В пятом номере нашего журнала мы рассказали, как самим сделать газовый аккумулятор, а в шестом - свинцово-поташный. Предлагаем читателям еще один тип источника тока - воздушно-цинковый элемент. Этот элемент не требует зарядки в процессе эксплуатации, что является весьма важным преимуществом перед аккумуляторами.

Воздушно-цинковый элемент сейчас - наиболее совершенный источник тока, так так он обладает сравнительно высокой удельной энергией (110-180 Вт-ч/кг), прост в изготовлении и эксплуатации и наиболее перспективен в смысле увеличения его удельных характеристик. Теоретически рассчитанная удельная мощность воздушно-цинкового элемента может достигать 880 Вт-ч/кг. Если будет достигнута хотя бы половина этой мощности, элемент станет весьма серьезным соперником двигателя внутреннего сгорания.

Очень важное преимущество воздушно-цинкового элемента -

малое изменение напряжения при нагрузке по мере его разряда. Кроме того, такой элемент обладает значительной прочностью, так как его сосуд может быть изготовлен из стали.

Принцип работы воздушно-цинковых элементов основан на использовании электрохимической системы: цинк - раствор едкого калия - активированный уголь, адсорбирующий кислород воздуха. Подбирая составы электролита, активной массы электродов и выбирая оптимальную конструкцию элемента, можно значительно увеличить его удельную мощность.

Технология батареек значительно усовершенство-валась за последние 10 лет, увеличивая ценность слуховых аппаратов и улучшая их характеристики. С тех пор, как на рынке СА господство завоевал цифровой процессор, индустрия батареек буквально рванулась вперед.

День ото дня растет количество людей, использующих в качестве источника питания для слуховых аппаратов воздушно-цинковые батарейки. Эти элементы питания экологически безопасны и, благодаря повышенной емкости, служат значительно дольше, чем другие виды батареек. Однако точный срок службы используемого элемента назвать сложно, он зависит от многих факторов. В определенные моменты у пользователей возникают вопросы и нарекания. <Радуга Звуков> постарается дать исчерпывающий ответ на очень важный вопрос: так от чего же зависит срок службы батарейки?

ДОСТОИНСТВА...

В течение долгих лет основным источником энергии для слуховых аппаратов служили ртутно-окисные батарейки. Однако в середине 90-х гг. стало ясно, что они окончательно устарели. Во-первых, они содержали ртуть - крайне вредное вещество. Во-вторых, возникли и начали бурно завоевывать рынок цифровые СА, предъявляющие принципиально иные требования к характеристикам элементов питания.

На смену ртутно-окисной пришла воздушно-цинковая технология. Она уникальна тем, что в качестве одного из компонентов (катода) химического элемента питания используется кислород окружающего воздуха, который поступает через специальные отверстия. Благодаря удалению из корпуса батарейки оксида ртути или серебра, которые до сих пор служили в качестве катода, в нем освободилось больше пространства для цинкового порошка. Поэтому воздушно-цинковая батарейка является более энергоемкой, если сравнивать между собой разные типы батареек одинакового объема. Благодаря этому остроумному решению воздушно-цинковая батарейка будет оставаться вне конкуренции до тех пор, пока ее емкость будет ограничиваться крохотным объемом современных миниатюрных СА.

На плюсовой стороне батарейки имеется одно или несколько отверстий (в зависимости от ее величины), в которые поступает воздух. Химическая реакция, в ходе которой генерируется ток, протекает довольно быстро и полностью завершается в течение двух-трех месяцев, даже без нагрузки на батарейку. Поэтому в процессе изготовления эти отверстия закрывают защитной пленкой.

Для подготовки к работе необходимо удалить наклейку и дать время активному веществу насытиться кислородом (от 3 до 5 минут). Если начать эксплуатацию батарейки сразу после вскрытия, то активация произойдет только в поверхностном слое вещества, что существенно скажется на сроке службы.

Важную роль играет размер батарейки. Чем он больше, тем больше в ней запасов активного вещества, а, значит, и больше накопленной энергии. Поэтому самой большой емкостью обладает батарейка 675 типоразмера, а самой маленькой - 5 типоразмера. Емкость батареек зависит и от фирмы-производителя. Например, для батареек 675 типоразмера она может варьироваться от 440 мАч до 460 мАч.

