Sinkki -ilma -akku - Zinc–air battery

Sinkki -ilma -kuulokojeparistot

Sinkki-ilma-akut (ei-ladattavat) ja sinkki-ilma- polttokennot (mekaanisesti ladattavat) ovat metalli-ilma- akkuja, jotka saavat virtaa hapettamalla sinkkiä ilman hapen kanssa. Näillä paristoilla on suuri energiatiheys ja ne ovat suhteellisen halpoja valmistaa. Koot vaihtelevat hyvin pieniä nappiparistoja varten kuulolaitteet , suurempi akkuja käytetään kalvon kameroita , että aiemmin käytetty elohopea paristot , erittäin suuri akkuja käytetään sähkökäyttöinen ajoneuvo käyttövoima ja grid-asteikko energian varastointi .

Purkautumisen aikana sinkkihiukkasten massa muodostaa huokoisen anodin , joka on kyllästetty elektrolyytillä . Hapen reagoi on katodi ja muotoja, hydroksyyli -ioneja, jotka vaeltavat sinkki liitä ja muoto sinkaattiin ( Zn (OH)²⁻
₄), vapauttaen elektroneja matkustaakseen katodille. Sinkki hajoaa sinkkioksidiksi ja vesi palaa elektrolyyttiin. Anodin vesi ja hydroksyyli kierrätetään katodissa, joten vettä ei kuluteta. Reaktiot tuottavat teoreettisen 1,65 voltin jännitteen , mutta tämä pienenee 1,35–1,4 volttiin käytettävissä olevissa kennoissa.

Sinkki -ilma -akuilla on joitain polttokennojen ja paristojen ominaisuuksia: sinkki on polttoaine, reaktionopeutta voidaan säätää vaihtelemalla ilmavirtaa ja hapettunut sinkki/elektrolyyttipasta voidaan korvata tuoreella tahnalla.

Sinkki -ilmaparistoja voidaan käyttää korvaamaan nyt lopetetut 1,35 V: n elohopeaparistot (vaikka niiden käyttöikä on huomattavasti lyhyempi), joita 1970–1980 -luvuilla käytettiin yleisesti valokuvakameroissa ja kuulokojeissa.

Tämän akun mahdollisia tulevia sovelluksia ovat sen käyttöönotto sähköajoneuvon akuna ja hyötysuhteen energian varastointijärjestelmänä.

Historia

Hapen vaikutus tunnettiin 1800-luvun alussa, kun märkäelementtiset Leclanche-akut absorboivat ilmakehän happea hiilikatodivirrankerääjään . Vuonna 1878 huokoisen platinoidun hiili -ilmaelektrodin havaittiin toimivan samoin kuin mangaanidioksidi ( MnO
₂) Leclanche -solussa. Kaupallisia tuotteita alettiin valmistaa tällä periaatteella vuonna 1932, kun George W. Heise ja Erwin A. Schumacher National Carbon Company -yhtiöstä rakensivat kennoja käsittelemällä hiilielektrodit vahalla tulvien estämiseksi. Tätä tyyppiä käytetään edelleen suurissa sinkki -ilmakennoissa navigointilaitteissa ja rautatiekuljetuksissa . Nykyinen kapasiteetti on kuitenkin pieni ja kennot ovat suuria.

Suuria primaarisia sinkki -ilmakennoja , kuten Thomas A. Edison Industries Carbonaire -tyyppiä, käytettiin rautateiden merkinantoon, etäyhteyksiin ja navigointipoijuihin. Nämä olivat pitkäkestoisia, alhaisen koron sovelluksia. Polttokennotutkimukseen perustuvien 1970-luvulla kehitettyjen ohuiden elektrodien kehittäminen mahdollisti pienten painikkeiden ja prisma-primaaristen kennojen käytön kuulokojeissa , hakulaitteissa ja lääkinnällisissä laitteissa , erityisesti sydämen telemetriassa .

