Марганцево цинковый элемент. (1) металлической колпачок, (2) графитовый электрод («+»), (3) цинковый стакан (« »), (4) оксид марганца, (5) электролит, (6) металлический контакт. Марганцево цинковый элемент,… … Википедия

РЦ 53М (1989 год) Ртутно цинковый элемент («тип РЦ») гальванический элемент в котором анодом является цинк … Википедия

Батарея «Oxyride» Элементы питания Oxyride™ это торговая марка для одноразовых (неперезаряжаемых) элементов питания, разработанных фирмой Panasonic. Они разработаны специально для устройств с большим потреблением электроэнер … Википедия

Нормальный элемент Вестона, ртутно кадмиевый элемент гальванический элемент, ЭДС которого весьма стабильна во времени и воспроизводима от экземпляра к экземпляру. Применяется в качестве источника опорного напряжения (ИОН) либо эталона напряжения… … Википедия

СЦ 25 Серебряно цинковый аккумулятор вторичный химический источник тока, аккумулятор, в котором анод это оксид серебра, в виде спресованного порошка, катод смесь … Википедия

Миниатюрные элементы питания различного размера Миниатюрный элемент питания батарейка размером с пуговицу, впервые широко начала применяться в электронных наручных часах, поэтому называется также … Википедия

Ртутно цинковый элемент («тип РЦ») гальванический элемент в котором анодом является цинк, катодом оксид ртути, электролит раствор гидроксида калия. Достоинства: постоянство напряжения и огромная энергоемкость и энергоплотность. Недостатки:… … Википедия

Марганцево цинковый гальванический элемент, в котором в качестве катода используется диоксид марганца, анода порошкообразный цинк, а в качестве электролита раствор щёлочи, обычно гидроксида калия. Содержание 1 История изобретения … Википедия

Никель цинковый аккумулятор это химический источник тока, в котором анодом является цинк, электролитом гидроксид калия с добавкой гидроксида лития, а катодом оксид никеля. Часто сокращается аббревиатурой NiZn. Достоинства:… … Википедия

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.

Изобретение относится к области первичных воздушно-цинковых химических источников тока (ВЦХИТ) и может быть использовано в качестве автономных источников электропитания. Согласно изобретению ВЦХИТ с жидким щелочным электролитом, заправляемым в ВЦХИТ сразу после изготовления или непосредственно перед использованием, содержит корпус с крышкой, снабженной положительной и отрицательной токовыводящими клеммами и заправочным отверстием, закрытым пробкой, одним или несколькими, газодиффузионными катодами, электрически соединенными с положительной клеммой и снабженными газовыми камерами с системой «дыхательных» отверстий, цинковый анод в виде брикета из цинкового порошка, соединенный с отрицательной клеммой, и межэлектродный сепаратор, выполненный из пористого диэлектрического материала, при этом анод выполнен из нескольких плоских пористых брикетов, размещенных с зазором относительно друг друга, электрически соединенных параллельно, при этом плоскости брикетов установлены в ВЦХИТ перпендикулярно к поверхности катодов. Анодные брикеты могут быть изготовлены методом сухого прессования порошков цинка и набухающего в электролите расширителя усилием, обеспечивающим максимальную плотность брикетов при минимальной 10÷20% остаточной пористости, и обернуты межэлектродным сепаратором. Каждый анодный брикет с сепаратором размещен в посадочных местах двух чашек, изготовленных из гофрированного и перфорированного полимерного материала, при этом между дном чашки и поверхностью брикета образована полость, направление гофров на дне чашки находится под углом к продольной оси. Объем электролита, заправляемый в ВЦХИТ, находится в отношении к суммарной массе цинка в аноде как 0,4÷0,6 см 3 /г. Физические параметры «дыхательных» отверстий (сечение, длина) выбираются исходя из величины предельного тока, которая составляет 3-4 величины номинального тока разряда. В зазоры между брикетами и катодами может быть помещена капиллярная матрица, выполненная из высокопористого упругого стойкого в щелочном электролите гидрофильного материала, размер пор которого больше размера пор в разряженном анодном брикете, а суммарный объем пор больше объема электролита, заправляемого в ВЦХИТ. Катод плотно прилегает к капиллярной матрице и выполнен прессованием на сетку частично гидрофобизированной смеси порошков технического углерода и активированного угля. Техническим результатом изобретения является повышение коэффициента использования активной массы. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

Рисунки к патенту РФ 2349991

Изобретение относится к области первичных воздушно-цинковых химических источников тока (ВЦХИТ) и может быть использовано в качестве автономных источников электропитания.

