Кіріспе
Жоғары электр энергиясын сақтау құрылғысы
Цинк-ауа батареясы – цинкті ауадан алынған оттегімен тотықтыру арқылы қуат алатын металл-ауа электрохимиялық жасуша. Разряд кезінде цинк бөлшектерінің массасы электролитке қаныққан кезекті анодты құрайды. Ауадағы оттегі катодта реакцияға түсіп, гидроксид иондарын түзетін болады, олар цинк пастасына өтеді және цинкатты (Zn(OH)42-) құрайды, содан кейін электрондар катодқа жетеді. Цинкат цинк тотығына ыдырайды, ал су электролитке қайта оралады. Анодтағы су мен гидроксид катодта қайта пайдаланылады, сондықтан су тұтылмайды. Бұл реакциялар 1,65 вольт теориялық кернеуді тудырады, бірақ қолданыстағы жасушаларда 1,35–1,4 В-қа дейін төмендейді. Бұл батареялардың энергия тығыздығы жоғары және оларды өндіру салыстырмалы түрде арзан. Цинк-ауа батареялары отын элементтерінің де кейбір қасиеттерін иеленеді: цинк – отын, реакция жылдамдығы ауа ағынын өзгерту арқылы реттелуі мүмкін, ал тотыққан цинк/электролит пастасын жаңа пастамен алмастыруға болады. Олардың мөлшері есту аппараттары үшін қолданылатын өте кішкентай түймелі батареялардан бастап, бұрын сынап батареяларын пайдаланған кинокамераларда қолданылатын үлкен батареяларға дейін, электр көліктерін қозғалту және желілік деңгейде энергия сақтау үшін қолданылатын өте үлкен батареяларға дейін өзгереді. Цинк-ауа батареяларын қазір тоқтатылған 1,35 В сынап батареяларын алмастыру үшін пайдалануға болады (бірақ жұмыс істеу мерзімі айтарлықтай қысқа), олар 1970-1980 жылдары фотокамералар мен есту аппараттарында кеңінен қолданылған. Бұл батареяның болашақтағы қолданылу мүмкіндіктеріне электр көліктері үшін батарея ретінде және коммуналдық деңгейде энергия сақтау жүйесі ретінде пайдалану жатады.
Тарих
Оттегінің әсері 19 ғасырдың басында-ақ белгілі болды, Леланш батареялары атмосфералық оттегіні көміртек катодындағы ток жинағышқа сіңіріп алған кезде. 1878 жылы Леланш батареясының марганец диоксидімен бірдей жұмыс істейтін кеуекті платиналанған көміртек-ауа электроды табылды. Коммерциялық өнімдер осы принцип бойынша 1932 жылы National Carbon Company компаниясының Джордж В. Хайз және Эрвин А. Шумахер көміртек электродтарын балауызбен өңдеп, су басудың алдын алу үшін жасала бастады. Бұл тип әлі күнге дейін навигациялық құралдар мен теміржол көлігі үшін үлкен мырыш-ауа элементтерінде қолданылады. Дегенмен, тоқ сыйымдылығы төмен және элементтер көлемді. Thomas A. Edison Industries Carbonaire типіндегі ірі біріншілік мырыш-ауа элементтері теміржол сигнализациясы, қашықтықтан байланыс пункттері және навигациялық теңіз белгілері үшін пайдаланылды. Бұл ұзақ мерзімді, төмен жылдамдықты қолданулар болды. 1970 жылдары отын жасушасы зерттеулеріне негізделген жұқа электродтардың дамуы есту аппараттары, пейджерлер және медициналық құрылғылар, әсіресе жүрек телеметриясы үшін кішкентай түймелі және призмалық біріншілік батареяларды қолдануға мүмкіндік берді.