И ОСОБЕННОСТИ

Во-первых, напряжение, поставляемое батарейкой, зависит от времени ее работы, а точнее сказать, от степени ее разрядки. Новая воздушно-цинковая батарейка может давать напряжение до 1,4 В, но лишь на короткое время. Затем напряжение падает до 1,25 В, и держится продолжительное время. А под конец эксплуатации батарейки напряжение резко падает до величины менее 1 В.

Во-вторых, воздушно-цинковые батарейки функционируют тем лучше, чем теплее вокруг. При этом, конечно, не следует превышать максимальную температуру, установленную для данного вида батареек. Это относится ко всем батарейкам. Но особенность воздушно-цинковых батареек заключается в том, что их производительность зависит еще и от влажности воздуха. Протекающие в ней химические процессы зависят от наличия определенного количества влаги. Говоря проще: чем жарче и влажнее, тем лучше (это относится только к батарейкам для СА!). А то, что влажность отрицательно действует на другие компоненты слуховой системы - это уже другой вопрос.

В-третьих, внутреннее сопротивление батарейки зависит от ряда факторов: температура, влажность, время работы и технологии, используемой фирмой-производителем. Чем выше температура и влажность, тем меньше импеданс, что благотворно влияет на работу слуховой системы. У новой 675-й батарейки внутреннее сопротивление составляет 1-2 Ом. Однако в конце срока службы эта величина может возрасти до 10 Ом, а у 13-й батарейки - до 20 Ом. В зависимости от производителя, эта величина может значительно изменяться, что создает проблемы в случае, когда требуется максимальная мощность, записанная в техническом паспорте.

При превышении критической величины потребления тока конечная ступень или вся слуховая система отключается, чтобы батарейка могла восстановиться. Если после <дыхательной паузы> батарейка вновь начинает давать ток в количестве, достаточном для эксплуатации, СА снова включается. Во многих слуховых системах повторное включение сопровождается звуковым сигналом, тем же, который оповещает о падении напряжения в батарейке. То есть, в ситуации, когда СА отключается из-за высокого потребления тока, при его повторном включении звучит оповещающий сигнал, хотя батарейка может быть абсолютно новой. Эта ситуация обычно наблюдается в том случае, когда в слуховой аппарат поступает очень высокий входной УЗД, а сам аппарат настроен на полную мощность.

Факторы, влияющие на срок службы

Одна из основных задач, стоящих перед батарейками, это обеспечение постоянной подачи тока в течение всего срока службы батарейки.

В первую очередь срок службы батарейки определяется типом используемого СА. Как правило, аналоговые аппараты потребляют больший ток, чем цифровые, а мощные - больше, чем маломощные. Типичные значения потребляемого тока для аппаратов средней мощности составляют от 0.8 до 1.5 мА, а для мощных и сверхмощных аппаратов - от 2 до 8 мА.

Цифровые СА в целом проявляют большую экономичность, чем аналоговые СА той же мощности. Однако им присущ один недостаток - в момент переключения программ или автоматического срабатывания сложных функций обработки сигнала (подавление шумов, распознавание речи и пр.) эти аппараты потребляют существенно больший ток, чем в обычном режиме. Потребность в энергии может возрастать и снижаться в зависимости от того, какую функцию по обработке сигнала осуществляет в данный момент цифровая схема, и даже от того, требует ли коррекция потери слуха пациента разного усиления при разных входных УЗД.

Окружающая акустическая ситуация также сказывается на сроке службы батареек. В тихой обстановке уровень акустического сигнала обычно невысок - порядка 30-40 дБ. При этом сигнал, поступающий в СА, также невелик. В шумной обстановке, например в метро, электричке, на производстве или шумной улице уровень акустического сигнала может достигать 90 и более дБ (отбойный молоток - около 110 дБ). Это ведет к повышению уровня выходящего сигнала СА и, соответственно, повышенному току его потребления. При этом начинают сказываться и настройки аппарата - при большем усилении ток потребления также больше. Обычно окружающие шумы сосредоточены в низкочастотном диапазоне, поэтому при большем подавлении НЧ диапазона регулятором тембра ток потребления также снижается.