Известен первичный ВЦХИТ, содержащий положительный электрод (катод), изготовленный прессованием брикетов из порошков технического углерода (сажа, графит) и диоксида марганца с добавкой в смесь щелочного электролита (Батарея «Лиман», Технические условия ТУ 16-729.374-82, ИЛЕВ. 563212.003 ТУ). Недостатком этого известного ВЦХИТ является низкая плотность тока при непрерывном режиме разряда.

Из известных ВЦХИТ наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является ВЦХИТ с жидким щелочным электролитом, заправляемым в элемент сразу после изготовления или непосредственно перед использованием, содержащий корпус с крышкой, снабженной положительной и отрицательной токовыводящими клеммами и заправочным отверстием, закрытым пробкой, одним или несколькими, газодиффузионными катодами, герметично вмонтированными в корпус элемента, электрически соединенными с положительной клеммой, снабженными газовыми камерами, и системой «дыхательных» отверстий, цинковый анод в виде брикета из цинкового порошка, соединенный с отрицательной клеммой, и межэлектродный сепаратор, выполненный из пористого диэлектрического материала (см. http://www.itpower.co.uk/investire/zmcrep/pdf: WP Report "Investigation on Storage Technologies for Intermittent Renewable Energies", Storage Technology Report, WPST9-Metal-air systems. Материалы 2002 г.). Недостатком указанного ВЦХИТ являются:

Ограничение по толщине (или массе) анодного брикета, которое после достижения некоторого значения приводит к появлению внутри анодного брикета уравнительных токов, которые дополнительно к основному току разряда элемента приводят к дополнительному растворению цинка во фронтальной зоне анода, и электрохимическое осаждение этого же количества цинка в глубинных или тыльных его слоях. В зоне осаждения цинка уменьшается пористость анода и уменьшается там удельное содержание электролита. Это явление приводит к пассивации цинка в глубинных слоях анода и выключениям части участков анодного материала из работы элемента;

Неэффективное использование анодного материала (цинка) в отрицательном электроде вследствие использования порошкового цинка с большой удельной поверхностью. Такие порошки отличаются повышенным саморазрядом, который в продолжение длительного времени работы (тысячи часов) приводит к непроизводительной потере значительного (до 30%) количества активного анодного материала.

Техническим результатом изобретения является повышение коэффициента использования активной массы и увеличение, за счет этого, удельной емкости ВЦХИТ.

Указанный технический результат достигается тем, что воздушно-цинковый первичный химический источник тока (ВЦХИТ) с жидким щелочным электролитом, заправляемым в ВЦХИТ сразу после изготовления или непосредственно перед использованием, содержит корпус с крышкой, снабженной положительной и отрицательной токовыводящими клеммами и заправочным отверстием, закрытым пробкой, одним или несколькими, газодиффузионными катодами, электрически соединенными с положительной клеммой и снабженными газовыми камерами с системой «дыхательных» отверстий, цинковый анод в виде брикета из цинкового порошка, соединенный с отрицательной клеммой, и межэлектродный сепаратор, выполненный из пористого диэлектрического материала, при этом анод выполнен из нескольких плоских пористых брикетов, размещенных с зазором относительно друг друга, электрически соединенных параллельно, при этом плоскости брикетов установлены в ВЦХИТ перпендикулярно к поверхности катодов. Такое выполнение ВЦХИТ позволяет повысить коэффициент использования активной массы и удельную емкость.

Целесообразно, чтобы анодные брикеты были изготовлены методом сухого прессования порошков цинка и набухающего в электролите расширителя усилием, обеспечивающим максимальную плотность брикетов при минимальной 10÷20% остаточной пористости, и обернуты межэлектродным сепаратором. При таком изготовлении брикетов удается ограничить поступление электролита вглубь брикета и, таким образом, уменьшить коррозию цинка в ходе работы элемента. Поверхностные слои цинка в брикетах остаются доступными для прохождения разрядных процессов работающего элемента. По мере срабатывания поверхностных слоев цинка в анодных брикетах из-за набухания в электролите расширителя пористость брикетов в этой зоне увеличивается. Увеличение пористости способствует дальнейшему проникновению электролита вглубь брикетов и нормальному прохождению разрядного процесса анода. Использование сепаратора вокруг брикета препятствует раскрашиванию анодных брикетов, которое возможно при набухании расширителя.