Reaktiokaavat

Animaatio sinkki -ilmakennon toiminnasta

Reaktioyhtälö että sinkki-ilma-solut ovat:

Anodi: Zn + 4OH ^- → Zn (OH) ₄ ²⁻ + 2e ^- (E ₀ = －1,25 V)

Neste: Zn (OH) ₄ ^2- → ZnO + H ₂ O + 2OH ^-

Katodi: 1/2 O ₂ + H ₂ O + 2e ^- → 2OH ^- (E ₀ = 0,34 V pH ＝ 11)

Kaiken kaikkiaan: 2Zn + O ₂ → 2ZnO (E ₀ = 1,59 V)

Sinkki -ilma -paristoja ei voi käyttää suljetussa paristopidikkeessä, koska ilmaa on tultava sisään; happi 1 litrassa ilmaa tarvitaan jokaista käytettyä ampeerituntia kohti.

Varastointitiheys

Sinkki -ilma -paristojen energiatiheys on suurempi kuin monilla muilla paristoilla, koska ilman ilma on yksi akun reagoivista aineista, toisin kuin paristotyypit, jotka vaativat materiaalia, kuten mangaanidioksidia yhdessä sinkin kanssa. Energian tiheys, mitattuna painosta (massasta), tunnetaan ominaisenergiana . Seuraavassa taulukossa esitetään spesifisen energian laskeminen tietylle sinkki-ilma-akulle ja useille muille yleisesti saataville eri kemian paristoille.

Varastointi ja käyttöikä

Sinkki -ilmakennoilla on pitkä säilyvyys, jos ne on suljettu pitämään ilma poissa; jopa pienoispainikkeita voidaan säilyttää jopa 3 vuotta huoneenlämmössä pienellä kapasiteetin menetyksellä, jos niiden tiivistettä ei poisteta. Kuivassa tilassa varastoitujen teollisuuskennojen varastointiaika on rajoittamaton.

Sinkki -ilmakennon käyttöikä on kriittinen tehtävä sen vuorovaikutuksessa ympäristön kanssa. Elektrolyytti menettää vettä nopeammin korkeissa lämpötiloissa ja alhaisessa kosteudessa. Koska kaliumhydroksidielektrolyytti on liukenevaa , hyvin kosteissa olosuhteissa ylimääräinen vesi kerääntyy kennoon, tulvii katodin ja tuhoaa sen aktiiviset ominaisuudet. Kaliumhydroksidi reagoi myös ilmakehän hiilidioksidin kanssa ; karbonaatin muodostuminen vähentää lopulta elektrolyytin johtavuutta. Pienoiskoossa on suuri itsepurkautuminen, kun ne on avattu ilmaan; solun kapasiteetti on tarkoitus käyttää muutaman viikon kuluessa.

Purkausominaisuudet

Koska katodi ei muuta ominaisuuksia purkautumisen aikana, päätejännite on melko vakaa, kunnes kenno lähestyy uupumusta.

Tehokapasiteetti on useiden muuttujien funktio: katodialue, ilman saatavuus, huokoisuus ja katodipinnan katalyyttinen arvo. Hapen pääsy kennoon on tasapainotettava elektrolyytin vesihukkaa vastaan; katodikalvot on päällystetty ( hydrofobisella ) teflonmateriaalilla veden menetyksen rajoittamiseksi. Alhainen kosteus lisää veden menetystä; jos tarpeeksi vettä häviää, solu epäonnistuu. Painikkeilla on rajoitettu virrankulutus; Esimerkiksi IEC PR44-kennon kapasiteetti on 600 milliampeerituntia ( mAh ), mutta maksimivirta on vain 22 milliampeeria (mA). Pulssikuormitukset voivat olla paljon suurempia, koska osa hapesta jää soluun pulssien välissä.

Matala lämpötila pienentää primäärisen kennon kapasiteettia, mutta vaikutus on pieni alhaisille tyhjennyksille. Kenno voi tuottaa 80% kapasiteetistaan, jos se puretaan 300 tunnin aikana 0 ° C: ssa (32 ° F), mutta vain 20% kapasiteetista, jos se puretaan 50 tunnin nopeudella kyseisessä lämpötilassa. Alhaisempi lämpötila alentaa myös kennojännitettä.

Solutyypit

Ensisijainen (ei ladattava)

Poikkileikkaus sinkki -ilma -nappikennon läpi. A: Erotin, B: sinkkijauheanodi ja elektrolyytti, C: anodipurkki, D: eristystiiviste, E: katodipurkki, F: ilmareikä, G: katodikatalyytti ja virrankerääjä, H: ilmanjakokerros, I: puoliläpäisevä kalvo

Suuria sinkki -ilma -akkuja, joiden kapasiteetti on jopa 2 000 ampeerituntia kennoa kohti, käytetään navigointivälineiden ja merkkivalojen, meritieteellisten kokeiden ja rautatien opasteiden käyttämiseen.