Ток потребления аппаратов средней мощности не слишком зависит от уровня входящего сигнала, но для мощных и сверхмощных СА разница достаточно велика. Например, при входящем сигнале интенсивностью 60 дБ (при которой и нормируется ток потребления СА) сила тока составляет 2-3 мА. При входящем сигнале 90 дБ (и тех же настройках СА) ток возрастает до 15-20 мА.

Методика оценки срока службы батарейки

Обычно срок службы батарейки оценивается с учетом ее номинальной емкости и расчетного тока потребления аппарата,указанного в технических данных (паспорте) на аппарат. Возьмем типичный случай: воздушно-цинковая батарейка 675 типоразмера типовой емкостью 460 мАч.

При использовании ее в аппарате средней мощности с током потребления 1.4мА теоретический срок службы составит 460/1.4=328 часов. При ношении аппарата в течение 10 часов в сутки это означает более месяца работы аппарата (328/10=32.8).

При питании мощного аппарата в тихой обстановке (ток потребления 2 мА) срок службы составит 230 часов, то есть, около трех недель при 10-часовом ношении. Но, если обстановка шумная, то ток потребления может достигать 15-20 мА (в зависимости от типа аппарата). В таком режиме срок службы составит 460/20=23 часа, т.е. менее 3 дней. Конечно, все 10 часов в такой обстановке никто не ходит, и реальный режим будет смешанным по току потребления. Так что данный пример просто иллюстрирует методику расчета, давая крайние значения срока службы. Обычно срок службы батареек в мощном аппарате располагается в диапазоне от двух до трех недель.

Применяйте элементы питания, предназначенные специально для слуховых аппаратов (имеющие маркировку или соответствующие надписи) известных производителей источников питания (GP, Renata, Energizer, Varta, Panasonic, Duracell Activair, Rayovac).

Не нарушайте защитную пленку батарейки (не вскрывайте) до момента установки в слуховой аппарат.

Храните батарейки в блистерах при комнатной температуре и нормальной влажности. Желание <сберечь> подольше батарейки в холодильнике может привести к прямо противоположному результату - СА с новой батарейкой вообще не заработает.

Перед установкой батарейки в аппарат выдержите ее без пленки 3-5 минут.

Выключайте СА, когда им не пользуетесь. На ночь вынимайте источники питания из аппарата и оставляйте открытым батарейный отсек.

Эти элементы отличаются самой большой плотностью из всех современных технологий. Причиной тому стали компоненты, используемые в этих аккумуляторах. В качестве катодного реагента в этих элементах используется атмосферный кислород, что нашло отражение в их названии. Для того чтобы воздух реагировал с анодом из цинка, в корпусе батарейки проделаны небольшие отверстия. В качестве электролита в этих элементах используется гидроксид калия, обладающий высокой проводимостью.
Первоначально созданные как неподзаряжаемые источники питания, цинково-воздушные элементы характеризуется долгим и стабильным сроком хранения, по крайней мере, если хранить их герметично от воздуха, в неактивном состоянии. В этом случае за год хранения такие элементы теряют около 2 процентов емкости. Как только воздух попадает в батарею, эти батарейки живут не дольше месяца, независимо от того, будете вы их использовать, или нет.
Некоторые производители начали использовать ту же самую технологию в подзаряжаемых элементах. Лучше всего такие элементы зарекомендовали себя при продолжительной работе в маломощных устройствах. Основным же недостатком этих элементов является высокое внутреннее сопротивление, означающее, что для достижения высокой мощности, они должны быть огромного размера. А это означает необходимость создания в ноутбуках дополнительных отсеков для батареек, по размеру сопоставимых с самим компьютером.
Но следует отметить, что такое применение они начали получать совсем недавно. Первый такой продукт - совместное творение Hewlett-Packard Co. и AER Energy Resources Inc. - PowerSlice XL - показал несовершенство этой технологии при использовании в портативных компьютерах. Эта батарейка, созданная для ноутбука HP OmniBook 600 весила 3,3 кг - больше, чем сам компьютер. Работы же она обеспечивала всего 12 часов. Компания Energizer также стала использовать эту технологию в своих маленьких пуговичных батарейках, используемых в слуховых аппаратах.
Подзарядка батарей - тоже не такое простое дело. Химические процессы очень чувствительны к электрическому току, подаваемому на батарейку. Если подаваемое напряжение будет слишком низким, то батарейка будет отдавать ток, а не принимать. Если напряжение будет слишком высоким, могут начаться нежелательные реакции, способные испортить элемент. Например, при поднятии напряжения обязательно будет повышаться и сила тока, в результате батарейка перегреется. А если продолжать заряжать элемент уже после того, как он будет целиком заряжен, в нем могут начать выделяться взрывоопасные газы и даже наступить взрыв.

