Elektrochemische Energiespeichertechnologien schreiten rasant voran. NantEnergy bietet einen kostengünstigen Zink-Luft-Energiespeicher an.

NantEnergy, angeführt vom kalifornischen Milliardär Patrick Soon-Shiong, hat die Zink-Luft-Batterie vorgestellt, die deutlich weniger kostet als ihre Lithium-Ionen-Pendants.

Zink-Luft-Energiespeicher

Die „durch Hunderte von Patenten geschützte“ Batterie ist für den Einsatz in Energiespeichern in der Energiewirtschaft vorgesehen. Laut NantEnergy liegen die Kosten unter 100 US-Dollar pro Kilowattstunde.

Die Einrichtung der Zink-Luft-Batterie ist einfach. Beim Aufladen wandelt Elektrizität Zinkoxid in Zink und Sauerstoff um. Während der Entladungsphase in der Zelle wird Zink durch Luft oxidiert. Eine Batterie im Lieferumfang enthalten Plastikbehälter, in der Größe nicht viel größer als ein Portfolio für Wertpapiere.

Zink ist kein seltenes Metall, und die in Bezug auf Lithium-Ionen-Batterien diskutierten Ressourcenbeschränkungen werden von Zink-Luft-Batterien nicht beeinflusst. Außerdem enthalten letztere praktisch keine schädlichen Umfeld Elemente und Zink ist sehr leicht recycelbar.

Es ist wichtig zu beachten, dass das NantEnergy-Gerät kein Prototyp ist, sondern ein Serienmodell, das in den letzten sechs Jahren „an Tausenden von verschiedenen Standorten“ getestet wurde. Diese Batterien haben "über 200.000 Menschen in Asien und Afrika mit Strom versorgt und wurden in über 1.000 Mobilfunkmasten auf der ganzen Welt verwendet".

Mit solch geringen Kosten des Energiespeichers wird es möglich sein, „das Stromnetz in ein rund um die Uhr vollständig CO2-freies System umzuwandeln“, also vollständig auf erneuerbaren Energiequellen zu basieren.

Zink-Luft-Batterien sind nicht neu, sie wurden im 19. Jahrhundert erfunden und sind seit den 30er Jahren des letzten Jahrhunderts weit verbreitet. Das Hauptanwendungsgebiet dieser Stromquellen sind Hörgeräte, tragbare Radios, Fotoausrüstung ... chemische Eigenschaften Zink, war die Entwicklung wiederaufladbarer Batterien. Anscheinend ist dieses Problem heute weitgehend überwunden. NantEnergy hat erreicht, dass die Batterie den Lade- und Entladezyklus über 1000 Mal wiederholen kann, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.

Andere vom Unternehmen angegebene Parameter sind 72 Stunden Autonomie und 20 Jahre Systemlebensdauer.

Natürlich gibt es Fragen zur Anzahl der Zyklen und zu anderen Besonderheiten, die geklärt werden müssen. Einige Experten für Energiespeicher glauben jedoch an die Technologie. In einer GTM-Umfrage im vergangenen Dezember nannten acht Prozent der Befragten Zinkbatterien als Technologie, die Lithium-Ionen in Energiespeichern ersetzen könnte.

Zuvor hatte Tesla-Chef Elon Musk berichtet, dass die Kosten für die von seinem Unternehmen produzierten Lithium-Ionen-Zellen (Zellen) in diesem Jahr unter 100 Dollar/kW*h fallen könnten.

Wir hören oft, dass die Verbreitung variabler erneuerbarer Energiequellen, Solar- und Windenergie, aufgrund des Mangels an billigen Energiespeichertechnologien angeblich verlangsamt wird (verlangsamen wird).

Dies ist natürlich nicht der Fall, da die Energiespeicherung nur eines der Werkzeuge zur Erhöhung der Manövrierfähigkeit (Flexibilität) des Antriebssystems, aber nicht das einzige Werkzeug ist. Darüber hinaus entwickeln sich, wie wir sehen können, elektrochemische Energiespeichertechnologien hohe Raten... veröffentlicht von

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Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der primären chemischen Zink-Luft-Stromquellen (VTsKhIT) und kann als eigenständige Stromquelle verwendet werden. Erfindungsgemäß enthält VTSKhIT mit einem flüssigen alkalischen Elektrolyten, der unmittelbar nach der Herstellung oder unmittelbar vor der Verwendung in VTSKhIT betankt wird, ein Gehäuse mit einem Deckel mit positiven und negativen stromführenden Anschlüssen und einer mit einem Stopfen verschlossenen Einfüllöffnung, ein oder mehrere Gasdiffusionskathoden, die elektrisch mit dem Pluspol verbunden sind und mit Gaskammern mit einem System von "Atmungslöchern", einer Zinkanode in Form eines Briketts aus Zinkpulver, die mit dem Minuspol verbunden ist, und einem Zwischenelektrodenseparator aus porösem dielektrisches Material, während die Anode aus mehreren flachen porösen Briketts besteht, die mit Abstand zueinander angeordnet und elektrisch parallel geschaltet sind, während die Ebenen der Briketts im VTsKhIT senkrecht zur Oberfläche der Kathoden installiert sind. Anodenbriketts können durch Trockenpressen von Zinkpulver und einem in einem Elektrolyten quellenden Expander mit einem Aufwand, der die maximale Dichte der Briketts mit einer minimalen Restporosität von 10–20 % gewährleistet, hergestellt und in einen Zwischenelektrodenseparator gewickelt werden. Jedes Anodenbrikett mit einem Separator wird in die Sitze von zwei Bechern aus gewelltem und perforiertem Polymermaterial gelegt, während zwischen dem Boden des Bechers und der Oberfläche des Briketts ein Hohlraum gebildet wird, die Richtung der Wellen am Boden des Tasse steht schräg zur Längsachse. Das in VTsKhIT geladene Elektrolytvolumen beträgt im Verhältnis zur Gesamtmasse des Zinks in der Anode 0,4 ÷ 0,6 cm 3 / g. Die physikalischen Parameter der „Atmungslöcher“ (Querschnitt, Länge) werden nach dem Wert des Grenzstroms gewählt, der dem 3-4-fachen des Nenn-Entladestroms entspricht. In die Zwischenräume zwischen Briketts und Kathoden kann eine Kapillarmatrix aus hochporösem, elastischem hydrophilem, gegen alkalischen Elektrolyten beständigem Material eingebracht werden, deren Porengröße mehr größe Poren im entladenen Anodenbrikett, und das Gesamtporenvolumen ist größer als das Volumen des in das VTsKhIT geladenen Elektrolyten. Die Kathode haftet fest an der Kapillarmatrix und wird durch Aufpressen eines Siebs aus einer teilweise hydrophobierten Mischung aus Pulvern aus technischem Kohlenstoff und Aktivkohle... Das technische Ergebnis der Erfindung besteht darin, den Nutzungsgrad der aktiven Masse zu erhöhen. 6 Zp. f-ly, 2 dwg

Zeichnungen für RF-Patent 2349991

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der primären chemischen Zink-Luft-Stromquellen (VTsKhIT) und kann als eigenständige Stromquelle verwendet werden.

