Test veškerého hardwaru počítače. Nástroje pro identifikaci počítačového hardwaru. Vizuální kontrola základní desky

Dlouhodobý rozsah aplikace zinko-vzduchové baterie nepřesáhlo medicínu. Jejich vysoká kapacita a dlouhá životnost (v neaktivním stavu) jim umožnila snadno obsadit niku jednorázových baterií do sluchadel. V posledních letech ale mezi automobilkami vzrostl zájem o tuto technologii. Někteří věří, že byla nalezena alternativa k lithiu. Je to tak?

Zinko-vzduchová baterie pro elektrické vozidlo může být navržena následovně: elektrody se vloží do nádoby rozdělené na oddíly, na kterých se adsorbuje a redukuje vzdušný kyslík, a dále speciální vyjímatelné kazety naplněné anodovým spotřebním materiálem, v tomto případě zinkovým granulátem . Mezi zápornou a kladnou elektrodu je umístěn separátor. Jako elektrolyt lze použít vodný roztok hydroxidu draselného nebo roztok chloridu zinečnatého.

Vzduch přicházející zvenčí pomocí katalyzátorů tvoří ve vodném roztoku elektrolytu hydroxylové ionty, které oxidují zinkovou elektrodu. Během této reakce se uvolňují elektrony, které tvoří elektrický proud.

Výhody

Světové zásoby zinku se odhadují na přibližně 1,9 gigatuny. Pokud nyní zahájíme celosvětovou výrobu kovového zinku, tak za pár let bude možné sestavit miliardu zinko-vzduchových baterií o kapacitě 10 kWh každá. Vytvoření stejného množství by za současných podmínek těžby lithia trvalo například více než 180 let. Dostupnost zinku také sníží cenu baterií.

Je také velmi důležité, aby zinkové vzduchové články, které mají transparentní schéma recyklace odpadního zinku, byly produkty šetrné k životnímu prostředí. Zde použité materiály nezatěžují životní prostředí a lze je recyklovat. Reakční produkt zinkových vzduchových baterií (oxid zinečnatý) je také absolutně bezpečný pro člověka a jeho životní prostředí. Ne nadarmo se oxid zinečnatý používá jako hlavní složka dětského pudru.

Hlavní výhodou, díky které výrobci elektromobilů na tuto technologii nahlížejí s nadějí, je vysoká hustota energie (2-3x vyšší než u li-ion). Již nyní energetická náročnost Zinc-Air dosahuje 450 Wh/kg, ale teoretická hustota může být 1350 Wh/kg!

Nedostatky

Vzhledem k tomu, že nejezdíme elektromobily se zinko-vzduchovými bateriemi, má to své nevýhody. Za prvé, je obtížné vyrobit takové články dobíjecími s dostatečným počtem cyklů vybití/nabití. Během provozu zinko-vzduchové baterie elektrolyt jednoduše vyschne nebo pronikne příliš hluboko do pórů vzduchové elektrody. A protože je vyloučený zinek rozdělen nerovnoměrně a tvoří rozvětvenou strukturu, často dochází ke zkratům mezi elektrodami.

Vědci se snaží najít cestu ven. Americká společnost ZAI tento problém vyřešila jednoduchou výměnou elektrolytu a přidáním čerstvých zinkových patron. To si samozřejmě vyžádá rozvinutou infrastrukturu čerpacích stanic, kde bude oxidovaný aktivní materiál v anodové kazetě nahrazen čerstvým zinkem.

A přestože ekonomická složka projektu ještě nebyla zpracována, výrobci tvrdí, že náklady na takové „nabíjení“ budou výrazně nižší než na doplňování paliva do auta se spalovacím motorem. Kromě toho proces výměny aktivního materiálu nebude vyžadovat více než 10 minut. I ty superrychlé dokážou za stejnou dobu doplnit pouze 50 % svého potenciálu. Korejská společnost Leo Motors již loni předvedla na svém elektrickém nákladním vozidle zinko-vzduchové baterie ZAI.

Sluchadla používají zinkové vzduchové baterie, které jako katodu využívají kyslík absorbovaný ze vzduchu a jako anodu zinkový prášek.

Odstraněním rtuti nebo oxidu stříbra z bateriového pouzdra, které dosud sloužilo jako katoda, se uvolnilo více místa pro zinkový prášek. Zinko-vzduchové baterie jsou proto při porovnávání baterií různých typů energeticky náročnější. Níže je uveden srovnávací popis životnosti alkalických a zinko-vzduchových baterií. Jak je patrné z obrázku, zinko-vzduchová baterie nejen déle vydrží, ale také si udržuje konstantní napětí po celou dobu své životnosti. Se zinko-vzduchovou baterií můžete očekávat čistší zvuk zařízení, normální a stabilní provoz všech jeho systémů. A další velmi důležitou výhodou baterií je, že jsou nevytékají jako například alkalické baterie. Z grafu je patrné, že zinko-vzduchové baterie nejen déle vydrží, ale na rozdíl od řekněme alkalických baterií se také rovnoměrně nabíjejí po celou dobu své životnosti. To znamená, že nebudete muset neustále zvyšovat hlasitost a sluchadlo bude po celou dobu životnosti baterie zásobováno potřebným napěťovým proudem pro normální provoz všech funkcí.

