1. енергетична проблема
2. Повітряно-цинкові елементи
3. Від батарей до акумуляторів

Сергій Асмаков

енергетична проблема

Повітряно-цинкові елементи

Від батарей до акумуляторів

Вихід компактних повітряно-цинкових акумуляторів на масовий ринок може значно змінити ситуацію в ринковому сегменті малогабаритних джерел автономного живлення для портативних комп'ютерів і цифрових пристроїв.

енергетична проблема

а останні роки значно збільшився парк портативних комп'ютерів і різних цифрових пристроїв, багато з яких з'явилися на ринку зовсім недавно. Цей процес помітно прискорився у зв'язку зі збільшенням популярності мобільних телефонів. У свою чергу, стрімке зростання кількості портативних електронних пристроїв викликав серйозне збільшення попиту на автономні джерела електроенергії, зокрема на різні види батарейок і акумуляторів.

Однак необхідність забезпечення величезної кількості портативних пристроїв елементами живлення є лише однією стороною проблеми. Так, у міру розвитку портативних електронних пристроїв збільшується щільність монтажу елементів і потужність використовуваних в них мікропроцесорів - всього за три роки тактова частота використовуваних процесорів КПК зросла на порядок. На зміну крихітним монохромним екранів приходять кольорові дисплеї з високою роздільною здатністю і збільшеним розміром екрану. Все це призводить до зростання енергоспоживання. Крім того, в сфері портативної електроніки явно простежується тенденція до подальшої мініатюризації. З урахуванням перерахованих факторів стає цілком очевидно, що збільшення енергоємності, потужності, довговічності і надійності використовуваних елементів живлення є одним з найважливіших умов для забезпечення подальшого розвитку портативних електронних пристроїв.

Дуже гостро проблема поновлюваних джерел автономного живлення варто в сегменті портативних ПК. Сучасні технології дозволяють створювати ноутбуки, практично не поступаються за своєю функціональною оснащеності і продуктивності повноцінним настільним системам. Однак відсутність досить ефективних джерел автономного живлення позбавляє користувачів ноутбуків одного з головних переваг даного виду комп'ютерів - мобільності. Хорошим показником для сучасного ноутбука, оснащеного літій-іонним акумулятором, є час автономної роботи близько 4 часов1, але для повноцінної роботи в мобільних умовах цього явно недостатньо (наприклад, переліт з Москви в Токіо займає близько 10 годин, а з Москви в Лос-Анджелес - майже 15).

Одним з варіантів вирішення проблеми збільшення часу автономної роботи портативних ПК є перехід від нині поширених нікель-металгідридних і літій-іонних акумуляторів до хімічних паливним елементам2. Найбільш перспективними з точки зору застосування в портативних електронних пристроях і ПК є паливні елементи з низькою робочою температурою - такі як PEM (Proton Exchange Membrane) і DMCF (Direct Methanol Fuel Cells). В якості палива для цих елементів використовується водний розчин метилового спирту (метанолу) 3.

Втім, на даному етапі описувати майбутнє хімічних паливних елементів виключно в рожевих тонах було б надто оптимістично. Справа в тому, що на шляху масового поширення паливних елементів в портативних електронних пристроях стоять як мінімум дві перешкоди. По-перше, метанол є досить токсичною речовиною, що передбачає підвищені вимоги до герметичності і надійності паливних картриджів. По-друге, для забезпечення прийнятної швидкості проходження хімічних реакцій в паливних елементах з низькою робочою температурою необхідно використовувати каталізатори. В даний час в PEM- і DMCF-елементах застосовуються каталізатори з платини і її сплавів, але природні запаси цієї речовини невеликі, а його вартість висока. Теоретично можливо замінити платину іншими каталізаторами, проте поки жодному з колективів, що займаються дослідженнями в даному напрямку, не вдалося знайти прийнятної альтернативи. Сьогодні так звана платинова проблема є, мабуть, найбільш серйозною перешкодою на шляху широкого поширення паливних елементів в портативних ПК і електронних пристроях.

1 Мається на увазі час роботи від штатного акумулятора.

2 Детальніше про паливних елементах можна прочитати в статті «Паливні елементи: рік надій», опублікованій в № 1'2005.