Bekannte primäre VTsKhIT, die eine positive Elektrode (Kathode) enthält, die durch Pressen von Briketts aus Pulvern von Ruß (Ruß, Graphit) und Mangandioxid mit einem Zusatz von alkalischem Elektrolyten (Batterie "Liman", Spezifikationen TU 16-729.374-82, ILEV. 563212.003 DAS). Der Nachteil dieses bekannten VTsKhIT ist die geringe Stromdichte im Dauerentladungsmodus.

Von den bekannten VTSKHITs ist VTSKHIT in technischer Hinsicht am nächsten und das erzielte technische Ergebnis ist VTSKHIT mit einem flüssigen alkalischen Elektrolyten, der unmittelbar nach der Herstellung oder unmittelbar vor der Verwendung in die Zelle geladen wird und ein Gehäuse mit einem Deckel enthält, der mit positiven und negativen stromführenden Anschlüssen ausgestattet ist und eine mit einem Stopfen verschlossene Einfüllöffnung, eine oder mehrere Gasdiffusionskathoden, hermetisch im Zellkörper angebracht, elektrisch mit dem Pluspol verbunden, ausgestattet mit Gaskammern und einem System von "Atmungslöchern", einer Zinkanode in Form von ein Zinkpulverbrikett, das mit dem Minuspol verbunden ist, und ein Zwischenelektroden-Separator aus porösem dielektrischem Material (siehe http://www.itpower.co.uk/investire/zmcrep/pdf: WP Report "Investigation on Storage Technologies for Intermittent Renewable Energies" ", Storage Technology Report, WPST9-Metall-Luft-Systeme. Materialien 2002. ). Die Nachteile dieses VTsKhIT sind:

Einschränkung der Dicke (bzw. Masse) des Anodenbriketts, die nach Erreichen eines bestimmten Wertes zum Auftreten von Ausgleichsströmen innerhalb des Anodenbriketts führt, die zusätzlich zum Hauptentladestrom der Zelle zu zusätzlicher Auflösung führen Zink in der Frontalzone der Anode und elektrochemische Abscheidung der gleichen Menge Zink in tiefen oder deren Rückschichten. In der Zone der Zinkabscheidung nimmt die Porosität der Anode ab und der spezifische Gehalt des Elektrolyten dort ab. Dieses Phänomen führt zur Passivierung von Zink in den tiefen Schichten der Anode und zum Abschalten eines Teils der Abschnitte des Anodenmaterials vom Betrieb des Elements;

Ineffektiver Einsatz des Anodenmaterials (Zink) in der negativen Elektrode durch Verwendung von Zinkpulver mit großer spezifischer Oberfläche. Solche Pulver zeichnen sich durch eine erhöhte Selbstentladung aus, die über eine lange Betriebszeit (Tausende von Stunden) zu einem unproduktiven Verlust einer erheblichen (bis zu 30%) Menge des aktiven Anodenmaterials führt.

Das technische Ergebnis der Erfindung besteht darin, den Nutzungsgrad der aktiven Masse zu erhöhen und dadurch die spezifische Kapazität von VTsKhIT zu erhöhen.

Das angegebene technische Ergebnis wird dadurch erreicht, dass Zink-Luft-Primär chemische Quelle Strom (VTSKHIT) mit flüssigem alkalischem Elektrolyt, betankt in VTSKHIT unmittelbar nach der Herstellung oder unmittelbar vor der Verwendung, enthält ein Gehäuse mit einem Deckel mit positiven und negativen stromführenden Anschlüssen und einer Einfüllöffnung, verschlossen mit einem Stopfen, einem oder mehreren, Gasdiffusionskathoden, elektrisch mit dem Pluspol verbunden und ausgestattet mit Gaskammern mit einem System von "Atmungslöchern", einer Zinkanode in Form eines Briketts aus Zinkpulver, die mit dem Minuspol verbunden ist, und einem Zwischenelektroden-Separator aus a poröses dielektrisches Material, während die Anode aus mehreren flachen porösen Briketts besteht, die mit einem Abstand zueinander angeordnet und elektrisch parallel geschaltet sind, während die Ebenen der Briketts im VTsKhIT senkrecht zur Oberfläche der Kathoden installiert sind. Diese Implementierung von VTsKhIT ermöglicht es Ihnen, den Nutzungsgrad der aktiven Masse und der spezifischen Kapazität zu erhöhen.

Es empfiehlt sich, die Anodenbriketts durch Trockenpressen von Zinkpulver und einem im Elektrolyten aufquellenden Expander herzustellen, um die maximale Dichte der Briketts mit einer minimalen Restporosität von 10–20 % zu erreichen, und in einen Zwischenelektroden-Separator eingewickelt. Mit einer solchen Brikettherstellung ist es möglich, den Elektrolytfluss in die Tiefe des Briketts zu begrenzen und somit die Zinkkorrosion während des Betriebes der Zelle zu reduzieren. Die Randschichten aus Zink in Briketts bleiben für die Entladevorgänge des Bedienelementes zugänglich. Da die Randschichten aus Zink in den Anodenbriketts durch Quellung im Elektrolyten des Expanders gezündet werden, nimmt die Porosität der Briketts in dieser Zone zu. Die Erhöhung der Porosität trägt zum weiteren Eindringen des Elektrolyten in die Tiefen der Briketts und zum normalen Durchgang des Anodenentladungsprozesses bei. Die Verwendung eines Separators um das Brikett verhindert eine Verfärbung der Anodenbriketts, die beim Aufquellen des Expanders möglich ist.

Es ist ratsam, dass jedes Anodenbrikett mit einem Separator in die Sitze von zwei Bechern aus gewelltem und perforiertem Polymermaterial gelegt wird, während zwischen dem Boden des Bechers und der Oberfläche des Briketts ein Hohlraum gebildet wird, die Richtung der Wellen bei der Boden des Bechers steht in einem Winkel zur Längsachse des Bechers. Eine solche Anordnung von Briketts in VTsKhIT trägt zur Erhaltung einer ausreichenden Ionenleitfähigkeit des Elektrolyten entlang der Briketts während der gesamten Dauer der Anodenentladung bei. Diese Leitfähigkeit eliminiert oder reduziert den Effekt von Ausgleichsströmen in Briketts stark und trägt zur fast vollständigen Verwendung von Zink in der Anode während des Betriebs von VTsKhIT bei.

Es ist ratsam, dass das Volumen des in den VTsKhIT geladenen Elektrolyts im Verhältnis zur Gesamtmasse des Zinks in der Anode 0,4 0,6 cm 3 / g beträgt. Dieses in der Praxis etablierte Verhältnis zwischen Elektrolyt und Zink bietet die Möglichkeit, das Volumen von VTsKhIT maximal zu nutzen oder die maximale Kapazität zu erreichen.

