Tieto prvky sa vyznačujú najvyššou hustotou zo všetkých moderných technológií. Dôvodom boli komponenty použité v týchto batériách. Tieto články využívajú ako katódové činidlo vzdušný kyslík, čo sa odráža aj v ich názve. Aby vzduch reagoval so zinkovou anódou, sú v puzdre batérie vytvorené malé otvory. Ako elektrolyt v týchto článkoch sa používa hydroxid draselný, ktorý je vysoko vodivý.
Zinkové vzduchové články, pôvodne navrhnuté ako nenabíjateľný zdroj energie, majú dlhú a stabilnú trvanlivosť, aspoň keď sú skladované vzduchotesne a neaktívne. V tomto prípade počas roka skladovania stratia takéto prvky asi 2 percentá svojej kapacity. Akonáhle sa vzduch dostane do batérie, tieto batérie nevydržia dlhšie ako mesiac, či už ich používate alebo nie.
Niektorí výrobcovia začali rovnakú technológiu používať aj v dobíjacích článkoch. Najlepšie zo všetkého je, že takéto prvky sa osvedčili pri dlhodobej prevádzke v zariadeniach s nízkym výkonom. Hlavnou nevýhodou týchto prvkov je vysoký vnútorný odpor, čo znamená, že na dosiahnutie vysokého výkonu musia byť obrovské. A to znamená potrebu vytvorenia ďalších priehradiek na batérie v notebookoch, veľkosťou porovnateľných so samotným počítačom.
Treba však poznamenať, že takúto aplikáciu začali dostávať pomerne nedávno. Prvým takýmto produktom je spoločný výtvor spoločnosti Hewlett-Packard Co. a AER Energy Resources Inc. - PowerSlice XL - ukázal nedokonalosť tejto technológie pri použití v prenosných počítačoch. Táto batéria určená pre notebook HP OmniBook 600 vážila 3,3 kg – viac ako samotný počítač. Poskytla len 12 hodín práce. Energizer tiež začal používať túto technológiu vo svojich malých gombíkových batériách používaných v načúvacích prístrojoch.
Dobíjanie batérií tiež nie je jednoduchá záležitosť. Chemické procesy sú veľmi citlivé na elektrický prúd dodávané do batérie. Ak je aplikované napätie príliš nízke, batéria bude namiesto príjmu prúdiť. Ak je napätie príliš vysoké, môžu začať nežiaduce reakcie, ktoré môžu prvok poškodiť. Napríklad, keď sa napätie zvýši, sila prúdu sa nevyhnutne zvýši, v dôsledku čoho sa batéria prehreje. A ak budete pokračovať v nabíjaní článku aj po jeho úplnom nabití, môžu sa v ňom začať uvoľňovať výbušné plyny a dokonca môže dôjsť k výbuchu.
Technológie nabíjania
Moderné zariadenia na dobíjanie sú pomerne zložité elektronické zariadenia s rôznym stupňom ochrany – vašej aj vašich batérií. Vo väčšine prípadov má každý typ článku vlastnú nabíjačku. Pri nesprávnom používaní nabíjačky môže dôjsť k poškodeniu nielen batérií, ale aj samotného zariadenia, či dokonca systémov napájaných batériami.
Existujú dva režimy prevádzky nabíjačky- s konštantným napätím a s jednosmerným prúdom.
Najjednoduchšie sú zariadenia s konštantným napätím. Vždy produkujú rovnaké napätie a dodávajú prúd, ktorý závisí od úrovne batérie (a iných faktorov prostredia). Keď sa batéria nabíja, jej napätie sa zvyšuje, takže rozdiel medzi potenciálmi nabíjačky a batérie sa zmenšuje. Výsledkom je, že obvodom preteká menej prúdu.
Pre takéto zariadenie je potrebný iba transformátor (na zníženie nabíjacieho napätia na úroveň požadovanú batériou) a usmerňovač (na usmernenie striedavý prúd na konštantnú, používa sa na nabíjanie batérie). Takéto jednoduché zariadenia nabíjačky sa používajú na nabíjanie automobilových a lodných batérií.
Olovené batérie pre zdroje energie sa spravidla nabíjajú podobnými zariadeniami. neprerušiteľný zdroj napájania. Okrem toho sa na dobíjanie lítium-iónových článkov používajú aj zariadenia s konštantným napätím. Len tam sú pridané obvody na ochranu batérií a ich majiteľov.
Druhý typ nabíjačky poskytuje konštantný prúd a mení napätie tak, aby poskytovalo požadované množstvo prúdu. Keď napätie dosiahne úroveň plného nabitia, nabíjanie sa zastaví. (Pamätajte, že napätie vytvorené článkom klesá, keď sa vybíja.) Typicky takéto zariadenia nabíjajú nikel-kadmiové a nikel-metalhydridové články.
Okrem požadovanej úrovne napätia musia nabíjačky vedieť, ako dlho trvá dobitie článku. Batéria sa môže poškodiť, ak ju nabíjate príliš dlho. V závislosti od typu batérie a od „inteligencie“ nabíjačky sa na určenie doby nabíjania používa viacero technológií.
V najviac jednoduché prípady na to sa používa napätie generované batériou. Nabíjačka monitoruje napätie batérie a vypne sa, keď napätie batérie dosiahne prahovú úroveň. Ale táto technológia nie je vhodná pre všetky prvky. Napríklad pre nikel-kadmium to nie je prijateľné. V týchto prvkoch je krivka vybíjania blízka priamke a môže byť veľmi ťažké určiť prahovú úroveň napätia.
„Sofistikovanejšie“ nabíjačky určujú dobu nabíjania podľa teploty. To znamená, že zariadenie monitoruje teplotu článku a vypne alebo zníži nabíjací prúd, keď sa batéria začne zahrievať (čo znamená prebíjanie). Zvyčajne sú v takýchto batériách zabudované teplomery, ktoré monitorujú teplotu prvku a prenášajú zodpovedajúci signál do nabíjačky.
