите. Тази реализация на VTsKhIT ви позволява да увеличите степента на използване на активната маса и специфичния капацитет.

Желателно е анодните брикети да са направени чрез сухо пресоване на цинкови прахове и разширител, набъбващ в електролита с усилие, осигуряващ максимална плътност на брикетите с минимум 10-20% остатъчна порьозност и увити в междуелектроден сепаратор. При такова производство на брикети е възможно да се ограничи потокът на електролит в дълбочината на брикета и по този начин да се намали корозията на цинка по време на работа на клетката. Повърхностните слоеве цинк в брикетите остават достъпни за процесите на разтоварване на работния елемент. Тъй като повърхностните слоеве цинк в анодните брикети се задействат поради набъбване в електролита на разширителя, порьозността на брикетите в тази зона се увеличава. Увеличаването на порьозността допринася за по-нататъшното проникване на електролита в дълбините на брикетите и нормалното преминаване на процеса на анодно разреждане. Използването на сепаратор около брикета предотвратява оцветяването на анодните брикети, което е възможно при набъбване на разширителя.

Препоръчително е всеки аноден брикет с сепаратор да бъде поставен в гнездата на две чаши, изработени от гофриран и перфориран полимерен материал, докато между дъното на чашата и повърхността на брикета се образува кухина, посоката на гофрирането при дъното на чашата е под ъгъл спрямо надлъжната ос на чашата. Такова подреждане на брикетите във VTsKhIT допринася за запазването на достатъчна йонна проводимост на електролита по протежение на брикетите през целия период на анодния разряд. Тази проводимост елиминира или рязко намалява ефекта на изравняващите токове в брикетите и допринася за почти пълното използване на цинк в анода по време на работа на VTsKhIT.

Препоръчително е обемът на електролита, зареден във VTsKhIT, да бъде по отношение на общата маса на цинка в анода като 0,4 ÷ 0,6 cm 3 / g. Това съотношение между електролит и цинк, установено на практика, осигурява възможност за максимално използване на обема на VTsKhIT или постигане на максимален капацитет.

Препоръчително е физическите параметри на "дишащите" отвори (сечение, дължина), осигуряващи номиналния разряден ток, да се определят като (1 / 3-1 / 4) от стойността на ограничителния разряден ток. Тази връзка се определя от факта, че стойността на разрядния ток, в допълнение към натоварването на клетката, зависи от количеството кислород, влизащо в работната клетка. При липса на въздух на катода се реализира ограничителният ток, когато при постоянно електрическо натоварване разрядният ток и напрежението на VTsKhIT едновременно намаляват. Прекомерният въздушен поток в елемента не води до увеличаване на напрежението на VTsKhIT, но увеличава масопреноса на елемента с околната среда. В този случай или електролитът може да изсъхне, ако около клетката има сух въздух и VTsKhIT се разпада, или прекомерно поглъщане на атмосферна влага от електролита, ако има влажен въздух наоколо, което ще доведе до изтичане на електролита от клетката. И двата случая не са стандартни за VTsKhIT. Мярката за количеството въздух, влизащ във VTsKhIT, е стойността на ограничителния ток, който се определя от параметрите на "дишащите" отвори (сечение, дължина). На практика чрез промяна на параметрите на "дишащите" отвори се избира стойността на ограничителния ток, който трябва да бъде 3-4 пъти по-висок от номиналния разряден ток на VTsKhIT.

Вариант на VTsKhIT е вариант, при който вместо чаши, изработени от перфориран и гофриран филмов материал, между брикетите и катодите е поставена капилярна матрица, изработена от силно порест еластичен хидрофилен материал, стабилен в алкален електролит. Капилярната матрица трябва да има размер на порите, по-голям от размера на порите в изпразнения аноден брикет, а общият обем на порите трябва да бъде по-голям от обема на електролита, зареден към VTsKhIT. Ако тези условия са изпълнени, наличието на електролит в капилярната (електролитна) матрица ще бъде осигурено в количество, което осигурява висока проводимост на електролита на всеки етап от разряда на VCHIT и оптималното специфично количество електролит в анодните брикети (0,4 -0,6 cm 3 / g).

Основната характеристика на използването на капилярна матрица е възможността за инсталиране на катоди в клетката без херметично отделяне на техните газови камери от анодите. Хидрофилната електролитна матрица поради силите на капилярното налягане (в хидрофилната матрица налягането е отрицателно), целият електролит се съдържа в матрицата, не изтича от нея и по този начин осигурява отсъствието му в газовите камери на катоди и възможността за свободен поток на въздух във VCHIT.