Ensisijaiset solut valmistetaan napin muodossa noin 1 Ah: iin. Prismaattisia muotoja kannettaville laitteille valmistetaan 5-30 Ah: n kapasiteetilla. Hybridikennojen katodit sisältävät mangaanidioksidia korkeiden huippuvirtojen sallimiseksi.

Nappikennot ovat erittäin tehokkaita, mutta samaa rakennetta on vaikea laajentaa suurempiin mittoihin ilman diffuusio-, lämmönpoisto- ja vuoto -ongelmien vuoksi. Prismaattiset ja lieriömäiset kennomallit vastaavat näihin ongelmiin. Prismaattisten kennojen pinoaminen vaatii akussa ilmakanavia ja saattaa vaatia tuulettimen pakottamaan ilman pinon läpi.

Toissijainen (ladattava)

Ladattavat sinkki-ilmakennot edellyttävät vesipohjaisen elektrolyytin sinkkisaostuksen hallintaa tarkasti. Haasteita ovat dendriitin muodostuminen, epätasainen sinkin liukeneminen ja rajallinen liukoisuus elektrolyytteihin. Reaktion kääntäminen sähköisesti kaksitoimisessa ilmakatodissa hapen vapauttamiseksi purkausreaktiotuotteista on vaikeaa; tähän mennessä testattujen kalvojen kokonaistehokkuus on alhainen. Latausjännite on paljon korkeampi kuin purkausjännite, jolloin syklin energiatehokkuus on jopa 50%. Lataus- ja purkaustoimintojen tarjoaminen erillisillä yksitoiminnallisilla katodeilla lisää solujen kokoa, painoa ja monimutkaisuutta. Tyydyttävä sähköisesti ladattu järjestelmä tarjoaa mahdollisesti alhaiset materiaalikustannukset ja suuren ominaisenergian. Vuodesta 2014 lähtien vain yhdellä yrityksellä on myynnissä kaupallisia yksiköitä, kuten on kuvattu Energiaosaston tuottamassa videossa ARPA-e Energy Innovation Summit -kokouksessa vuonna 2013. Fluidic Energy on ilmeisesti kattanut satoja tuhansia katkoksia Aasiassa jaetulla kriittisellä kuormalla sivustoja. EOS Energy Storage on ottanut käyttöön 1 MWh: n järjestelmän mikroverkolle New Jerseyn jätevedenpuhdistamolla ja testannut aiemmin verkon mittakaavan varmuuskopiointisovelluksia. AZA Battery on ilmoittanut kehittävänsä prismaattisten sinkkisilmakennojen pilottituotannon, jonka ominaisuudet soveltuvat sekä kiinteisiin varastointi- että liikkumissovelluksiin.

Mekaaninen lataus

Ladattavat järjestelmät voivat korvata mekaanisesti anodin ja elektrolyytin, jotka toimivat pääasiassa kunnostettavana primäärikennona, tai ne voivat käyttää sinkkijauhetta tai muita menetelmiä reagoivien aineiden täydentämiseksi. Mekaanisesti ladattuja järjestelmiä tutkittiin armeijan elektroniikan käyttöön 1960 -luvulla suuren energiatiheyden ja helpon lataamisen vuoksi. Kuitenkin ensisijaiset litiumakut tarjosivat korkeampia purkausnopeuksia ja helpompaa käsittelyä.

Mekaanisia latausjärjestelmiä on tutkittu vuosikymmenien ajan käytettäväksi sähköajoneuvoissa. Joissakin lähestymistavoissa käytetään suurta sinkki -ilma -akkua latauksen ylläpitämiseksi korkealla purkausasteella varustetulla akulla, jota käytetään huippukuormituksiin kiihdytyksen aikana. Sinkkirakeet toimivat reagoivana aineena. Ajoneuvot latautuvat vaihtamalla käytetty elektrolyytti ja tyhjennetty sinkki tuoreisiin reagensseihin huoltoasemalla.