„Inteligentné“ zariadenia využívajú obe tieto metódy. Môžu prejsť z vysokého nabíjacieho prúdu na nízky nabíjací prúd alebo môžu podporovať D.C. pomocou špeciálnych snímačov napätia a teploty.
Štandardné nabíjačky poskytujú menší nabíjací prúd ako je vybíjací prúd článku. A nabíjačky s veľkou hodnotou prúdu dávajú väčší prúd ako menovitý vybíjací prúd batérie. Zariadenie na udržiavanie nabíjania používa taký malý prúd, že takmer neumožňuje samovybíjanie batérie (podľa definície sa takéto zariadenia používajú na kompenzáciu samovybíjania). Typicky je nabíjací prúd v takýchto zariadeniach jedna dvadsatina alebo jedna tridsatina menovitého vybíjacieho prúdu batérie. Moderné nabíjačky často zvládajú viacero nabíjacích prúdov. Najprv používajú vyššie prúdy a postupne pri približovaní prechádzajú na nižšie prúdy plne nabité. Ak používate batériu, ktorá vydrží udržiavacie nabíjanie (napríklad nikel-kadmium nie), potom sa na konci cyklu dobíjania prístroj prepne do tohto režimu. Väčšina nabíjačiek pre notebooky a mobilné telefóny sú navrhnuté tak, aby mohli byť trvalo spojené s prvkami a nepoškodzovali ich.
Počet ľudí, ktorí používajú zinkovo-vzduchové batérie ako zdroj energie pre načúvacie prístroje, sa každým dňom zvyšuje. Tieto batérie sú šetrné k životnému prostrediu a vďaka svojej zvýšenej kapacite vydržia oveľa dlhšie ako iné typy batérií. Je však ťažké pomenovať presnú životnosť použitého prvku, závisí od mnohých faktorov. AT určité momenty užívatelia majú otázky a sťažnosti.<Радуга Звуков>sa pokúsi poskytnúť vyčerpávajúcu odpoveď na veľmi dôležitú otázku: od čoho teda závisí výdrž batérie?
VÝHODY...
Po mnoho rokov boli ortuťové batérie hlavným zdrojom energie pre načúvacie prístroje. Avšak v polovici 90. rokov. ukázalo sa, že sú úplne zastarané. Po prvé, obsahovali ortuť – mimoriadne škodlivú látku. Po druhé, objavila sa digitálna SA a začala rýchlo dobývať trh, pričom predstavovala zásadne odlišné požiadavky na vlastnosti batérií.
Technológia oxidu ortuti bola nahradená technológiou vzduch-zinok. Výnimočná je tým, že jedna zo súčastí (katóda) chemickej batérie využíva okolitý vzdušný kyslík, ktorý vstupuje cez špeciálne otvory. Odstránením oxidu ortuti alebo strieborného, ktorý doteraz slúžil ako katóda, z puzdra batérie sa uvoľnilo viac miesta pre zinkový prášok. Zinkovo-vzduchová batéria je preto v porovnaní s ostatnými energeticky náročnejšia. odlišné typy batérie rovnakej veľkosti. S týmto dômyselným riešením zostane zinkovo-vzduchová batéria bezkonkurenčná, pokiaľ je jej kapacita obmedzená malým objemom dnešných miniatúrnych SA.
Na kladnej strane batérie je jeden alebo viac otvorov (v závislosti od veľkosti), do ktorých vstupuje vzduch. Chemická reakcia, pri ktorej vzniká prúd, prebieha pomerne rýchlo a je úplne dokončená v priebehu dvoch až troch mesiacov, a to aj bez zaťaženia batérie. Preto sú počas výrobného procesu tieto otvory pokryté ochrannou fóliou.
Na prípravu na prácu je potrebné odstrániť nálepku a nechať čas na nasýtenie účinnej látky kyslíkom (od 3 do 5 minút). Ak začnete batériu používať hneď po otvorení, tak k aktivácii dôjde až v povrchovej vrstve hmoty, čo výrazne ovplyvní životnosť.
Veľkosť batérie hrá dôležitú úlohu. Čím je väčšia, tým je v nej viac zásob účinnej látky, a teda aj viac akumulovanej energie. Preto má batéria veľkosti 675 najväčšiu kapacitu a batéria veľkosti 5 najmenšiu. Kapacita batérie závisí aj od výrobcu. Napríklad pre batérie veľkosti 675 sa môže meniť od 440 mAh do 460 mAh.
A VLASTNOSTI
Po prvé, napätie dodávané batériou závisí od toho, ako dlho sa používa, alebo konkrétnejšie od stupňa vybitia. Nová zinkovo-vzduchová batéria dokáže dodať až 1,4 voltu, no len na krátky čas. Potom napätie klesne na 1,25 V a dlho vydrží. A na konci životnosti batérie napätie prudko klesne na hodnotu nižšiu ako 1 V.
Po druhé, zinkovo-vzduchové batérie fungujú tým lepšie, čím je teplejšie. V tomto prípade by ste samozrejme nemali prekročiť maximálnu teplotu nastavenú pre tento typ batérie. Toto platí pre všetky batérie. Ale zvláštnosťou zinkovo-vzduchových batérií je, že ich výkon závisí aj od vlhkosti vzduchu. Chemické procesy, ktoré sa v ňom vyskytujú, závisia od prítomnosti určitého množstva vlhkosti. Zjednodušene povedané, čím teplejšie a vlhkejšie, tým lepšie (to platí len pre CA batérie!). A to, že vlhkosť má negatívny vplyv na ostatné zložky sluchového ústrojenstva, je vec druhá.
Po tretie, vnútorný odpor batérie závisí od množstva faktorov: teploty, vlhkosti, prevádzkovej doby a technológie použitej výrobcom. Čím vyššia je teplota a vlhkosť, tým je impedancia nižšia, čo má priaznivý vplyv na fungovanie sluchového ústrojenstva. Nová 675. batéria má vnútorný odpor 1-2 ohmy. Na konci životnosti sa však táto hodnota môže zvýšiť na 10 ohmov a pre 13. batériu - až 20 ohmov. V závislosti od výrobcu sa táto hodnota môže výrazne líšiť, čo spôsobuje problémy, keď sa vyžaduje maximálny výkon uvedený v údajovom liste.
