Zink-luft batteri

Moritz Hviid December 26, 2016 Z 144 0
FONT SIZE:
fontsize_dec
fontsize_inc

Zink-luft batterier og zink-luft brændselsceller er metal-luft-batterier drevet af oxiderende zink med ilt fra luften. Disse batterier har høj energitæthed og er relativt billige at fremstille. Størrelser spænder fra meget små knapceller til høreapparater, større batterier, der anvendes i film kameraer, der tidligere anvendte kviksølv batterier, til meget store batterier, der anvendes til elektriske køretøjer fremdrift.

Under tømning, en masse af zinkpartikler danner en porøs anode, der er mættet med en elektrolyt. Oxygen fra luften reagerer ved katoden og danner hydroxylioner, som migrerer ind zinkpastaen og danner zinkat 2-
4), til at frigøre elektroner bevæger sig til katoden. Den zinkat henfalder til zinkoxid og vand vender tilbage til elektrolytten. Vandet og hydroxyl fra anoden recirkuleres ved katoden, så vandet ikke forbruges. Reaktionerne producerer en teoretisk 1,65 volt, men dette er reduceret til 1,35 til 1,4 V i tilgængelige celler.

Zinkbatterierne har nogle egenskaber brændselsceller samt batterier: zinken er det brændstof, reaktionshastigheden kan styres ved at variere luftstrømningen, og oxideret zink / elektrolyt pasta kan erstattes med frisk pasta.

Zink-luft-batterier kan bruges til at erstatte nu ophørte 1,35 V kviksølv batterier, som i 1970'erne gennem 1980'erne blev der almindeligvis anvendes i foto kameraer.

Eventuelle fremtidige anvendelser af dette batteri omfatter dens indsættelse som et elektrisk køretøj batteri og som et hjælpeprogram skala energilagring system.

Historie

Virkningen af ​​oxygen blev kendt i begyndelsen af ​​det 19. århundrede, da wet-celle Leclanche batterier absorberes atmosfærisk oxygen i carbon katodestrøm samler. I 1878 blev der fundet en porøs platinerede carbon luftelektrode at arbejde samt mangandioxid af Leclanche cellen. Kommercielle produkter begyndte at ske på dette princip i 1932, da George W. Heise og Erwin A. Schumacher af de nationale Carbon Company bygget celler, behandling kulstof elektroder med voks for at forhindre oversvømmelser. Denne type bruges stadig til store zink-luft celler til navigationshjælpemidler og jernbanetransport. Men den nuværende kapacitet er lav, og cellerne er voluminøse.

Store primære zink-luft-celler, såsom Thomas A. Edison Industries Carbonaire type blev brugt til jernbanesignalering, fjerntliggende kommunikation sites, og navigation buoys.These var langvarige, applikationer med lav rente. Udvikling i 1970'erne af tynde elektroder baseret på brændselscelle-forskning tilladt ansøgning til lille knap og prismatiske primære celler til høreapparater, personsøgere og medicinsk udstyr, især hjerte-telemetri.

Første genopladelige zink luft batterier blev fremstillet i 1996 af en slovensk innovator Miro Zoric. De blev udviklet til el-køretøjer ved hjælp af de første AC baserede drev tog, også udviklet af Mr. Zoric. De første køretøjer på vejene til at bruge zink luft batterier var små og mellemstore mellemstore busser i Singapore, hvor Mr. Zoric førte det nationale elektrificering program på Singapore Polytechnic University, under hans teknologioverførsel indlæg. Masseproduktion samlebånd for hans zink luft batterier blev indført i 1997. Cellerne tilbydes meget højere energitæthed og specifik energi-forhold, i forhold til da standard blybatterier.

Reaktionsskemaer

Her er de kemiske ligninger for zink-luft-celle:

Zink-luft-batterier kan ikke bruges i en forseglet batteriholder da nogle luft skal komme i; ilt i 1 liter luft er påkrævet for hver amperetimer af kapaciteten anvendes.