Termi sinkki -ilma -polttokenno viittaa yleensä sinkki -ilma -akkuun, johon lisätään sinkkimetallia ja sinkkioksidia poistetaan jatkuvasti. Sinkkielektrolyyttipasta tai -pelletit työnnetään kammioon ja sinkkioksidijätteet pumpataan polttoainesäiliön sisällä olevaan jätesäiliöön tai rakkoon. Polttoainesäiliöstä otetaan tuoretta sinkkitahnaa tai -pellettejä. Sinkkioksidijätteet pumpataan tankkausasemalla kierrätettäväksi. Vaihtoehtoisesti tämä termi voi viitata sähkökemialliseen järjestelmään, jossa sinkki on rinnakkaisreagenssi, joka auttaa hiilivetyjen muodostumista polttokennon anodilla.

Mekaanisten latausjärjestelmien etuja ladattaviin akkuihin verrattuna ovat energia- ja virtakomponenttien irrottaminen toisistaan, mikä tarjoaa joustavuutta eri lataus-, purkaus- ja energiakapasiteettivaatimuksiin.

Materiaalit

Katalyytit

Kobolttioksidia / hiilinanoputken hybridi hapen pelkistyskatalysaattori ja nikkeli-rauta- kerrokseksi kaksinkertainen hydroksidi hapen kehitystä katodi katalyytit oli korkeampi katalyyttinen aktiivisuus ja kestävyys väkevään alkalisten elektrolyyttien kuin jalometallien platina ja iridium katalyyttejä. Tuloksena olevan primaarisen sinkki -ilma -akun huipputehotiheys oli ~ 265 mW/cm ³ , virtatiheys ~ 200 mA/cm ³ 1 V: n kohdalla ja energiatiheys> 700 Wh/kg.

Ladattavat Zn-ilma-akut kolmielektrodikokoonpanossa osoittivat ennennäkemättömän pienen varaus- ja purkausjännitteen polarisaation ~ 0,70 V 20 mA/cm ^{3: lla} , korkean palautuvuuden ja vakauden pitkillä lataus- ja purkausjaksoilla.

Vuonna 2015 tutkijat julkistivat hiilipohjaisen metallittoman elektrokatalyytin, joka toimii tehokkaasti sekä pelkistys- että hapetusreaktioissa. Orgaaninen yhdiste aniliini , joka polymeroitiin pitkiin ketjuihin fytiinihappoliuoksessa , pakastekuivattiin stabiiliksi mesoporoottiseksi hiili- airgeeliksi, jossa oli 2–50 nm: n huokoset, mikä tarjosi suuren pinta-alan ja akkuelektrolyytille tilaa diffundoitua. Tutkijat pyrolysoivat aerogeelin 1000 asteeseen, jolloin vaahto muuttui grafiittiverkkoksi, jossa oli monia katalyyttisiä grafeenireunoja. Aniliini lisäsi vaahtoa typellä, mikä parantaa pelkistymistä. Fytiinihappo lisää vaahtoon fosforia, mikä auttaa hapen kehittymistä. Vaahdon pinta -ala on ~ 1663 m ² /gr. Paristot osoitti avoimen piirin potentiaali 1,48 V, tietyn kapasiteetti 735 mAh / g (Zn) (energiatiheys on 835 Wh / kg (Zn)), piikki tehotiheys on 55 mW / cm ja vakaata toimintaa 240 h mekaanisen latauksen jälkeen. Kahden elektrodin ladattavat akut toimivat vakaasti 180 sykliä 2 mA/cm ^{3: n} lämpötilassa .

Sovellukset

Ajoneuvon käyttövoima

Metallista sinkkiä voitaisiin käyttää vaihtoehtoisena polttoaineena ajoneuvoissa joko sinkki -ilma -akussa tai vedyn tuottamiseen lähellä käyttöpaikkaa. Sinkin ominaisuudet ovat herättäneet suurta kiinnostusta sähköajoneuvojen energialähteenä. Gulf General Atomic esitteli 20 kW: n ajoneuvon akun. General Motors teki testejä 1970 -luvulla. Kumpikaan projekti ei johtanut kaupalliseen tuotteeseen.

Nesteen lisäksi voidaan muodostaa pellettejä, jotka ovat riittävän pieniä pumpattavaksi. Pellettejä käyttävät polttokennot voisivat korvata sinkkioksidin nopeasti uudella sinkkimetallilla. Käytetty materiaali voidaan kierrättää. Sinkki-ilmakenno on ensisijainen kenno (ei-ladattava); kierrätys vaaditaan sinkin talteenottamiseksi; Sinkin talteenottoon tarvitaan paljon enemmän energiaa kuin mitä ajoneuvossa voidaan käyttää.