Целесообразно, чтобы каждый анодный брикет с сепаратором был размещен в посадочных местах двух чашек, изготовленных из гофрированного и перфорированного полимерного материала, при этом между дном чашки и поверхностью брикета образована полость, направление гофров на дне чашки находится под углом к продольной оси чашки. Такое расположение брикетов в ВЦХИТ способствует сохранению в процессе всего периода разряда анода достаточной ионной проводимости электролита вдоль брикетов. Эта проводимость исключает или резко снижает эффект от действия уравнительных токов в брикетах и способствует практически полному использованию цинка в аноде при работе ВЦХИТ.

Целесообразно, чтобы объем электролита, заправляемый в ВЦХИТ, находился в отношении к суммарной массе цинка в аноде как 0,4÷0,6 см 3 /г. Такое соотношение между электролитом и цинком, установленное практикой, обеспечивает возможность максимального использования объема ВЦХИТ или достижение максимальной емкости.

Целесообразно, чтобы физические параметры «дыхательных» отверстий (сечение, длина), обеспечивающие номинальный разрядный ток, определялись как (1/3-1/4) величины предельного тока разряда. Это соотношение определено тем обстоятельством, что величина тока разряда помимо нагрузки элемента зависит от количества кислорода, поступающего в работающий элемент. При недостатке воздуха на катоде реализуется предельный ток, когда при постоянной электрической нагрузке одновременно снижаются ток разряда и напряжение ВЦХИТ. Избыточное поступление воздуха в элемент не приводит к увеличению напряжения ВЦХИТ, но увеличивает массообмен элемента с окружающей средой. В этом случае возможны или высыхание электролита, если вокруг элемента сухой воздух, и выход ВЦХИТ из строя, или избыточная абсорбция атмосферной влаги электролитом, если вокруг влажный воздух, что вызовет вытекание электролита из элемента. И тот, и другой случай не являются штатными для ВЦХИТ. Мерой количества воздуха, поступающего в ВЦХИТ, является величина предельного тока, которая определяется параметрами «дыхательных» отверстий (сечение, длина). Практически, изменением параметров «дыхательных» отверстий подбирается величина предельного тока, которая должна быть в 3-4 раза больше номинального тока разряда ВЦХИТ.

Вариантом исполнения ВЦХИТ является вариант, в котором вместо чашек, изготовленных из перфорированного и гофрированного пленочного материала, между брикетами и катодами была помещена капиллярная матрица, выполненная из высокопористого упругого стойкого в щелочном электролите гидрофильного материала. Капиллярная матрица должна иметь размер пор больше размера пор в разряженном анодном брикете, а суммарный объем пор больше объема электролита, заправляемого в ВЦХИТ. При соблюдении этих условий будет обеспечено наличие электролита в капиллярной (электролитной) матрице в количестве, обеспечивающем высокую проводимостью электролита на любой стадии разряда ВЦХИТ и оптимальное удельное количество электролита в анодных брикетах (0,4-0,6 см 3 /г).

Основным признаком применения капиллярной матрицы является возможность установки в элемент катодов без герметичного отделения их газовых камер от анодов. Гидрофильная электролитная матрица за счет сил капиллярного давления (в гидрофильной матрице давление отрицательное) весь электролит содержится в матрице, не вытекает из нее и, таким образом, обеспечивает его отсутствие в газовых камерах катодов и возможность свободного поступления воздуха в ВЦХИТ.

Отсутствие свободного электролита в анодной камере элемента позволяет использовать катоды, в которых отсутствует жидкостно-запорный гидрофобный слой. Такой катод имеет только активный слой, на котором проходит электрохимическая реакция восстановления кислорода воздуха. Целесообразно, чтобы катод плотно прилегал к капиллярной матрице и был выполнен прессованием на сетку частично гидрофобизированной смеси порошков технического углерода и активированного угля. Электроды такого типа имеют меньшую толщину, чем обеспечивается возможность увеличить объем анодной камеры и, следовательно, увеличить емкость ВЦХИТ.