Při skladování (lze je skladovat 2 a více let) jsou vzduchové otvory baterií utěsněny lepicí fólií. Jakmile odtrhnete ochrannou fólii z kladného pólu, baterie se aktivuje a začne uvolňovat energii. K vybití aktivované baterie dochází bez ohledu na to, zda napájí sluchadlo nebo jen leží na stole. Ochrannou fólii byste proto měli strhávat pouze v případě, že ji budete ve svém sluchadle skutečně používat.

Výdrž baterie se pohybuje od několika dnů do několika týdnů. Ke konci životnosti baterie si všimnete, že vaše sluchadlo je znatelně tišší. To znamená, že je čas vyměnit baterii.

Pokud je zinkovzdušná baterie téměř úplně vybitá, jsou obvykle patrné následující příznaky: po zapnutí sluchadlo funguje zcela normálně, ale po krátké době téměř úplně ztichne. Čím více je baterie vybitá, tím rychleji sluchadlo ztichne.

• Používejte ve svém sluchadle baterie o velikosti uvedené v datovém listu nebo návodu k obsluze sluchadla.
• Chcete-li se připravit na práci, musíte odstranit nálepku a dát účinné látce čas na nasycení kyslíkem. (3 až 5 minut). Pokud baterii začnete používat ihned po jejím otevření, dojde k aktivaci pouze v povrchové vrstvě hmoty, což výrazně ovlivní její životnost.
• Při každém vložení baterie věnujte pozornost kladné straně. Plusová stránka se vyznačuje tím, že je plochá a obvykle má na sobě jeden nebo více vzduchových otvorů a malý křížek - plus uprostřed.
• Použijte baterii až do konce a poté vložte novou. Neskladujte použité baterie.
• Baterie skladujte v blistrech při pokojové teplotě a normální vlhkosti. Touha déle „ukládat“ baterie v chladničce může vést k přesně opačnému výsledku - sluchadlo s novou baterií nebude vůbec fungovat.
• Pokud sluchadlo nepoužíváte, vypněte jej. V noci vyjměte zdroje napájení ze zařízení a ponechte prostor pro baterie otevřený.
• Vždy s sebou noste novou náhradní baterii. Náhradní baterie neskladujte společně s kovovými předměty (klíče, jiné baterie), které mohou zkratovat kontakty baterie a způsobit předčasné vybití nebo poškození. Nejlepší je umístit každou náhradní baterii do samostatné izolované nádoby.
• Uchovávejte baterie mimo dosah dětí. Děti mohou spolknout baterie a poškodit si zdraví.

Uvedení kompaktních zinko-vzduchových baterií na masový trh může výrazně změnit situaci v tržním segmentu malých autonomních napájecích zdrojů pro přenosné počítače a digitální zařízení.

Energetický problém

a v posledních letech se výrazně rozrostla flotila přenosných počítačů a různých digitálních zařízení, z nichž mnohé se objevily na trhu teprve nedávno. Tento proces se znatelně zrychlil díky rostoucí popularitě mobilních telefonů. Rychlý růst počtu přenosných elektronických zařízení zase způsobil výrazný nárůst poptávky po autonomních zdrojích elektřiny, zejména po různých typech baterií a akumulátorů.

Potřeba opatřit obrovské množství přenosných zařízení bateriemi je však pouze jednou stranou problému. Jak se tedy přenosná elektronická zařízení vyvíjejí, hustota prvků a výkon v nich použitých mikroprocesorů se za pouhé tři roky zvýšil, taktovací frekvence používaných PDA procesorů řádově vzrostla. Drobné monochromatické obrazovky jsou nahrazovány barevnými displeji s vysokým rozlišením a většími obrazovkami. To vše vede ke zvýšení spotřeby energie. V oblasti přenosné elektroniky je navíc zřetelný trend k další miniaturizaci. S přihlédnutím k těmto faktorům je zcela zřejmé, že zvyšování energetické náročnosti, výkonu, životnosti a spolehlivosti použitých baterií je jednou z nejdůležitějších podmínek pro zajištění dalšího rozvoje přenosných elektronických zařízení.

