Эти элементы отличаются самой большой плотностью из всех современных технологий. Причиной тому стали компоненты, используемые в этих аккумуляторах. В качестве катодного реагента в этих элементах используется атмосферный кислород, что нашло отражение в их названии. Для того чтобы воздух реагировал с анодом из цинка, в корпусе батарейки проделаны небольшие отверстия. В качестве электролита в этих элементах используется гидроксид калия, обладающий высокой проводимостью.
Первоначально созданные как неподзаряжаемые источники питания, цинково-воздушные элементы характеризуется долгим и стабильным сроком хранения, по крайней мере, если хранить их герметично от воздуха, в неактивном состоянии. В этом случае за год хранения такие элементы теряют около 2 процентов емкости. Как только воздух попадает в батарею, эти батарейки живут не дольше месяца, независимо от того, будете вы их использовать, или нет.
Некоторые производители начали использовать ту же самую технологию в подзаряжаемых элементах. Лучше всего такие элементы зарекомендовали себя при продолжительной работе в маломощных устройствах. Основным же недостатком этих элементов является высокое внутреннее сопротивление, означающее, что для достижения высокой мощности, они должны быть огромного размера. А это означает необходимость создания в ноутбуках дополнительных отсеков для батареек, по размеру сопоставимых с самим компьютером.
Но следует отметить, что такое применение они начали получать совсем недавно. Первый такой продукт - совместное творение Hewlett-Packard Co. и AER Energy Resources Inc. - PowerSlice XL - показал несовершенство этой технологии при использовании в портативных компьютерах. Эта батарейка, созданная для ноутбука HP OmniBook 600 весила 3,3 кг - больше, чем сам компьютер. Работы же она обеспечивала всего 12 часов. Компания Energizer также стала использовать эту технологию в своих маленьких пуговичных батарейках, используемых в слуховых аппаратах.
Подзарядка батарей - тоже не такое простое дело. Химические процессы очень чувствительны к электрическому току, подаваемому на батарейку. Если подаваемое напряжение будет слишком низким, то батарейка будет отдавать ток, а не принимать. Если напряжение будет слишком высоким, могут начаться нежелательные реакции, способные испортить элемент. Например, при поднятии напряжения обязательно будет повышаться и сила тока, в результате батарейка перегреется. А если продолжать заряжать элемент уже после того, как он будет целиком заряжен, в нем могут начать выделяться взрывоопасные газы и даже наступить взрыв.

Технологии подзарядки
Современные устройства для подзарядки - это довольно сложные электронные приборы с различными степенями защиты - как вашей, так и ваших батареек. В большинстве случаев для каждого типа элементов существует своё собственное зарядное устройство. При неправильном использовании зарядного устройства можно испортить не только батарейки, но и само устройство, или даже системы, питаемые батарейками.
Существует два режима работы зарядных устройств - с постоянным напряжением и с постоянным током.
Самыми простыми являются устройства с постоянным напряжением. Они всегда производят одно и то же напряжение, и подают ток, зависящий от уровня заряда батарейки (и от других окружающих факторов). По мере зарядки батареи, ее напряжение увеличивается, поэтому уменьшается разница между потенциалами зарядного устройства и батареи. В результате по цепи протекает меньший ток.
Всё что нужно для такого устройства - трансформатор (для уменьшения напряжения зарядки до уровня, требуемого батарейкой) и выпрямитель (для выпрямления переменного тока в постоянный, используемый для заряда батареи). Такими простыми устройствами подзарядки пользуются для заряда автомобильных и корабельных аккумуляторов.
Как правило, подобными же устройствами заряжаются свинцовые батареи для источников бесперебойного питания. Кроме того, устройства с постоянным напряжением используются и для подзарядки литий-ионных элементов. Только там добавлены схемы для защиты батареек и их хозяев.
Второй вид зарядных устройств обеспечивает постоянную силу тока и изменяет напряжение для обеспечения требуемой величины тока. Как только напряжение достигает уровня полного заряда, зарядка прекращается. (Помните, напряжение, создаваемое элементом, падает по мере разряда). Обычно такими устройствами заряжают никель-кадмиевые и никель-металлгидридные элементы.
Кроме нужного уровня напряжения, зарядные устройства должны знать, сколько времени нужно подзаряжать элемент. Батарейку можно испортить, если слишком долго подзаряжать её. В зависимости от вида батареи и от "интеллекта" зарядного устройства для определения времени подзарядки используется несколько технологий.
В самых простых случаях для этого используется напряжение, вырабатываемое батарейкой. Зарядное устройство следит за напряжением батарейки и выключается в тот момент, когда напряжение в батарейке достигает порогового уровня. Но такая технология подходит далеко не для всех элементов. Например, для никель-кадмиевых она не приемлема. В этих элементах кривая разряда близка к прямой, и определить уровень порогового напряжения бывает очень сложно.
Более "изощренные" зарядные устройства определяет время подзарядки по температуре. То есть устройство следит за температурой элемента, и выключается, или уменьшает ток заряда, когда батарея начинает нагреваться (что означает избыточность заряда). Обычно в такие элементы питания встраиваются термометры, которые следят за температурой элемента и передают зарядному устройству соответствующий сигнал.
"Интеллектуальные" устройства используют оба этих метода. Они могут перейти с большого тока заряда на малый, или же могут поддерживать постоянный ток с помощью специальных датчиков напряжения и температуры.
Стандартные зарядные устройства дают меньший ток заряда, чем ток разряда элемента. А зарядные устройства с большим значением тока дают больший ток, чем номинальный ток разряда батарейки. Устройство для непрерывной подзарядки малым током используют настолько небольшой ток, что он разве что не даёт батарейке саморазрядиться (по определению такие устройства и используются для компенсации саморазрядки). Обычно ток заряда в таких устройствах составляет одну двадцатую, или одну тридцатую номинального тока разряда батарейки. Современные устройства зарядки часто могут работать на нескольких значениях токов заряда. Сначала они используют более высокие значения тока и постепенно переключаются на низкие, по мере приближения к полному заряду. Если используется батарейка, выдерживающая подзарядку малым током (никель-кадмиевые, например, не выдерживают), то в конце цикла подзарядки устройство переключится в этот режим. Большинство зарядных устройств для ноутбуков и сотовых телефонов разработаны так, что могут быть постоянно подключены к элементам и не причинять им вреда.