Es empfiehlt sich, die physikalischen Parameter der "Atem"-Löcher (Querschnitt, Länge) unter Angabe des Nennableitstroms zu (1 / 3-1 / 4) des Wertes des Grenzableitstroms zu bestimmen. Dieser Zusammenhang wird dadurch bestimmt, dass der Wert des Entladestroms neben der Belastung der Zelle auch von der in die Betriebszelle eintretenden Sauerstoffmenge abhängt. Bei Luftmangel an der Kathode wird der Grenzstrom realisiert, wenn bei konstanter elektrischer Belastung gleichzeitig der Entladestrom und die Spannung des VTsKhIT sinken. Ein übermäßiger Luftstrom in das Element führt nicht zu einer Erhöhung der VTsKhIT-Spannung, sondern erhöht den Stoffaustausch des Elements mit der Umgebung. In diesem Fall kann entweder der Elektrolyt austrocknen, wenn sich trockene Luft um die Zelle befindet und das VTsKhIT zusammenbricht, oder eine übermäßige Aufnahme von Luftfeuchtigkeit durch den Elektrolyten, wenn feuchte Luft in der Nähe ist, wodurch der Elektrolyt austritt die Zelle. Beide Fälle sind für VTsKhIT nicht Standard. Das Maß für die in das VTsKhIT eintretende Luftmenge ist der Wert des Grenzstroms, der durch die Parameter der "Atmungslöcher" (Abschnitt, Länge) bestimmt wird. In der Praxis wird durch Ändern der Parameter der "Atmungslöcher" der Wert des Grenzstroms ausgewählt, der 3-4 mal höher sein sollte als der Nennentladestrom des VTsKhIT.

Eine Variante von VTsKhIT ist eine Variante, bei der anstelle von Bechern aus perforiertem und gewelltem Folienmaterial eine Kapillarmatrix aus einem hochporösen elastischen hydrophilen Material, das gegen einen alkalischen Elektrolyten beständig ist, zwischen Briketts und Kathoden platziert wurde. Die Kapillarmatrix sollte eine Porengröße aufweisen, die größer ist als die Porengröße im entladenen Anodenbrikett, und das Gesamtporenvolumen sollte größer sein als das Volumen des in den VTsKhIT geladenen Elektrolyten. Wenn diese Bedingungen erfüllt sind, wird das Vorhandensein von Elektrolyt in der Kapillar-(Elektrolyt-)Matrix in einer Menge sichergestellt, die eine hohe Leitfähigkeit des Elektrolyten in jedem Stadium der VCHIT-Entladung und die optimale spezifische Elektrolytmenge in den Anodenbriketts (0,4 -0,6 cm3/g).

Das Hauptmerkmal der Verwendung einer Kapillarmatrix ist die Möglichkeit, Kathoden in die Zelle einzubauen, ohne ihre Gaskammern hermetisch von den Anoden zu trennen. Die hydrophile Elektrolytmatrix aufgrund der Kapillardruckkräfte (in der hydrophilen Matrix ist der Druck negativ), der gesamte Elektrolyt ist in der Matrix enthalten, fließt nicht aus dieser heraus und sorgt so für seine Abwesenheit in den Gaskammern des Kathoden und die Möglichkeit des freien Luftstroms in den VCHIT.

Das Fehlen von freiem Elektrolyt im Anodenraum der Zelle ermöglicht die Verwendung von Kathoden, bei denen keine flüssigkeitsblockierende hydrophobe Schicht vorhanden ist. Eine solche Kathode weist nur eine aktive Schicht auf, auf der die elektrochemische Reaktion der Sauerstoffreduktion in der Luft stattfindet. Es ist ratsam, dass die Kathode fest an der Kapillarmatrix haftet und durch Pressen einer teilweise hydrophobierten Mischung von Pulvern aus Ruß und Aktivkohle auf ein Netz hergestellt wird. Elektroden dieser Art haben eine geringere Dicke, was es ermöglicht, das Volumen des Anodenraums und folglich die Kapazität des VTsKhIT zu erhöhen.

Die Analyse des Standes der Technik hat gezeigt, dass der beanspruchte Satz wesentlicher Merkmale, der in den Ansprüchen dargelegt ist, unbekannt ist. Dies lässt den Schluss zu, dass es das Kriterium "Neuheit" erfüllt.

Um die Übereinstimmung der beanspruchten Erfindung mit dem Kriterium "erfinderische Tätigkeit" zu überprüfen, wurde zusätzlich nach bekannten technischen Lösungen gesucht, um Merkmale zu identifizieren, die mit den Unterscheidungsmerkmalen des Prototyps der beanspruchten technischen Lösung übereinstimmen. Es hat sich gezeigt, dass die beanspruchte technische Lösung nicht explizit aus dem Stand der Technik folgt. Daher erfüllt die beanspruchte Erfindung das Kriterium der "erfinderischen Tätigkeit".

Das Wesen der Erfindung wird durch Zeichnungen und eine Beschreibung des Designs des VTsKhIT veranschaulicht.

1 zeigt das Design von VTsKhIT, das gemäß der vorgeschlagenen Erfindung hergestellt wurde.

Abbildung 2 zeigt eine Variation des Designs von VTsKhIT mit einer Kapillarmatrix.

Im Zellkörper (1) sind in seinen gegenüberliegenden Seitenwänden Kathoden (2) hermetisch angebracht. Auch das Design der Kathoden ähnelt dem der Prototyp-Kathoden. Die Kathoden in der Zelle befinden sich mit einer aktiven Schicht im Inneren der Zelle. Sie sind so im Zellkörper montiert, dass zwischen der Körperwand und der Kathode Kammern (16) gebildet werden. Diese Kammern sind für eine gleichmäßige Verteilung der Luft über die gesamte Oberfläche der Kathode erforderlich. Jede Luftkammer kommuniziert mit der umgebenden Atmosphäre durch mindestens zwei "Atmungs"-Löcher (13), die sich in ihrem unteren und oberen Teil befinden. Zwischen Kathode und Elementwandung in der Luftkammer sind Abstandshalter (4) eingebaut, die ein Durchbiegen der Kathode durch Innendruckeinwirkung verhindern. Die aktive Schicht der Kathode wird durch einen Zwischenelektroden-Separator (3) vor dem Kontakt mit der Anode geschützt. Anodenbriketts (6), hergestellt durch Trockenpressen von Zinkpulver und einem Expander (Stärke, Carboxymethylcellulose, Carbopol), sind mit Stromabnehmern (15) ausgestattet, die sich in der Mitte jedes Briketts befinden. Jedes Brikett ist in einen porösen Separator (7) gewickelt, der aus einem dielektrischen Material wie beispielsweise Polypropylenvlies besteht. Anodenbriketts werden im Innenvolumen des Elements vertikal mit Zwischenräumen installiert und befinden sich senkrecht zu den Oberflächen der Kathoden. Jedes Anodenbrikett (6) mit einem Separator (7) wird in zwei Schalen (14) aus gewelltem und perforiertem Polymermaterial gelegt, die eine Aufsetzfläche zum Einlegen von Briketts und einen zusätzlichen Hohlraum haben, der eine Kammer zwischen ihrem Boden und die Oberfläche des Briketts; die Richtung der Wellen am Boden des Bechers steht in einem Winkel (12) (ca. 45°) zu seiner Längsachse. Die Tiefe des Hohlraums des Bechers gewährleistet eine dichte Packung der Anodenbriketts in den Bechern im Innenvolumen des Elements (5).