Yksi etu sinkki -ilma -akkujen käyttämisestä ajoneuvojen käyttövoimana on se, että maapallon sinkkimetallin syöttö on 100 kertaa suurempi kuin litiumin akkuenergiayksikköä kohti. Maailmanlaajuinen vuosittainen sinkkituotanto riittää tuottamaan riittävästi sinkki-ilma-akkuja yli miljardille sähköajoneuvolle, kun taas nykyinen litiumtuotanto riittää tuottamaan vain kymmenen miljoonaa litiumioniautoa . Noin 35% maailman tarjonnasta eli 1,8 gigatonnia sinkkivarantoja on Yhdysvalloissa, kun taas Yhdysvalloilla on vain 0,38% tunnetuista litiumvarannoista .

Ruudukon säilytys

Eos Energy System -akku on noin puolet kuljetuskontin koosta ja tarjoaa 1 MWh tallennustilaa. Con Edison , National Grid , Enel ja GDF SUEZ aloittivat akun testaamisen verkkoon tallennusta varten. Con Edison ja New Yorkin yliopisto testaavat sinkkipohjaista akkua Urban Electric Powerilta osana New Yorkin osavaltion energian tutkimus- ja kehitysviranomaisohjelmaa. Eos arvioi, että sähkön varastointi tällaisilla EOS-akkuilla maksaa 160 dollaria/kWh ja että se tuottaa sähköä halvemmalla kuin uusi maakaasun huippuvoimala. Muut akkutekniikat vaihtelevat 400 dollarista noin 1 000 dollariin kilowattitunnilta.

Vaihtoehtoiset kokoonpanot

Yritykset puuttua sinkki -ilman rajoituksiin ovat:

• Sinkin lietteen pumppaaminen akun läpi yhteen suuntaan latausta varten ja peruutus tyhjennystä varten. Kapasiteettia rajoittaa vain lietteen koko.
• Vaihtoehtoiset elektrodien muodot (hyytelöimisen ja sideaineiden kautta)
• Kosteuden hallinta
• Huolellinen katalyytin hajautus hapen vähentämisen ja tuotannon parantamiseksi
• Modulaariset komponentit korjattavaksi ilman täydellistä vaihtoa

Turvallisuus ja ympäristö

Sinkki korroosio voi tuottaa räjähdysvaarallisissa vety. Tuuletusaukot estävät paineen muodostumisen kennoon. Valmistajat varoittavat vedyn kertymistä suljetuille alueille. Oikosuljettu kenno antaa suhteellisen pienen virran. Syväpurkaus alle 0,5 V/kenno voi johtaa elektrolyytin vuotamiseen; alle 0,9 V/kenno on vain vähän hyödyllistä kapasiteettia.

Vanhemmat mallit käyttivät elohopeamalgaamia, joka oli noin 1% painikkeen painosta, estämään sinkkikorroosiota. Uudemmat tyypit eivät sisällä elohopeaa. Sinkki itsessään on suhteellisen alhainen myrkyllisyys. Elohopeattomat mallit eivät vaadi erityiskäsittelyä, kun ne hävitetään tai kierrätetään.

Yhdysvaltojen vesillä ympäristösäännökset edellyttävät nyt navigointilaitteista poistettujen primaariparistojen asianmukaista hävittämistä. Aiemmin hävitetyt sinkki -ilma -paristot pudotettiin veteen poijujen ympärille, mikä mahdollisti elohopean pääsyn ympäristöön.

Katso myös

• Luettelo akkutyypeistä
• Luettelo paristojen kooista
• Akkutyyppien vertailu
• Alumiini -ilma -akku
• Fluidinen energia
• Polttoainekenno
• Kaasun diffuusioelektrodi
• Vetytekniikat
• Metalli -ilma sähkökemiallinen kenno
• Sinkkibromidi-akku

Viitteet

Ulkoiset linkit

Lue lisää

• Heise, GW ja Schumacher, EA, Air-depolarized Primary Cell with Caustic Alkali Electrolyyt, Transactions of the Electrochemical Society, voi. 62, sivu 363, 1932.