Технологии подзарядки
Современные устройства для подзарядки - это довольно сложные электронные приборы с различными степенями защиты - как вашей, так и ваших батареек. В большинстве случаев для каждого типа элементов существует своё собственное зарядное устройство. При неправильном использовании зарядного устройства можно испортить не только батарейки, но и само устройство, или даже системы, питаемые батарейками.
Существует два режима работы зарядных устройств - с постоянным напряжением и с постоянным током.
Самыми простыми являются устройства с постоянным напряжением. Они всегда производят одно и то же напряжение, и подают ток, зависящий от уровня заряда батарейки (и от других окружающих факторов). По мере зарядки батареи, ее напряжение увеличивается, поэтому уменьшается разница между потенциалами зарядного устройства и батареи. В результате по цепи протекает меньший ток.
Всё что нужно для такого устройства - трансформатор (для уменьшения напряжения зарядки до уровня, требуемого батарейкой) и выпрямитель (для выпрямления переменного тока в постоянный, используемый для заряда батареи). Такими простыми устройствами подзарядки пользуются для заряда автомобильных и корабельных аккумуляторов.
Как правило, подобными же устройствами заряжаются свинцовые батареи для источников бесперебойного питания. Кроме того, устройства с постоянным напряжением используются и для подзарядки литий-ионных элементов. Только там добавлены схемы для защиты батареек и их хозяев.
Второй вид зарядных устройств обеспечивает постоянную силу тока и изменяет напряжение для обеспечения требуемой величины тока. Как только напряжение достигает уровня полного заряда, зарядка прекращается. (Помните, напряжение, создаваемое элементом, падает по мере разряда). Обычно такими устройствами заряжают никель-кадмиевые и никель-металлгидридные элементы.
Кроме нужного уровня напряжения, зарядные устройства должны знать, сколько времени нужно подзаряжать элемент. Батарейку можно испортить, если слишком долго подзаряжать её. В зависимости от вида батареи и от "интеллекта" зарядного устройства для определения времени подзарядки используется несколько технологий.
В самых простых случаях для этого используется напряжение, вырабатываемое батарейкой. Зарядное устройство следит за напряжением батарейки и выключается в тот момент, когда напряжение в батарейке достигает порогового уровня. Но такая технология подходит далеко не для всех элементов. Например, для никель-кадмиевых она не приемлема. В этих элементах кривая разряда близка к прямой, и определить уровень порогового напряжения бывает очень сложно.
Более "изощренные" зарядные устройства определяет время подзарядки по температуре. То есть устройство следит за температурой элемента, и выключается, или уменьшает ток заряда, когда батарея начинает нагреваться (что означает избыточность заряда). Обычно в такие элементы питания встраиваются термометры, которые следят за температурой элемента и передают зарядному устройству соответствующий сигнал.
"Интеллектуальные" устройства используют оба этих метода. Они могут перейти с большого тока заряда на малый, или же могут поддерживать постоянный ток с помощью специальных датчиков напряжения и температуры.
Стандартные зарядные устройства дают меньший ток заряда, чем ток разряда элемента. А зарядные устройства с большим значением тока дают больший ток, чем номинальный ток разряда батарейки. Устройство для непрерывной подзарядки малым током используют настолько небольшой ток, что он разве что не даёт батарейке саморазрядиться (по определению такие устройства и используются для компенсации саморазрядки). Обычно ток заряда в таких устройствах составляет одну двадцатую, или одну тридцатую номинального тока разряда батарейки. Современные устройства зарядки часто могут работать на нескольких значениях токов заряда. Сначала они используют более высокие значения тока и постепенно переключаются на низкие, по мере приближения к полному заряду. Если используется батарейка, выдерживающая подзарядку малым током (никель-кадмиевые, например, не выдерживают), то в конце цикла подзарядки устройство переключится в этот режим. Большинство зарядных устройств для ноутбуков и сотовых телефонов разработаны так, что могут быть постоянно подключены к элементам и не причинять им вреда.