3 PEM-елементи, що працюють на газоподібному водні, оснащуються вбудованим конвертором для отримання водню з метанолу.

Повітряно-цинкові елементи

оча автори ряду публікацій вважають повітряно-цинкові батареї та акумулятори одним з підвидів паливних елементів, це не зовсім вірно. Ознайомившись з пристроєм і принципом роботи повітряно-цинкових елементів навіть в загальних рисах, можна зробити цілком однозначний висновок про те, що більш коректно розглядати їх саме як окремий клас автономних джерел живлення.

Конструкція осередку повітряно-цинкового елемента включає катод і анод, розділені лужним електролітом і механічними сепараторами. В якості катода використовується газодіффузний електрод (gas diffusion electrode, GDE), водопроникна мембрана якого дозволяє отримувати кисень з циркулюючого через неї атмосферного повітря. «Паливом» є цинковий анод, окислюється в процесі роботи елемента, а окислювачем - кисень, одержуваний з надходить через «дихальні отвори» атмосферного повітря.

На катоді відбувається реакція електровідновлення кисню, продуктами якої є негативно заряджені гідроксид-іони:

Гідроксид-іони рухаються в електроліті до цинкового анода, де відбувається реакція окислення цинку з вивільненням електронів, які через зовнішній ланцюг повертаються на катод:

Цілком очевидно, що повітряно-цинкові елементи не потрапляють під класифікацію хімічних паливних елементів: по-перше, в них використовується електрод, що витрачається (анод), а по-друге, паливо спочатку закладається всередину осередки, а не подається в ході роботи ззовні.

Напруга між електродами одного осередку повітряно-цинкового елемента становить 1,45 В, що дуже близько до аналогічного параметру лужних (алкалінових) батарейок. При необхідності, щоб отримати більш високу напругу харчування, можна об'єднувати кілька послідовно з'єднаних осередків в батарею.

Схема пристрою осередку повітряно-цинкового елемента

Цинк є досить поширеним і недорогим матеріалом, завдяки чому при розгортанні масового виробництва повітряно-цинкових елементів виробники не матимуть проблем з сировиною. Крім того, навіть на початковому етапі вартість таких джерел живлення буде цілком конкурентоспроможною.

Важливо й те, що повітряно-цинкові елементи є дуже екологічними виробами. Матеріали, що застосовуються для їх виробництва, не отруюють навколишнє середовище і можуть бути повторно використані після переробки. Продукти реакції повітряно-цинкових елементів (вода і оксид цинку) теж абсолютно безпечні для людини і навколишнього середовища - оксид цинку навіть застосовується в якості основного компонента дитячої присипки.

З експлуатаційних властивостей повітряно-цинкових елементів варто відзначити такі переваги, як низька швидкість саморозряду в неактивованому стані і мала зміна величини напруги в міру розряду (плоска розрядна крива).

Певним недоліком повітряно-цинкових елементів є вплив відносної вологості повітря, що поступає на характеристики елемента. Наприклад, у повітряно-цинкового елемента, розрахованого на експлуатацію в умовах відносної вологості повітря 60%, при збільшенні вологості до 90% термін служби зменшується приблизно на 15%.

Від батарей до акумуляторів

аиболее простим в реалізації варіантом повітряно-цинкових елементів є одноразові батареї. При створенні повітряно-цинкових елементів великого розміру і потужності (наприклад, призначених для харчування силових установок транспортних засобів) касети цинкових анодів можна робити замінними. У цьому випадку для відновлення запасу енергії досить вилучити касету з відпрацьованими електродами і встановити замість неї нову. Відпрацьовані електроди можна відновлювати для повторного застосування електрохімічним способом на спеціалізованих підприємствах.

Якщо ж говорити про компактних елементах живлення, придатних для використання в портативних ПК і електронних пристроях, то тут практична реалізація варіанту з замінними касетами цинкових анодів неможлива через невеликого розміру батарей. Саме тому більшість представлених в даний час на ринку компактних повітряно-цинкових елементів є одноразовими. Лише один раз використовувані повітряно-цинкові елементи живлення невеликого розміру випускають компанії Duracell, Eveready, Varta, Matsushita, GP, а також вітчизняне підприємство «Енергія». Основна сфера застосування подібних джерел живлення - слухові апарати, портативні радіостанції, фототехніка тощо

В даний час багато компаній виробляють одноразові повітряно-цинкові батареї

Кілька років тому компанія AER випускала плоскі повітряно-цинкові батареї Power Slice, призначені для портативних комп'ютерів. Ці елементи були розроблені для ноутбуків серій Omnibook 600 і Omnibook 800 компанії Hewlett-Packard; час їх автономної роботи становило від 8 до 12 годин.

