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Ámbito de aplicación a largo plazo baterías de zinc-aire No fue más allá de la medicina. Su alta capacidad y su larga vida útil (en estado inactivo) les permitieron ocupar fácilmente el nicho de las pilas desechables para audífonos. Pero en los últimos años ha habido un gran aumento del interés por esta tecnología entre los fabricantes de automóviles. Algunos creen que se ha encontrado una alternativa al litio. ¿Es esto cierto?

Una batería de zinc-aire para un vehículo eléctrico se puede diseñar de la siguiente manera: se insertan electrodos en un recipiente dividido en compartimentos, en los que se adsorbe y reduce el oxígeno del aire, así como casetes especiales extraíbles llenos de consumibles de ánodo, en este caso gránulos de zinc. . Se coloca un separador entre los electrodos negativo y positivo. Como electrolito se puede utilizar una solución acuosa de hidróxido de potasio o una solución de cloruro de zinc.

El aire procedente del exterior con ayuda de catalizadores forma iones hidroxilo en la solución electrolítica acuosa, que oxidan el electrodo de zinc. Durante esta reacción, se liberan electrones formando una corriente eléctrica.

Ventajas

Se estima que las reservas mundiales de zinc son de aproximadamente 1,9 gigatoneladas. Si iniciamos ahora la producción mundial de zinc metálico, en un par de años será posible montar mil millones de baterías de zinc-aire con una capacidad de 10 kWh cada una. Por ejemplo, se necesitarían más de 180 años para crear la misma cantidad en las condiciones actuales de extracción de litio. La disponibilidad de zinc también reducirá el precio de las baterías.

También es muy importante que las celdas de aire de zinc, que tienen un esquema transparente para reciclar el zinc residual, sean productos respetuosos con el medio ambiente. Los materiales utilizados aquí no envenenan el medio ambiente y pueden reciclarse. El producto de reacción de las baterías de zinc-aire (óxido de zinc) también es absolutamente seguro para los seres humanos y su medio ambiente. No en vano se utiliza óxido de zinc como componente principal del talco para bebés.

La principal ventaja gracias a la cual los fabricantes de vehículos eléctricos miran con esperanza esta tecnología es la alta densidad de energía (2-3 veces mayor que la del Li-ion). La intensidad energética del Zinc-Air ya alcanza los 450 Wh/kg, ¡pero la densidad teórica puede ser de 1350 Wh/kg!

Defectos

Como no conducimos coches eléctricos con baterías de zinc-aire, existen desventajas. En primer lugar, es difícil hacer que dichas células sean recargables con un número suficiente de ciclos de descarga/carga. Durante el funcionamiento de una batería de zinc-aire, el electrolito simplemente se seca o penetra demasiado profundamente en los poros del electrodo de aire. Y dado que el zinc depositado se distribuye de manera desigual, formando una estructura ramificada, a menudo se producen cortocircuitos entre los electrodos.

Los científicos están tratando de encontrar una salida. La empresa estadounidense ZAI resolvió este problema simplemente reemplazando el electrolito y agregando cartuchos de zinc nuevos. Naturalmente, esto requerirá una infraestructura desarrollada de estaciones de servicio, donde el material activo oxidado en el casete del ánodo será reemplazado por zinc fresco.

Y aunque el componente económico del proyecto aún no se ha resuelto, los fabricantes afirman que el coste de dicha "carga" será significativamente menor que el de repostar un automóvil con motor de combustión interna. Además, el proceso de cambio de material activo no tardará más de 10 minutos. Incluso los superrápidos podrán reponer sólo el 50% de su potencial durante el mismo tiempo. El año pasado, la empresa coreana Leo Motors ya hizo una demostración de las baterías zinc-aire ZAI en su camión eléctrico.

Los audífonos utilizan baterías de zinc-aire, que utilizan oxígeno absorbido del aire como cátodo y polvo de zinc como ánodo.

Al eliminar el mercurio o el óxido de plata de la carcasa de la batería, que hasta ahora servía como cátodo, se ha dejado más espacio disponible para el polvo de zinc. Por lo tanto, las baterías de zinc-aire consumen más energía cuando se comparan baterías de diferentes tipos. A continuación se muestra una descripción comparativa de la vida útil de las baterías alcalinas y de zinc-aire. Como puede verse en la figura, una batería de zinc-aire no sólo dura más, sino que también mantiene su voltaje constante durante toda su vida útil. Con una batería de zinc-aire, puede esperar un sonido más limpio del dispositivo y un funcionamiento normal y estable de todos sus sistemas. Y otra ventaja muy importante de las baterías es que no gotean como, por ejemplo, las pilas alcalinas. El gráfico muestra que las baterías de zinc-aire no sólo duran más, sino que también liberan su carga de manera uniforme durante toda su vida útil, a diferencia de, por ejemplo, las baterías alcalinas. Esto significa que no tendrá que subir el volumen constantemente, y el audífono contará con la corriente de voltaje necesaria para el normal funcionamiento de todas sus funciones durante toda la vida útil de la batería.