Долгое время область применения воздушно-цинковых элементов питания не выходила за рамки медицины. Высокая емкость и длительный срок службы (в неактивном состоянии) позволили им беспрепятственно занять нишу одноразовых батареек для слуховых аппаратов. Но в последние годы наблюдается большой рост интереса к этой технологии у автопроизводителей. Некоторые считают, что нашлась альтернативу литию. Так ли это?

Воздушно-цинковая батарея для электромобиля может быть устроена следующим образом: в разделенную на отсеки емкость вставлены электроды, на которых адсорбируется и восстанавливается кислород воздуха, а также специальные съемные кассеты, заполненные расходным материалом анода, в данном случае гранулами цинка. Между отрицательными и положительными электродами прокладывается сепаратор. В качестве электролита может использоваться водный раствор гидроксида калия, либо раствор хлорида цинка.

Поступающий извне воздух с помощью катализаторов образует в водном растворе электролита гидроксильные ионы, которые окисляют цинковый электрод. В ходе данной реакции высвобождаются электроны, образующие электрический ток.

Преимущества

Мировые запасы цинка по некоторым оценкам составляют примерно 1.9 гигатонн. Если начать мировое производство металлического цинка сейчас, то уже через пару лет можно будет обеспечить сборку миллиарда воздушно-цинковых аккумуляторов емкостью 10 кВт*ч каждый. К примеру, для создания такого же количества при нынешних условиях добычи лития потребуется более 180 лет. Доступность цинка позволит еще и снизить цену на аккумуляторные батареи.

Очень важно и то, что воздушно-цинковые элементы, имея прозрачную схему рециклирования отработанного цинка, являются экологически чистыми изделиями. Используемые здесь материалы не отравляют окружающую среду и могут быть отработанны вторично. Продукт реакции воздушно-цинковых элементов питания (оксид цинка) также абсолютно безопасен для человека и его среды обитания. Не зря оксид цинка применяется в качестве основного компонента для детской присыпки.

Главным же преимуществом, благодаря которому электромобилестроители смотрят на эту технологию с надеждой, является высокая плотность энергии (в 2-3 раза выше, чем у li-ion). Уже сейчас энергоемкость Zinc-Air достигает 450 Вт*ч/кг, но теоретическая плотность может составлять 1350 Вт*ч/кг!

Недостатки

Раз мы не ездим на электромобилях с воздушно-цинковыми батареями, значит, есть и недостатки. Во-первых, такие элементы сложно сделать перезаряжаемыми с достаточным количеством циклов разряда/заряда. В ходе работы воздушно-цинковой батареи электролит попросту высыхает, либо проникает слишком глубоко в поры воздушного электрода. А поскольку осаждающийся цинк распределяется неравномерно, образуя разветвленную структуру, между электродами нередко происходят короткие замыкания.

Ученые пытаются найти выход. Американская компания ZAI решила эту проблему простой заменой электролита и добавлением свежих картриджей с цинком. Естественно, для этого потребуется развитая инфраструктура заправочных станций, на которых будет происходить смена окисленного активного материала в анодной кассете на свежий цинк.

И хотя экономическая составляющая проекта пока не проработана, производители утверждают, что стоимость такой «зарядки» будет существенно ниже заправки машины с ДВС. Кроме того, процесс смены активного материала потребует не более 10 минут. Даже сверхбыстрые за это же время смогут восполнить только 50% своего потенциала. В прошлом году корейская компания Leo Motors уже продемонстрировала воздушно-цинковые батареи ZAI на своем электрическом грузовике.

Работает над усовершенствованием Zinc-Air батареи и технологическая фирма из Швейцарии ReVolt. Она предложила специальные гелеобразующие и вяжущие добавки, контролирующие влажность и форму цинкового электрода, а также новые катализаторы, которые существенно улучшают работу элементов.