Электрохимические технологии хранения энергии быстро развиваются. Компания NantEnergy предлагает бюджетный цинково-воздушный аккумулятор энергии.

Компания NantEnergy, возглавляемая калифорнийским миллиардером Патриком Сун-Шионгом (Patrick Soon-Shiong), представила цинково-воздушный аккумулятор энергии (Zinc-Air Battery), стоимость которого существенно ниже литий-ионных аналогов.

Цинково-воздушный аккумулятор энергии

Батарея, «защищённая сотней патентов», предназначена для использования в системах хранения энергии в энергетике. По утверждению NantEnergy, её стоимость ниже ста долларов за киловатт-час.

Устройство цинково-воздушной батареи отличается простотой. При зарядке электричество преобразует оксид цинка в цинк и кислород. В фазе разряда в ячейке цинк окисляется воздухом. Одна батарея, заключённая в пластиковый корпус, по размерам ненамного больше, чем портфель для бумаг.

Цинк не является редким металлом, и проблемы ограниченности ресурсов, обсуждаемые в связи с литий-ионными аккумуляторами, цинк-воздушные батареи не затрагивают. Кроме того, последние практически не содержат вредных для окружающей среды элементов, и цинк очень легко перерабатывается для вторичного использования.

Важно отметить, что устройство NantEnergy - это не прототип, а серийная модель, которая испытывалась в течение последних шести лет «в тысячах разных мест». Эти батареи обеспечивали энергией «более 200 тысяч жителей Азии и Африки и использовались в более чем 1000 башен сотовой связи по всему миру».

Столь низкая стоимость системы хранения энергии позволит «превратить электрическую сеть в работающую круглосуточно полностью безуглеродную систему», то есть основанную полностью на возобновляемых источниках энергии.

Цинк-воздушные батареи - это не новинка, они изобретены еще в XIX веке и широко применяются с 30-х годов прошлого века. Основная сфера применения этих источников питания - слуховые аппараты, портативные радиостанции, фототехника… Определенной научно-технической проблемой, обусловленной химическими свойствами цинка, являлось создание перезаряжаемых аккумуляторов. Судя по всему, данная проблема сегодня в значительной степени преодолены. NantEnergy достигла того, что батарея может повторять цикл заряда и разряда более 1000 раз без ухудшения характеристик.

В числе прочих параметров, указываемых компанией: 72 часа автономии и 20-летний срок службы системы.

К количеству циклов и прочим характеристикам, конечно, есть вопросы, которые надо уточнять. Впрочем, некоторые эксперты в области накопителей энергии верят в технологию. По результатам опроса GTM, проведённого в декабре прошлого года, восемь процентов респондентов указали на цинковые батареи, как на технологию, способную заменить литий-ион в системах хранения энергии.