Липсата на свободен електролит в анодната камера на клетката позволява използването на катоди, в които няма блокиращ течността хидрофобен слой. Такъв катод има само активен слой, върху който протича електрохимичната реакция на редукция на кислорода във въздуха. Препоръчително е катодът да прилепне плътно към капилярната матрица и да е направен чрез пресоване на частично хидрофобизирана смес от прахове от сажди и активен въглен върху мрежа. Електродите от този тип имат по-малка дебелина, което позволява да се увеличи обемът на анодната камера и следователно да се увеличи капацитетът на VTsKhIT.

Анализът на предшестващото състояние на техниката показа, че претендираният набор от съществени характеристики, изложени в претенциите, е неизвестен. Това ни позволява да заключим, че отговаря на критерия „новост“.

За да се провери съответствието на заявеното изобретение с критерия "изобретателска стъпка", беше извършено допълнително търсене на известни технически решения, за да се идентифицират характеристики, които съвпадат с отличителните характеристики на прототипа на заявеното техническо решение. Установено е, че заявеното техническо решение не следва изрично от предшестващото състояние на техниката. Следователно, заявеното изобретение отговаря на критерия "изобретателска степен".

Същността на изобретението е илюстрирана с чертежи и описание на дизайна на VTsKhIT.

Фигура 1 показва дизайна на VTsKhIT, направен съгласно предложеното изобретение.

Фигура 2 показва вариант на дизайна на VTsKhIT с капилярна матрица.

Катодите (2) са херметически монтирани в тялото на клетката (1) в противоположните му странични стени. Конструкцията на катодите също е подобна на прототипните катоди. Катодите в клетката са разположени с активен слой вътре в клетката. Те са монтирани в тялото на клетката по такъв начин, че между стената на тялото и катода са оформени камери (16). Тези камери са необходими за равномерно разпределение на въздуха по цялата повърхност на катода. Всяка въздушна камера комуникира със заобикалящата атмосфера чрез най-малко два "дишащи" отвора (13), разположени в долната и горната й части. Между катода и стената на елемента във въздушната камера са монтирани дистанционери (4), които предотвратяват огъването на катода поради ефекта на вътрешното налягане. Активният слой на катода е защитен от контакт с анода чрез междуелектроден сепаратор (3). Анодните брикети (6), направени чрез сухо пресоване на цинкови прахове и разширител (нишесте, карбоксиметилцелулоза, карбопол), са оборудвани с токосъбиратели (15), които са разположени в средата на всеки брикет. Всеки брикет е обвит в порест сепаратор (7), направен от диелектричен материал като нетъкан полипропилен. Анодните брикети са монтирани във вътрешния обем на елемента вертикално с пролуки помежду си и са разположени перпендикулярно на повърхностите на катодите. Всеки аноден брикет (6) със сепаратор (7) е поставен в две чаши (14), изработени от велпапе и перфориран полимерен материал, които имат повърхност за сядане за поставяне на брикети в тях и допълнителна кухина, която създава камера между дъното и повърхността на брикета; посоката на гофрирането на дъното на чашата е под ъгъл (12) (приблизително 45 °) спрямо надлъжната й ос. Дълбочината на кухината на чашата осигурява плътно опаковане на анодните брикети в чашките във вътрешния обем на елемента (5).

Отгоре анодните брикети са покрити с вътрешен капак (8). Целият елемент е снабден с капак (9), върху който има токопроводи от електродите, щепсел за пълнене (11) и течен стабилизатор на нивото на електролита (10). Капакът (9) е херметически монтиран върху тялото на клетката. Дизайнът на елемента осигурява възможност за неговото резервно използване. VTSKhIT се прави зареден на сухо и се задвижва чрез пълнене през тапата за пълнене с течен алкален електролит. Без електролит със запечатани "дишащи" отвори, клетката може да се съхранява без загуба на качество в продължение на няколко години. VTSKHIT работи по следния начин. След напълване на клетката през отвора за пълнене, затворен с тапа (11), с течен алкален електролит и премахването му чрез отваряне на "дишащите" отвори, на изходните клеми на клетката ще се появи напрежение.