Все же инженерам обеих компаний так и не удалось преодолеть рубеж в 200 циклов разряда/заряда Zinc-Air. Поэтому говорить о воздушно-цинковых элементах, как об электромобильных батареях, пока рано.

Выход компактных воздушно-цинковых аккумуляторов на массовый рынок может значительно изменить ситуацию в рыночном сегменте малогабаритных источников автономного питания для портативных компьютеров и цифровых устройств.

Энергетическая проблема

а последние годы значительно увеличился парк портативных компьютеров и различных цифровых устройств, многие из которых появились на рынке совсем недавно. Этот процесс заметно ускорился в связи с увеличением популярности мобильных телефонов. В свою очередь, стремительный рост количества портативных электронных устройств вызвал серьезное увеличение спроса на автономные источники электроэнергии, в частности на различные виды батареек и аккумуляторов.

Однако необходимость обеспечения огромного количества портативных устройств элементами питания является лишь одной стороной проблемы. Так, по мере развития портативных электронных устройств увеличивается плотность монтажа элементов и мощность используемых в них микропроцессоров — всего за три года тактовая частота используемых процессоров КПК возросла на порядок. На смену крошечным монохромным экранам приходят цветные дисплеи с высоким разрешением и увеличенным размером экрана. Все это приводит к росту энергопотребления. Кроме того, в сфере портативной электроники явно прослеживается тенденция к дальнейшей миниатюризации. С учетом перечисленных факторов становится вполне очевидно, что увеличение энергоемкости, мощности, долговечности и надежности используемых элементов питания является одним из важнейших условий для обеспечения дальнейшего развития портативных электронных устройств.

Весьма остро проблема возобновляемых источников автономного питания стоит в сегменте портативных ПК. Современные технологии позволяют создавать ноутбуки, практически не уступающие по своей функциональной оснащенности и производительности полноценным настольным системам. Однако отсутствие достаточно эффективных источников автономного питания лишает пользователей ноутбуков одного из главных преимуществ данного вида компьютеров — мобильности. Хорошим показателем для современного ноутбука, оснащенного литий-ионным аккумулятором, является время автономной работы порядка 4 часов 1 , но для полноценной работы в мобильных условиях этого явно недостаточно (например, перелет из Москвы в Токио занимает около 10 часов, а из Москвы в Лос-Анджелес — почти 15).

Одним из вариантов решения проблемы увеличения времени автономной работы портативных ПК является переход от ныне распространенных никель-металлгидридных и литий-ионных аккумуляторов к химическим топливным элементам 2 . Наиболее перспективными с точки зрения применения в портативных электронных устройствах и ПК являются топливные элементы с низкой рабочей температурой — такие как PEM (Proton Exchange Membrane) и DMCF (Direct Methanol Fuel Cells). В качестве топлива для этих элементов используется водный раствор метилового спирта (метанола) 3 .

Впрочем, на данном этапе описывать будущее химических топливных элементов исключительно в розовых тонах было бы чересчур оптимистично. Дело в том, что на пути массового распространения топливных элементов в портативных электронных устройствах стоят как минимум два препятствия. Во-первых, метанол является довольно токсичным веществом, что предполагает повышенные требования к герметичности и надежности топливных картриджей. Во-вторых, для обеспечения приемлемой скорости прохождения химических реакций в топливных элементах с низкой рабочей температурой необходимо использовать катализаторы. В настоящее время в PEM- и DMCF-элементах применяются катализаторы из платины и ее сплавов, но природные запасы этого вещества невелики, а его стоимость высока. Теоретически возможно заменить платину иными катализаторами, однако пока ни одному из коллективов, занимающихся исследованиями в данном направлении, не удалось найти приемлемой альтернативы. Сегодня так называемая платиновая проблема является, пожалуй, наиболее серьезной преградой на пути широкого распространения топливных элементов в портативных ПК и электронных устройствах.

1 Имеется в виду время работы от штатного аккумулятора.

2 Подробнее о топливных элементах можно прочитать в статье «Топливные элементы: год надежд», опубликованной в № 1’2005.

3 PEM-элементы, работающие на газообразном водороде, оснащаются встроенным конвертором для получения водорода из метанола.

