Никель-цинковая батарея - Nickel–zinc battery

Никель-цинковая батарея
Аккумулятор NiZn AAA AA от NicoJenner.jpg
Никель-цинковые элементы размеров AA и AAA
Удельная энергия100 Вт · ч /кг
Плотность энергии280 Вт · ч / л
Удельная мощность> 3000 Вт /кг
Энергия / потребительская цена2–3Wh /АМЕРИКАНСКИЙ ДОЛЛАР$
Номинальное напряжение ячейки1,65 В

А никель-цинковая батарея, сокращенно NiZn, это тип аккумуляторная батарея похожий на NiCd аккумуляторы, но с более высоким напряжением 1,6 В.

Больше никель –цинк аккумуляторные системы известны более 100 лет. С 2000 года разработка стабилизированного цинка. электрод Система сделала эту технологию жизнеспособной и конкурентоспособной с другими коммерчески доступными аккумуляторными системами. В отличие от некоторых других технологий, капельная зарядка не рекомендуется.

История

В 1901 г. Томас Альва Эдисон был награжден Патент США 684204 для системы аккумуляторных никель-цинковых батарей.[1]

Батарея была позже разработана ирландским химиком. Доктор Джеймс Дж. Драмм (1897–1974),[2] и установлены в четырех двухместных вагонах Барабанный вагон наборы между 1932 и 1949 годами для использования на Дублин – Брей Железнодорожная линия. Несмотря на успех, они были сняты, когда батарейки изнашивались. Ранние никель-цинковые батареи обеспечивали лишь небольшое количество циклов разрядки / зарядки. В 1960-х годах никель-цинковые батареи были исследованы в качестве альтернативы серебряно-цинковым батареям для военных целей, а в 1970-х годах снова проявили интерес для электромобилей.[3] Evercel Inc. разработала и запатентовала несколько усовершенствований никель-цинковых батарей, но отказалась от этой области в 2004 году.[4]

Приложения

Никель-цинковые батареи имеют кривую заряда / разряда, аналогичную 1,2 В NiCd или же NiMH ячеек, но с более высоким номинальным напряжением 1,6 В.[5]

Никель-цинковые батареи хорошо работают в приложениях с высоким энергопотреблением и могут быть заменены свинцово-кислотные батареи из-за их более высокого отношения энергии к массе и более высокого отношения мощности к массе - всего 25% массы при той же мощности.[6] NiZn дешевле, чем никель-кадмиевые батареи,[6] и, как ожидается, будут стоить где-то между NiCd и свинцово-кислотными. NiZn может использоваться как заменитель никель-кадмия. Европейский парламент поддержал запрет на использование кадмиевых батарей;[1] никель-цинк - хорошая альтернатива для электроинструментов и других применений. Недостатком является повышенная скорость саморазряда примерно после 30-50 циклов, так что батареи не держат заряд так долго, как новые. Там, где это не проблема, NiZn - хороший выбор батарей для приложений, требующих большой мощности и высокого напряжения.[7]

Срок службы батареи

По сравнению с гидроксидом кадмия, склонность растворимого иона гидроксида цинка (цинкат ) растворяться в растворе и не полностью мигрировать обратно на катод во время перезарядки в прошлом создавало проблемы для коммерческой жизнеспособности NiZn батареи.[1][3] Еще одна распространенная проблема с цинковыми аккумуляторными батареями - это изменение формы электрода и дендриты (или же "усы "), что может снизить производительность разряда элемента или, в конечном итоге, привести к короткому замыканию элемента, что приведет к сокращению срока службы.

Последние достижения позволили значительно уменьшить эту проблему. Эти достижения включают усовершенствования материалов разделителей электродов, включение стабилизаторов цинкового материала и улучшение электролитов (например, за счет использования фосфаты ). PowerGenix разработала батареи 1,6 В с заявленным сроком службы батареи, сопоставимым с никель-кадмиевыми батареями.[8]

Срок службы батареи обычно указывается при глубине разряда 80 процентов от номинальной емкости и при условии, что ток разряда составляет один час. По мере уменьшения тока разряда или глубины разряда количество циклов заряда-разряда батареи увеличивается. При сравнении NiZn с другими технологиями аккумуляторов сравнение срока службы может отличаться в зависимости от скорости разряда и глубины используемого разряда.

Преимущества

Никель-цинковые элементы имеют напряжение холостого хода 1,85 В при полной зарядке,[9] и номинальное напряжение 1,65 В. Это делает NiZn отличной заменой для электронных устройств, предназначенных для использования щелочных первичных элементов 1,5 В.[нужна цитата ] Оборудование, предназначенное для щелочных батарей, не будет работать должным образом при напряжении ниже конечной точки, равном 1,5 В в свежем виде; NiCd и NiMH оба имеют номинальное напряжение элемента 1,2 В и достигнут этой конечной точки до того, как их зарядная емкость полностью истощится.[нужна цитата ]

Альтернативой литий-ионным аккумуляторам для электромобилей могут быть новые элементы, более мощные и со сроком службы до 800 циклов. Из-за более высокого напряжения элементов для данного напряжения батареи требуется меньше элементов, чем для NiCd и NiMH. У них также низкий внутренний сопротивление (обычно 5 миллиом ), что обеспечивает высокую скорость разряда батареи, до 50C. (C - емкость аккумулятора в Ач, деленная на один час.)[нужна цитата ]

В NiZn батареях не используются ртуть, свинец или кадмий, или гидриды металлов, все из которых сложно переработать.[10] И никель, и цинк обычно встречаются в природе и могут быть полностью переработаны.