Problém obnovitelných autonomních zdrojů energie je v segmentu přenosných počítačů velmi akutní. Moderní technologie umožňují vytvářet notebooky, které prakticky nejsou ve své funkčnosti a výkonu horší než plnohodnotné stolní systémy. Nedostatek dostatečně účinných autonomních zdrojů energie však připravuje uživatele notebooků o jednu z hlavních výhod tohoto typu počítačů – mobilitu. Dobrým ukazatelem pro moderní notebook vybavený lithium-iontovou baterií je výdrž baterie kolem 4 hodin 1, ale to zjevně nestačí na plnohodnotnou práci v mobilních podmínkách (např. let z Moskvy do Tokia trvá cca. 10 hodin a z Moskvy do Los Angeles téměř 15).

Jedním z řešení problému zvýšení životnosti baterií přenosných počítačů je přechod ze v současnosti běžných nikl-metal hydridových a lithium-iontových baterií na chemické palivové články 2 . Nejslibnější palivové články z hlediska aplikace v přenosných elektronických zařízeních a PC jsou palivové články s nízkými provozními teplotami jako PEM (Proton Exchange Membrane) a DMCF (Direct Methanol Fuel Cells). Jako palivo pro tyto prvky se používá vodný roztok metylalkoholu (methanolu) 3 .

V této fázi by však bylo příliš optimistické popisovat budoucnost chemických palivových článků pouze v růžových tónech. Faktem je, že masovému rozšíření palivových článků v přenosných elektronických zařízeních brání minimálně dvě překážky. Za prvé, metanol je poměrně toxická látka, z čehož vyplývají zvýšené požadavky na těsnost a spolehlivost palivových kazet. Za druhé, pro zajištění přijatelné rychlosti chemických reakcí v palivových článcích s nízkými provozními teplotami je nutné použít katalyzátory. V současné době se v článcích PEM a DMCF používají katalyzátory vyrobené z platiny a jejích slitin, ale přirozené zásoby této látky jsou malé a její cena je vysoká. Nahradit platinu jinými katalyzátory je teoreticky možné, ale zatím se žádnému z týmů zabývajících se výzkumem v tomto směru nepodařilo najít přijatelnou alternativu. Dnes je takzvaný problém platiny možná nejvážnější překážkou pro široké přijetí palivových článků v přenosných počítačích a elektronických zařízeních.

1 Týká se provozní doby ze standardní baterie.

2 Více informací o palivových článcích si můžete přečíst v článku „Palivové články: rok naděje“, publikovaném v čísle 1’2005.

3 PEM články pracující na plynný vodík jsou vybaveny vestavěným konvertorem pro výrobu vodíku z metanolu.

Zinkové vzduchové prvky

Přestože autoři řady publikací považují zinko-vzduchové baterie a akumulátory za jeden z podtypů palivových článků, není to tak úplně pravda. Po seznámení se s konstrukcí a principem činnosti zinko-vzduchových prvků, a to i obecně, můžeme učinit zcela jednoznačný závěr, že je správnější je považovat za samostatnou třídu autonomních zdrojů energie.

Konstrukce zinkového vzduchového článku obsahuje katodu a anodu oddělené alkalickým elektrolytem a mechanickými separátory. Jako katoda je použita plynová difúzní elektroda (GDE), jejíž membrána propustná pro vodu umožňuje získávání kyslíku z atmosférického vzduchu, který jí cirkuluje. „Palivem“ je zinková anoda, která se během provozu článku oxiduje, a oxidačním činidlem je kyslík získaný z atmosférického vzduchu vstupujícího „dýchacími otvory“.

Na katodě dochází k elektroredukční reakci kyslíku, jejímž produkty jsou záporně nabité hydroxidové ionty:

02 + 2H20 +4e 4OH-.

Hydroxidové ionty se pohybují v elektrolytu na zinkovou anodu, kde dochází k oxidační reakci zinku a uvolňují elektrony, které se vracejí ke katodě přes vnější obvod:

Zn + 4OH – Zn(OH) 4 2– + 2e.

Zn(OH) 4 2– ZnO + 2OH – + H 2 O.

Je zcela zřejmé, že zinko-vzduchové články nespadají do klasifikace chemických palivových článků: za prvé používají spotřební elektrodu (anodu) a za druhé je palivo zpočátku umístěno uvnitř článku a není během provozu dodáváno z venku.

Napětí mezi elektrodami jednoho článku zinko-vzduchového článku je 1,45 V, což je velmi blízké napětí alkalických (alkalických) baterií. V případě potřeby pro získání vyššího napájecího napětí lze několik článků zapojených do série spojit do baterie.

Zinek je poměrně běžný a levný materiál, takže při nasazení hromadné výroby článků zinek-vzduch nebudou mít výrobci problémy se surovinami. Navíc i v počáteční fázi budou náklady na takové zdroje energie docela konkurenceschopné.