Когато клетката е включена за разреждане, върху електродите ще възникнат електрохимични реакции, които са описани във въведението на това изобретение. Въздухът от околната среда през "дишащите" отвори първо влиза в газовата камера на катода, след което, поради дифузия през порите на хидрофобния течно-блокиращ слой, прониква в неговия активен слой, където кислородът се йонизира. Поради консумацията на кислород, тежък компонент на въздуха, съставът на въздуха се променя и неговата плътност намалява. Поради това в газовата камера на катода се създава конвективен въздушен поток отдолу нагоре. Отработеният въздух излиза през горния "дишащ" отвор, а за да го замени, част от свеж въздух се засмуква в камерата през долния "дишащ" отвор. По този начин консумацията на кислород на катода осигурява непрекъснато подаване на нови порции въздух в зоната на електрохимичната реакция. Възможна е друга система от "дишащи" отвори, която използва капака на клетката или горното ниво на тялото на клетката. В тази система Свеж въздухсе засмуква в елемента през тръба, разположена в газовата камера на катода и свързваща отвора в капака или в горната част на корпуса с долното ниво на газовата камера на катода. Изходите са разположени или в капака, или в горната част на корпуса. Конвективното движение на въздуха в катодната камера в тази система ще бъде подобно на предишното. Интензитетът на конвективния въздушен поток се определя от скоростта на поглъщане на кислород от електрохимичната реакция на разряда на клетката, т.е. величината на разрядния ток. По този начин се осигурява автоматична връзка между разрядния ток и величината на конвективния въздушен поток. Степента на тази връзка се определя от съпротивлението на потока (диаметър и дължина) на "дишащите" отвори. Недостатъчното напречно сечение на тези отвори създава забавяне на конвективния въздушен поток и ще ограничи количеството кислород или, еквивалентно, ще ограничи стойността на разрядния ток на клетката. Ако напречното сечение на отворите е по-голямо от номиналното, стойността на разрядния ток няма да се увеличи, но интензивността на конвективния поток ще се увеличи, а с него и интензивността на масообмен на елемента с околната среда. В резултат на това обемът на електролита в клетката може да се промени. Тя или ще се увеличи, ако околната влажност е над средната (изчислена) стойност, или ще намалее в по-суха атмосфера. Физическите параметри на "дишащите" отвори (сечение, дължина) се избират емпирично въз основа на стойността на ограничителния ток, който трябва да бъде 3-4 пъти по-голям от номиналния разряден ток.

Стойността на ограничителния ток се определя така, че напрежението на елемента, който е под разряд до постоянно съпротивление, да не се стабилизира, а да намалява монотонно.

При анода се окисляват цинковите частици, които са най-близо до катодите. Едновременно с този процес частиците на разширителя взаимодействат с електролита. Разширителят набъбва в електролита и увеличава обема си. Набъбналите частици на разширителя разтласкват съседните цинкови частици и увеличават локалното съдържание на електролит, като по този начин намаляват негативния ефект от натрупващия се продукт от разряда – цинков оксид. Цинковият оксид се утаява от електролитния разтвор в зоната на разреждане, когато е пренаситен с цинкати. Поради факта, че анодните брикети са били пресовани под налягане, докато достигнат естествената си максимална плътност, вътрешните области на анодните брикети са практически недостъпни за електролита. Тези "сухи" зони не взаимодействат с електролита и следователно не се подлагат на корозивни процеси. Допълнителен ефект за намаляване на корозионните процеси е използването на цинков прах, получен чрез пръскане на стопилката. Такива прахове нямат голяма специфична повърхност и следователно скоростта на тяхното взаимодействие с електролита е силно подценена. Процесите на разреждане на анодите претърпяват външните си слоеве, които поради набъбване на разширителя в електролита увеличават обема си и постепенно запълват кухините на чашките. Тъй като зоната на разреждане на анода се задълбочава, съпротивлението на електролита в порите на разредената зона се увеличава. Успоредно на линиите на тока, минаващи през порите на разредената зона, има празнини между брикетите, пълни със свободен електролит. В този случай йонният разряден ток се разпределя върху анодните брикети по такъв начин, че външните повърхности на анодните брикети са свързани към процеса на разреждане и тяхното изхвърляне протича от външните повърхности към брикетите. Дебелината на брикетите е по-малка от габаритните им размери и поради това разтоварването става от периферията към центъра на брикетите. Този ефект създава условия за пълно изхвърляне на цинк в брикетите. Разширяващите се анодни брикети в лимита запълват целия обем на чашите. Наклоненото разположение на гофрите спрямо оста на чашките създава гарантирана минимална междина между съседните чаши, равна на удвоената височина на гофрирането. Твърдостта на гофрираното дъно на чашките е достатъчна, за да се поддържа минимална междина между брикетите, докато цинкът се изхвърли напълно в брикетите. Проводимостта на електролита в тази междина поддържа режима на разреждане на брикетите от предната към центъра. Разширяването нагоре на анодните брикети е ограничено от вътрешния капак (8). Този капак запазва свободно пространство в горната част на клетката, в което може да се натрупа допълнителен обем електролит, образуван например поради поглъщането на водни пари от атмосферата от електролита, ако последният има дълго време относителна влажност, по-висока от изчислената за зоните на предназначение на клетките.