В принципі існує і можливість створення і перезаряджаються повітряно-цинкових елементів (акумуляторів), в яких при підключенні зовнішнього джерела струму на аноді буде протікати реакція відновлення цинку. Однак практичне втілення подібних проектів довгий час перешкоджали серйозні проблеми, обумовлені хімічними властивостями цинку. Оксид цинку добре розчиняється в лужному електроліті і в розчиненому вигляді розподіляється по всьому об'єму електроліту, віддаляючись від анода. Через це при зарядці від зовнішнього джерела струму в значній мірі змінюється геометрія анода: відновлюваний з оксиду цинк осідає на поверхні анода у вигляді стрічкових кристалів (дендритів), за формою схожих на довгі шипи. Дендрити пронизують наскрізь сепаратори, викликаючи коротке замикання всередині батареї.

Дана проблема ускладнюється тим, що для підвищення потужності аноди повітряно-цинкових елементів виготовляються з подрібненого порошкового цинку (це дозволяє значно збільшити площу поверхні електрода). Таким чином, у міру збільшення кількості циклів заряду-розряду площа поверхні анода буде поступово зменшуватися, негативно впливаючи на робочі характеристики елемента.

До теперішнього часу найбільших успіхів в області створення компактних повітряно-цинкових акумуляторів вдалося досягти компанії Zinc Matrix Power (ZMP). Фахівці ZMP розробили унікальну технологію Zinc Matrix, яка дозволила вирішити основні проблеми, що виникають в процесі заряду акумуляторів. Суть цієї технології полягає у використанні полімерного сполучного речовини, яке забезпечує безперешкодне проникнення гідроксид-іонів, але при цьому блокує переміщення розчиняється в електроліті оксиду цинку. Завдяки використанню цього рішення вдається уникнути помітного зміни форми і площі поверхні анода протягом як мінімум 100 циклів заряду-розряду.

Перевагами повітряно-цинкових акумуляторів є тривалий час роботи і велика питома енергоємність, як мінімум удвічі перевищує аналогічні показники кращих літій-іонних акумуляторів. Питома енергоємність повітряно-цинкових акумуляторів досягає 240 Вт · год на 1 кг ваги, а максимальна потужність - 5000 Вт / кг.

За даними розробників ZMP, сьогодні можливе створення повітряно-цинкових акумуляторів для портативних електронних пристроїв (мобільних телефонів, цифрових плеєрів і т.п.) з енергоємністю близько 20 Вт · год. Мінімально можлива товщина подібних джерел живлення становить всього 3 мм. Експериментальні ж прототипи повітряно-цинкових акумуляторів для ноутбуків мають енергоємністю від 100 до 200 Вт · год.

Прототип повітряно-цинкового акумулятора, створений фахівцями компанії Zinc Matrix Power

Ще одна важлива перевага повітряно-цинкових акумуляторів - повна відсутність так званого ефекту пам'яті. На відміну від інших типів акумуляторів, повітряно-цинкові елементи можна заряджати при будь-якому рівні заряду, причому без шкоди для їх енергоємності. Крім того, на відміну від літієвих акумуляторів повітряно-цинкові елементи є набагато безпечнішими.

На закінчення не можна не згадати про один важливий подію, яке стало символічною відправною точкою на шляху комерціалізації повітряно-цинкових елементів: 9 червня минулого року Zinc Matrix Power офіційно оголосила про підписання стратегічної угоди з корпорацією Intel. Відповідно до пунктів цієї угоди ZMP і Intel об'єднають свої зусилля в області розробки нової технології акумуляторних батарей для портативних ПК. Серед основних цілей цих робіт - збільшення часу автономної роботи ноутбуків до 10 годин. Згідно з наявним планом, перші моделі оснащених повітряно-цинковими акумуляторами ноутбуків повинні з'явитися у продажу вже в 2006 році.

КомпьютерПресс 3'2005