Lagertæthed

Zink-luft batterier har højere energitæthed og specifik energi ratio end andre typer af batterier, fordi atmosfærisk luft er en af ​​batteriets reaktanter. Luften ikke er emballeret med batteriet, således at en celle kan anvende mere zink i anoden end en celle, der også skal indeholde, for eksempel mangandioxid. Det øger kapaciteten for en given vægt eller volumen. Som et konkret eksempel, en zink-luft batteri på 11,6 mm i diameter og højde 5,4 mm fra en producent har en kapacitet på 620 mAh og vægt 1,9 g; diverse sølv oxid og alkaliske celler af samme størrelse forsyning 150-200 mAh og vejer 2,3-2,4 g.

Opbevaring og levetid

Zink-luft celler har lang holdbarhed, hvis forseglet for at holde luften ud; selv miniature knapceller kan opbevares i op til 3 år ved stuetemperatur med lidt kapacitet tab, hvis deres segl ikke er fjernet. Industrielle celler opbevaret i tør tilstand har en ubegrænset holdbarhed.

Den levetid, en zink-luft-celle er en kritisk funktion af dets samspil med sine omgivelser. Elektrolytten mister vand hurtigere i forhold med høj temperatur og lav fugtighed. Fordi kaliumhydroxid elektrolytten er henflydende, i meget fugtige forhold overskydende vand akkumuleres i cellen, oversvømmelser katoden og ødelægge dets aktive egenskaber. Kaliumhydroxid også reagerer med luftens kuldioxid; carbonat formation vinder reducerer elektrolyt ledningsevne. Miniature celler har høj selvafladning engang åbnet for luft; cellens kapacitet er beregnet til at blive anvendt inden for et par uger.

Udledning egenskaber

Fordi katoden ikke ændrer egenskaber under afladning, terminal spænding er ret stabil indtil cellen nærmer udmattelse.

Strømkapacitet er en funktion af flere variable: katodeareal, lufttilgængelighed, porøsitet og katalytisk værdi katodeoverfladen. Ilt indtræden i cellen skal afvejes mod elektrolyt vandtab; katode membraner er belagt med Teflon materiale for at begrænse vandtabet. Lav luftfugtighed øger vandtab; hvis der er nok vand mistes cellen svigter. Knapceller har en begrænset strømforbrug; for eksempel en IEC PR44 celle har en kapacitet på 600 milliampere-timer, men en maksimal strøm på kun 22 milliampere. Puls belastning strømninger kan være meget højere, da nogle ilt forbliver i cellen mellem impulser.

Lav temperatur reducerer primær celle kapacitet, men effekten er lille for lave afløb. En celle kan levere 80% af sin kapacitet ved udslip over 300 timer ved 0 ° C, men kun 20% af kapaciteten ved udslip på en 50 timer hastighed ved samme temperatur. Lavere temperatur reducerer også cellespænding.

Celletyper

Primær

Store zink-luft-batterier, med kapacitet på op til 2.000 amperetimer per celle, der bruges til magten navigationsinstrumenter og markeringslys, oceanografiske eksperimenter og jernbane-signaler.

Primære celler er lavet i knappen format til ca. 1 Ah. Prismatiske former for bærbare enheder er fremstillet med kapaciteter mellem 5 og 30 Ah. Hybridcellelinier katoder omfatter mangandioxid at tillade høje maksimale strømninger.

Knapceller er yderst effektive, men det er vanskeligt at forlænge den samme konstruktion til større størrelser grund af luft diffusion performance, varmeafledning, og utæthed. Prismatiske og cylindriske celle design løse disse problemer. Stacking prismatiske celler kræver luftkanaler i batteriet og kan kræve en fan at tvinge luft gennem stakken.