Ak dôjde k prekročeniu kritického odberu prúdu, koncový stupeň alebo celý načúvací prístroj sa vypne, aby sa batéria mohla zotaviť. Ak po<дыхательной паузы>batéria opäť začne vydávať prúd v množstve dostatočnom na prevádzku, SA sa opäť zapne. V mnohých sluchových systémoch je reaktivácia sprevádzaná zvukový signál, ten istý, ktorý vás upozorní na pokles napätia v batérii. Teda v situácii, keď sa CA vypne z dôvodu vysokého odberu prúdu, pri opätovnom zapnutí zaznie alarm, hoci batéria môže byť úplne nová. Táto situácia zvyčajne nastane, keď načúvací prístroj dostáva veľmi vysoký vstupný SPL a načúvací prístroj je nastavený na plný výkon.
Faktory ovplyvňujúce životnosť
Jednou z hlavných úloh, ktorým batérie čelia, je zabezpečiť stály prísun prúdu počas celej životnosti batérie.
Výdrž batérie je primárne určená typom CA, ktorý používate. Analógové zariadenia spravidla spotrebúvajú viac prúdu ako digitálne a výkonné zariadenia spotrebúvajú viac ako zariadenia s nízkou spotrebou. Typické hodnoty spotreby prúdu pre zariadenia so stredným výkonom sú od 0,8 do 1,5 mA a pre zariadenia s vysokým výkonom a vysokým zaťažením - od 2 do 8 mA.
Digitálne HA sú vo všeobecnosti ekonomickejšie ako analógové HA s rovnakým výkonom. Majú však jednu nevýhodu - v momente prepínania programov alebo automatickej prevádzky zložitých funkcií spracovania signálu (potlačenie šumu, rozpoznávanie reči a pod.) tieto zariadenia spotrebúvajú podstatne viac prúdu ako v normálny režim. Potreba energie môže stúpať a klesať v závislosti od toho, akú funkciu spracovania signálu vykonáva. tento moment digitálnych obvodov a dokonca aj to, či korekcia straty sluchu pacienta vyžaduje rôzne zosilnenie pre rôzne vstupy SPL.
Výdrž batérie ovplyvňuje aj okolitá akustická situácia. V tichom prostredí je hladina akustického signálu zvyčajne nízka – okolo 30-40 dB. V tomto prípade je signál vstupujúci do SA tiež malý. V hlučnom prostredí, ako napríklad v metre, vo vlaku, v práci alebo na hlučnej ulici, môže úroveň akustického signálu dosiahnuť 90 dB alebo viac (zbíjačka je asi 110 dB). To vedie k zvýšeniu úrovne výstupného signálu SA, a teda k zvýšenému prúdu jeho spotreby. Zároveň začína ovplyvňovať aj nastavenie zariadenia – s väčším ziskom je väčší aj odber prúdu. Typicky sa okolitý hluk sústreďuje v nízkofrekvenčnom rozsahu, preto s väčším potlačením nízkofrekvenčného rozsahu tónovým ovládaním klesá aj spotreba prúdu.
Prúdová spotreba stredne výkonných zariadení príliš nezávisí od úrovne prichádzajúceho signálu, no pri vysokovýkonných a supervýkonných SA je rozdiel dosť veľký. Napríklad pri prichádzajúcom signáli s intenzitou 60 dB (pri ktorom sa normalizuje prúdová spotreba SA) je sila prúdu 2-3 mA. Pri vstupnom signáli 90 dB (a rovnakých nastaveniach SA) sa prúd zvýši na 15-20 mA.
Metóda odhadu životnosti batérie
Životnosť batérie sa zvyčajne odhaduje s prihliadnutím na jej nominálnu kapacitu a odhadovanú spotrebu prúdu zariadenia, ktorá je uvedená v technických údajoch (pase) zariadenia. Zoberme si typický prípad: zinkovo-vzduchová batéria 675 s typickou kapacitou 460 mAh.
Pri použití v strednom výkonovom zariadení s prúdovým odberom 1,4mA bude teoretická životnosť 460/1,4=328 hodín. Pri nosení prístroja 10 hodín denne to znamená viac ako mesiac prevádzky prístroja (328/10=32,8).
Pri napájaní výkonného zariadenia v tichom prostredí (prúdový odber 2 mA) bude životnosť 230 hodín, teda približne tri týždne pri 10-hodinovom opotrebovaní. Ak je však prostredie hlučné, prúdová spotreba môže dosiahnuť 15-20 mA (v závislosti od typu zariadenia). V tomto režime bude životnosť 460/20=23 hodín, t.j. menej ako 3 dni. V takomto prostredí samozrejme nikto nechodí 10 hodín, a skutočný režim bude zmiešaný v súčasnej spotrebe. Takže to uvedený príklad jednoducho ilustruje metodiku výpočtu uvedením extrémnych hodnôt životnosti. Zvyčajne sa výdrž batérie vo výkonnom zariadení pohybuje v rozmedzí dvoch až troch týždňov.
Používajte batérie do načúvacích prístrojov (označené alebo označené) od renomovaných výrobcov napájacích zdrojov (GP, Renata, Energizer, Varta, Panasonic, Duracell Activair, Rayovac).
Neporušujte ochrannú fóliu batérie (neotvárajte), kým nie je nainštalovaná v načúvacom prístroji.
Batérie skladujte v blistroch pri izbovej teplote a normálnej vlhkosti. Prianie<сберечь>dlhšia batéria v chladničke môže viesť k presne opačnému výsledku - CA s nová batéria nebude fungovať vôbec.
Pred inštaláciou batérie do zariadenia ju nechajte 3-5 minút bez fólie.
Keď SA nepoužívate, vypnite ho. V noci odpojte zdroje napájania zo zariadenia a nechajte priestor na batérie otvorený.