Je také důležité, že zinkové vzduchové prvky jsou velmi šetrné k životnímu prostředí. Materiály použité k jejich výrobě nezatěžují životní prostředí a lze je po recyklaci znovu použít. Produkty reakce vzduchových prvků zinku (voda a oxid zinečnatý) jsou také absolutně bezpečné pro člověka a pro životní prostředí se oxid zinečnatý dokonce používá jako hlavní složka dětského pudru.

Z provozních vlastností zinko-vzduchových prvků stojí za zmínku takové výhody, jako je nízká rychlost samovybíjení v neaktivovaném stavu a malá změna napětí při vybíjení (plochá vybíjecí křivka).

Určitou nevýhodou zinkových vzduchových prvků je vliv relativní vlhkosti nasávaného vzduchu na vlastnosti prvku. Například u zinkového vzduchového článku určeného pro provoz v podmínkách relativní vlhkosti vzduchu 60% se při zvýšení vlhkosti na 90% sníží životnost přibližně o 15%.

Od baterií k bateriím

Nejjednodušší možností implementace zinko-vzduchových článků jsou jednorázové baterie. Při vytváření zinko-vzduchových prvků velkých rozměrů a výkonu (například určených k pohonu automobilových elektráren) mohou být zinkové anodové kazety nahrazeny. V tomto případě pro obnovení energetické rezervy stačí vyjmout kazetu s použitými elektrodami a na její místo nainstalovat novou. Použité elektrody lze obnovit pro opětovné použití elektrochemickou metodou ve specializovaných podnicích.

Pokud mluvíme o kompaktních bateriích vhodných pro použití v přenosných počítačích a elektronických zařízeních, pak je praktická realizace varianty s výměnnými zinkovými anodovými kazetami z důvodu malých rozměrů baterií nemožná. To je důvod, proč je většina kompaktních zinkových vzduchových článků, které jsou v současné době na trhu, na jedno použití. Jednorázové malé zinko-vzduchové baterie vyrábí Duracell, Eveready, Varta, Matsushita, GP a také tuzemský podnik Energia. Hlavními oblastmi použití těchto zdrojů energie jsou sluchadla, přenosná rádia, fotografická zařízení atd.

V současné době mnoho společností vyrábí jednorázové zinko-vzduchové baterie

Před několika lety společnost AER vyrobila zinko-vzduchové baterie Power Slice určené pro přenosné počítače. Tyto položky byly navrženy pro notebooky řady Hewlett-Packard Omnibook 600 a Omnibook 800; jejich výdrž baterie se pohybovala od 8 do 12 hodin.

V zásadě existuje i možnost vytvoření dobíjecích zinko-vzduchových článků (baterií), u kterých při připojení externího zdroje proudu dojde na anodě k redukční reakci zinku. Praktickou realizaci takových projektů však dlouho brzdily vážné problémy způsobené chemickými vlastnostmi zinku. Oxid zinečnatý je vysoce rozpustný v alkalickém elektrolytu a v rozpuštěné formě je distribuován po celém objemu elektrolytu a pohybuje se pryč od anody. Z tohoto důvodu se při nabíjení z externího zdroje proudu výrazně mění geometrie anody: zinek získaný z oxidu zinečnatého se ukládá na povrchu anody ve formě páskových krystalů (dendritů) ve tvaru dlouhých hrotů. Dendrity pronikají přes separátory a způsobují zkrat uvnitř baterie.

Tento problém je zhoršen tím, že pro zvýšení výkonu jsou anody zinko-vzduchových článků vyrobeny z drceného práškového zinku (to umožňuje výrazné zvětšení povrchu elektrody). S rostoucím počtem cyklů nabíjení a vybíjení se tedy povrch anody postupně zmenšuje, což má negativní dopad na výkon článku.

Dosud největšího úspěchu v oblasti vytváření kompaktních zinko-vzduchových baterií dosáhla společnost Zinc Matrix Power (ZMP). Specialisté ZMP vyvinuli unikátní technologii Zinc Matrix, která vyřešila hlavní problémy vznikající při nabíjení baterie. Podstatou této technologie je použití polymerního pojiva, které zajišťuje nerušený průnik hydroxidových iontů, ale zároveň blokuje pohyb oxidu zinečnatého rozpouštějícího se v elektrolytu. Díky použití tohoto řešení je možné předejít znatelným změnám tvaru a povrchu anody po dobu minimálně 100 nabíjecích-vybíjecích cyklů.

Výhodou zinko-vzduchových baterií je dlouhá doba provozu a vysoká měrná energetická náročnost, minimálně dvojnásobná oproti nejlepším lithium-iontovým bateriím. Měrná energetická náročnost zinko-vzduchových baterií dosahuje 240 Wh na 1 kg hmotnosti a maximální výkon je 5000 W/kg.

