Кіріспе
Қайта зарядталатын батареяның түрі
Никель-мырыш батареясы (Ni–Zn батареясы немесе NiZn батареясы) – никель-кадмий батареяларына ұқсас қайта зарядталатын батарея түрі, бірақ 1,6 В жоғары кернеуге ие.
Ірі никель-мырыш батарея жүйелері 100 жылдан астам уақыттан бері белгілі. 2000 жылдан бері мырыш электродын тұрақтандыру жүйесін жетілдіру арқасында бұл технология қолдануға жарамды және басқа коммерциялық қайта зарядталатын батарея жүйелерімен бәсекелесе алады. Кейбір басқа технологиялардың керісінше, үнемі зарядтау ұсынылмайды.
Тарих
1901 жылы Томас Альва Эдисон қайта зарядталатын никель-цинк батареясы жүйесі үшін марапатталды. Батареяны кейіннен ирланд химигі доктор Джеймс Дж. Драмм (1897-1974) жетілдірді және 1932-1949 жылдар аралығында Дублин-Брей темір жолындағы төрт екі вагонды Драмм пойыз құрамына орнатты. Олар табысты болғанмен, батареялары тозығы жеткенде пайдаланудан алынды. Алғашқы никель-цинк батареялары тек аз ғана разрядтау-зарядтау циклдарын қамтамасыз етті. 1960 жылдары никель-цинк батареялары әскери қолданыс үшін күміс-цинк батареяларына балама ретінде зерттелді, ал 1970 жылдары электр көліктері үшін қайтадан қызығушылық тудырды.
Қолданбалар
Никель-цинк батареялары 1,2 В NiCd немесе NiMH элементтеріне ұқсас зарядтау-разряд қисығына ие, бірақ 1,6 В номиналды кернеуі жоғары. Никель-цинк батареялары жоғары тоқ тұтынуда жақсы жұмыс істейді және олардың энергияны массаға қатынасы және қуатты массаға қатынасы жоғары болғандықтан, қорғасын-қышқыл батареяларын алмастыру мүмкіндігі бар – бірдей қуат үшін массаның тек 25% қана керек. Никель-цинк батареялары никель-кадмий батареяларынан арзан.
Батареяның қызмет ету мерзімі
Кадмий гидроксидімен салыстырғанда, ерітілетін мырыш гидроксиді ионының (зинкаттың) ерітіндіге еріп, қайта зарядтау кезінде катодқа толық көшпеуі бұрын никель-мырыш батареясының коммерциялық қолданылуына кедергі келтірген. Мырыш қайта зарядталатын батареяларындағы тағы бір кең таралған мәселе – электрод пішінінің өзгеруі және дендриттер (немесе "мұрттар"), олар жасушаның разрядтау тиімділігін төмендетуі немесе әлдебір уақытта жасушаны қысқа тұйықтатып, осымен циклдың қысқаруына себеп болуы мүмкін. Жақындағы жетістіктер бұл мәселенің айтарлықтай азаюына мүмкіндік берді. Бұл жетістіктер электродты бөлу материалдарын жақсарту, мырыш материалдарын тұрақтандырушыларды қосу және электролиттерді жетілдіру (мысалы, фосфаттарды қолдану арқылы) кіреді. PowerGenix компаниясы NiCd батареяларымен салыстырылатын 1,6 В батареяларды жасады. Батареяның циклдық өмір сүру мерзімі көбінесе номиналды сыйымдылығының 80 пайызына дейін разрядтау тереңдігінде және бір сағаттық разрядтау тогын ескере отырып көрсетіледі. Разрядтау тогы немесе разрядтау тереңдігі азайған сайын, батареяның зарядтау-разрядтау циклдарының саны артады. Ni–Zn батареясын басқа батарея технологияларымен салыстырғанда, циклдық өмірге қатысты салыстырулар қолданылған разрядтау жылдамдығы мен разрядтау тереңдігіне байланысты өзгеруі мүмкін.