Vstup kompaktných zinkovo-vzduchových batérií na masový trh môže výrazne zmeniť situáciu v trhovom segmente malých autonómnych zdrojov pre prenosné počítače a digitálnych zariadení.
energetický problém
a posledné roky flotila prenosných počítačov a rôznych digitálnych zariadení sa výrazne rozrástla, z ktorých mnohé sa objavili na trhu pomerne nedávno. Tento proces sa výrazne zrýchlil vďaka rastúcej popularite mobilné telefóny. Na druhej strane, rýchly rast počtu prenosných elektronické zariadenia spôsobilo vážne zvýšenie dopytu po autonómnych zdrojoch elektriny, najmä po rôzne druhy batérie a akumulátory.
Potreba však zabezpečiť obrovské množstvo prenosné zariadenia batérie sú len jednou stránkou problému. Ako sa teda vyvíjajú prenosné elektronické zariadenia, hustota montážnych prvkov a výkon v nich použitých mikroprocesorov narastá už za tri roky, taktová frekvencia používaných PDA procesorov sa rádovo zvýšila. Drobné monochromatické obrazovky sú nahradené farebnými displejmi s s vysokým rozlíšením a väčšia veľkosť obrazovky. To všetko vedie k zvýšeniu spotreby energie. Navyše v oblasti prenosnej elektroniky je zreteľný trend k ďalšej miniaturizácii. Berúc do úvahy vyššie uvedené faktory, je celkom zrejmé, že zvýšenie energetickej náročnosti, výkonu, životnosti a spoľahlivosti použitých batérií je jednou z najdôležitejších podmienok pre zabezpečenie ďalšieho rozvoja prenosných elektronických zariadení.
Problém obnoviteľných autonómnych zdrojov energie je v segmente prenosných počítačov veľmi akútny. Moderné technológie umožňujú vytvárať notebooky, ktoré prakticky nie sú z hľadiska funkčnosti a výkonu nižšie ako plnohodnotné stolové systémy. Nedostatok dostatočne účinných autonómnych zdrojov energie však užívateľov notebookov pripravuje o jednu z hlavných výhod tohto typu počítača – mobilitu. Dobrým ukazovateľom pre moderný notebook vybavený lítium-iónovou batériou je výdrž batérie okolo 4 hodín 1 , čo však zjavne nestačí na plnohodnotnú prácu v mobilných podmienkach (napríklad let z Moskvy do Tokia trvá cca. 10 hodín az Moskvy do Los Angeles). Angeles takmer 15).
Jedno z riešení problému predlžovania času životnosť batérie prenosné počítače je prechodom od dnes už bežných nikel-metal hydridových a lítium-iónových batérií k chemickým palivovým článkom 2 . Najsľubnejšie z hľadiska aplikácie v prenosných elektronických zariadeniach a počítačoch sú palivové články s nízkou prevádzkovou teplotou ako PEM (Protón Exchange Membrane) a DMCF (Direct Methanol Fuel Cells). Ako palivo pre tieto prvky sa používa vodný roztok metylalkoholu (metanol) 3 .
V tejto fáze by však bolo príliš optimistické opisovať budúcnosť chemických palivových článkov výlučne ružovými farbami. Masovému rozmiestneniu palivových článkov v prenosných elektronických zariadeniach totiž stoja v ceste minimálne dve prekážky. Po prvé, metanol je pomerne toxická látka, z čoho vyplývajú zvýšené požiadavky na tesnosť a spoľahlivosť palivových kaziet. Po druhé, aby sa zabezpečila prijateľná rýchlosť chemických reakcií v palivových článkoch s nízkou prevádzkovou teplotou, je potrebné použiť katalyzátory. PEM a DMCF články v súčasnosti používajú katalyzátory vyrobené z platiny a jej zliatin, ale prírodné zdroje tejto látky sú malé a jej cena je vysoká. Nahradiť platinu inými katalyzátormi je teoreticky možné, no zatiaľ sa žiadnemu z tímov, ktoré sa v tomto smere zaoberajú výskumom, nepodarilo nájsť prijateľnú alternatívu. Takzvaný problém platiny je dnes snáď najvážnejšou prekážkou rozšíreného používania palivových článkov v prenosných počítačoch a elektronických zariadeniach.
1 Vzťahuje sa na prevádzkový čas zo štandardnej batérie.
2 Viac informácií o palivových článkoch nájdete v článku „Palivové články: rok nádeje“, uverejnenom v čísle 1’2005.
3 Plynové vodíkové PEM články sú vybavené vstavaným konvertorom na výrobu vodíka z metanolu.
Vzduchovo-zinkové prvky
Hoci autori množstva publikácií považujú zinkovo-vzduchové batérie a akumulátory za jeden z podtypov palivových článkov, nie je to celkom pravda. Oboznámte sa s prístrojom a princípom fungovania vzduchovo-zinkové prvky aj vo všeobecnosti možno urobiť celkom jednoznačný záver, že je správnejšie považovať ich za samostatnú triedu autonómne zdroje výživa.
Konštrukcia zinkového vzduchového článku obsahuje katódu a anódu oddelené alkalickým elektrolytom a mechanickými separátormi. Ako katóda je použitá plynová difúzna elektróda (GDE), ktorej priepustná membrána umožňuje získavať kyslík z atmosférického vzduchu, ktorý ňou cirkuluje. „Palivom“ je zinková anóda, ktorá sa oxiduje počas prevádzky prvku, a oxidačným činidlom je kyslík získaný z atmosférického vzduchu vstupujúceho cez „dýchacie otvory“.
Na katóde dochádza k elektroredukčnej reakcii kyslíka, ktorej produktmi sú záporne nabité hydroxidové ióny:
02 + 2H20 + 4e 4OH-.
Hydroxidové ióny sa pohybujú v elektrolyte k zinkovej anóde, kde dochádza k oxidačnej reakcii zinku s uvoľňovaním elektrónov, ktoré sa vracajú ku katóde cez vonkajší obvod:
Zn + 4OH – Zn(OH) 4 2– + 2e.
Zn(OH) 4 2– ZnO + 2OH – + H 2 O.