Podle vývojářů ZMP je dnes možné vytvořit zinko-vzduchové baterie pro přenosná elektronická zařízení (mobilní telefony, digitální přehrávače atd.) s energetickou kapacitou cca 20 Wh. Minimální možná tloušťka takových zdrojů je pouze 3 mm. Experimentální prototypy zinko-vzduchových baterií pro notebooky mají energetickou kapacitu 100 až 200 Wh.

Prototyp zinko-vzduchové baterie vytvořený specialisty Zinc Matrix Power

Další důležitou výhodou zinko-vzduchových baterií je naprostá absence tzv. paměťového efektu. Na rozdíl od jiných typů baterií lze zinko-vzduchové články dobíjet při jakékoli úrovni nabití, aniž by byla ohrožena jejich energetická kapacita. Na rozdíl od lithiových baterií jsou navíc zinko-vzduchové články mnohem bezpečnější.

Na závěr nelze nezmínit jednu důležitou událost, která se stala symbolickým výchozím bodem na cestě ke komercializaci zinko-vzduchových článků: 9. června loňského roku společnost Zinc Matrix Power oficiálně oznámila podpis strategické dohody se společností Intel Korporace. Podle podmínek této dohody spojí ZMP a Intel své síly při vývoji nové technologie baterií pro přenosné počítače. Mezi hlavní cíle této práce patří zvýšení výdrže baterie notebooků na 10 hodin. Podle aktuálního plánu by se první modely notebooků vybavené zinko-vzduchovými bateriemi měly objevit v prodeji v roce 2006.

Uvedení kompaktních zinko-vzduchových baterií na masový trh může výrazně změnit situaci v tržním segmentu malých autonomních napájecích zdrojů pro přenosné počítače a digitální zařízení.

Energetický problém

a v posledních letech se výrazně rozrostla flotila přenosných počítačů a různých digitálních zařízení, z nichž mnohé se objevily na trhu teprve nedávno. Tento proces se znatelně zrychlil díky rostoucí popularitě mobilních telefonů. Rychlý růst počtu přenosných elektronických zařízení zase způsobil výrazný nárůst poptávky po autonomních zdrojích elektřiny, zejména po různých typech baterií a akumulátorů.

Potřeba opatřit obrovské množství přenosných zařízení bateriemi je však pouze jednou stranou problému. Jak se tedy přenosná elektronická zařízení vyvíjejí, hustota prvků a výkon v nich použitých mikroprocesorů se za pouhé tři roky zvýšil, taktovací frekvence používaných PDA procesorů řádově vzrostla. Drobné monochromatické obrazovky jsou nahrazovány barevnými displeji s vysokým rozlišením a většími obrazovkami. To vše vede ke zvýšení spotřeby energie. V oblasti přenosné elektroniky je navíc zřetelný trend k další miniaturizaci. S přihlédnutím k těmto faktorům je zcela zřejmé, že zvyšování energetické náročnosti, výkonu, životnosti a spolehlivosti použitých baterií je jednou z nejdůležitějších podmínek pro zajištění dalšího rozvoje přenosných elektronických zařízení.

Problém obnovitelných autonomních zdrojů energie je v segmentu přenosných počítačů velmi akutní. Moderní technologie umožňují vytvářet notebooky, které prakticky nejsou ve své funkčnosti a výkonu horší než plnohodnotné stolní systémy. Nedostatek dostatečně účinných autonomních zdrojů energie však připravuje uživatele notebooků o jednu z hlavních výhod tohoto typu počítačů – mobilitu. Dobrým ukazatelem pro moderní notebook vybavený lithium-iontovou baterií je výdrž baterie kolem 4 hodin 1, ale to zjevně nestačí na plnohodnotnou práci v mobilních podmínkách (např. let z Moskvy do Tokia trvá cca. 10 hodin a z Moskvy do Los Angeles téměř 15).

Jedním z řešení problému zvýšení životnosti baterií přenosných počítačů je přechod ze v současnosti běžných nikl-metal hydridových a lithium-iontových baterií na chemické palivové články 2 . Nejslibnější palivové články z hlediska aplikace v přenosných elektronických zařízeních a PC jsou palivové články s nízkými provozními teplotami jako PEM (Proton Exchange Membrane) a DMCF (Direct Methanol Fuel Cells). Jako palivo pro tyto prvky se používá vodný roztok metylalkoholu (methanolu) 3 .