Проведенный анализ уровня техники показал, что заявленная совокупность существенных признаков, изложенная в формуле изобретения, неизвестна. Это позволяет сделать вывод о ее соответствии критерию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения критерию "изобретательский уровень" проведен дополнительный поиск известных технических решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного технического решения. Установлено, что заявленное техническое решение не следует явным образом из известного уровня техники. Следовательно, заявленное изобретение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами и описанием конструкции ВЦХИТ.

На фиг.1 приведена конструкция ВЦХИТ, выполненная по предлагаемому изобретению.

На фиг.2 приведена разновидность конструкции ВЦХИТ с капиллярной матрицей.

В корпус элемента (1) в противоположно расположенные его боковые стенки герметично вмонтированы катоды (2). Катоды по конструкции также аналогичны катодам прототипа. Катоды в элементе расположены активным слоем внутрь элемента. Они вмонтированы в корпус элемента таким образом, что между стенкой корпуса и катодом образуются камеры (16). Эти камеры необходимы для равномерного распределения воздуха по всей поверхности катода. Каждая воздушная камера сообщена с окружающей атмосферой, как минимум, двумя «дыхательными» отверстиями (13), расположенными в ее нижней и верхней частях. Между катодом и стенкой элемента в воздушной камере установлены дистанционаторы (4), которые предотвращают прогиб катода из-за воздействия внутреннего давления. Активный слой катода защищен от контакта с анодом межэлектродным сепаратором (3). Анодные брикеты (6), изготовленные путем сухого прессования порошков цинка и расширителя (крахмал, карбоксиметилцеллюлоза, карбопол), снабжены токосборниками (15), которые расположены в середине каждого брикета. Каждый брикет обернут пористым сепаратором (7), изготовленным из диэлектрического материала, например нетканого полипропилена. Анодные брикеты установлены во внутренний объем элемента вертикально с зазорами между собой и расположены перпендикулярно поверхностям катодов. Каждый анодный брикет (6) с сепаратором (7) помещен в две чашки (14), изготовленные из гофрированного и перфорированного полимерного материала, которые имеют посадочную поверхность для укладки в них брикетов и дополнительную полость, которая создает камеру между ее дном и поверхностью брикета; направление гофров на дне чашки находится под углом (12) (примерно 45°) к его продольной оси. Глубина полости чашки обеспечивает плотную укладку анодных брикетов в чашках во внутренний объем элемента (5).

Сверху анодные брикеты накрыты внутренней крышкой (8). Весь элемент снабжен крышкой (9), на которой находятся токовыводы с электродов, заправочная пробка (11) и жидкостной успокоитель уровня электролита (10). Крышка (9) герметично монтируется на корпус элемента. Конструкция элемента обеспечивает возможность его резервного использования. ВЦХИТ изготовлен сухозаряженным и приводится в действие путем заполнения его через заправочную пробку жидким щелочным электролитом. Без электролита с заклеенными «дыхательными» отверстиями элемент без потерь качества может храниться несколько лет. Работает ВЦХИТ следующим образом. После заполнения элемента через заправочное отверстие, закрытого пробкой (11), жидким щелочным электролитом и его расконсервации путем открытия «дыхательных» отверстий на выходных клеммах элемента возникнет напряжение.

При включении элемента на разряд на электродах будут протекать электрохимические реакции, которые описаны в вводной части этого изобретения. Воздух из окружающей среды через «дыхательные» отверстия поступает сначала в газовую камеру катода, затем за счет диффузии по порам гидрофобного жидкостно-запорного слоя проникает в его активный слой, где происходит ионизация кислорода. Вследствие расходования кислорода - тяжелой компоненты воздуха, состав воздуха меняется и его плотность уменьшается. Благодаря этому в газовой камере катода создается конвективный поток воздуха снизу вверх. Отработанный воздух выходит через верхнее «дыхательное» отверстие, а на его смену в камеру засасывается порция свежего воздуха через нижнее «дыхательное» отверстие. Таким образом, потребление кислорода на катоде обеспечивает непрерывное поступление в зону электрохимической реакции новых порций воздуха. Возможна другая система «дыхательных» отверстий, которая использует крышку элемента или верхний уровень корпуса элемента. В этой системе свежий воздух засасывается в элемент по трубке, расположенной в газовой камере катода и соединяющей отверстие в крышке или в верхней части корпуса с нижним уровнем газовой камеры катода. Выходные отверстия расположены или в крышке, или в верхней части корпуса. Конвективное движение воздуха в катодной камере в этой системе будет аналогично предыдущей. Интенсивность конвективного потока воздуха определяется скоростью поглощения кислорода электрохимической реакцией разряда элемента, т.е. величиной тока разряда. Таким образом, обеспечивается автоматическая связь между током разряда и величиной конвективного потока воздуха. Степень этой взаимозависимости определяется гидравлическим сопротивлением (диаметр и длина) «дыхательных» отверстий. Недостаточное сечение этих отверстий создает торможение конвективного потока воздуха и будет ограничивать количество кислорода или, что-то же самое, ограничит величину разрядного тока элемента. Если величина сечения отверстий больше номинального, величина тока разряда не увеличится, но увеличится интенсивность конвективного потока, а с ним и интенсивность массообмена элемента с окружающей средой. В результате может измениться объем электролита в элементе. Он или увеличится, если влажность окружающего воздуха выше среднего (расчетного) значения, или уменьшится в более сухой атмосфере. Физические параметры «дыхательных» отверстий (сечение, длина) подбираются опытным путем исходя из величины предельного тока, которая должна составлять 3-4 величины номинального тока разряда.