Von oben werden die Anodenbriketts mit einem Innendeckel (8) abgedeckt. Das gesamte Element ist mit einem Deckel (9) ausgestattet, an dem sich Stromzuführungen von den Elektroden, einem Füllstopfen (11) und einem Flüssigkeitsstabilisator des Elektrolytstandes (10) befinden. Der Deckel (9) ist hermetisch am Zellkörper befestigt. Das Design des Elements bietet die Möglichkeit seiner Backup-Verwendung. VTSKhIT wird trocken geladen und durch Befüllen durch den Füllstopfen mit einem flüssigen alkalischen Elektrolyten betrieben. Ohne Elektrolyt mit verschlossenen „Atmungslöchern“ kann die Zelle ohne Qualitätsverlust mehrere Jahre gelagert werden. VTSKHIT funktioniert wie folgt. Nachdem die Zelle durch die mit einem Stopfen (11) verschlossene Einfüllöffnung mit flüssigem alkalischem Elektrolyt befüllt und durch Öffnen der "Atmungsöffnungen" entkonserviert wurde, tritt an den Ausgangsklemmen der Zelle eine Spannung auf.

Wenn die Zelle zum Entladen eingeschaltet wird, treten an den Elektroden elektrochemische Reaktionen auf, die in der Einleitung zu dieser Erfindung beschrieben sind. Luft aus der Umgebung tritt durch die "Atem"-Löcher zuerst in die Gaskammer der Kathode ein, dann dringt sie aufgrund der Diffusion durch die Poren der hydrophoben Flüssigkeitssperrschicht in ihre aktive Schicht ein, wo Sauerstoff ionisiert wird. Durch den Verbrauch von Sauerstoff, einem schweren Bestandteil der Luft, ändert sich die Zusammensetzung der Luft und ihre Dichte nimmt ab. Dadurch entsteht im Gasraum der Kathode eine konvektive Luftströmung von unten nach oben. Die Abluft tritt durch die obere „Atem“-Öffnung aus, und als Ersatz wird ein Teil der Frischluft durch die untere „Atem“-Öffnung in die Kammer gesaugt. Somit gewährleistet der Sauerstoffverbrauch an der Kathode die kontinuierliche Zufuhr neuer Luftportionen zur elektrochemischen Reaktionszone. Ein anderes System von "Atmungslöchern" ist möglich, das den Zellendeckel oder die obere Ebene des Zellenkörpers nutzt. In diesem System frische Luft wird durch ein im Gasraum der Kathode befindliches Rohr in das Element gesaugt und verbindet das Loch im Deckel oder im oberen Teil des Gehäuses mit der unteren Ebene des Gasraums der Kathode. Auslässe befinden sich entweder im Deckel oder im oberen Teil des Gehäuses. Die konvektive Luftbewegung in der Kathodenkammer in diesem System wird ähnlich der vorherigen sein. Die Intensität des konvektiven Luftstroms wird durch die Geschwindigkeit der Sauerstoffaufnahme durch die elektrochemische Reaktion der Zellentladung bestimmt, d.h. die Höhe des Entladestroms. Somit wird eine automatische Verknüpfung zwischen dem Entladestrom und der Größe des konvektiven Luftstroms hergestellt. Der Grad dieser Beziehung wird durch den Strömungswiderstand (Durchmesser und Länge) der "Atem"-Löcher bestimmt. Ein unzureichender Querschnitt dieser Löcher führt zu einer Verlangsamung des konvektiven Luftstroms und begrenzt die Sauerstoffmenge oder entsprechend den Wert des Entladestroms der Zelle. Wenn der Querschnitt der Löcher größer als der Nennquerschnitt ist, erhöht sich der Wert des Entladungsstroms nicht, aber die Intensität der Konvektionsströmung und damit die Intensität des Stoffaustausches des Elements mit der Umgebung. Dadurch kann sich das Elektrolytvolumen in der Zelle ändern. Sie erhöht sich entweder, wenn die Umgebungsfeuchtigkeit über dem durchschnittlichen (berechneten) Wert liegt, oder sinkt in einer trockeneren Atmosphäre. Die physikalischen Parameter der "Atmungs"-Löcher (Abschnitt, Länge) werden empirisch auf der Grundlage des Grenzstroms ausgewählt, der das 3-4-fache des Nenn-Entladestroms betragen sollte.

Der Wert des Grenzstroms wird so bestimmt, dass sich die Spannung des Elements, das auf einen konstanten Widerstand entladen wird, nicht stabilisiert, sondern monoton abfällt.

An der Anode werden Zinkpartikel, die den Kathoden am nächsten sind, oxidiert. Gleichzeitig mit diesem Vorgang interagieren die Expanderpartikel mit dem Elektrolyten. Der Expander quillt im Elektrolyten auf und vergrößert sein Volumen. Die aufgequollenen Expanderpartikel drücken die benachbarten Zinkpartikel auseinander und erhöhen den lokalen Elektrolytgehalt, wodurch die negative Wirkung des sich ansammelnden Entladungsprodukts – Zinkoxid – verringert wird. Zinkoxid fällt aus der Elektrolytlösung in der Entladungszone aus, wenn diese mit Zinkaten übersättigt ist. Dadurch, dass die Anodenbriketts durch Druck bis zum Erreichen ihrer natürlichen maximalen Dichte gepresst wurden, sind die inneren Bereiche der Anodenbriketts für den Elektrolyten praktisch unzugänglich. Diese "trockenen" Bereiche interagieren nicht mit dem Elektrolyten und unterliegen daher keinen korrosiven Prozessen. Ein zusätzlicher Effekt zur Reduzierung von Korrosionsprozessen ist die Verwendung von Zinkpulver, das durch Aufsprühen der Schmelze gewonnen wird. Solche Pulver haben keine große spezifische Oberfläche und daher wird die Geschwindigkeit ihrer Wechselwirkung mit dem Elektrolyten stark unterschätzt. Die Entladungsvorgänge der Anoden durchlaufen ihre äußeren Schichten, die durch das Aufquellen des Expanders im Elektrolyten an Volumen zunehmen und die Hohlräume der Näpfe nach und nach ausfüllen. Wenn sich die Entladungszone der Anode vertieft, nimmt der Widerstand des Elektrolyten in den Poren der Entladungszone zu. Parallel zu den durch die Poren der Entladezone verlaufenden Stromlinien befinden sich zwischen den mit freiem Elektrolyt gefüllten Briketts Lücken. Dabei wird der Ionenentladestrom so über die Anodenbriketts verteilt, dass die Außenflächen der Anodenbriketts mit dem Entladevorgang verbunden sind und deren Entladung von den Außenflächen in die Briketts mündet. Die Dicke der Briketts ist geringer als ihre Gesamtabmessungen und daher erfolgt die Entladung von der Peripherie zur Mitte der Briketts. Dieser Effekt schafft die Voraussetzung für den vollständigen Zinkaustrag in Briketts. Die expandierenden Anodenbriketts füllen im Grenzfall das gesamte Volumen der Becher aus. Die schräge Anordnung der Wellen zur Achse der Schalen schafft einen garantierten Mindestabstand zwischen benachbarten Schalen, gleich der doppelten Höhe der Welle. Die Steifigkeit des gewellten Bodens der Becher reicht aus, um einen minimalen Spalt zwischen den Briketts aufrechtzuerhalten, bis das Zink vollständig in den Briketts ausgetragen ist. Die Leitfähigkeit des Elektrolyten in diesem Spalt hält den Entlademodus der Briketts von vorne nach innen aufrecht. Die Ausdehnung der Anodenbriketts nach oben wird durch den Innendeckel (8) begrenzt. Durch diese Abdeckung bleibt im oberen Teil der Zelle ein Freiraum, in dem sich ein zusätzliches Elektrolytvolumen ansammeln kann, das beispielsweise durch die Aufnahme von Wasserdampf aus der Atmosphäre durch den Elektrolyten entsteht, wenn dieser längere Zeit eine relative Luftfeuchtigkeit höher als die berechnete für die vorgesehenen Verwendungsbereiche der Zellen.