V této fázi by však bylo příliš optimistické popisovat budoucnost chemických palivových článků pouze v růžových tónech. Faktem je, že masovému rozšíření palivových článků v přenosných elektronických zařízeních brání minimálně dvě překážky. Za prvé, metanol je poměrně toxická látka, z čehož vyplývají zvýšené požadavky na těsnost a spolehlivost palivových kazet. Za druhé, pro zajištění přijatelné rychlosti chemických reakcí v palivových článcích s nízkými provozními teplotami je nutné použít katalyzátory. V současné době se v článcích PEM a DMCF používají katalyzátory vyrobené z platiny a jejích slitin, ale přirozené zásoby této látky jsou malé a její cena je vysoká. Nahradit platinu jinými katalyzátory je teoreticky možné, ale zatím se žádnému z týmů zabývajících se výzkumem v tomto směru nepodařilo najít přijatelnou alternativu. Dnes je takzvaný problém platiny možná nejvážnější překážkou pro široké přijetí palivových článků v přenosných počítačích a elektronických zařízeních.

1 Týká se provozní doby ze standardní baterie.

2 Více informací o palivových článcích si můžete přečíst v článku „Palivové články: rok naděje“, publikovaném v čísle 1’2005.

3 PEM články pracující na plynný vodík jsou vybaveny vestavěným konvertorem pro výrobu vodíku z metanolu.

Zinkové vzduchové prvky

Přestože autoři řady publikací považují zinko-vzduchové baterie a akumulátory za jeden z podtypů palivových článků, není to tak úplně pravda. Po seznámení se s konstrukcí a principem činnosti zinko-vzduchových prvků, a to i obecně, můžeme učinit zcela jednoznačný závěr, že je správnější je považovat za samostatnou třídu autonomních zdrojů energie.

Konstrukce zinkového vzduchového článku obsahuje katodu a anodu oddělené alkalickým elektrolytem a mechanickými separátory. Jako katoda je použita plynová difúzní elektroda (GDE), jejíž membrána propustná pro vodu umožňuje získávání kyslíku z atmosférického vzduchu, který jí cirkuluje. „Palivem“ je zinková anoda, která se během provozu článku oxiduje, a oxidačním činidlem je kyslík získaný z atmosférického vzduchu vstupujícího „dýchacími otvory“.

Na katodě dochází k elektroredukční reakci kyslíku, jejímž produkty jsou záporně nabité hydroxidové ionty:

02 + 2H20 +4e 4OH-.

Hydroxidové ionty se pohybují v elektrolytu na zinkovou anodu, kde dochází k oxidační reakci zinku a uvolňují elektrony, které se vracejí ke katodě přes vnější obvod:

Zn + 4OH – Zn(OH) 4 2– + 2e.

Zn(OH) 4 2– ZnO + 2OH – + H 2 O.

Je zcela zřejmé, že zinko-vzduchové články nespadají do klasifikace chemických palivových článků: za prvé používají spotřební elektrodu (anodu) a za druhé je palivo zpočátku umístěno uvnitř článku a není během provozu dodáváno z venku.

Napětí mezi elektrodami jednoho článku zinko-vzduchového článku je 1,45 V, což je velmi blízké napětí alkalických (alkalických) baterií. V případě potřeby pro získání vyššího napájecího napětí lze několik článků zapojených do série spojit do baterie.

Zinek je poměrně běžný a levný materiál, takže při nasazení hromadné výroby článků zinek-vzduch nebudou mít výrobci problémy se surovinami. Navíc i v počáteční fázi budou náklady na takové zdroje energie docela konkurenceschopné.

Je také důležité, že zinkové vzduchové prvky jsou velmi šetrné k životnímu prostředí. Materiály použité k jejich výrobě nezatěžují životní prostředí a lze je po recyklaci znovu použít. Produkty reakce vzduchových prvků zinku (voda a oxid zinečnatý) jsou také absolutně bezpečné pro člověka a pro životní prostředí se oxid zinečnatý dokonce používá jako hlavní složka dětského pudru.

Z provozních vlastností zinko-vzduchových prvků stojí za zmínku takové výhody, jako je nízká rychlost samovybíjení v neaktivovaném stavu a malá změna napětí při vybíjení (plochá vybíjecí křivka).

Určitou nevýhodou zinkových vzduchových prvků je vliv relativní vlhkosti nasávaného vzduchu na vlastnosti prvku. Například u zinkového vzduchového článku určeného pro provoz v podmínkách relativní vlhkosti vzduchu 60% se při zvýšení vlhkosti na 90% sníží životnost přibližně o 15%.

Od baterií k bateriím

Nejjednodušší možností implementace zinko-vzduchových článků jsou jednorázové baterie. Při vytváření zinko-vzduchových prvků velkých rozměrů a výkonu (například určených k pohonu automobilových elektráren) mohou být zinkové anodové kazety nahrazeny. V tomto případě pro obnovení energetické rezervy stačí vyjmout kazetu s použitými elektrodami a na její místo nainstalovat novou. Použité elektrody lze obnovit pro opětovné použití elektrochemickou metodou ve specializovaných podnicích.