Ранее, глава Tesla, Илон Маск сообщал, что стоимость литий-ионных элементов (cells), выпускаемых его компанией, может упасть ниже $100/кВт*ч в текущем году.

Часто приходится слышать, что распространение вариабельных ВИЭ, солнечной и ветровой энергетики, якобы тормозится (будет тормозиться) по причине отсутствия дешевых технологий хранения энергии.

Это, разумеется, не так, поскольку накопители энергии - лишь один из инструментов повышения маневренности (гибкости) энергосистемы, но не единственный инструмент. К тому же, как мы видим, электрохимические технологии хранения энергии развиваются высокими темпами. опубликовано

Если у вас возникли вопросы по этой теме, задайте их специалистам и читателям нашего проекта .

В пятом номере нашего журнала мы рассказали, как самим сделать газовый аккумулятор, а в шестом - свинцово-поташный. Предлагаем читателям еще один тип источника тока - воздушно-цинковый элемент. Этот элемент не требует зарядки в процессе эксплуатации, что является весьма важным преимуществом перед аккумуляторами.

Воздушно-цинковый элемент сейчас - наиболее совершенный источник тока, так так он обладает сравнительно высокой удельной энергией (110-180 Вт-ч/кг), прост в изготовлении и эксплуатации и наиболее перспективен в смысле увеличения его удельных характеристик. Теоретически рассчитанная удельная мощность воздушно-цинкового элемента может достигать 880 Вт-ч/кг. Если будет достигнута хотя бы половина этой мощности, элемент станет весьма серьезным соперником двигателя внутреннего сгорания.

Очень важное преимущество воздушно-цинкового элемента -

малое изменение напряжения при нагрузке по мере его разряда. Кроме того, такой элемент обладает значительной прочностью, так как его сосуд может быть изготовлен из стали.

Принцип работы воздушно-цинковых элементов основан на использовании электрохимической системы: цинк - раствор едкого калия - активированный уголь, адсорбирующий кислород воздуха. Подбирая составы электролита, активной массы электродов и выбирая оптимальную конструкцию элемента, можно значительно увеличить его удельную мощность.

Долгое время область применения воздушно-цинковых элементов питания не выходила за рамки медицины. Высокая емкость и длительный срок службы (в неактивном состоянии) позволили им беспрепятственно занять нишу одноразовых батареек для слуховых аппаратов. Но в последние годы наблюдается большой рост интереса к этой технологии у автопроизводителей. Некоторые считают, что нашлась альтернативу литию. Так ли это?

Воздушно-цинковая батарея для электромобиля может быть устроена следующим образом: в разделенную на отсеки емкость вставлены электроды, на которых адсорбируется и восстанавливается кислород воздуха, а также специальные съемные кассеты, заполненные расходным материалом анода, в данном случае гранулами цинка. Между отрицательными и положительными электродами прокладывается сепаратор. В качестве электролита может использоваться водный раствор гидроксида калия, либо раствор хлорида цинка.

Поступающий извне воздух с помощью катализаторов образует в водном растворе электролита гидроксильные ионы, которые окисляют цинковый электрод. В ходе данной реакции высвобождаются электроны, образующие электрический ток.

Преимущества

Мировые запасы цинка по некоторым оценкам составляют примерно 1.9 гигатонн. Если начать мировое производство металлического цинка сейчас, то уже через пару лет можно будет обеспечить сборку миллиарда воздушно-цинковых аккумуляторов емкостью 10 кВт*ч каждый. К примеру, для создания такого же количества при нынешних условиях добычи лития потребуется более 180 лет. Доступность цинка позволит еще и снизить цену на аккумуляторные батареи.

Очень важно и то, что воздушно-цинковые элементы, имея прозрачную схему рециклирования отработанного цинка, являются экологически чистыми изделиями. Используемые здесь материалы не отравляют окружающую среду и могут быть отработанны вторично. Продукт реакции воздушно-цинковых элементов питания (оксид цинка) также абсолютно безопасен для человека и его среды обитания. Не зря оксид цинка применяется в качестве основного компонента для детской присыпки.

Главным же преимуществом, благодаря которому электромобилестроители смотрят на эту технологию с надеждой, является высокая плотность энергии (в 2-3 раза выше, чем у li-ion). Уже сейчас энергоемкость Zinc-Air достигает 450 Вт*ч/кг, но теоретическая плотность может составлять 1350 Вт*ч/кг!