Eine Art der Elementbauweise, bei der Anodenbriketts mit einem Separator in Becher gelegt werden, ist eine in Abb. 2 gezeigte Bauform mit Kapillarmatrizen, bei der eine Kapillarmatrix in die Lücken zwischen den Briketts und Kathoden eingelegt ist aus ein hochporöses elastisches hydrophiles Material, das in einem alkalischen Elektrolyten stabil ist, dessen Poren größer sind als die Porengröße im entladenen Brikett und das Porenvolumen größer ist als das Volumen des in die Zelle geladenen Elektrolyten. Zwischen den Anodenbriketts (6) sind Kapillarmatrizen (14) angeordnet, die das gesamte für den Betrieb der Zelle erforderliche Elektrolytvolumen aufnehmen.

Der Elektrolyt in der Matrix wird durch Kapillarkräfte zurückgehalten. Die Verwendung einer Kapillarmatrix erhöht die Zuverlässigkeit der Stromquelle, da in diesem Fall die grundsätzliche Möglichkeit der Befüllung des Gasraums mit Elektrolyt entfällt, der durch eine Verletzung der Dichtigkeit der Kathode in den Gasraum der Kathode gelangen kann Einbettungseinheit in das Element. Wenn die Gaskammer mit Elektrolyt gefüllt ist, werden ihre "Atmungs"-Öffnungen blockiert und der Luftzugang zur Kathode stoppt. Das Fehlen von Sauerstoff in der Kathode stoppt den elektrochemischen Prozess der Stromerzeugung und schaltet damit die Zelle ab. Das Matrixmaterial ist nicht leitend und wechselwirkt nicht chemisch mit dem Elektrolyten. Es ermöglicht auch, dass sich die Matrix unter Einwirkung einer Druckkraft elastisch verformt. Die Porengröße in der Matrix sollte so bemessen sein, dass einerseits das Elektrolytvolumen im oberen Teil der Zelle in einer Menge gehalten wird, die die Entladung benachbarter Zinkbriketts ermöglicht, andererseits die Größe von seine Poren sollten große Poren sein, die in dem Anodenbrikett der Entladezone gebildet werden. Sind diese Bedingungen erfüllt, bleibt die Ionenleitfähigkeit des Systems erhalten: Die Kapillarmatrix ist bei jedem Entladegrad der Briketts ein Anodenbrikett. Die sich während der Entladung ausdehnenden Anodenbriketts quetschen die Kapillarmatrizen und quetschen den Elektrolyten aus den Matrizen in die Briketts. Dieser Prozess hält die Konstanz des Elektrolytvolumens im gemeinsamen porösen Matrix-Brikett-System aufrecht. Bei Verwendung einer Kapillarmatrix kann die Kathode frei (nicht hermetisch abgedichtet) im Zellkörper eingebaut werden, wobei der feste Sitz an der Matrix gewährleistet ist. Unter Ausnutzung der Eigenschaft der Kapillarmatrix, den Elektrolyten zu absorbieren, ist es möglich, eine eng an die Kapillarmatrix angrenzende Kathode zu verwenden, die durch Pressen einer teilweise hydrophobierten Mischung von Pulvern aus technischer Kohle und Aktivkohle auf ein Gewebe hergestellt wird. Eine solche Elektrode ist einfacher herzustellen und während des Betriebs des Elements nicht weniger aktiv. Das Fehlen von Elektrolytleckagen stellt ein physikalisches Phänomen dar - den Kapillardruck, der für eine hydrophile Matrix einen negativen Wert hat. Die Verwendung von Kapillararrays macht gewellte und perforierte Becher überflüssig. Während der Entladung der Zelle wird der Elektrolyt gemäß dem physikalischen Gesetz des Kapillargleichgewichts des Systems poröser Medien ständig von der Matrix gehalten und gibt ihn proportional zu ihrem Entladungsgrad (der Grad der Volumenzunahme). Der Widerstand des Elektrolyten in der hochporösen Matrix ist geringer als der Widerstand in den Poren der Entladungszone der Anoden. Aus diesem Grund verteilt sich der Entladeionenstrom auf die Anodenbriketts genauso wie bei Zellen mit freiem Elektrolyt, wenn die Außenflächen der Anodenbriketts an den Entladevorgang angeschlossen sind und deren Entladung von den Außenflächen in die Briketts fließt . Die Dicke der Briketts ist relativ klein gewählt, so dass ihre Entladung fast vollständig mit einem hohen Koeffizienten erfolgt nützliche Verwendung Zink (KPI). Die praktisch erreichten KPI-Werte liegen auf dem Niveau von 0,92-0,95. Die Verwendung aller Konstruktionsmerkmale des Zink-Luft-Elements, die in dieser Erfindung dargelegt sind grosse Kapazität erreicht spezifische Energieniveaus bis 500 Wh/kg und 1100 Wh/L.

Aus dem Vorstehenden kann geschlossen werden, dass die deklarierte VTsKhIT mit dem Erreichen des deklarierten technischen Ergebnisses, d.h. es erfüllt das Kriterium "gewerbliche Anwendbarkeit".

ANSPRUCH

1. Primäre chemische Zink-Luft-Stromquelle (VTsKhIT) mit flüssigem alkalischem Elektrolyt, betankt in VTsKhIT unmittelbar nach der Herstellung oder unmittelbar vor der Verwendung, bestehend aus einem Gehäuse mit einem Deckel mit positiven und negativen stromführenden Anschlüssen und einer Einfüllöffnung, die mit . verschlossen ist ein Stopfen, eine oder mehrere Gasdiffusionskathoden, die elektrisch mit dem Pluspol verbunden und mit Gaskammern mit einem System von "Atmungslöchern" ausgestattet sind, eine Zinkanode in Form eines Briketts aus Zinkpulver, die mit dem Minuspol verbunden ist, und ein Zwischenelektroden-Separator aus einem porösen dielektrischen Material, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode aus mehreren flachen porösen Briketts besteht, die mit Abstand zueinander angeordnet sind, elektrisch parallel geschaltet sind, während die Ebenen der Briketts in VTsKhIT senkrecht zur Oberfläche der Kathoden.