Артықшылықтар
Никель-цинк элементтері толық зарядталғанда ашық тізбектің кернеуі 1,85 вольт, ал номиналды кернеуі 1,65 В құрайды. Бұл Ni–Zn элементтерін, әсіресе алкалиндық бастапқы элементтердің 1,5 В кернеуін қажет ететін электрондық өнімдер үшін өте қолайлы етеді, олар көптеген қайта зарядталатын элементтердің 1,2 В кернеуін қажет етпейді (көптеген тізбектер сәл жоғары кернеуге төзімді) және әдетте алкалиндық элементтің соңғы кернеуінен асып кетсе, дұрыс жұмыс істемейді. 1,2 В қайта зарядталатын элементтің шығыс кернеуі, оның зарядын толық жеткізгенге дейін осы деңгейге дейін төмендейді. Көп ұялы аккумуляторларда қолдану үшін Ni–Zn элементтерінің жоғары кернеуі, бірдей кернеу үшін NiCd және NiMH элементтеріне қарағанда аз ұяларды қажет етеді. Олардың ішкі кедергісі төмен (әдетте 5 миллиом), бұл батареяны 50C дейін жоғары разрядтауға мүмкіндік береді (C – батареяның сыйымдылығы, А сағатына бөлінген). Электрлік көліктерде литий-иондық аккумуляторларға қарағанда қуаттырақ және 800 циклға дейін қызмет ететін жаңа элементтер балама болып табылады. Никель-цинк аккумуляторлары сынап, қорғасын, кадмий немесе металл гидридтерін қолданбайды, олардың барлығын қайта өңдеу қиын. Никель мен мырыш табиғатта кең таралған элементтер және оларды толық қайта өңдеуге болады. NiZn элементтері жанғыш белсенді материалдарды немесе органикалық электролиттерді қолданбайды, ал кейінгі конструкциялар дендриттердің пайда болуын азайтатын полимерлік сепараторларды қолданады. Дұрыс жобаланған NiZn элементтері өте жоғары қуат тығыздығына және төмен температурада жақсы разрядтау өнімділігіне ие болуы мүмкін, оларды проблемасыз шамамен 100% дейін разрядтап, қайта зарядтауға болады. 2017 жылдың мәліметтері бойынша, олар F және 50 Аж/призмалық элементтердің өлшемдерінде қол жетімді болды. Мырыш – арзан және көп таралған металл, Жер қыртысындағы ең көп таралған 24-ші элемент, және ол денсаулыққа қауіпті емес. Көбінесе тотығу дәрежесі +2 болады, сондықтан зарядтау және разрядтау кезінде NiMH аккумуляторларындағыдай бір электронның орнына екі электрон қозғалады.
Төлемдеу
Никель-цинк аккумуляторларын зарядтау құрылғылары аккумуляторды әр элемент үшін 1,85 В толық зарядталған кернеумен зарядтауға қабілетті болуы керек, бұл NiMH аккумуляторларының 1,4 В-тан жоғары. NiZn технологиясы жылдам қайта зарядтау циклдері үшін өте жақсы, себебі C немесе C/2 оптималды зарядтау жылдамдықтары ұсынылады. Ұяшықтың кернеуі 1,9 В-қа жеткенше C/4-тен C-ге дейінгі тұрақты токпен зарядтау, содан кейін зарядтау тогы C/40-қа дейін төмендегенше 1,9 В тұрақты кернеумен зарядтауды жалғастыру ұсынылады. 2009 жылы максималды зарядтау уақыты шамамен үш сағатты құрайтыны айтылды. Зарядталғаннан кейін үздіксіз тамшылап зарядтау ұсынылмайды, себебі рекомбинация қарастырылмаған, ал артық сутек уақыт өте келе шығып, аккумулятордың қызмет ету мерзіміне кері әсер етеді. Кейбір NiZn аккумуляторларын зарядтау құрылғылары батарея толық зарядталғаннан кейін тамшылап зарядтамайды, керісінше өшіріледі.