Воздушно-цинковые элементы

отя авторы ряда публикаций считают воздушно-цинковые батареи и аккумуляторы одним из подвидов топливных элементов, это не совсем верно. Ознакомившись с устройством и принципом работы воздушно-цинковых элементов даже в общих чертах, можно сделать вполне однозначный вывод о том, что корректнее рассматривать их именно как отдельный класс автономных источников питания.

Конструкция ячейки воздушно-цинкового элемента включает катод и анод, разделенные щелочным электролитом и механическими сепараторами. В качестве катода используется газодиффузный электрод (gas diffusion electrode, GDE), водопроницаемая мембрана которого позволяет получать кислород из циркулирующего через нее атмосферного воздуха. «Топливом» является цинковый анод, окисляющийся в процессе работы элемента, а окислителем — кислород, получаемый из поступающего через «дыхательные отверстия» атмосферного воздуха.

На катоде происходит реакция электровосстановления кислорода, продуктами которой являются отрицательно заряженные гидроксид-ионы:

O 2 + 2H 2 O +4e 4OH – .

Гидроксид-ионы движутся в электролите к цинковому аноду, где происходит реакция окисления цинка с высвобождением электронов, которые через внешнюю цепь возвращаются на катод:

Zn + 4OH – Zn(OH) 4 2– + 2e.

Zn(OH) 4 2– ZnO + 2OH – + H 2 O.

Вполне очевидно, что воздушно-цинковые элементы не попадают под классификацию химических топливных элементов: во-первых, в них используется расходуемый электрод (анод), а во-вторых, топливо изначально закладывается внутрь ячейки, а не подается в ходе работы извне.

Напряжение между электродами одной ячейки воздушно-цинкового элемента составляет 1,45 В, что очень близко к аналогичному параметру щелочных (алкалиновых) батареек. При необходимости, чтобы получить более высокое напряжение питания, можно объединять несколько последовательно соединенных ячеек в батарею.

Цинк является довольно распространенным и недорогим материалом, благодаря чему при развертывании массового производства воздушно-цинковых элементов производители не будут испытывать проблем с сырьем. Кроме того, даже на начальном этапе стоимость таких источников питания будет вполне конкурентоспособной.

Немаловажно и то, что воздушно-цинковые элементы являются весьма экологичными изделиями. Материалы, применяемые для их производства, не отравляют окружающую среду и могут быть вторично использованы после переработки. Продукты реакции воздушно-цинковых элементов (вода и оксид цинка) тоже абсолютно безопасны для человека и окружающей среды — оксид цинка даже применяется в качестве основного компонента детской присыпки.

Из эксплуатационных свойств воздушно-цинковых элементов стоит отметить такие достоинства, как низкая скорость саморазряда в неактивированном состоянии и малое изменение величины напряжения по мере разряда (плоская разрядная кривая).

Определенным недостатком воздушно-цинковых элементов является влияние относительной влажности поступающего воздуха на характеристики элемента. Например, у воздушно-цинкового элемента, рассчитанного на эксплуатацию в условиях относительной влажности воздуха 60%, при увеличении влажности до 90% срок службы уменьшается примерно на 15%.

От батарей к аккумуляторам

аиболее простым в реализации вариантом воздушно-цинковых элементов являются одноразовые батареи. При создании воздушно-цинковых элементов большого размера и мощности (например, предназначенных для питания силовых установок транспортных средств) кассеты цинковых анодов можно делать заменяемыми. В этом случае для возобновления запаса энергии достаточно изъять кассету с отработавшими электродами и установить вместо нее новую. Отработанные электроды можно восстанавливать для повторного применения электрохимическим способом на специализированных предприятиях.

Если же говорить о компактных элементах питания, пригодных для использования в портативных ПК и электронных устройствах, то здесь практическая реализация варианта с заменяемыми кассетами цинковых анодов невозможна из-за небольшого размера батарей. Именно поэтому большинство представленных в настоящее время на рынке компактных воздушно-цинковых элементов являются одноразовыми. Однократно используемые воздушно-цинковые элементы питания небольшого размера выпускают компании Duracell, Eveready, Varta, Matsushita, GP, а также отечественное предприятие «Энергия». Основная сфера применения подобных источников питания — слуховые аппараты, портативные радиостанции, фототехника и т.п.