Je jasné, že vzduch zinkové prvky nespadajú do klasifikácie chemických palivových článkov: po prvé, používajú spotrebnú elektródu (anódu) a po druhé, palivo je pôvodne umiestnené vo vnútri článku a počas prevádzky nie je dodávané zvonku.
Napätie medzi elektródami jedného článku zinkového vzduchového článku je 1,45 V, čo je veľmi blízke napätiu alkalických (alkalických) batérií. V prípade potreby získať viac vysoké napätie napájací zdroj, môžete spojiť niekoľko sériovo zapojených článkov do batérie.
Zinok je pomerne bežný a lacný materiál, takže keď sa nasadí hromadná výroba prvkov zinok-vzduch, výrobcovia nebudú mať problémy so surovinami. Navyše, dokonca aj v počiatočnej fáze budú náklady na takéto zdroje energie dosť konkurencieschopné.
Dôležité je aj to, že vzduchovo-zinkové prvky sú veľmi šetrné k životnému prostrediu. Materiály použité na ich výrobu nezaťažujú životné prostredie a po spracovaní sa dajú znovu použiť. Produkty reakcie vzduchovo-zinkových prvkov (voda a oxid zinočnatý) sú tiež absolútne bezpečné pre ľudí a životné prostredie Oxid zinočnatý sa dokonca používa ako hlavná zložka detského púdru.
Z prevádzkových vlastností vzduchovo-zinkových prvkov stojí za zmienku také výhody ako pomalá rychlosť samovybíjanie v neaktivovanom stave a malá zmena veľkosti napätia v priebehu vybíjania (plochá vybíjacia krivka).
Určitou nevýhodou vzduchovo-zinkových prvkov je vplyv relatívnej vlhkosti vstupujúceho vzduchu na vlastnosti prvku. Napríklad pre zinkovo-vzduchový prvok určený na prevádzku v podmienkach 60 % relatívnej vlhkosti vzduchu sa pri zvýšení vlhkosti na 90 % znižuje životnosť asi o 15 %.
Od batérií až po akumulátory
Jednorazové batérie sú najjednoduchšie implementovateľné zinkovo-vzduchové články. Pri vytváraní zinkovo-vzduchových článkov veľkých rozmerov a výkonu (napríklad určených na napájanie elektrární vozidiel) môžu byť zinkové anódové kazety vymeniteľné. V tomto prípade na obnovenie energetickej rezervy stačí vybrať kazetu s použitými elektródami a namiesto toho nainštalovať novú. Použité elektródy je možné získať na opätovné použitie elektrochemickou metódou v špecializovaných podnikoch.
Ak hovoríme o kompaktných batériách vhodných na použitie v prenosných počítačoch a elektronických zariadeniach, potom je praktická implementácia možnosti s vymeniteľnými zinkovými anódovými kazetami nemožná z dôvodu malých rozmerov batérií. Preto je väčšina kompaktných zinkových vzduchových článkov, ktoré sú v súčasnosti na trhu, na jedno použitie. Jednorazové zinkovo-vzduchové batérie malých rozmerov vyrábajú Duracell, Eveready, Varta, Matsushita, GP, ako aj domáci podnik Energia. Hlavným rozsahom takýchto napájacích zdrojov sú načúvacie prístroje, prenosné rozhlasové stanice, fotografické zariadenia atď.
Mnoho spoločností teraz vyrába jednorazové zinko-vzduchové batérie.
Pred niekoľkými rokmi spoločnosť AER vyrobila zinkovo-vzduchové ploché batérie Power Slice pre prenosné počítače. Tieto položky boli navrhnuté pre notebooky Hewlett-Packard série Omnibook 600 a Omnibook 800; ich výdrž batérie sa pohybovala od 8 do 12 hodín.
V zásade existuje aj možnosť vytvorenia dobíjacích zinkovo-vzduchových článkov (akumulátorov), v ktorých pri pripojení externého zdroja prúdu dôjde na anóde k redukčnej reakcii zinku. Avšak praktickú realizáciu takýchto projektov na dlhú dobu brzdené vážnymi problémami v dôsledku chemických vlastností zinku. Oxid zinočnatý sa dobre rozpúšťa v alkalickom elektrolyte a v rozpustenej forme sa distribuuje v celom objeme elektrolytu a pohybuje sa smerom od anódy. Z tohto dôvodu sa pri nabíjaní z externého zdroja prúdu do značnej miery mení geometria anódy: zinok redukovaný z oxidu sa ukladá na povrchu anódy vo forme pásikovitých kryštálov (dendritov), ktoré majú podobný tvar ako dlhé hroty. . Dendrity prenikajú cez separátory a spôsobujú skrat vo vnútri batérie.
Tento problém zhoršuje skutočnosť, že na zvýšenie výkonu sú anódy vzduchovo-zinkových článkov vyrobené z drveného zinkového prášku (to umožňuje výrazne zväčšiť povrch elektródy). So zvyšujúcim sa počtom cyklov nabíjania a vybíjania sa teda povrchová plocha anódy postupne znižuje, čo má negatívny vplyv na výkon článku.
Zinc Matrix Power (ZMP) doteraz dosiahol najväčší úspech v oblasti kompaktných zinkovo-vzduchových batérií. Odborníci ZMP vyvinuli unikátnu technológiu Zinc Matrix, ktorá umožnila vyriešiť hlavné problémy, ktoré vznikajú v procese nabíjania batérií. Podstatou tejto technológie je použitie polymérneho spojiva, ktoré zabezpečuje nerušený prienik hydroxidových iónov, no zároveň blokuje pohyb oxidu zinočnatého, ktorý sa rozpúšťa v elektrolyte. Vďaka použitiu tohto riešenia je možné vyhnúť sa citeľnej zmene tvaru a povrchu anódy po dobu minimálne 100 cyklov nabíjania a vybíjania.