Sekundær

Genopladelige zink-luft-celler kræver zink udfældning fra den vandbaserede elektrolyt skal styres nøje. Udfordringer omfatter dendritceller dannelse, uensartet zink opløsning og begrænset opløselighed i elektrolytter. Elektrisk vende reaktionen ved en bifunktionel luftkatode, at frigøre oxygen fra udledning reaktionsprodukter, er vanskelig; testet til dato membraner har generelt lav effektivitet. Ladespænding er meget højere end udledning spænding, der producerer cyklus energieffektivitet så lavt som 50%. Forudsat ladning og udledning funktioner ved separate uni-funktionelle katoder, øger celle størrelse, vægt og kompleksitet. Et tilfredsstillende elektrisk genoplades system, potentielt giver lave materiale omkostninger og høj specifik energi. Fra 2014, kun ét selskab har kommercielle enheder til salg, som beskrevet i en Dept. of Energy producerede video på topmødet i ARPA-e Energy Innovation i 2013. Fluidic Energy har tilsyneladende dækket hundredtusindvis af udfald i Asien på distribueret tålegrænse websteder. Og mindst én virksomhed hævder at være i felttest for grid-skala backup applikationer.

Mekanisk genoplade

Genopladelige systemer kan mekanisk erstatte anode og elektrolyt, i det væsentlige fungerer som refurbishable primær celle, eller kan anvende zinkpulver eller andre metoder til at genopbygge reaktanterne. Mekanisk-genoplades systemer blev undersøgt for militære elektronik benytter i 1960'erne på grund af den høje energitæthed og nem genopladning. Men den primære lithiumbatterier tilbydes højere udledning satser og nemmere håndtering.

Mekaniske genopladning systemer er blevet forsket i årtier til brug i elbiler. Nogle tilgange bruge en stor zink-luft-batteri til at opretholde afgift på en høj udledning sats batteri bruges til spidsbelastninger under acceleration. Zink granulat tjene som reaktant. Køretøjer genoplade via udveksling brugt elektrolyt og forarmet zink for friske reaktanter på en tankstation.

Udtrykket zink-luft brændselscelle henviser sædvanligvis til en zinkbatteriers hvor der tilsættes zinkmetal og zinkoxid fjernes kontinuerligt. Zinkelektrolyt pasta eller pellets skubbes ind i et kammer, og affald zinkoxid pumpes ind i en spildtank eller blære inde i brændstoftanken. Frisk zinkpasta eller pellets er taget fra brændstoftanken. Den zinkoxid affald pumpes ud på en tankstation til genbrug. Alternativt kan dette udtryk henvise til en elektrokemisk system, hvor zink er en co-reaktant bistår reformationen af ​​kulbrinter ved anoden af ​​en brændselscelle.

Materialer

Katalysatorer

Cobalt oxid / kulstof nanorør hybrid reduktion ilt katalysator og nikkel-jern lagdelt dobbelthydroxid ilt evolution katode katalysatorer udstillet højere katalytisk aktivitet og holdbarhed i koncentrerede alkaliske elektrolytter end ædle metaller Platinum og Iridium katalysatorer. Den resulterende primær zink-luft-batteri viste maksimal effekttæthed på ~ 265 mW cm-2, strømtæthed på ~ 200 mA cm-2 ved 1 V og energitæthed & gt; 700 Wh kg-1.

Genopladelige Zn-air batterier i en tri-elektrode konfiguration udviste en hidtil uset lille gebyr-udledning spænding polarisering af ~ 0,70 V ved 20 mA cm-2, høj reversibilitet og stabilitet over lange opladninger og afladninger.

Applikationer

Køretøj fremdrift

Metallisk zink kan anvendes som alternativt brændstof til køretøjer, enten i en zinkbatteriers eller til at generere hydrogen nær brugsstedet. Zink karakteristika har motiveret betydelig interesse som energikilde for elbiler. Gulf General Atomic demonstrerede en 20 kW bilens batteri. General Motors gennemført prøver i 1970'erne. Hverken projekt førte til et kommercielt produkt.