Вид елементна конструкция, при която анодни брикети с сепаратор се поставят в чаши, е конструкция с капилярни матрици, показана на фиг. 2, при която в пролуките между брикетите и катодите е поставена капилярна матрица, изработена от силно порьозен еластичен хидрофилен материал, стабилен в алкален електролит, с размер, чиито пори са по-големи от размера на порите в разредения брикет и обемът на порите е по-голям от обема на електролита, зареден в клетката. Капилярните матрици (14) се поставят между анодните брикети (6) и задържат целия обем електролит, необходим за функционирането на клетката.

Електролитът в матрицата се задържа от капилярни сили. Използването на капилярна матрица повишава надеждността на източника на ток, тъй като в този случай се елиминира основната възможност за запълване на газовата камера с електролит, който може да влезе в газовата камера на катода поради нарушаване на херметичността на катода вграждаща единица в елемента. Когато газовата камера се напълни с електролит, нейните "дишащи" отвори се блокират и достъпът на въздух до катода спира. Липсата на кислород в катода спира електрохимичния процес на генериране на ток и по този начин изключва клетката. Материалът на матрицата е непроводим и не взаимодейства химически с електролита. Освен това позволява на матрицата да се деформира еластично под действието на сила на натиск. Размерът на порите в матрицата трябва да бъде такъв, че, от една страна, обемът на електролита в горната част на клетката трябва да се поддържа в количество, което позволява изхвърлянето на съседни участъци от цинкови брикети, от друга страна, размерът на от порите му трябва да са големи пори, които се образуват в анодния брикет на разредената зона. Ако тези условия са изпълнени, йонната проводимост на системата се запазва: капилярната матрица е аноден брикет при всяка степен на разреждане на брикетите. Анодните брикети, разширяващи се по време на разреждането, изстискват капилярните матрици и изстискват електролита от матриците в брикетите. Този процес поддържа постоянството на обема на електролита в фугата пореста матрица-брикетна система. Когато се използва капилярна матрица, катодът може да бъде свободно (не херметически затворен) инсталиран в тялото на клетката, като същевременно се гарантира плътното му прилягане към матрицата. Използвайки свойството на капилярната матрица да абсорбира електролита, е възможно да се използва катод, плътно прилежащ към капилярната матрица, направен чрез пресоване на частично хидрофобизирана смес от прахове от технически въглен и активен въглен върху мрежа. Такъв електрод е по-лесен за производство и не по-малко активен по време на работа на елемента. Липсата на изтичане на електролит осигурява физическо явление - капилярно налягане, което има отрицателна стойност за хидрофилна матрица. Използването на капилярни решетки елиминира необходимостта от гофрирани и перфорирани чаши. По време на разреждането на клетката електролитът се задържа от матрицата през цялото време в съответствие с физичния закон за капилярно равновесие на системата от порести среди и го отдава на анодните брикети пропорционално на степента им на разреждане (степента на увеличаване на обема). Съпротивлението на електролита в силно порестата матрица е по-ниско от съпротивлението в порите на разредената зона на анодите. Поради тази причина йонният ток на разряда се разпределя върху анодните брикети по същия начин, както в клетките със свободен електролит, когато външните повърхности на анодните брикети са свързани към процеса на разреждане и тяхното изхвърляне протича от външните повърхности в брикетите . Дебелината на брикетите е избрана сравнително малка, така че изхвърлянето им става почти напълно с висок коефициент полезна употребацинк (KPI). Практически постигнатите стойности на KPI са на ниво 0,92-0,95. Използването на всички конструктивни характеристики на цинковия въздушен елемент, изложени в това изобретение голям капацитетпостига специфични енергийни нива до 500 Wh/kg и 1100 Wh/L.

Въз основа на гореизложеното може да се заключи, че декларираният VTsKhIT може да бъде приложен на практика с постигането на декларирания технически резултат, т.е. отговаря на критерия "индустриална приложимост".