Výhodou zinkovo-vzduchových batérií je dlhá prevádzková doba a vysoká merná energetická náročnosť, minimálne dvojnásobná v porovnaní s najlepšími lítium-iónovými batériami. Merná energetická náročnosť zinkovo-vzduchových batérií dosahuje 240 Wh na 1 kg hmotnosti a maximálny výkon je 5000 W/kg.
Podľa vývojárov ZMP je dnes možné vytvárať zinkovo-vzduchové batérie pre prenosné elektronické zariadenia (mobilné telefóny, digitálnych prehrávačov atď.) so spotrebou energie cca 20 Wh. Minimálna možná hrúbka takýchto zdrojov je len 3 mm. Experimentálne prototypy zinkovo-vzduchových batérií do notebookov majú energetickú kapacitu 100 až 200 Wh.
Prototyp zinkovej vzduchovej batérie vyvinutý spoločnosťou Zinc Matrix Power
Ďalšou dôležitou výhodou zinkovo-vzduchových batérií úplná absencia takzvaný pamäťový efekt. Na rozdiel od iných typov batérií je možné zinkovo-vzduchové články dobíjať pri akejkoľvek úrovni nabitia bez toho, aby bola ohrozená ich energetická kapacita. Navyše, na rozdiel od lítiové batérie vzduchovo-zinkové prvky sú oveľa bezpečnejšie.
Na záver nemožno nespomenúť jednu významnú udalosť, ktorá sa stala symbolickou Štartovací bod na ceste ku komercializácii zinkových vzduchových článkov: 9. júna minulého roku spoločnosť Zinc Matrix Power oficiálne oznámila podpísanie strategickej dohody so spoločnosťou Intel Corporation. V súlade s ustanoveniami tejto dohody ZMP a Intel spoja svoje sily pri vývoji Nová technológia nabíjateľné batérie do notebookov. Medzi hlavné ciele týchto prác patrí zvýšenie výdrže batérie notebookov až na 10 hodín. Podľa existujúceho plánu by sa prvé modely notebookov vybavené zinkovo-vzduchovými batériami mali objaviť v predaji v roku 2006.
Vstup kompaktných zinkovo-vzduchových batérií na masový trh môže výrazne zmeniť situáciu v trhovom segmente malých autonómnych napájacích zdrojov pre prenosné počítače a digitálne zariadenia.
energetický problém
av posledných rokoch sa flotila prenosných počítačov a rôznych digitálnych zariadení výrazne zvýšila, z ktorých mnohé sa objavili na trhu pomerne nedávno. Tento proces sa výrazne zrýchlil vďaka rastúcej popularite mobilných telefónov. Rýchly rast počtu prenosných elektronických zariadení zase spôsobil vážny nárast dopytu po autonómnych zdrojoch elektriny, najmä po rôznych typoch batérií a akumulátorov.
Potreba vybaviť obrovské množstvo prenosných zariadení batériami je však len jednou stránkou problému. Ako sa teda vyvíjajú prenosné elektronické zariadenia, hustota montážnych prvkov a výkon v nich použitých mikroprocesorov narastá už za tri roky, taktová frekvencia používaných PDA procesorov sa rádovo zvýšila. Drobné monochromatické obrazovky sú nahradené farebnými obrazovkami s vysokým rozlíšením a väčšími obrazovkami. To všetko vedie k zvýšeniu spotreby energie. Navyše v oblasti prenosnej elektroniky je zreteľný trend k ďalšej miniaturizácii. Berúc do úvahy vyššie uvedené faktory, je celkom zrejmé, že zvýšenie energetickej náročnosti, výkonu, životnosti a spoľahlivosti použitých batérií je jednou z najdôležitejších podmienok pre zabezpečenie ďalšieho rozvoja prenosných elektronických zariadení.
Problém obnoviteľných autonómnych zdrojov energie je v segmente prenosných počítačov veľmi akútny. Moderné technológie umožňujú vytvárať notebooky, ktoré z hľadiska funkčnosti a výkonu prakticky nie sú horšie ako plnohodnotné stolové systémy. Nedostatok dostatočne účinných autonómnych zdrojov energie však užívateľov notebookov pripravuje o jednu z hlavných výhod tohto typu počítača – mobilitu. Dobrým ukazovateľom pre moderný notebook vybavený lítium-iónovou batériou je výdrž batérie okolo 4 hodín 1 , čo však zjavne nestačí na plnohodnotnú prácu v mobilných podmienkach (napríklad let z Moskvy do Tokia trvá cca. 10 hodín az Moskvy do Los Angeles). Angeles takmer 15).
Jedným z riešení problému dlhšej životnosti batérie pre prenosné počítače je prechod od teraz bežných nikel-metal hydridových a lítium-iónových batérií k chemickým palivovým článkom 2 . Najsľubnejšie z hľadiska aplikácie v prenosných elektronických zariadeniach a počítačoch sú palivové články s nízkou prevádzkovou teplotou ako PEM (Protón Exchange Membrane) a DMCF (Direct Methanol Fuel Cells). Ako palivo pre tieto prvky sa používa vodný roztok metylalkoholu (metanol) 3 .
V tejto fáze by však bolo príliš optimistické opisovať budúcnosť chemických palivových článkov výlučne ružovými farbami. Masovému rozmiestneniu palivových článkov v prenosných elektronických zariadeniach totiž stoja v ceste minimálne dve prekážky. Po prvé, metanol je pomerne toxická látka, z čoho vyplývajú zvýšené požiadavky na tesnosť a spoľahlivosť palivových kaziet. Po druhé, aby sa zabezpečila prijateľná rýchlosť chemických reakcií v palivových článkoch s nízkou prevádzkovou teplotou, je potrebné použiť katalyzátory. PEM a DMCF články v súčasnosti používajú katalyzátory vyrobené z platiny a jej zliatin, ale prírodné zdroje tejto látky sú malé a jej cena je vysoká. Nahradiť platinu inými katalyzátormi je teoreticky možné, no zatiaľ sa žiadnemu z tímov, ktoré sa v tomto smere zaoberajú výskumom, nepodarilo nájsť prijateľnú alternatívu. Takzvaný problém platiny je dnes snáď najvážnejšou prekážkou rozšíreného používania palivových článkov v prenosných počítačoch a elektronických zariadeniach.