Величина предельного тока определяется такой, при которой напряжение элемента, находящегося под разрядом на постоянное сопротивление, не стабилизируется, а монотонно снижается.

На аноде окисляются частицы цинка, наиболее близко расположенные к катодам. Одновременно с этим процессом происходит взаимодействие частиц расширителя с электролитом. Расширитель набухает в электролите и увеличивается в объеме. Набухшие частицы расширителя раздвигают рядом расположенные частицы цинка и увеличивают местное содержание электролита, что снижает, таким образом, негативное действие накапливающегося продукта разряда - окиси цинка. Окись цинка выпадает в осадок из раствора электролита в зоне разряда при пересыщении его цинкатами. В связи с тем, что анодные брикеты прессовались давлением до достижения ими естественной максимальной плотности, внутренние области анодных брикетов являются, практически, недоступными для электролита. Эти «сухие» области не участвуют во взаимодействии с электролитом и поэтому не подвергаются коррозионным процессам. Дополнительным эффектом снижения коррозионных процессов является использование цинкового порошка, полученного распылением расплава. Такие порошки не обладают большой удельной поверхностью и поэтому скорость их взаимодействия с электролитом сильно занижена. Разрядным процессам анодов подвергаются их наружные слои, которые из-за набухания расширителя в электролите увеличиваются в объеме и постепенно заполняют полости чашек. По мере углубления зоны разряда анода увеличивается сопротивление электролита в порах разряженной зоны. Параллельно линиям тока, проходящим по порам разряженной зоны, имеются зазоры между брикетами, заполненными свободным электролитом. В этом случае ионный разрядный ток распределяется по анодным брикетам таким образом, что в разрядный процесс подключаются внешние поверхности анодных брикетов и их разряд протекает от наружных поверхностей внутрь брикетов. Толщина брикетов меньше их габаритных размеров и поэтому разряд происходит от периферии к центру брикетов. Этим эффектом обеспечиваются условия полного разряда цинка в брикетах. Увеличивающиеся в объеме анодные брикеты в пределе заполняют весь объем чашек. Наклонное расположение гофров к оси чашек создает между соседними чашками гарантированный минимальный зазор, равный удвоенной высоте гофра. Жесткость гофрированного дна чашек достаточна для сохранения минимального зазора между брикетами вплоть до полного разряда цинка в брикетах. Проводимость электролита в этом зазоре сохраняет режим разряда брикетов от фронта к центру. Расширение анодных брикетов вверх ограничено внутренней крышкой (8). Эта крышка сохраняет в верхней части элемента свободное пространство, в котором может накапливаться дополнительный объем электролита, образованный, например, за счет абсорбции электролитом водяных паров из атмосферы, если последняя долгое время имеет относительную влажность выше расчетной для районов предполагаемого использования элементов.

Разновидностью конструкции элемента, в котором анодные брикеты с сепаратором помещены в чашки, является конструкция с капиллярными матрицами, представленная на фиг.2, в которой в зазоры между брикетами и катодами помещена капиллярная матрица, выполненная из высокопористого упругого стойкого в щелочном электролите гидрофильного материала, размер пор которого больше размера пор в разряженном брикете, а объем пор больше объема электролита, заправляемого в элемент. Капиллярные матрицы (14) размещены между анодными брикетами (6) и удерживают в себе весь объем электролита, необходимый для работы элемента.