Недостатки

Раз мы не ездим на электромобилях с воздушно-цинковыми батареями, значит, есть и недостатки. Во-первых, такие элементы сложно сделать перезаряжаемыми с достаточным количеством циклов разряда/заряда. В ходе работы воздушно-цинковой батареи электролит попросту высыхает, либо проникает слишком глубоко в поры воздушного электрода. А поскольку осаждающийся цинк распределяется неравномерно, образуя разветвленную структуру, между электродами нередко происходят короткие замыкания.

Ученые пытаются найти выход. Американская компания ZAI решила эту проблему простой заменой электролита и добавлением свежих картриджей с цинком. Естественно, для этого потребуется развитая инфраструктура заправочных станций, на которых будет происходить смена окисленного активного материала в анодной кассете на свежий цинк.

И хотя экономическая составляющая проекта пока не проработана, производители утверждают, что стоимость такой «зарядки» будет существенно ниже заправки машины с ДВС. Кроме того, процесс смены активного материала потребует не более 10 минут. Даже сверхбыстрые за это же время смогут восполнить только 50% своего потенциала. В прошлом году корейская компания Leo Motors уже продемонстрировала воздушно-цинковые батареи ZAI на своем электрическом грузовике.

Работает над усовершенствованием Zinc-Air батареи и технологическая фирма из Швейцарии ReVolt. Она предложила специальные гелеобразующие и вяжущие добавки, контролирующие влажность и форму цинкового электрода, а также новые катализаторы, которые существенно улучшают работу элементов.

Все же инженерам обеих компаний так и не удалось преодолеть рубеж в 200 циклов разряда/заряда Zinc-Air. Поэтому говорить о воздушно-цинковых элементах, как об электромобильных батареях, пока рано.

Новинка обещает превзойти литиево-ионные батареи по энергоёмкости в три раза и при этом стоить в два раза дешевле.

Отметим, что сейчас воздушно-цинковые батареи выпускаются только в виде одноразовых элементов либо «перезаряжаемых» вручную, то есть при помощи смены картриджа. Кстати, этот тип батарей безопаснее литиево-ионных, так как не содержит летучих веществ и, соответственно, не может воспламениться.

Основная препона на пути создания перезаряжаемых от сети вариантов – то есть аккумуляторов — быстрая деградация устройства: электролит деактивируется, реакции окисления-восстановления замедляются и вовсе останавливаются всего после нескольких циклов перезарядки.

Чтобы понять, почему так происходит, надо для начала описать принцип работы воздушно-цинковых элементов. Батарея состоит из воздушного и цинкового электродов и электролита. Во время разрядки поступающий извне воздух не без помощи катализаторов образует в водном растворе электролита гидроксил-ионы (OH -).

Они окисляют цинковый электрод. В ходе этой реакции высвобождаются электроны, образующие ток. Во время зарядки аккумулятора процесс идёт в обратную сторону: на воздушном электроде продуцируется кислород.

Ранее в ходе работы перезаряжаемой батареи водный раствор электролита часто просто-напросто высыхал либо проникал слишком глубоко в поры воздушного электрода. Кроме того, осаждающийся цинк распределялся неровно, образуя разветвлённую структуру, из-за чего между электродами начинали происходить короткие замыкания.

Новинка лишена этих недостатков. Специальные гелеобразующие и вяжущие добавки контролируют влажность и форму цинкового электрода. Кроме того, учёные предложили новые катализаторы, которые тоже значительно улучшили работу элементов.

Пока наилучшие показатели прототипов не превышают сотни циклов перезарядки (фото ReVolt).

Исполнительный директор ReVolt Джеймс Макдугалл (James McDougall) полагает, что первые продукты в отличие от нынешних опытных образцов будут перезаряжаться до 200 раз, а в скором времени удастся достигнуть отметки в 300-500 циклов. Этот показатель позволит использовать элемент, например, в сотовых телефонах или ноутбуках.

Прототип новой батареи был разработан в норвежском исследовательском фонде SINTEF , ReVolt же занимается коммерциализацией продукта (иллюстрация ReVolt).

Компания ReVolt также разрабатывает воздушно-цинковые батареи для электрических транспортных средств. Такие изделия напоминают топливные элементы. Цинковая суспензия в них исполняет роль жидкого электрода, воздушный же электрод состоит из системы трубок.

Электричество вырабатывается при прокачивании суспензии через трубки. Образующийся оксид цинка затем сохраняется в другом отсеке. При перезарядке он проходит прежним путём, и оксид превращается обратно в цинк.

Такие батареи могут производить больше электричества, так как объём жидкого электрода может быть гораздо больше объёма электрода воздушного. Макдугалл полагает, что этот тип элементов сможет перезаряжаться от двух до десяти тысяч раз.