1 Vzťahuje sa na prevádzkový čas zo štandardnej batérie.
2 Viac informácií o palivových článkoch nájdete v článku „Palivové články: rok nádeje“, uverejnenom v čísle 1’2005.
3 Plynové vodíkové PEM články sú vybavené vstavaným konvertorom na výrobu vodíka z metanolu.
Vzduchovo-zinkové prvky
Hoci autori množstva publikácií považujú zinkovo-vzduchové batérie a akumulátory za jeden z podtypov palivových článkov, nie je to celkom pravda. Po oboznámení sa so zariadením a princípom činnosti zinkovo-vzduchových článkov, a to aj vo všeobecnosti, môžeme urobiť úplne jednoznačný záver, že je správnejšie považovať ich za samostatnú triedu autonómnych zdrojov energie.
Konštrukcia zinkového vzduchového článku obsahuje katódu a anódu oddelené alkalickým elektrolytom a mechanickými separátormi. Ako katóda je použitá plynová difúzna elektróda (GDE), ktorej priepustná membrána umožňuje získavať kyslík z atmosférického vzduchu, ktorý ňou cirkuluje. „Palivom“ je zinková anóda, ktorá sa oxiduje počas prevádzky prvku, a oxidačným činidlom je kyslík získaný z atmosférického vzduchu vstupujúceho cez „dýchacie otvory“.
Na katóde dochádza k elektroredukčnej reakcii kyslíka, ktorej produktmi sú záporne nabité hydroxidové ióny:
02 + 2H20 + 4e 4OH-.
Hydroxidové ióny sa pohybujú v elektrolyte k zinkovej anóde, kde dochádza k oxidačnej reakcii zinku s uvoľňovaním elektrónov, ktoré sa vracajú ku katóde cez vonkajší obvod:
Zn + 4OH – Zn(OH) 4 2– + 2e.
Zn(OH) 4 2– ZnO + 2OH – + H 2 O.
Je celkom zrejmé, že zinkovo-vzduchové články nepatria do klasifikácie chemických palivových článkov: po prvé, používajú spotrebnú elektródu (anódu) a po druhé, palivo je pôvodne umiestnené vo vnútri článku a nie je dodávané zvonku. počas prevádzky.
Napätie medzi elektródami jedného článku zinkového vzduchového článku je 1,45 V, čo je veľmi blízke napätiu alkalických (alkalických) batérií. V prípade potreby pre získanie vyššieho napájacieho napätia je možné spojiť niekoľko sériovo zapojených článkov do batérie.
Zinok je pomerne bežný a lacný materiál, takže keď sa nasadí hromadná výroba prvkov zinok-vzduch, výrobcovia nebudú mať problémy so surovinami. Navyše, dokonca aj v počiatočnej fáze budú náklady na takéto zdroje energie dosť konkurencieschopné.
Dôležité je aj to, že vzduchovo-zinkové prvky sú veľmi šetrné k životnému prostrediu. Materiály použité na ich výrobu nezaťažujú životné prostredie a po spracovaní sa dajú znovu použiť. Produkty reakcie vzduchovo-zinkových prvkov (voda a oxid zinočnatý) sú tiež absolútne bezpečné pre človeka a životné prostredie – oxid zinočnatý sa dokonca používa ako hlavná zložka detského púdru.
Z prevádzkových vlastností zinkovo-vzduchových článkov stoja za povšimnutie také výhody, ako je nízka rýchlosť samovybíjania v neaktivovanom stave a malá zmena hodnoty napätia pri vybíjaní (plochá vybíjacia krivka).
Určitou nevýhodou vzduchovo-zinkových prvkov je vplyv relatívnej vlhkosti vstupujúceho vzduchu na vlastnosti prvku. Napríklad pre zinkovo-vzduchový prvok určený na prevádzku v podmienkach 60 % relatívnej vlhkosti vzduchu sa pri zvýšení vlhkosti na 90 % znižuje životnosť asi o 15 %.
Od batérií až po akumulátory
Jednorazové batérie sú najjednoduchšie implementovateľné zinkovo-vzduchové články. Pri vytváraní zinkovo-vzduchových článkov veľkých rozmerov a výkonu (napríklad určených na napájanie elektrární vozidiel) môžu byť zinkové anódové kazety vymeniteľné. V tomto prípade na obnovenie energetickej rezervy stačí vybrať kazetu s použitými elektródami a namiesto toho nainštalovať novú. Použité elektródy je možné získať na opätovné použitie elektrochemickou metódou v špecializovaných podnikoch.
Ak hovoríme o kompaktných batériách vhodných na použitie v prenosných počítačoch a elektronických zariadeniach, potom je praktická implementácia možnosti s vymeniteľnými zinkovými anódovými kazetami nemožná z dôvodu malých rozmerov batérií. Preto je väčšina kompaktných zinkových vzduchových článkov, ktoré sú v súčasnosti na trhu, na jedno použitie. Jednorazové zinkovo-vzduchové batérie malých rozmerov vyrábajú Duracell, Eveready, Varta, Matsushita, GP, ako aj domáci podnik Energia. Hlavným rozsahom takýchto napájacích zdrojov sú načúvacie prístroje, prenosné rozhlasové stanice, fotografické zariadenia atď.
Mnoho spoločností teraz vyrába jednorazové zinko-vzduchové batérie.
Pred niekoľkými rokmi spoločnosť AER vyrobila zinkovo-vzduchové ploché batérie Power Slice pre prenosné počítače. Tieto položky boli navrhnuté pre notebooky Hewlett-Packard série Omnibook 600 a Omnibook 800; ich výdrž batérie sa pohybovala od 8 do 12 hodín.