2. VTsKhIT nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenbriketts durch Trockenpressen von Zinkpulvern und einem im Elektrolyten durch Kraftquellen aufquellenden Expander hergestellt werden, der die maximale Dichte der Briketts mit einer minimalen 10-20% Restporosität bereitstellt, und verpackt in einem Zwischenelektroden-Separator.

3. VTSKHIT nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Anodenbrikett mit einem Separator in den Sitzen von zwei Bechern aus gewelltem und perforiertem Polymermaterial angeordnet ist, während zwischen dem Boden des Bechers und der Oberfläche des Briketts ein Hohlraum gebildet wird , die Richtung der Wellen am Boden des Bechers ist schräg zu seiner Längsachse.

4. VTsKhIT nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des in VTsKhIT eingefüllten Elektrolyten im Verhältnis zur Gesamtmasse des Zinks in der Anode 0,4 ÷ 0,6 cm 3 /g beträgt.

5. VTsKhIT nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die physikalischen Parameter der "Atem"-Löcher (Querschnitt, Länge) nach dem Wert des Grenzstroms gewählt werden, der das 3-4-fache des Nenn-Entladestroms beträgt.

6. VTsKhIT nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Spalte zwischen den Briketts und den Kathoden eine Kapillarmatrix aus einem hochporösen, elastischen, im alkalischen Elektrolyten beständigen, hydrophilen Material eingebracht ist, deren Porengröße größer als ist die Porengröße im entladenen Anodenbrikett, und das Gesamtvolumen der Poren ist größer als das Volumen des in VTsKhIT geladenen Elektrolyten.

7. VTsKhIT nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode fest an der Kapillarmatrix haftet und durch Aufpressen des Netzes eine teilweise hydrophobierte Mischung aus Pulvern aus technischer Kohle und Aktivkohle hergestellt wird.

Langzeitbereich Zink-Luft-Batterien ging nicht über die Medizin hinaus. Hohe Kapazität und langfristig Dienste (inaktiv) haben es ihnen ermöglicht, die Nische der Einweg-Hörgerätebatterien nahtlos zu besetzen. Doch in den letzten Jahren hat das Interesse der Automobilhersteller an dieser Technologie stark zugenommen. Einige glauben, dass eine Alternative zu Lithium gefunden wurde. Ist es so?

Eine Zink-Luft-Batterie für ein Elektrofahrzeug kann wie folgt angeordnet werden: Elektroden werden in ein in Fächer unterteiltes Fach eingesetzt, an dem Luftsauerstoff adsorbiert und reduziert wird, sowie spezielle herausnehmbare Kassetten gefüllt mit Verbrauchsmaterial Anode, in diesem Fall Zinkgranulat. Zwischen der negativen und der positiven Elektrode wird ein Separator platziert. Kann als Elektrolyt verwendet werden Wasserlösung Kaliumhydroxid oder Zinkchloridlösung.

Von außen eintretende Luft bildet mit Hilfe von Katalysatoren in der wässrigen Elektrolytlösung Hydroxylionen, die die Zinkelektrode oxidieren. Bei dieser Reaktion werden Elektronen freigesetzt, die einen elektrischen Strom bilden.

Vorteile

Schätzungen zufolge betragen die weltweiten Zinkreserven etwa 1,9 Gigatonnen. Wenn wir jetzt die Weltproduktion von Zinkmetall starten, dann wird es in ein paar Jahren möglich sein, eine Milliarde Zink-Luft-Batterien mit einer Kapazität von jeweils 10 kW * h zu montieren. Es wird beispielsweise mehr als 180 Jahre dauern, um die gleiche Menge unter den derzeitigen Bedingungen des Lithiumabbaus zu schaffen. Die Verfügbarkeit von Zink wird auch dazu beitragen, den Batteriepreis zu senken.

Es ist auch sehr wichtig, dass Zink-Luft-Zellen mit einem transparenten Recyclingsystem für Abfallzink umweltfreundliche Produkte sind. Die hier verwendeten Materialien belasten die Umwelt nicht und können recycelt werden. Auch das Reaktionsprodukt von Zink-Luft-Nährstoffen (Zinkoxid) ist für Mensch und Umwelt absolut unbedenklich. Nicht umsonst wird Zinkoxid als Hauptbestandteil für Babypuder verwendet.

Der Hauptvorteil, der Elektrofahrzeuge auf diese Technologie freut, ist Hohe Dichte Energie (2-3 mal höher als die von Li-Ion). Bereits jetzt erreicht der Energieverbrauch von Zink-Luft 450 W*h/kg, aber die theoretische Dichte kann 1350 W*h/kg betragen!

Nachteile

Da wir keine Elektrofahrzeuge mit Zink-Luft-Batterien fahren, gibt es auch Nachteile. Erstens sind solche Elemente schwer wiederaufladbar mit genug Entlade-/Ladezyklen. Beim Betrieb der Zink-Luft-Batterie trocknet der Elektrolyt einfach aus oder dringt zu tief in die Poren der Luftelektrode ein. Und da das abgeschiedene Zink ungleichmäßig verteilt ist und eine verzweigte Struktur bildet, treten häufig Kurzschlüsse zwischen den Elektroden auf.

Wissenschaftler suchen nach einem Ausweg. Die amerikanische Firma ZAI löste dieses Problem, indem sie einfach den Elektrolyten ersetzte und frische Zinkkartuschen hinzufügte. Dazu bedarf es natürlich einer gut ausgebauten Tankstelleninfrastruktur, bei der das oxidierte Aktivmaterial in der Anodenkassette durch frisches Zink ersetzt wird.

Und obwohl die wirtschaftliche Komponente des Projekts noch nicht ausgearbeitet ist, werden die Kosten für eine solche "Aufladung" nach Angaben der Hersteller deutlich geringer sein als beim Betanken eines Autos mit Verbrennungsmotor. Darüber hinaus dauert der Wechsel des aktiven Materials nicht länger als 10 Minuten. Selbst superschnelle können in dieser Zeit nur 50% ihres Potenzials auffüllen. Im vergangenen Jahr demonstrierte Leo Motors aus Korea bereits ZAI-Zink-Luft-Batterien auf seinem Elektro-Lkw.

Der Massenmarkteintritt von kompakten Zink-Luft-Batterien könnte das Marktsegment der kleinen Stromerzeuger erheblich verändern autarke Stromversorgung für Laptop-Computer und digitale Geräte.

Energieproblem

und in den letzten Jahren ist die Flotte tragbarer Computer und verschiedener digitaler Geräte erheblich gewachsen, von denen viele erst kürzlich auf dem Markt erschienen sind. Dieser Prozess hat sich durch die steigende Popularität deutlich beschleunigt Mobiltelefone... Das schnelle Wachstum der Zahl der tragbaren elektronische Geräte führte zu einem starken Anstieg der Nachfrage nach autonomen Stromquellen, insbesondere nach verschiedenen Arten von Batterien und Akkumulatoren.

