Введение
Тип перезаряжаемого аккумулятора
Никель-цинковый аккумулятор (никель-цинковый аккумулятор или NiZn аккумулятор) — это тип перезаряжаемого аккумулятора, аналогичный никель-кадмиевым, но с более высоким напряжением 1,6 В.
Более крупные системы никель-цинковых аккумуляторов известны уже более 100 лет. С 2000 года разработка стабилизированной системы цинковых электродов сделала эту технологию работоспособной и конкурентоспособной по сравнению с другими коммерчески доступными перезаряжаемыми аккумуляторными системами. В отличие от некоторых других технологий, поддерживающая зарядка не рекомендуется.
История
В 1901 году Томасу Альве Эдисону была присуждена награда за систему перезаряжаемых никель-цинковых аккумуляторов. Позже эта батарея была усовершенствована ирландским химиком доктором Джеймсом Дж. Драммом (1897–1974) и установлена в четыре двухвагонных состава поездов Драмма между 1932 и 1949 годами для использования на железнодорожной линии Дублин – Брей. Несмотря на успешную эксплуатацию, они были выведены из обращения по мере износа аккумуляторов. Первые никель-цинковые аккумуляторы обеспечивали лишь небольшое количество циклов разряда-заряда. В 1960-х годах никель-цинковые аккумуляторы рассматривались как альтернатива серебряно-цинковым аккумуляторам для военных целей, а в 1970-х годах вновь привлекли внимание в связи с разработкой электромобилей.
Приложения
Никель-цинковые батареи имеют вольтамперную характеристику заряда-разряда, аналогичную 1,2-вольтовым NiCd или NiMH элементам, но с более высоким номинальным напряжением в 1,6 В. Никель-цинковые батареи хорошо подходят для работы при высоких токах разряда и могут потенциально заменить свинцово-кислотные батареи благодаря более высокой удельной энергии и удельной мощности – всего 25% массы для достижения той же мощности. Никель-цинковые батареи дешевле никель-кадмиевых.
Срок службы батареи
По сравнению с гидроксидом кадмия, склонность растворимого иона гидроксида цинка (цинката) к растворению в растворе и неполному возврату к катоду при перезарядке долгое время создавала проблемы для коммерческой целесообразности никель-цинковых аккумуляторов. Другой распространенной проблемой для перезаряжаемых цинковых батарей является изменение формы электрода и образование дендритов (или "усов"), которые могут снизить эффективность разряда элемента или, в конечном итоге, привести к короткому замыканию, что снижает срок службы. Недавние достижения позволили значительно уменьшить эту проблему. Эти достижения включают усовершенствования в материалах сепараторов электродов, добавление стабилизаторов цинка и улучшения состава электролита (например, за счет использования фосфатов). PowerGenix разработала 1,6-вольтовые батареи с заявленным сроком службы, сопоставимым с NiCd-аккумуляторами. Срок службы батареи обычно указывается при глубине разряда в 80 процентов от номинальной емкости и при скорости разряда в течение одного часа. При уменьшении тока разряда или глубины разряда количество циклов заряда-разряда батареи увеличивается. При сравнении Ni–Zn с другими аккумуляторными технологиями, показатели срока службы могут различаться в зависимости от используемой скорости и глубины разряда.
Преимущества
Никель-цинковые элементы имеют напряжение холостого хода 1,85 вольт при полной зарядке и номинальное напряжение 1,65 В. Это делает NiZn особенно подходящими для электронных устройств, которым требуется 1,5 В щелочных первичных элементов, а не 1,2 В большинства перезаряжаемых элементов (большинство схем допускают немного более высокое напряжение), и которые не будут функционировать корректно при превышении, как правило, конечного напряжения щелочной ячейки. Выходное напряжение перезаряжаемой ячейки на 1,2 В снижается до этой отметки до того, как она полностью отдаст свой заряд. При использовании в многоэлементных батареях более высокое напряжение NiZn требует меньшего количества элементов, чем NiCd и NiMH, для получения того же напряжения. Они обладают низким внутренним сопротивлением (обычно 5 миллиом), что обеспечивает высокие токи разряда, до 50C (C – это емкость батареи в ампер-часах, деленная на один час). Новые элементы, более мощные и с ресурсом до 800 циклов, могут служить альтернативой литий-ионным батареям для электромобилей. Никель-цинковые батареи не содержат ртути, свинца, кадмия или металлических гидридов, которые сложно перерабатывать. Никель и цинк – распространенные в природе элементы, которые могут быть полностью переработаны. В NiZn-элементах не используются легковоспламеняющиеся активные материалы или органические электролиты, а в более поздних конструкциях применяются полимерные сепараторы, снижающие проблему образования дендритов. Правильно спроектированные NiZn-элементы могут иметь очень высокую плотность мощности и хорошие характеристики при низких температурах, их можно разряжать почти на 100% и перезаряжать без проблем. По состоянию на 2017 год они были доступны в размерах до F и в виде призматических ячеек емкостью 50 Ач. Цинк – дешевый и распространенный металл, 24-й по распространенности элемент в земной коре, и безопасен для здоровья. Типичная степень окисления +2, поэтому при заряде и разряде перемещаются два электрона, а не один, как в NiMH-батареях.
Зарядка
Зарядные устройства для никель-цинковых аккумуляторов должны обеспечивать зарядку с напряжением полностью заряженной ячейки 1,85 В, что выше 1,4 В для NiMH. Технология NiZn хорошо подходит для быстрого цикла перезарядки, поскольку оптимальными скоростями заряда являются C или C/2. Рекомендуется заряжать постоянным током от C/4 до C до достижения напряжения ячейки 1,9 В, а затем продолжать зарядку при постоянном напряжении 1,9 В до тех пор, пока ток заряда не снизится до C/40. Максимальное время зарядки, заявленное в 2009 году, составляло около трех часов. После зарядки непрерывная поддерживающая зарядка не рекомендуется, так как рекомбинация не предусмотрена, и избыток водорода со временем будет выходить, что негативно повлияет на срок службы аккумулятора. Некоторые зарядные устройства для NiZn-аккумуляторов указывают, что они не осуществляют поддерживающую зарядку после полной зарядки аккумулятора, а отключаются.