ИСК

1. Цинк-въздух първичен химически източник на ток (VTsKhIT) с течен алкален електролит, зареден във VTsKhIT непосредствено след производството или непосредствено преди употреба, съдържащ корпус с капак, оборудван с положителни и отрицателни токови клеми и отвор за пълнене, затворен с щепсел, един или повече, газодифузионни катоди, електрически свързани към положителния извод и оборудвани с газови камери със система от "дишащи" отвори, цинков анод под формата на брикет от цинков прах, свързан към отрицателния извод, и междуелектроден сепаратор, изработен от порест диелектричен материал, характеризиращ се с това, че анодът е направен от няколко плоски порести брикета, поставени с процеп един спрямо друг, електрически свързани успоредно, докато равнините на брикетите са монтирани във VTsKhIT перпендикулярно на повърхността на катодите.

2. VTsKhIT съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че анодните брикети се изработват чрез сухо пресоване на цинкови прахове и разширител, набъбващ в електролита чрез сила, осигуряващ максимална плътност на брикетите с минимум 10% -20% остатъчна порьозност и са обвити в междуелектроден сепаратор.

3. VTSKHIT съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че всеки аноден брикет с сепаратор се поставя в гнездата на две чаши, изработени от гофриран и перфориран полимерен материал, докато между дъното на чашата и повърхността на брикета се образува кухина. , посоката на гофрите на дъното на чашата е под ъгъл спрямо надлъжната й ос.

4. VTsKhIT съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че обемът на електролита, зареден във VTsKhIT е по отношение на общата маса на цинка в анода като 0,4 ÷ 0,6 cm 3 / g.

5. VTsKhIT съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че физическите параметри на "дишащите" отвори (сечение, дължина) се избират въз основа на стойността на ограничителния ток, който е 3-4 пъти по-висок от номиналния разряден ток.

6. VTsKhIT съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че капилярна матрица, изработена от силно порест, еластичен, устойчив на алкален електролит, хидрофилен материал е поставен в пролуките между брикетите и катодите, чийто размер на порите е по-голям от размерът на порите в изпразнения аноден брикет и общият обем на порите са по-големи от обема на електролита, зареден във VTsKhIT.

7. VTsKhIT съгласно претенция 1 или 6, характеризиращ се с това, че катодът прилепва плътно към капилярната матрица и е направен чрез натискане върху мрежата на частично хидрофобизирана смес от прахове от технически въглен и активен въглен.

Дългосрочен обхват цинк-въздушни батериине надхвърли медицината. Висок капацитет и дългосроченуслуги (неактивни) им позволиха безпроблемно да заемат нишата на батериите за слухови апарати за еднократна употреба. Но през последните години се наблюдава голям ръст на интереса към тази технология от страна на автомобилните производители. Някои смятат, че е намерена алтернатива на лития. Така е?

Цинк-въздушна батерия за електрическо превозно средство може да бъде подредена по следния начин: електродите се поставят в отделение, разделено на отделения, върху което се адсорбира и намалява кислородът от въздуха, както и специални подвижни касети, пълни с консумативанод, в този случай цинкови гранули. Между отрицателния и положителния електроди се поставя сепаратор. Може да се използва като електролит воден разтворкалиев хидроксид или разтвор на цинков хлорид.

Въздухът, влизащ отвън с помощта на катализатори, образува хидроксилни йони във водния електролитен разтвор, които окисляват цинковия електрод. По време на тази реакция се освобождават електрони, образувайки електрически ток.

Предимства

Според някои оценки световните запаси от цинк са около 1,9 гигатона. Ако започнем световното производство на цинков метал сега, след няколко години ще бъде възможно да се сглобят милиард цинково-въздушни батерии с капацитет от 10 kW * h всяка. Например, ще са необходими повече от 180 години, за да се създаде същото количество при настоящите условия за добив на литий. Наличието на цинк също ще помогне за намаляване на цената на батериите.

Също така е много важно цинковите въздушни клетки, имащи прозрачна схема за рециклиране на отпадъчния цинк, да са екологично чисти продукти. Използваните тук материали не замърсяват околната среда и могат да бъдат рециклирани. Продуктът от реакцията на хранителни вещества цинк-въздух (цинков оксид) също е абсолютно безопасен за хората и околната среда. Не напразно цинковият оксид се използва като основен компонент за бебешка пудра.