Электролит в матрице удерживается капиллярными силами. Использование капиллярной матрицы повышает надежность источника тока, поскольку в этом случае устраняется принципиальная возможность заполнения газовой камеры электролитом, который может попасть в газовую камеру катода вследствие нарушения герметичности узла заделки катода в элементе. При заполнении газовой камеры электролитом перекрываются ее «дыхательные» отверстия и прекращается доступ воздуха к катоду. Отсутствие кислорода в катоде останавливает электрохимический процесс генерации тока и, таким образом, выключает элемент. Материал матриц является неэлектропроводным и химически не взаимодействует с электролитом. Он же обеспечивает возможность матрице упруго деформироваться под действием сжимающей силы. Размер пор в матрице должен быть таким, чтобы, с одной стороны, сохранять объем электролита в верхней части элемента в количестве, обеспечивающим возможность разряда рядом расположенных участков цинковых брикетов, с другой стороны, размеры ее пор должны быть большими пор, которые образуются в разряженной зоне анодного брикета. При соблюдении этих условий сохраняется ионная проводимость системы: капиллярная матрица - анодный брикет при любой степени разряженности брикетов. Расширяющиеся в ходе разряда анодные брикеты сдавливают капиллярные матрицы и передавливают электролит из матриц в брикеты. Такой процесс сохраняет постоянство объема электролита в совместной пористой системе матрица-брикет. При использовании капиллярной матрицы катод можно свободно (не герметично) устанавливать в корпус элемента, обеспечивая при этом его плотное прилегание к матрице. Используя свойство капиллярной матрицы впитывать в себя электролит, можно применять катод, плотно прилегающий к капиллярной матрице, выполненный прессованием на сетку частично гидрофобизированной смеси порошков технического углерода и активированного угля. Такой электрод проще в изготовлении и не менее активный в процессе работы элемента. Отсутствие вытекания электролита обеспечивает физическое явление - капиллярное давление, которое для гидрофильной матрицы имеет отрицательное значение. Использование капиллярных матриц исключает необходимость использования гофрированных и перфорированных чашек. В ходе разряда элемента электролит все время удерживается матрицей в соответствии с физическим законом капиллярного равновесия системы пористых сред и отдает его анодным брикетам пропорционально их степени разряженности (степени увеличения объема). Сопротивление электролита в высокопористой матрице меньше сопротивления в порах разряженной зоны анодов. По этой причине разрядный ионный ток распределяется по анодным брикетам так же, как и в элементах со свободным электролитом, когда в разрядный процесс подключаются внешние поверхности анодных брикетов и их разряд протекает от наружных поверхностей внутрь брикетов. Толщина брикетов выбрана относительно небольшой, поэтому их разряд происходит практически полностью с высоким коэффициентом полезного использования цинка (КПИ). Практически достигнутые значения КПИ находятся на уроне 0,92-0,95. Использование всех изложенных в этом изобретении признаков конструкции воздушно-цинкового элемента большой емкости позволяет достичь уровней удельной энергии до 500 Вт ч/кг и 1100 Вт ч/л.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявленный ВЦХИТ может быть реализован на практике с достижением заявленного технического результата, т.е. он соответствует критерию «промышленная применимость».

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Воздушно-цинковый первичный химический источник тока (ВЦХИТ) с жидким щелочным электролитом, заправляемым в ВЦХИТ сразу после изготовления или непосредственно перед использованием, содержащий корпус с крышкой, снабженной положительной и отрицательной токовыводящими клеммами и заправочным отверстием, закрытым пробкой, одним или несколькими, газодиффузионными катодами, электрически соединенными с положительной клеммой и снабженными газовыми камерами с системой «дыхательных» отверстий, цинковый анод в виде брикета из цинкового порошка, соединенный с отрицательной клеммой, и межэлектродный сепаратор, выполненный из пористого диэлектрического материала, отличающийся тем, что анод выполнен из нескольких плоских пористых брикетов, размещенных с зазором относительно друг друга, электрически соединенных параллельно, при этом плоскости брикетов установлены в ВЦХИТ перпендикулярно к поверхности катодов.

2. ВЦХИТ по п.1, отличающийся тем, что анодные брикеты изготовлены методом сухого прессования порошков цинка и набухающего в электролите расширителя усилием, обеспечивающим максимальную плотность брикетов при минимальной 10%-20% остаточной пористостью, и обернуты межэлектродным сепаратором.