V zásade existuje aj možnosť vytvorenia dobíjacích zinkovo-vzduchových článkov (akumulátorov), v ktorých pri pripojení externého zdroja prúdu dôjde na anóde k redukčnej reakcii zinku. Praktickú realizáciu takýchto projektov však už dlho brzdia vážne problémy spôsobené chemickými vlastnosťami zinku. Oxid zinočnatý sa dobre rozpúšťa v alkalickom elektrolyte a v rozpustenej forme sa distribuuje v celom objeme elektrolytu a pohybuje sa smerom od anódy. Z tohto dôvodu sa pri nabíjaní z externého zdroja prúdu do značnej miery mení geometria anódy: zinok redukovaný z oxidu sa ukladá na povrchu anódy vo forme pásikovitých kryštálov (dendritov), ktoré majú podobný tvar ako dlhé hroty. . Dendrity prenikajú cez separátory a spôsobujú skrat vo vnútri batérie.
Tento problém je umocnený skutočnosťou, že na zvýšenie výkonu sú anódy vzduchovo-zinkových článkov vyrobené z drveného zinkového prášku (to umožňuje výrazné zväčšenie povrchu elektródy). So zvyšujúcim sa počtom cyklov nabíjania a vybíjania sa teda povrchová plocha anódy postupne znižuje, čo má negatívny vplyv na výkon článku.
Zinc Matrix Power (ZMP) doteraz dosiahol najväčší úspech v oblasti kompaktných zinkovo-vzduchových batérií. Odborníci ZMP vyvinuli unikátnu technológiu Zinc Matrix, ktorá umožnila vyriešiť hlavné problémy, ktoré vznikajú v procese nabíjania batérií. Podstatou tejto technológie je použitie polymérneho spojiva, ktoré zabezpečuje nerušený prienik hydroxidových iónov, no zároveň blokuje pohyb oxidu zinočnatého, ktorý sa rozpúšťa v elektrolyte. Vďaka použitiu tohto riešenia je možné vyhnúť sa citeľnej zmene tvaru a povrchu anódy po dobu minimálne 100 cyklov nabíjania a vybíjania.
Výhodou zinkovo-vzduchových batérií je dlhá prevádzková doba a vysoká merná energetická náročnosť, minimálne dvojnásobná v porovnaní s najlepšími lítium-iónovými batériami. Merná energetická náročnosť zinkovo-vzduchových batérií dosahuje 240 Wh na 1 kg hmotnosti a maximálny výkon je 5000 W/kg.
Podľa vývojárov ZMP je dnes možné vytvárať zinkovo-vzduchové batérie pre prenosné elektronické zariadenia (mobilné telefóny, digitálne prehrávače a pod.) s energetickou kapacitou cca 20 Wh. Minimálna možná hrúbka takýchto zdrojov je len 3 mm. Experimentálne prototypy zinkovo-vzduchových batérií do notebookov majú energetickú kapacitu 100 až 200 Wh.
Prototyp zinkovej vzduchovej batérie vyvinutý spoločnosťou Zinc Matrix Power
Ďalšou dôležitou výhodou zinkovo-vzduchových batérií je úplná absencia takzvaného pamäťového efektu. Na rozdiel od iných typov batérií je možné zinkovo-vzduchové články dobíjať pri akejkoľvek úrovni nabitia bez toho, aby bola ohrozená ich energetická kapacita. Navyše, na rozdiel od lítiových batérií sú zinkové vzduchové články oveľa bezpečnejšie.
Na záver nemožno nespomenúť jednu významnú udalosť, ktorá sa stala symbolickým štartovacím bodom pre komercializáciu zinkových vzduchových článkov: 9. júna minulého roku spoločnosť Zinc Matrix Power oficiálne oznámila podpis strategickej dohody so spoločnosťou Intel Corporation. Podľa podmienok tejto dohody spoja ZMP a Intel svoje sily pri vývoji novej technológie batérií pre laptopy. Medzi hlavné ciele týchto prác patrí zvýšenie výdrže batérie notebookov až na 10 hodín. Podľa existujúceho plánu by sa prvé modely notebookov vybavené zinkovo-vzduchovými batériami mali objaviť v predaji v roku 2006.
Prvok mangán zinok. (1) kovový uzáver, (2) grafitová elektróda ("+"), (3) zinkový pohár (""), (4) oxid mangánu, (5) elektrolyt, (6) kovový kontakt. Prvok mangán zinok, ... ... Wikipedia
RC 53M (1989) Ortuťovo-zinkový článok ("typ RC") je galvanický článok, v ktorom je zinok anódou ... Wikipedia
Batérie Oxyride Batérie Oxyride™ sú značkou pre jednorazové (nenabíjateľné) batérie navrhnuté od spoločnosti Panasonic. Sú navrhnuté špeciálne pre zariadenia s vysokou spotrebou energie ... Wikipedia
Normálny Westonov článok, ortuťovo-kadmiový článok, je galvanický článok, ktorého EMP je v priebehu času veľmi stabilné a reprodukovateľné z prípadu na prípad. Používa sa ako zdroj referenčného napätia (ION) alebo napäťový štandard ... ... Wikipedia
STs 25 Strieborno-zinkový akumulátor je sekundárny chemický zdroj prúdu, akumulátor, v ktorom je anóda oxid strieborný, vo forme stlačeného prášku, katóda je zmes ... Wikipedia
Miniatúrne batérie rôznych veľkostí náramkové hodinky, preto sa nazýva aj ... Wikipedia
Ortuťovo-zinkový článok („typ RC“) je galvanický článok, v ktorom anóda je zinok, katóda je oxid ortuti a elektrolyt je roztok hydroxidu draselného. Výhody: konštantné napätie a obrovská energetická náročnosť a hustota energie. Nevýhody: ... ... Wikipedia
Mangánovo-zinkový elektrochemický článok, ktorý používa oxid manganičitý ako katódu, práškový zinok ako anódu a alkalický roztok, zvyčajne hydroxid draselný, ako elektrolyt. Obsah 1 História vynálezu ... Wikipedia
Nikel-zinková batéria je chemický zdroj prúdu, v ktorom je zinok anódou, hydroxid draselný s hydroxidom lítnym ako elektrolyt a oxid nikelnatý ako katóda. Často označovaný skratkou NiZn. Výhody: ... ... Wikipedia