Основното предимство, което кара електромобилите да очакват тази технология с нетърпение висока плътностенергия (2-3 пъти по-висока от тази на li-ion). Вече сега консумацията на енергия на Zinc-Air достига 450 W * h / kg, но теоретичната плътност може да бъде 1350 W * h / kg!

недостатъци

Тъй като не караме електрически превозни средства с батерии с цинков въздух, тогава има и недостатъци. Първо, такива елементи са трудни за презареждане достатъчноцикли на разреждане/зареждане. По време на работа на батерията с цинков въздух, електролитът просто изсъхва или прониква твърде дълбоко в порите на въздушния електрод. И тъй като отложеният цинк се разпределя неравномерно, образувайки разклонена структура, често възникват къси съединения между електродите.

Учените се опитват да намерят изход. Американската компания ZAI реши този проблем, като просто смени електролита и добави пресни цинкови патрони. Естествено, това ще изисква добре развита инфраструктура от бензиностанции, където окисленият активен материал в анодната касета ще бъде заменен с пресен цинк.

И въпреки че икономическият компонент на проекта все още не е разработен, производителите твърдят, че цената на такова "зареждане" ще бъде значително по-ниска от зареждането на автомобил с двигател с вътрешно горене. Освен това процесът на смяна на активния материал ще отнеме не повече от 10 минути. Дори свръхбързите през това време ще могат да попълнят само 50% от потенциала си. Миналата година корейската Leo Motors вече демонстрира батерии с цинков въздух ZAI на своя електрически камион.

Масовото навлизане на пазара на компактни батерии с цинков въздух може значително да промени малкия пазарен сегмент на електроенергия автономно захранванеза преносими компютри и цифрови устройства.

Енергиен проблем

а през последните години паркът от преносими компютри и различни цифрови устройства нарасна значително, много от които наскоро се появиха на пазара. Този процес се ускори значително поради нарастващата популярност мобилни телефони... От своя страна, бързият растеж на броя на преносимите електронни устройствапредизвика сериозно нарастване на търсенето на автономни източници на електроенергия, по-специално на различни видове батерии и акумулатори.

Въпреки това, необходимостта да се гарантира голямо количествопреносимите устройства с батерии е само едната страна на проблема. И така, с развитието на преносимите електронни устройства плътността на сглобяване на елементите и мощността на използваните в тях микропроцесори се увеличават - само за три години тактовата честота на използваните PDA процесори се е увеличила с порядък. Малките монохромни екрани се заменят с цветни дисплеи с с висока резолюцияи увеличен размер на екрана. Всичко това води до увеличаване на консумацията на енергия. Освен това има ясна тенденция към по-нататъшно миниатюризиране в областта на преносимата електроника. Като се вземат предвид горните фактористава съвсем очевидно, че увеличаването на енергийната интензивност, мощността, издръжливостта и надеждността на използваните батерии е едно от съществени условияда осигури по-нататъшното развитие на преносимите електронни устройства.

Проблемът с възобновяемите източници на автономно захранване е много остър в сегмента на преносимите компютри. Съвременни технологииви позволяват да създавате лаптопи, които практически не са по-ниски по своето функционално оборудване и производителност на пълноценните настолни системи. Липсата на достатъчно ефективни източници на автономно захранване обаче лишава потребителите на лаптопи от едно от основните предимства на този тип компютри - мобилността. Добър индикатор за модерен лаптоп, оборудван с литиево-йонна батерия, е живот на батерията от около 4 часа 1, но за пълноценна работа в мобилни условиятова очевидно не е достатъчно (например полет от Москва до Токио отнема около 10 часа, а от Москва до Лос Анджелис - почти 15).

Една от възможностите за решаване на проблема с увеличаването на живота на батерията на преносимите компютри е преходът от широко разпространените сега никел-метални хидридни и литиево-йонни батерии към химически горивни клетки 2. Нискотемпературни горивни клетки като PEM (протонна обменна мембрана) и DMCF (горивни клетки с директен метанол) са най-обещаващите за приложения в преносими електронни устройства и компютри. Като гориво за тези елементи се използва воден разтвор на метилов алкохол (метанол) 3.