В настоящее время многие компании производят одноразовые воздушно-цинковые батареи

Несколько лет тому назад компания AER выпускала плоские воздушно-цинковые батареи Power Slice, предназначенные для портативных компьютеров. Эти элементы были разработаны для ноутбуков серий Omnibook 600 и Omnibook 800 компании Hewlett-Packard; время их автономной работы составляло от 8 до 12 часов.

В принципе существует и возможность создания и перезаряжаемых воздушно-цинковых элементов (аккумуляторов), в которых при подключении внешнего источника тока на аноде будет протекать реакция восстановления цинка. Однако практическому воплощению подобных проектов долгое время препятствовали серьезные проблемы, обусловленные химическими свойствами цинка. Оксид цинка хорошо растворяется в щелочном электролите и в растворенном виде распределяется по всему объему электролита, удаляясь от анода. Из-за этого при зарядке от внешнего источника тока в значительной степени изменяется геометрия анода: восстанавливаемый из оксида цинк осаждается на поверхности анода в виде ленточных кристаллов (дендритов), по форме похожих на длинные шипы. Дендриты пронзают насквозь сепараторы, вызывая короткое замыкание внутри батареи.

Данная проблема усугубляется тем, что для повышения мощности аноды воздушно-цинковых элементов изготавливаются из измельченного порошкового цинка (это позволяет значительно увеличить площадь поверхности электрода). Таким образом, по мере увеличения количества циклов заряда-разряда площадь поверхности анода будет постепенно уменьшаться, оказывая негативное влияние на рабочие характеристики элемента.

К настоящему времени наибольших успехов в области создания компактных воздушно-цинковых аккумуляторов удалось достичь компании Zinc Matrix Power (ZMP). Специалисты ZMP разработали уникальную технологию Zinc Matrix, которая позволила решить основные проблемы, возникающие в процессе заряда аккумуляторов. Суть этой технологии заключается в использовании полимерного связующего вещества, которое обеспечивает беспрепятственное проникновение гидроксид-ионов, но при этом блокирует перемещение растворяющегося в электролите оксида цинка. Благодаря использованию этого решения удается избежать заметного изменения формы и площади поверхности анода на протяжении как минимум 100 циклов заряда-разряда.

Достоинствами воздушно-цинковых аккумуляторов являются длительное время работы и большая удельная энергоемкость, как минимум вдвое превышающая аналогичные показатели лучших литий-ионных аккумуляторов. Удельная энергоемкость воздушно-цинковых аккумуляторов достигает 240 Вт·ч на 1 кг веса, а максимальная мощность — 5000 Вт/кг.

По данным разработчиков ZMP, сегодня возможно создание воздушно-цинковых аккумуляторов для портативных электронных устройств (мобильных телефонов, цифровых плееров и т.п.) с энергоемкостью порядка 20 Вт·ч. Минимально возможная толщина подобных источников питания составляет всего 3 мм. Экспериментальные же прототипы воздушно-цинковых аккумуляторов для ноутбуков обладают энергоемкостью от 100 до 200 Вт·ч.

Прототип воздушно-цинкового аккумулятора, созданный специалистами компании Zinc Matrix Power

Еще одно важное достоинство воздушно-цинковых аккумуляторов — полное отсутствие так называемого эффекта памяти. В отличие от других типов аккумуляторов, воздушно-цинковые элементы можно подзаряжать при любом уровне заряда, причем без ущерба для их энергоемкости. Кроме того, в отличие от литиевых аккумуляторов воздушно-цинковые элементы являются гораздо более безопасными.

В заключение нельзя не упомянуть об одном важном событии, которое стало символической отправной точкой на пути коммерциализации воздушно-цинковых элементов: 9 июня прошедшего года Zinc Matrix Power официально объявила о подписании стратегического соглашения с корпорацией Intel. В соответствии с пунктами данного соглашения ZMP и Intel объединят свои усилия в области разработки новой технологии аккумуляторных батарей для портативных ПК. Среди основных целей этих работ — увеличение времени автономной работы ноутбуков до 10 часов. Согласно имеющемуся плану, первые модели оснащенных воздушно-цинковыми аккумуляторами ноутбуков должны появиться в продаже уже в 2006 году.