Allerdings muss sichergestellt werden riesige Menge tragbare Geräte mit Batterien sind nur eine Seite des Problems. Mit der Entwicklung tragbarer elektronischer Geräte steigt also die Bestückungsdichte der Elemente und die Leistung der darin verwendeten Mikroprozessoren - in nur drei Jahren hat sich die Taktfrequenz der verwendeten PDA-Prozessoren um eine Größenordnung erhöht. Winzige monochrome Bildschirme werden durch Farbdisplays mit . ersetzt hohe Auflösung und eine vergrößerte Bildschirmgröße. All dies führt zu einem erhöhten Energieverbrauch. Darüber hinaus ist im Bereich der portablen Elektronik ein klarer Trend zur weiteren Miniaturisierung zu erkennen. Berücksichtigen die oben genannten Faktoren Es wird deutlich, dass eine Steigerung der Energieintensität, Leistung, Lebensdauer und Zuverlässigkeit der verwendeten Batterien eine der wesentliche Voraussetzungen die Weiterentwicklung tragbarer elektronischer Geräte zu gewährleisten.

Das Problem der erneuerbaren Quellen der autonomen Stromversorgung ist im Segment der tragbaren PCs sehr akut. Moderne Technologien ermöglichen es Ihnen, Laptops zu erstellen, die in ihrer funktionalen Ausstattung und Leistung vollwertigen Desktop-Systemen praktisch nicht unterlegen sind. Das Fehlen ausreichend wirksamer Quellen für eine autonome Stromversorgung beraubt jedoch Laptop-Benutzer eines der Hauptvorteile dieser Art von Computer - die Mobilität. Ein guter Indikator für einen modernen Laptop, der mit einem Lithium-Ionen-Akku ausgestattet ist, ist eine Akkulaufzeit von etwa 4 Stunden 1, jedoch für ein vollwertiges Arbeiten in mobile Bedingungen dies ist eindeutig nicht genug (zum Beispiel dauert ein Flug von Moskau nach Tokio etwa 10 Stunden und von Moskau nach Los Angeles fast 15 Stunden).

Eine der Möglichkeiten, das Problem der Batterielebensdauererhöhung tragbarer PCs zu lösen, ist der Übergang von den inzwischen weit verbreiteten Nickel-Metallhydrid- und Lithium-Ionen-Batterien hin zu chemischen Brennstoffzellen 2. Brennstoffzellen mit niedriger Betriebstemperatur wie PEM (Proton Exchange Membrane) und DMCF (Direct Methanol Fuel Cells) sind die vielversprechendsten für Anwendungen in tragbaren elektronischen Geräten und PCs. Als Brennstoff für diese Elemente wird eine wässrige Lösung von Methylalkohol (Methanol) 3 verwendet.

Um die Zukunft der chemischen Brennstoffzellen an dieser Stelle jedoch ausschließlich in rosa Töne es wäre zu optimistisch. Tatsache ist, dass der Massenverteilung von Brennstoffzellen in tragbaren elektronischen Geräten mindestens zwei Hindernisse im Wege stehen. Zum einen ist Methanol ein ziemlich giftiger Stoff, was erhöhte Anforderungen an die Dichtheit und Zuverlässigkeit von Tankpatronen mit sich bringt. Zweitens, um eine akzeptable Reisegeschwindigkeit zu gewährleisten chemische Reaktionen in Brennstoffzellen mit niedriger Betriebstemperatur müssen Katalysatoren eingesetzt werden. Derzeit werden Katalysatoren aus Platin und seinen Legierungen in PEM- und DMCF-Zellen verwendet, aber die natürlichen Reserven dieser Substanz sind gering und ihre Kosten hoch. Es ist theoretisch möglich, Platin durch andere Katalysatoren zu ersetzen, aber bisher konnte keines der Teams, die in diese Richtung forschen, eine akzeptable Alternative finden. Heutzutage ist das sogenannte Platinproblem vielleicht das gravierendste Hindernis für die weit verbreitete Einführung von Brennstoffzellen in Laptops und elektronischen Geräten.

1 Dies bezieht sich auf die Betriebszeit des Standardakkus.

2 Lesen Sie mehr über Brennstoffzellen im Artikel „Fuel Cells: A Year of Hope“, erschienen in # 1'2005.

3 Mit gasförmigem Wasserstoff betriebene PEM-Zellen verfügen über einen integrierten Konverter zur Herstellung von Wasserstoff aus Methanol.

Zink-Luft-Zellen

Obwohl die Autoren einer Reihe von Veröffentlichungen Zink-Luft-Batterien und -Akkumulatoren zu den Unterarten der Brennstoffzellen zählen, ist dies nicht ganz richtig. Nachdem man sich mit dem Gerät und dem Funktionsprinzip von Zink-Luft-Zellen vertraut gemacht hat, kann man auch im Allgemeinen eine völlig eindeutige Schlussfolgerung ziehen, dass es richtiger ist, sie als separate Klasse autonomer Stromversorgungen zu betrachten.

Das Design der Zink-Luft-Zelle umfasst eine Kathode und eine Anode, die durch einen alkalischen Elektrolyten und mechanische Separatoren getrennt sind. Als Kathode wird eine Gasdiffusionselektrode (GDE) verwendet, deren permeable Membran die Gewinnung von Sauerstoff aus der durch sie zirkulierenden Atmosphärenluft ermöglicht. Der "Brennstoff" ist die Zinkanode, die während des Betriebs der Zelle oxidiert wird, und das Oxidationsmittel ist Sauerstoff, der aus der durch die "Atemlöcher" eintretenden atmosphärischen Luft gewonnen wird.

An der Kathode findet die Reaktion der Elektroreduktion von Sauerstoff statt, dessen Produkte negativ geladene Hydroxidionen sind:

O 2 + 2H 2 O + 4e 4OH –.

Hydroxidionen wandern im Elektrolyten zur Zinkanode, wo die Zinkoxidationsreaktion unter Freisetzung von Elektronen stattfindet, die über den äußeren Kreislauf zur Kathode zurückkehren:

Zn + 4OH - Zn (OH) 4 2– + 2e.

Zn (OH) 4 2– ZnO + 2OH - + H 2 O.

Dass Zink-Luft-Zellen nicht unter die Einordnung der chemischen Brennstoffzellen fallen, liegt auf der Hand: Zum einen verwenden sie eine verbrauchbare Elektrode (Anode), zum anderen befindet sich der Brennstoff zunächst im Inneren der Zelle und wird im Betrieb nicht aus der Zelle zugeführt außen.

Die Spannung zwischen den Elektroden einer Zink-Luft-Zelle beträgt 1,45 V, was der von Alkalibatterien sehr nahe kommt. Zur Erzielung einer höheren Versorgungsspannung können bei Bedarf mehrere in Reihe geschaltete Zellen zu einer Batterie zusammengefasst werden.

Zink ist weit verbreitet und preiswertes Material, dank dem Hersteller bei der Massenproduktion von Zink-Luft-Zellen keine Probleme mit Rohstoffen haben. Darüber hinaus auch auf Erstphase die Kosten für solche Netzteile werden recht wettbewerbsfähig sein.