3. ВЦХИТ по п.1, отличающийся тем, что каждый анодный брикет с сепаратором размещен в посадочных местах двух чашек, изготовленных из гофрированного и перфорированного полимерного материала, при этом, между дном чашки и поверхностью брикета образована полость, направление гофров на дне чашки находится под углом к ее продольной оси.

4. ВЦХИТ по п.1, отличающийся тем, что объем электролита, заправляемый в ВЦХИТ, находится в отношении к суммарной массе цинка в аноде как 0,4÷0,6 см 3 /г.

5. ВЦХИТ по п.1, отличающийся тем, что физические параметры «дыхательных» отверстий (сечение, длина), выбираются исходя из величины предельного тока, которая составляет 3-4 величины номинального тока разряда.

6. ВЦХИТ по п.1, отличающийся тем, что в зазоры между брикетами и катодами помещена капиллярная матрица, выполненная из высокопористого, упругого, стойкого в щелочном электролите, гидрофильного материала, размер пор которого больше размера пор в разряженном анодном брикете, а суммарный объем пор больше объема электролита, заправляемого в ВЦХИТ.

7. ВЦХИТ по п.1 или 6, отличающийся тем, что катод плотно прилегает к капиллярной матрице и выполнен прессованием на сетку частично гидрофобизированной смеси порошков технического углерода и активированного угля.

Новинка обещает превзойти литиево-ионные батареи по энергоёмкости в три раза и при этом стоить в два раза дешевле.

Отметим, что сейчас воздушно-цинковые батареи выпускаются только в виде одноразовых элементов либо «перезаряжаемых» вручную, то есть при помощи смены картриджа. Кстати, этот тип батарей безопаснее литиево-ионных, так как не содержит летучих веществ и, соответственно, не может воспламениться.

Основная препона на пути создания перезаряжаемых от сети вариантов – то есть аккумуляторов — быстрая деградация устройства: электролит деактивируется, реакции окисления-восстановления замедляются и вовсе останавливаются всего после нескольких циклов перезарядки.

Чтобы понять, почему так происходит, надо для начала описать принцип работы воздушно-цинковых элементов. Батарея состоит из воздушного и цинкового электродов и электролита. Во время разрядки поступающий извне воздух не без помощи катализаторов образует в водном растворе электролита гидроксил-ионы (OH -).

Они окисляют цинковый электрод. В ходе этой реакции высвобождаются электроны, образующие ток. Во время зарядки аккумулятора процесс идёт в обратную сторону: на воздушном электроде продуцируется кислород.

Ранее в ходе работы перезаряжаемой батареи водный раствор электролита часто просто-напросто высыхал либо проникал слишком глубоко в поры воздушного электрода. Кроме того, осаждающийся цинк распределялся неровно, образуя разветвлённую структуру, из-за чего между электродами начинали происходить короткие замыкания.

Новинка лишена этих недостатков. Специальные гелеобразующие и вяжущие добавки контролируют влажность и форму цинкового электрода. Кроме того, учёные предложили новые катализаторы, которые тоже значительно улучшили работу элементов.

Пока наилучшие показатели прототипов не превышают сотни циклов перезарядки (фото ReVolt).

Исполнительный директор ReVolt Джеймс Макдугалл (James McDougall) полагает, что первые продукты в отличие от нынешних опытных образцов будут перезаряжаться до 200 раз, а в скором времени удастся достигнуть отметки в 300-500 циклов. Этот показатель позволит использовать элемент, например, в сотовых телефонах или ноутбуках.

Прототип новой батареи был разработан в норвежском исследовательском фонде SINTEF , ReVolt же занимается коммерциализацией продукта (иллюстрация ReVolt).

Компания ReVolt также разрабатывает воздушно-цинковые батареи для электрических транспортных средств. Такие изделия напоминают топливные элементы. Цинковая суспензия в них исполняет роль жидкого электрода, воздушный же электрод состоит из системы трубок.

Электричество вырабатывается при прокачивании суспензии через трубки. Образующийся оксид цинка затем сохраняется в другом отсеке. При перезарядке он проходит прежним путём, и оксид превращается обратно в цинк.

Такие батареи могут производить больше электричества, так как объём жидкого электрода может быть гораздо больше объёма электрода воздушного. Макдугалл полагает, что этот тип элементов сможет перезаряжаться от двух до десяти тысяч раз.