Pokud mluvíme o kompaktních bateriích vhodných pro použití v přenosných počítačích a elektronických zařízeních, pak je praktická realizace varianty s výměnnými zinkovými anodovými kazetami z důvodu malých rozměrů baterií nemožná. To je důvod, proč je většina kompaktních zinkových vzduchových článků, které jsou v současné době na trhu, na jedno použití. Jednorázové malé zinko-vzduchové baterie vyrábí Duracell, Eveready, Varta, Matsushita, GP a také tuzemský podnik Energia. Hlavními oblastmi použití těchto zdrojů energie jsou sluchadla, přenosná rádia, fotografická zařízení atd.

V současné době mnoho společností vyrábí jednorázové zinko-vzduchové baterie

Před několika lety společnost AER vyrobila zinko-vzduchové baterie Power Slice určené pro přenosné počítače. Tyto položky byly navrženy pro notebooky řady Hewlett-Packard Omnibook 600 a Omnibook 800; jejich výdrž baterie se pohybovala od 8 do 12 hodin.

V zásadě existuje i možnost vytvoření dobíjecích zinko-vzduchových článků (baterií), u kterých při připojení externího zdroje proudu dojde na anodě k redukční reakci zinku. Praktickou realizaci takových projektů však dlouho brzdily vážné problémy způsobené chemickými vlastnostmi zinku. Oxid zinečnatý je vysoce rozpustný v alkalickém elektrolytu a v rozpuštěné formě je distribuován po celém objemu elektrolytu a pohybuje se pryč od anody. Z tohoto důvodu se při nabíjení z externího zdroje proudu výrazně mění geometrie anody: zinek získaný z oxidu zinečnatého se ukládá na povrchu anody ve formě páskových krystalů (dendritů) ve tvaru dlouhých hrotů. Dendrity pronikají přes separátory a způsobují zkrat uvnitř baterie.

Tento problém je zhoršen tím, že pro zvýšení výkonu jsou anody zinko-vzduchových článků vyrobeny z drceného práškového zinku (to umožňuje výrazné zvětšení povrchu elektrody). S rostoucím počtem cyklů nabíjení a vybíjení se tedy povrch anody postupně zmenšuje, což má negativní dopad na výkon článku.

Dosud největšího úspěchu v oblasti vytváření kompaktních zinko-vzduchových baterií dosáhla společnost Zinc Matrix Power (ZMP). Specialisté ZMP vyvinuli unikátní technologii Zinc Matrix, která vyřešila hlavní problémy vznikající při nabíjení baterie. Podstatou této technologie je použití polymerního pojiva, které zajišťuje nerušený průnik hydroxidových iontů, ale zároveň blokuje pohyb oxidu zinečnatého rozpouštějícího se v elektrolytu. Díky použití tohoto řešení je možné předejít znatelným změnám tvaru a povrchu anody po dobu minimálně 100 nabíjecích-vybíjecích cyklů.

Výhodou zinko-vzduchových baterií je dlouhá doba provozu a vysoká měrná energetická náročnost, minimálně dvojnásobná oproti nejlepším lithium-iontovým bateriím. Měrná energetická náročnost zinko-vzduchových baterií dosahuje 240 Wh na 1 kg hmotnosti a maximální výkon je 5000 W/kg.

Podle vývojářů ZMP je dnes možné vytvořit zinko-vzduchové baterie pro přenosná elektronická zařízení (mobilní telefony, digitální přehrávače atd.) s energetickou kapacitou cca 20 Wh. Minimální možná tloušťka takových zdrojů je pouze 3 mm. Experimentální prototypy zinko-vzduchových baterií pro notebooky mají energetickou kapacitu 100 až 200 Wh.

Prototyp zinko-vzduchové baterie vytvořený specialisty Zinc Matrix Power

Další důležitou výhodou zinko-vzduchových baterií je naprostá absence tzv. paměťového efektu. Na rozdíl od jiných typů baterií lze zinko-vzduchové články dobíjet při jakékoli úrovni nabití, aniž by byla ohrožena jejich energetická kapacita. Na rozdíl od lithiových baterií jsou navíc zinko-vzduchové články mnohem bezpečnější.

Na závěr nelze nezmínit jednu důležitou událost, která se stala symbolickým výchozím bodem na cestě ke komercializaci zinko-vzduchových článků: 9. června loňského roku společnost Zinc Matrix Power oficiálně oznámila podpis strategické dohody se společností Intel Korporace. Podle podmínek této dohody spojí ZMP a Intel své síly při vývoji nové technologie baterií pro přenosné počítače. Mezi hlavní cíle této práce patří zvýšení výdrže baterie notebooků na 10 hodin. Podle aktuálního plánu by se první modely notebooků vybavené zinko-vzduchovými bateriemi měly objevit v prodeji v roce 2006.