Wichtig ist auch, dass Zink-Luft-Zellen sehr umweltfreundliche Produkte sind. Die zu ihrer Herstellung verwendeten Materialien belasten die Umwelt nicht und können nach dem Recycling wiederverwendet werden. Auch die Reaktionsprodukte der Zink-Luft-Elemente (Wasser und Zinkoxid) sind für Mensch und Umwelt absolut unbedenklich – Zinkoxid wird sogar als Hauptbestandteil von Babypuder verwendet.

Unter den Betriebseigenschaften von Zink-Luft-Zellen sind solche Vorteile wie eine geringe Selbstentladungsrate im nicht aktivierten Zustand und eine geringe Änderung des Spannungswertes während der Entladung (flache Entladekurve) hervorzuheben.

Ein gewisser Nachteil von Zink-Luft-Zellen ist der Einfluss der relativen Feuchtigkeit der einströmenden Luft auf die Eigenschaften des Elements. Beispielsweise verringert sich bei einer Zink-Luft-Zelle, die für den Betrieb bei 60 % RH ausgelegt ist, bei einer Luftfeuchtigkeit von 90 % die Lebensdauer um etwa 15 %.

Von Batterien bis Akkus

Einwegbatterien sind die am einfachsten zu implementierende Option für Zink-Luft-Zellen. Bei der Herstellung von Zink-Luft-Zellen große Größe und Strom (z.B. zur Versorgung von Kraftwerken Fahrzeug) können Kassetten mit Zinkanoden austauschbar gemacht werden. Um die Energieversorgung zu erneuern, reicht es in diesem Fall aus, die Kassette mit den verbrauchten Elektroden zu entfernen und stattdessen eine neue zu installieren. Gebrauchte Elektroden können in Fachbetrieben elektrochemisch zur Wiederverwendung zurückgewonnen werden.

Sprechen wir von Kompaktbatterien, die für den Einsatz in tragbaren PCs und elektronischen Geräten geeignet sind, dann ist die praktische Umsetzung der Option mit austauschbaren Zink-Anoden-Kassetten aufgrund der geringen Größe der Batterien nicht möglich. Aus diesem Grund sind die meisten der derzeit auf dem Markt befindlichen kompakten Zink-Luft-Zellen Einwegartikel. Einweg-Zink-Luft-Batterien kleine Größe produziert von den Firmen Duracell, Eveready, Varta, Matsushita, GP, sowie dem heimischen Unternehmen Energia. Das Hauptanwendungsgebiet solcher Stromquellen sind Hörgeräte, tragbare Radios, Fotoausrüstung usw.

Viele Unternehmen stellen jetzt Einweg-Zink-Luft-Batterien her

Vor einigen Jahren produzierte AER Zink-Luft-Batterien von Power Slice für Laptops. Diese Artikel wurden für die Notebooks der Serien Omnibook 600 und Omnibook 800 von Hewlett-Packard entwickelt; ihre Akkulaufzeit reichte von 8 bis 12 Stunden.

Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, wiederaufladbare Zink-Luft-Zellen (Batterien) zu erstellen, in denen, wenn verbunden externe Quelle Strom an der Anode, wird die Zinkreduktionsreaktion ablaufen. Die praktische Umsetzung solcher Projekte war jedoch lange Zeit behindert. ernsthafte Probleme aufgrund der chemischen Eigenschaften von Zink. Zinkoxid löst sich gut in einem alkalischen Elektrolyten und verteilt sich in gelöster Form im Elektrolytvolumen von der Anode weg. Aus diesem Grund ändert sich beim Laden aus einer externen Stromquelle die Geometrie der Anode erheblich: Aus Oxid gewonnenes Zinkoxid lagert sich in Form von Bandkristallen (Dendriten) auf der Oberfläche der Anode ab, ähnlich wie lange Stacheln. Dendriten durchdringen die Separatoren und verursachen einen Kurzschluss im Inneren der Batterie.

Dieses Problem wird durch die Tatsache verschärft, dass die Anoden der Zink-Luft-Zellen zur Leistungssteigerung aus zerkleinertem Zinkpulver bestehen (dies ermöglicht eine deutliche Vergrößerung der Oberfläche der Elektrode). Somit nimmt die Anodenoberfläche mit zunehmender Anzahl von Lade-Entlade-Zyklen allmählich ab, was zu Negativer Einfluss auf die Leistung des Elements.

Bis heute hat Zinc Matrix Power (ZMP) den größten Erfolg bei kompakten Zink-Luft-Batterien erzielt. ZMP-Spezialisten haben eine einzigartige Zink-Matrix-Technologie entwickelt, die die Hauptprobleme beim Laden von Batterien gelöst hat. Die Essenz dieser Technologie ist die Verwendung eines Polymerbinders, der das ungehinderte Eindringen von Hydroxidionen gewährleistet, aber gleichzeitig die Bewegung des sich im Elektrolyten lösenden Zinkoxids blockiert. Durch die Verwendung dieser Lösung ist es möglich, für mindestens 100 Lade-Entlade-Zyklen merkliche Veränderungen der Form und Oberfläche der Anode zu vermeiden.

Die Vorteile von Zink-Luft-Batterien sind lange Zeit Arbeit und eine große spezifische Energieintensität, mindestens doppelt so hoch wie die der besten Lithium-Ionen-Batterien. Der spezifische Energieverbrauch von Zink-Luft-Batterien erreicht 240 Wh pro 1 kg Gewicht und die maximale Leistung beträgt 5000 W / kg.

Nach Angaben der ZMP-Entwickler ist es heute möglich, Zink-Luft-Batterien für tragbare elektronische Geräte (Mobiltelefone, digitale Player etc.) mit einer Energiekapazität von etwa 20 Wh herzustellen. Die kleinstmögliche Dicke solcher Netzteile beträgt nur 3 mm. Experimentelle Prototypen von Zink-Luft-Batterien für Notebooks haben eine Energiekapazität von 100 bis 200 Wh.

Zink-Luft-Prototyp-Batterie von Zinc Matrix Power

Ein weiterer wichtiger Vorteil von Zink-Luft-Batterien ist das völlige Fehlen des sogenannten Memory-Effekts. Im Gegensatz zu anderen Batterietypen können Zink-Luft-Zellen bei jedem Ladezustand aufgeladen werden, ohne ihre Energiekapazität zu beeinträchtigen. Darüber hinaus sind Zink-Luft-Zellen viel sicherer als Lithium-Batterien.

Abschließend kann man nicht umhin, ein wichtiges Ereignis zu erwähnen, das zu einem symbolischen Ausgangspunkt auf dem Weg zur Kommerzialisierung von Zink-Luft-Zellen wurde: Am 9. Juni letzten Jahres gab Zinc Matrix Power offiziell die Unterzeichnung einer strategischen Vereinbarung mit der Intel Corporation bekannt . Vorbehaltlich der Bedingungen dieser Vereinbarung werden ZMP und Intel ihre Kräfte bündeln, um neue Technologie wiederaufladbare Batterien für Laptop-Computer. Zu den Hauptzielen dieser Arbeiten gehört es, die Akkulaufzeit von Laptops auf bis zu 10 Stunden zu erhöhen. Nach bisherigem Plan sollen die ersten Notebook-Modelle mit Zink-Luft-Batterien im Jahr 2006 auf den Markt kommen.