В элементах NiZn не используются горючие активные материалы или органические электролиты, а в новейших моделях используются полимерные сепараторы, которые уменьшают проблему дендритов.

Правильно спроектированные элементы NiZn могут иметь очень высокую удельную мощность и низкотемпературные характеристики разряда, а также могут разряжаться почти до 100% и без проблем перезаряжаться. По состоянию на 2017 год они были доступны в размерах до F и 50 Ач / призматическая ячейка.

Цинк - дешевый и распространенный металл, 24-й элемент в земной коре по распространенности и не опасен для здоровья. Обычное окисление составляет +2, поэтому заряд и разряд перемещают два электрона вместо одного, как в NiMH батареях.

Зарядка

Зарядные устройства для NiZn-аккумуляторов должны быть способны заряжать аккумулятор с полностью заряженным напряжением 1,85 В на элемент, что выше 1,4 В для NiMH аккумуляторов. Технология NiZn хорошо подходит для быстрой перезарядки, поскольку оптимальная скорость зарядки C или C / 2 являются предпочтительными.[11]

Известные режимы зарядки включают постоянный ток C или C / 2 до напряжения элемента = 1,9 В. Один производитель. [12] рекомендует заряжать при постоянном токе от C / 4 до C до тех пор, пока напряжение элемента не достигнет 1,9 В, а затем продолжать зарядку при постоянном напряжении 1,9 В до тех пор, пока ток заряда не упадет до C / 40.

Максимальное время зарядки указывается по-разному:2 1⁄2 часы[11] и 3 часа.[13] После зарядки непрерывная подзарядка не рекомендуется, так как рекомбинация не предусмотрена, и водород в конечном итоге будет вентилироваться, что отрицательно скажется на сроке службы батареи.[нужна цитата ] Типичное зарядное устройство для NiZn аккумуляторов не производит непрерывный заряд после того, как аккумулятор полностью заряжен, а отключается.[14]

Химия

(-) электрод: Zn + 4 OH− ⇌ Zn (ОН)42− + 2e− (E0 = -1,2 В / ОНА)
Электролит: КОН
Zn (OH)42− ⇌ Zn (ОН)2 + 2OH−
Zn (OH)2 ⇌ ZnO + H2О
(+) электрод: 2 NiO (OH) + 2 H2O + 2 e− ⇌ 2 Ni (ОН)2 + 2 ОН− (E0 = +0,50 В / ОНА)
Общая реакция: Zn + 2 NiO (OH) + H2O ⇌ ZnO + 2 Ni (ОН)2
Паразитарная реакция: Zn + 2 H2О → Zn (ОН)2 + H2

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c "Создание лучшей батареи", Керри А. Долан, Forbes.com, Forbes журнал, 11 мая 2009 г., по состоянию на 12 февраля 2011 г., Форбс-44.
  2. ^ "Известные ирландские химики: Джеймс Дж. Драмм". Ты врешь. Архивировано из оригинал 22 июля 2012 г.. Получено 1 июля 2012.
  3. ^ а б Дэвид Линден (редактор)., Справочник аккумуляторов, Макгроу Хилл, 2002 г., ISBN  0-07-135978-8, глава 31.
  4. ^ Финансовый отчет Evercel за 2007 год В архиве 7 марта 2016 г. Wayback Machine, Evercel.com, страница 9, получено 23 ноября 2010 г.
  5. ^ Батарея-метр-проблема, Кривые разряда NiZn и отсечки напряжения камеры, PentaxForums.com
  6. ^ а б «Никель-Цинк». EnerSys.com. EnerSys. Получено 13 июля 2015.
  7. ^ Томас, Джастин (16 марта 2012 г.). «Обзор NiZn аккумуляторов». MetaEfficient.com. inSync Тема. Получено 10 августа 2020.
  8. ^ «Краткая история развития аккумуляторов», PowerGenix.com, 2010 г., получено 12 февраля 2011 г.[мертвая ссылка ]
  9. ^ [1] Новые NiZn аккумуляторы обеспечивают молниеносную переработку
  10. ^ «Паспорт безопасности: Никель-цинковые батареи (элементы), размеры: Sub-C и призматические». ZincFive. 24 мая 2019. Получено 10 августа 2020.
  11. ^ а б «Характеристики батареи PowerGenix AA» (PDF). Получено 1 июля 2012.[мертвая ссылка ]
  12. ^ «Инструкции по загрузке никель-цинка». Zincfive. Получено 5 июн 2019.
  13. ^ «Зарядное устройство PowerGenix NiZn Quick Charger». Powergenix.com. Получено 1 июля 2012.[мертвая ссылка ]
  14. ^ "Панель батарей UPStealth NEMA". - ZincFive (ранее PowerGenix). 2017. Получено 23 января 2017.