Rtuťovo-zinkové články využívají porézní zinkovou elektrodu, do které je zaváděno až 10 % rtuti pro omezení koroze, a katodu vyrobenou z oxidu rtuťnatého smíchaného s grafitem. Elektrolytem je 30...40% roztok KOH. Hlavní elektrodové procesy jsou popsány rovnicemi:

Zn + 2OH − → Zn(OH) 2 + 2e − (s následným rozkladem

hydroxid zinečnatý na ZnO a vodu) a

Hg + H 2 O + 2e − → Hg + 2OH −

Napětí rtuťovo-zinkového článku zůstává stabilní až do konce vybíjení nízkými proudy (do 0,01 C N). U takových proudů je zajištěno stabilní napětí i při 0 0 C. To umožňuje jejich použití jako nosné prvky v měřicích zařízeních. Prvky mají stejně dobrý výkon v nepřetržitém i přerušovaném provozním režimu. Typické vybíjecí charakteristiky rtuťových zinkových článků jsou znázorněny na obr. 17.7.

Napětí naprázdno těchto prvků je 1,35 V, provozní napětí je 1,22...1,25 V. Rozsah provozních teplot je od −30 do +70 0 C. Konečné vybíjecí napětí je 0,9...1,0 V.

Nejpoužívanější jsou rtuťové zinkové prvky v diskovém provedení (obr. 17.8), u kterých je kladná zinková elektroda 1 zalisována do ocelového tělesa a záporná (aktivní hmota) 2 do víka. Není v nich žádný volný prostor a vodík, který se uvolňuje při korozi zinku, je odváděn přes těsnicí těsnění 4 difuzí. Elektrolyt by neměl unikat.

Miniaturní rtuťové zinkové články byly široce používány ve fotografických zařízeních, ručních elektronických hodinkách, kalkulačkách a lékařských zařízeních. Environmentální problémy spojené s toxicitou rtuti však vedly k rozsáhlému zastavení výroby těchto prvků. K jejich výměně se doporučuje použít stříbro-zinkové nebo lithiové galvanické články.

17.3.3 Stříbro-zinkové prvky

Stříbro-zinkové galvanické články mají elektrické vlastnosti blízké rtuť-zinkovým článkům, stabilní vybíjecí charakteristiky při vysokém provozním napětí (1,5 V) a dlouhou životnost. Jsou však méně citlivé na zvýšené proudové zatížení. Rozsah provozních teplot je od 0 do +40 0 C. Tyto prvky jsou nejekologičtější, ale jsou poměrně drahé.

Stříbro-zinkové prvky jsou vyráběny převážně v kotoučovém provedení a jejich provedení je podobné jako u rtuťových-zinkových prvků. Hlavní aplikací stříbrno-zinkových prvků jsou ruční elektronické hodinky. Parametry takových prvků od hlavních výrobců jsou uvedeny v tabulce 17.7.

17.3.4 Zinkové vzduchové prvky

Zinko-vzduchové prvky se od ostatních primárních chemických zdrojů proudu liší přítomností speciálního otvoru, který se otevírá při uvádění do provozu, aby byl zajištěn vstup vzduchu do prvku, jehož kyslík se používá jako oxidační činidlo.

Jako katoda, na které se redukuje vzdušný kyslík, se používají uhlíkové elektrody modifikované katalyzátorem. Aktivním materiálem anody je zinek, elektrolytem je roztok KOH nebo NaOH. Celková proudotvorná reakce v prvku může být zapsána:

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

Když se zinek rozpouští a roztok se nasytí ionty zinku, Zn(OH) 4 2− se rozkládá vysrážením oxidu zinečnatého ZnO.

Napětí naprázdno takového prvku je 1,4 V a provozní napětí je 1,35 V. Rozsah provozních teplot je +10...+40 0 C.

M Hliníkové zinkové vzduchové prvky mají kotoučové provedení (obr. 17.9) a používají se především u sluchadel. Anoda je vyrobena z práškového zinku. Katoda je tenká katoda vyrobená z aktivního uhlí, sazí a katalyzátoru. Elektrolyt je obvykle koncentrovaný. Pomocí speciální membrány je po otevření otvoru vzduch rovnoměrně distribuován po povrchu katody. Elektrolyt neprochází hydrofobní vrstvou. Takové články se vyrábějí s kapacitami od 50 do 6300 mAh.

Baterie z mangan-zinkovo-vzduchových článků v prizmatickém provedení slouží také k provozu navigačních zařízení, například řady Liman nebo Baken.