Сақтау және пайдалану мерзімі
Мырыш-ауа элементтері ауаны өткізбеу үшін герметикалық жабылған болса, ұзақ сақталады; тіпті кішкентай түймелі элементтер бөлме температурасында мөрі бұзылмаса, 3 жылға дейін сақталуы мүмкін, сыйымдылығының аз бөлігі ғана жоғалады. Құрғақ күйде сақталған өнеркәсіптік элементтердің сақталу мерзімі шексіз. Мырыш-ауа элементінің қызмет ету мерзімі оның қоршаған ортамен өзара әрекеттесуіне тікелей байланысты. Электролит жоғары температура және төмен ылғалдылық жағдайында суды жылдам жоғалтады. Калий гидроксид электролиті ылғалдылыққа бейім болғандықтан, өте ылғалды жағдайда жасуша ішінде артық су жиналып, катодты су басып, оның активті қасиеттерін жояды. Калий гидроксиді атмосфералық көмірқышқыл газымен де реакцияға түседі; карбонат пайда болуы электролиттің өткізгіштігін азайтады. Кішкентай элементтер ауаға ашылғаннан кейін өте тез зарядты жоғалтады; жасушаның сыйымдылығы бірнеше апта ішінде қолдануға арналған. Мырыштың біркелкі емеуі және электролиттерде шектеулі ерігіштігі де маңызды факторлар. Екі функциялы ауа катодында реакцияны кері қайтару арқылы, разрядтау өнімдерінен оттегіні бөліп шығару қиын; бүгінгі күнге дейін сынақтан өткен мембраналардың тиімділігі төмен. Зарядтау кернеуі разрядтау кернеуінен әлдеқайда жоғары, нәтижесінде циклдің энергия тиімділігі 50%-ға дейін төмендеуі мүмкін. Жеке бір функциялы катодтарды пайдаланып зарядтау және разрядтау функцияларын жүзеге асыру жасушаның көлемін, салмағын және күрделілігін арттырады. Fluidic Energy компаниясы Азиядағы жүздеген мыңдаған тоққуды қамтамасыз еткен. EOS Energy Storage компаниясы Нью-Джерсидегі сарқынды суларды тазарту станциясында 1 МВт/сағ сыйымдылықтағы микрожелілік жүйені іске қосты және бұрын желілік масштабтағы резервтік жүйелерді сынақтан өткізген. AZA Battery компаниясы стационарлық сақтау және жылдам қозғалысқа арналған сипаттамаларына сай призмалық мырыш-ауа элементтерін пилоттық өндіріске дамытуды жариялады.
Механикалық толтыру
Қайта зарядталатын жүйелер анод пен электролитті механикалық түрде алмастыра алады, тиімді түрде жаңартылатын біріншілік элемент ретінде жұмыс істейді, немесе реактивтерді толықтыру үшін мырыш ұнтағын немесе басқа әдістерді пайдаланады. Механикалық түрде қайта зарядталатын жүйелер 1960 жылдары жоғары энергия тығыздығы және оңай қайта зарядталу мүмкіндігіне байланысты әскери электроникада қолдану үшін зерттелді. Дегенмен, бастапқы литий батареялары жоғары разряд жылдамдығын және пайдалануға ыңғайлылығын ұсынды. Механикалық зарядтау жүйелері электр көліктерінде қолдану үшін ондаған жылдар бойы зерттелді. Кейбір тәсілдер үдеу кезіндегі жоғары жүктемелер үшін қолданылатын жоғары разрядты батареяны зарядтау үшін үлкен мырыш-ауа батареясын пайдаланады. Мырыш гранулалары реактив ретінде қызмет етеді. Көлік құралдары жанармай құю станциясында тозған электролит пен мырышты жаңа реактивтерге алмастыру арқылы қайта зарядталады. "Мырыш-ауа отын жасушасы" термині көбінесе мырыш-ауа батареясын білдіреді, онда мырыш металлы қосылады және мырыш оксиді үздіксіз алынып отырады. Мырыш электролиті пастасы немесе гранулалары камераға беріледі, ал пайдаланылған мырыш оксиді отын бакіндегі қалдық резервуарына немесе мембранаға сорылады. Жаңа мырыш пастасы немесе гранулалары отын бакінен алынады. Мырыш оксиді қалдықтары қайта өңдеу үшін жанармай құю станциясына шығарылады. Балама ретінде, бұл термин электрохимиялық жүйеге де қатысты болуы мүмкін, онда мырыш отын жасушасының анодындағы көмірсутектердің қайта құрылуына көмектесетін қосымша реактив болып табылады. Механикалық зарядтау жүйелерінің қайта зарядталатын батареяларға қарағандағы артықшылықтары энергия мен қуат компоненттерін бөлуді қамтиды, бұл әртүрлі зарядтау жылдамдығы, разрядтау жылдамдығы және энергия сыйымдылығы талаптарына сәйкес дизайн икемділігін қамтамасыз етеді.
Катализаторлар
Кобальт оксиді / көміртек нанотүтік гибридті оттегін азайту катализаторы және никель-темір қабатты қос гидроксидті оттегін бөліп шығару катодты катализаторлары концентрирленген сілтілік электролиттерде платина және иридий сияқты құнды металл катализаторларынан жоғары катализдік белсенділік пен беріктік көрсетті. Нәтижесінде алынған бастапқы мырыш-ауа батареясы ~265 мВт/см³ қуат тығыздығын, 1 В кернеуде ~200 мА/см³ ток тығыздығын және >700 Вт/кг энергия тығыздығын көрсетті. Үш электродты конфигурациядағы қайта зарядталатын мырыш-ауа батареялары 20 мА/см³ токта ~0,70 В-қа тең, бұрын-соңды болмаған кішкентай зарядтау-босату кернеулік поляризациясын, жоғары қайтымдылықты және ұзақ зарядтау-босату циклдарында тұрақтылықты көрсетті. Көпірдің беттік ауданы ~1,663 м²/г құрады. Бастапқы батареялар 1,48 В ашық тізбек потенциалын, 735 мАч/г (Zn) (энергия тығыздығы 835 Вт/кг (Zn)) нақты сыйымдылығын, 55 мВт/см³ ең жоғары қуат тығыздығын және механикалық зарядтағаннан кейін 240 сағат бойы тұрақты жұмыс істеуді қамтамасыз етті. Екі электродты қайта зарядталатын батареялар 2 мА/см³ токта 180 цикл бойы тұрақты жұмыс істеді.