В ртутно-цинковых элементах используется пористый цинковый электрод, в который для уменьшения коррозии вводят до 10 % ртути, и катод из оксида ртути в смеси с графитом. Электролит представляет собой 30…40 % раствор КОН. Основные электродные процессы описываются уравнениями:

Zn + 2OH − → Zn(OH) 2 + 2e − (с последующим разложением

гидрооксида цинка на ZnО и воду) и

Hg + H 2 O + 2e − → Hg + 2OH −

Напряжение ртутно-цинкового элемента остается стабильным до конца разряда малыми токами (до 0,01 С Н). При таких токах стабильное напряжение обеспечивается даже при 0 0 С. Это позволяет использовать их в качестве опорных элементов в измерительной аппаратуре. Элементы имеют одинаково хорошие характеристики, как при непрерывном, так и при прерывистом режимах работы. Типовые разрядные характеристики ртутно-цинковых элементов приведены на рис.17.7.

Напряжение разорванной цепи этих элементов составляет 1,35 В, рабочее напряжение – 1,22…1,25 В. Диапазон рабочих температур от −30 до +70 0 С. Конечное напряжение разряда составляет 0,9…1,0 В.

Наибольшее распространение получили ртутно-цинковые элементы в дисковом исполнении (рис.17.8), в которых положительный цинковый электрод 1 впрессовывается в стальной корпус, а отрицательный (активная масса) 2 – в крышку. В них нет свободного пространства, и водород, который выделяется при коррозии цинка, удаляется через герметизирующую прокладку 4 путем диффузии. Электролит при этом вытекать не должен.

Миниатюрные ртутно-цинковые элементы широко использовались в фототехнике, ручных электронных часах, калькуляторах и медицинской аппаратуре. Однако экологические проблемы, связанные с токсичностью ртути, привели повсеместно к прекращению производства этих элементов. Для их замены рекомендуется использовать серебряно-цинковые или литиевые гальванические элементы.

17.3.3 Серебряно-цинковые элементы

Серебряно-цинковые гальванические элементы обладают электрическими характеристиками близкими к характеристиками ртутно-цинковых элементов, стабильной разрядной характеристикой при высоком рабочем напряжении (1,5 В) и длительным сроком хранения. Однако, они менее чувствительны к повышению токовой нагрузки. Диапазон рабочих температур составляет от 0 до +40 0 С. Эти элементы наиболее безопасны для экологии, однако они относительно дороги.

Серебряно-цинковые элементы выпускаются в основном в дисковом исполнении и их конструкция подобна конструкции ртутно-цинковых элементов. Основное применение серебряно-цинковых элементов – ручные электронные часы. Параметры таких элементов основных производителей приведены в табл.17.7.

17.3.4 Воздушно-цинковые элементы

Воздушно-цинковые элементы отличаются от остальных первичных химических источников тока наличием специального отверстия, которое вскрывается при вводе в эксплуатацию для того, чтобы обеспечивать поступление внутрь элемента воздуха, кислород которого используется в качестве окислителя.

В качестве катода, на котором восстанавливается кислород воздуха, используются угольные электроды, модифицированные катализатором. Активным материалом анода является цинк, электролитом – раствор КОН или NaOH. Суммарная токообразующая реакция в элементе может быть записана:

Zn +1/2 H 2 O + 2OH − + H 2 O → Zn(OH) 4 2−

По мере растворения цинка и насыщения раствора цинкат-ионами Zn(OH) 4 2− разлагается с выпадением в осадок оксида цинка ZnO.

Напряжение разорванной цепи такого элемента составляет 1,4 В, а рабочее напряжение – 1,35 В.Диапазон рабочих температур составляет +10…+40 0 С.

Малогабаритные воздушно-цинковые элементы имеют дисковую конструкцию (рис.17.9) и в основном применяются для слуховых аппаратов. Анод изготавливается из порошкообразного цинка. Катод – тонкий из активированного угля, сажи и катализатора. Электролит обычно сгущенный. С помощью специальной мембраны воздух после вскрытия отверстия равномерно распределяется по поверхности катода. Электролит через гидрофорбный слой не проходит. Такие элементы изготавливаются емкостью от 50 до 6300 мА·ч.

Батареи из марганцево-воздушно-цинковых элементов в призматическом исполнении используются также для работы навигационного оборудования, например, серии «Лиман» или «Бакен».