Ud over væsken, kunne dannes pellets, der er små nok til at pumpe. Brændselsceller, der anvender pellets ville være i stand til hurtigt at erstatte zink-oxid med frisk zinkmetal. Den brugte materialer kan genanvendes. Zink-luft-celle er en primær celle; genbrug er nødvendig for at genvinde den zink; meget mere energi er nødvendig for at genvinde zinken end er anvendeligt i et køretøj.

En fordel ved at anvende zinkbatterierne til fremdrift af køretøjer er, at jordens levering af zinkmetal er 100 gange større end for lithium, pr batteriets energi. Nuværende årlige globale zink produktion er tilstrækkelig til at producere nok zink-luft batterier til magt over en milliard elbiler, mens nuværende lithium produktion er kun tilstrækkelig til at producere ti millioner lithium-ion drevne køretøjer. Ca. 35% af verdens forsyning, eller 1,8 gigaton zink reserver i USA, mens USA besidder kun 0,38% af kendte lithium reserver.

Indledende genopladelige zink luft-batterier, der er udviklet til brug i køretøjer, blev brugt til busser i Singapore. Deres udvikler, Miro Zoric valgte zink luft kemi specielt på grund af zink luft batteri produktion kræver kun rigelige råvarer, der ville, når de anvendes til magten kørebaner AC drev tog, som også ikke kræver sjældne jordarters materialer, tillader globale vejtransport elektrificering, uden destabiliserende globale forsyningskæder, eller ansigt og forårsage uønskede råvarer flaskehalse.

Opbevaring gitter

Det Eos Energy System batteri er omkring halv størrelse af en skibscontainer og giver 1 MWh opbevaring. Con Edison, National Grid, Enel og GDF Suez begyndte at teste batteriet gitter opbevaringsboks. Con Edison og City University of New York tester en zink-baseret batteri fra Urban Electric Power som del af en New York State Energiforskning og Development Authority program. Eos projekter, der koster på $ 160 per kilowatt-time, og at det kunne give elektricitet billigere end en ny naturgas kraftværk. Andre batteriteknologier spænder fra $ 400 til omkring $ 1.000 om kilowatt-time.

Alternative konfigurationer

Forsøg på at løse zink-luft begrænsninger kan nævnes:

  • Pumpning zink gylle gennem batteriet i en retning til opladning og vende til udledning. Kapacitet er kun begrænset af opslæmningen reservoiret størrelse.
  • Alternative elektrode figurer
  • Fugtighed ledelse
  • Omhyggelig katalysator spredning til forbedring reduktion og produktion oxygen
  • Modularizing komponenter til reparation uden fuldstændig erstatning

Sikkerhed og miljø

Zink korrosion kan producere eksplosiv brint. Ventilationshuller forhindre trykopbygning i cellen. Producenter advare mod brint oprustning i lukkede områder. En kortsluttet celle giver relativt lav strøm. Dyb afladning under 0,5 V / celle kan medføre elektrolyt lækage; lidt nyttig kapacitet eksisterer under 0,9 V / celle.

Ældre design anvendes kviksølvamalgam svarende til omkring 1% af vægten af ​​en knapcellebatteri, for at forhindre zink korrosion. Nyere typer er ikke tilsat kviksølv. Zink selv er relativt lav toksicitet. Kviksølv-fri design kræver ingen særlig behandling, når kasseres eller genbruges.

I USA farvande, miljøregler kræver nu korrekt bortskaffelse af engangsbatterier fjernet fra navigationshjælpemidler. Tidligere blev kasseret zinc-air primærbatterier faldt i vandet omkring bøjer, hvilket tillod kviksølv slippe ud i miljøet.

  Like 0   Dislike 0
Kommentarer (0)
Ingen kommentar

Tilføj en kommentar

smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile
Tegn tilbage: 3000
captcha