Въпреки това, на този етап, за да се опише бъдещето на химическите горивни клетки изключително в розови тоновеби било прекалено оптимистично. Факт е, че има поне две пречки пред масовото разпространение на горивните клетки в преносимите електронни устройства. Първо, метанолът е доста токсично вещество, което предполага повишени изисквания за херметичност и надеждност на горивните касети. Второ, за осигуряване на приемлива скорост на движение химична реакцияв горивни клетки с ниска работна температура трябва да се използват катализатори. Понастоящем катализаторите, направени от платина и нейните сплави, се използват в PEM и DMCF клетки, но естествените запаси на това вещество са малки и цената му е висока. Теоретично е възможно платината да бъде заменена с други катализатори, но досега нито един от екипите, занимаващи се с изследвания в тази посока, не е успял да намери приемлива алтернатива. Днес така нареченият проблем с платината е може би най-сериозната пречка пред широкото разпространение на горивните клетки в преносимите компютри и електронните устройства.

1 Това се отнася до времето за работа от стандартната батерия.

2 Прочетете повече за горивните клетки в статията „Горивни клетки: година на надеждата“, публикувана в № 1'2005.

3 PEM клетки, захранвани с газообразен водород, са оборудвани с интегриран конвертор за производство на водород от метанол.

Цинк въздушни клетки

Въпреки че авторите на редица публикации смятат, че батериите и акумулаторите с цинков въздух са един от подвидовете горивни клетки, това не е съвсем вярно. След като се запознаете с устройството и принципа на работа на цинково-въздушните клетки, дори в общи линии, може да се направи напълно недвусмислено заключение, че е по-правилно да се разглеждат като отделен клас автономни захранвания.

Конструкцията на клетката с цинков въздушен елемент включва катод и анод, разделени от алкален електролит и механични сепаратори. Като катод се използва газодифузионен електрод (GDE), чиято пропусклива мембрана позволява получаването на кислород от циркулиращия през него атмосферен въздух. "Гориво" е цинковият анод, който се окислява по време на работа на клетката, а окислителят е кислородът, получен от атмосферния въздух, влизащ през "дихателните отвори".

Реакцията на кислородна електроредукция протича на катода, продуктите на която са отрицателно заредени хидроксидни йони:

O 2 + 2H 2 O + 4e 4OH -.

Хидроксидните йони се придвижват в електролита към цинковия анод, където протича реакцията на окисление на цинка с освобождаване на електрони, които се връщат към катода през външната верига:

Zn + 4OH - Zn (OH) 4 2– + 2e.

Zn (OH) 4 2– ZnO + 2OH - + H 2 O.

Съвсем очевидно е, че клетките с цинков въздух не попадат в класификацията на химическите горивни клетки: първо, те използват консумативен електрод (анод), и второ, горивото първоначално се поставя вътре в клетката и не се подава по време на работа от навън.

Напрежението между електродите на една цинкова въздушна клетка е 1,45 V, което е много близко до това на алкалните (алкални) батерии. Ако е необходимо, за да се получи по-високо захранващо напрежение, няколко клетки, свързани последователно, могат да бъдат комбинирани в батерия.

Цинкът е доста разпространен и евтин материал, благодарение на което при внедряване на масово производство на цинк-въздушни клетки производителите няма да изпитват проблеми със суровините. Освен това, дори на начална фазацената на такива захранвания ще бъде доста конкурентна.

Важно е също така, че клетките с цинков въздух са много екологично чисти продукти. Материалите, използвани за тяхното производство, не замърсяват околната среда и могат да бъдат използвани повторно след рециклиране. Продуктите на реакцията на цинк-въздушните елементи (вода и цинков оксид) също са абсолютно безопасни за хората и околната среда - цинковият оксид дори се използва като основен компонент на бебешката пудра.

Сред експлоатационните свойства на цинково-въздушните клетки си струва да се отбележат такива предимства като ниска скорост на саморазреждане в неактивирано състояние и малка промяна в стойността на напрежението с напредването на разряда (плоска крива на разреждане).

Определен недостатък на цинково-въздушните клетки е влиянието на относителната влажност на входящия въздух върху характеристиките на елемента. Например, за въздушна клетка с цинк, проектирана да работи при 60% относителна влажност, когато влажността се повиши до 90%, експлоатационният живот се намалява с около 15%.

От батерии до акумулаторни батерии

Батериите за еднократна употреба са най-лесният вариант за изпълнение на цинково въздушни клетки. При създаване на цинкови въздушни клетки голям размери мощност (например, предназначени за захранване на електроцентрали Превозно средство) касети с цинкови аноди могат да бъдат сменяеми. В този случай за подновяване на енергийното захранване е достатъчно да извадите касетата с изразходваните електроди и вместо това да инсталирате нова. Отпадъчните електроди могат да бъдат възстановени за повторна употреба по електрохимичен път в специализирани предприятия.