Көлік құралдарын қозғалтқыш
Металл мырыш көлік құралдары үшін мырыш-ауа батареясында немесе қолданыс орнына жақын сутегін өндіру үшін балама отын ретінде қолданылуы мүмкін. Мырыштың қасиеттері электрлік көліктер үшін энергия көзі ретінде үлкен қызығушылық тудырды. Gulf General Atomic компаниясы 20 кВт қуатты автокөлік батареясын көрсетті. General Motors компаниясы 1970 жылдары сынақтар жүргізді. Екі жобаның да нәтижесінде коммерциялық өнім шығарылмады. Сұйық түрінен өзге, сорғымен тасымалдауға жететіндей кішкентай гранулалар жасауға да болады. Гранулаларды пайдаланатын отын жасушалары мырыш тотығын жаңа мырыш металлымен жылдам алмастыра алады. Қолданылған материалды қайта өңдеуге болады. Мырыш-ауа жасушасы – біріншілік жасуша (қайта зарядталмайды); мырышты қайта алу үшін қайта өңдеу қажет, ал мырышты қайта өңдеуге көлікте пайдалануға болатын энергиядан әлдеқайда көп энергия талап етіледі. Көлікті қозғалту үшін мырыш-ауа батареяларын пайдаланудың бір артықшылығы – литийге қарағанда минералдың салыстырмалы түрде көп болуы. 2020 жылғы мәліметтер бойынша, жалпы әлемдік мырыш қоры шамамен 1,9 миллиард тоннаны құрайды, ал литийдің жалпы қоры 86 миллион тоннаға бағаланады.
Желідегі сақтау
Eos Energy System аккумуляторының көлемі жүк контейнерінің шамамен жартысына тең және 1 МВт/сағ сақтау мүмкіндігін ұсынады. Con Edison, National Grid, Enel және GDF SUEZ компаниялары желіде энергия сақтау үшін бұл батареяны сынақтан өткізуді бастады. Con Edison және Нью-Йорк қалалық университеті Нью-Йорк штатының Энергияны зерттеу және дамыту басқармасының бағдарламасы аясында Urban Electric Power компаниясының мырыш негізіндегі батареясын сынап жатыр. Eos компаниясы мұндай EOS батареяларымен электр энергиясын сақтау құны 160 АҚШ доллары/кВт/сағ болатынын және оның жаңа табиғи газды шыңдық электр стансасынан арзан электр энергиясын қамтамасыз ететінін күтеді. Басқа батарея технологияларының құны бір киловатт-сағатқа 400-ден 1000 долларға дейін жетеді.
Қысымды өндіру
Зинк-ауа батареяларына оттегі жеткізілмей, жүктеме түсіргенде, олар жүктемеге пропорционал, салыстырмалы түрде бақыланатын жылдамдықпен сутек газын бөліп шығарады. Бұл қысымды арттырады, ал ол автоматты майлағыштар немесе ауа жақсарғыштар сияқты кейбір қолданыстарда ұзақ мерзімге басқа сұйықтықты сығып шығару үшін пайдаланылады.
Қауіпсіздік және қоршаған орта
Цинк коррозиясы жарылғыш сутегін бөліп шығаруы мүмкін. Желдету тесіктері жасуша ішіндегі қысымның артуын болдырмайды. Өндірушілер жабық кеңістіктерде сутегінің жиналуына қатысты ескертеді. Қысқа тұйықталуға ұшыраған жасуша салыстырмалы түрде аз ток береді. 0,5 В/элементтен төмен терең разрядтану электролиттің ағуына әкелуі мүмкін; 0,9 В/элементтен төменде пайдалы сыйымдылық шамалы. Ескі үлгілерде мырыш коррозиясын болдырмау үшін түймелі элемент салмағының шамамен 1% құрайтын сынап амальгамасы қолданылған. Жаңа үлгілерде сынап қосылмайды. Цинк өзі салыстырмалы түрде аз уытты. Сынаптан жасалмаған элементтерді кәдеге келтіру немесе қайта өңдеу кезінде ерекше өңдеу қажет емес.