Ако говорим за компактни батерии, подходящи за използване в преносими компютри и електронни устройства, то практическото изпълнение на опцията със сменяеми касети с цинков анод е невъзможно поради малкия размер на батериите. Ето защо повечето от компактните цинкови въздушни клетки на пазара в момента са за еднократна употреба. Цинк-въздушни батерии за еднократна употреба малък размерпроизведени от фирмите Duracell, Eveready, Varta, Matsushita, GP, както и местното предприятие Energia. Основната област на приложение на такива източници на енергия са слухови апарати, преносими радиостанции, фотографско оборудване и др.

Много компании сега произвеждат цинково-въздушни батерии за еднократна употреба

Преди няколко години AER произведе Power Slice цинк-въздушни батерии за преносими компютри. Тези елементи са проектирани за преносимите компютри Hewlett-Packard Omnibook 600 и Omnibook 800; животът им на батерията варира от 8 до 12 часа.

По принцип има и възможност за създаване и презареждащи се цинк-въздушни клетки (батерии), в които при свързване външен източникток на анода, реакцията на редукция на цинк ще продължи. Въпреки това практическото изпълнение на подобни проекти беше затруднено дълго време. сериозни проблемипоради химичните свойства на цинка. Цинковият оксид се разтваря добре в алкален електролит и в разтворена форма се разпределя в целия обем на електролита, отдалечавайки се от анода. Поради това при зареждане от външен източник на ток геометрията на анода се променя значително: цинковият оксид, извлечен от оксида, се отлага върху повърхността на анода под формата на лентови кристали (дендрити), подобни по форма на дълги шипове. Дендритите пробиват сепараторите, причинявайки късо съединение вътре в батерията.

Този проблем се влошава от факта, че за да се увеличи мощността, анодите на цинково-въздушните клетки са направени от натрошен цинк на прах (това позволява значително да се увеличи повърхността на електрода). По този начин, с увеличаване на броя на циклите заряд-разряд, повърхността на анода постепенно ще намалява, осигурявайки Отрицателно влияниевърху производителността на елемента.

Към днешна дата Zinc Matrix Power (ZMP) постигна най-голям успех в компактните батерии с цинков въздух. Специалистите на ZMP са разработили уникална технология Zinc Matrix, която е решила основните проблеми, възникващи в процеса на зареждане на батерията. Същността на тази технология е използването на полимерно свързващо вещество, което осигурява безпрепятствено проникване на хидроксидни йони, но в същото време блокира движението на цинковия оксид, разтварящ се в електролита. Чрез използването на това решение е възможно да се избегнат забележими промени във формата и повърхността на анода за най-малко 100 цикъла заряд-разряд.

Предимствата на батериите с цинков въздух са дълго времеработа и голяма специфична енергийна интензивност, поне два пъти по-висока от тези на най-добрите литиево-йонни батерии. Специфичната консумация на енергия на цинк-въздушните батерии достига 240 Wh на 1 kg тегло, а максималната мощност е 5000 W / kg.

Според разработчиците на ZMP днес е възможно да се създават цинково-въздушни батерии за преносими електронни устройства (мобилни телефони, цифрови плейъри и др.) с енергиен капацитет от около 20 Wh. Най-малката възможна дебелина на такива захранвания е само 3 мм. Експерименталните прототипи на цинк-въздушни батерии за преносими компютри имат енергиен капацитет от 100 до 200 Wh.

Цинк-въздушна прототипна батерия от Zinc Matrix Power

Друго важно предимство на цинк-въздушните батерии е пълното отсъствие на така наречения ефект на паметта. За разлика от други видове батерии, цинк-въздушните клетки могат да се презареждат при всяко ниво на зареждане, без да се нарушава техния енергиен капацитет. Освен това, клетките с цинков въздух са много по-безопасни от литиевите батерии.

В заключение, не може да не се спомене едно важно събитие, което се превърна в символична отправна точка по пътя към комерсиализацията на клетките с цинков въздух: на 9 юни миналата година Zinc Matrix Power официално обяви подписването на стратегическо споразумение с Intel Corporation. Съгласно условията на това споразумение, ZMP и Intel ще обединят усилията си за развитие нова технологияакумулаторни батерии за преносими компютри. Сред основните цели на тези работи е да се увеличи живота на батерията на лаптопите до 10 часа. Според съществуващия план първите модели преносими компютри, оборудвани с цинк-въздушни батерии, трябва да бъдат пуснати в продажба през 2006 г.