Cuando están almacenadas (se pueden almacenar durante 2 o más años), los orificios de aire de las baterías se sellan con una película adhesiva. Tan pronto como retiras la película protectora del terminal positivo, la batería se activa y comienza a liberar energía. La descarga de una batería activada se produce independientemente de si alimenta el audífono o simplemente está sobre la mesa. Por lo tanto, sólo debes retirar la película protectora si realmente la vas a utilizar en tu audífono.

La duración de la batería varía desde varios días hasta varias semanas. Hacia el final de la duración de la batería, notará que su audífono es notablemente más silencioso. Esto significa que es hora de reemplazar la batería.

Si la pila de zinc-aire está casi completamente descargada, normalmente se notan los siguientes síntomas: después de encenderlo, el audífono funciona con total normalidad, pero al poco tiempo se vuelve casi completamente silencioso. Cuanto más descargada esté la batería, más rápido se silenciará el audífono.

• Utilice pilas en su audífono del tamaño especificado en la hoja de datos o en las instrucciones de funcionamiento del audífono.
• Para prepararse para el trabajo, debe quitar la pegatina y darle tiempo al principio activo para que se sature de oxígeno. (3 a 5 minutos). Si comienza a usar la batería inmediatamente después de abrirla, la activación se producirá solo en la capa superficial de la sustancia, lo que afectará significativamente su vida útil.
• Cada vez que insertes una batería, presta atención al lado positivo. El lado positivo se distingue por el hecho de que es plano y generalmente tiene uno o más orificios para el aire y una pequeña cruz, un signo positivo, en el centro.
• Utilice la batería hasta el final y luego inserte una nueva. No almacene baterías usadas.
• Guarde las baterías en ampollas a temperatura ambiente y humedad normal. El deseo de "guardar" las pilas en el frigorífico por más tiempo puede llevar al resultado exactamente opuesto: un audífono con una pila nueva no funcionará en absoluto.
• Apague su audífono cuando no lo esté usando. Por la noche, retire las fuentes de alimentación del dispositivo y deje abierto el compartimento de la batería.
• Lleve siempre consigo una batería de repuesto nueva. Las baterías de repuesto no deben almacenarse junto con objetos metálicos (llaves, otras baterías)., lo que puede provocar un cortocircuito en los contactos de la batería y provocar una descarga o daño prematuro. Lo mejor es colocar cada batería de repuesto en un recipiente aislante individual.
• Mantenga las baterías fuera del alcance de los niños. Los niños pueden tragar las pilas y causar daños a su salud.

El lanzamiento de baterías compactas de zinc-aire al mercado de masas puede cambiar significativamente la situación en el segmento de mercado de fuentes de alimentación autónomas de pequeño tamaño para ordenadores portátiles y dispositivos digitales.

Problema energético

y en los últimos años ha aumentado significativamente el parque de ordenadores portátiles y diversos dispositivos digitales, muchos de los cuales han aparecido recientemente en el mercado. Este proceso se ha acelerado notablemente debido a la creciente popularidad de los teléfonos móviles.

A su vez, el rápido crecimiento del número de dispositivos electrónicos portátiles ha provocado un aumento significativo de la demanda de fuentes autónomas de electricidad, en particular de diversos tipos de baterías y acumuladores.

El problema de las fuentes de energía renovables y autónomas es muy grave en el segmento de los PC portátiles. Las tecnologías modernas permiten crear computadoras portátiles que prácticamente no son inferiores en funcionalidad y rendimiento a los sistemas de escritorio completos. Sin embargo, la falta de fuentes de energía autónomas suficientemente eficientes priva a los usuarios de portátiles de una de las principales ventajas de este tipo de ordenador: la movilidad. Un buen indicador para una computadora portátil moderna equipada con una batería de iones de litio es la duración de la batería de aproximadamente 4 horas 1, pero esto claramente no es suficiente para un trabajo completo en condiciones móviles (por ejemplo, un vuelo de Moscú a Tokio dura aproximadamente 10 horas, y de Moscú a Los Ángeles casi 15).

Una solución al problema de aumentar la duración de la batería de los PC portátiles es pasar de las baterías de níquel-hidruro metálico y de iones de litio, actualmente habituales, a pilas de combustible químicas 2 . Las pilas de combustible más prometedoras desde el punto de vista de su aplicación en dispositivos electrónicos portátiles y PC son las pilas de combustible con bajas temperaturas de funcionamiento, como PEM (Proton Exchange Membrane) y DMCF (Direct Metanol Fuel Cells). Como combustible para estos elementos se utiliza una solución acuosa de alcohol metílico (metanol) 3.

Sin embargo, a estas alturas sería demasiado optimista describir el futuro de las pilas de combustible químicas únicamente en tonos optimistas. El hecho es que existen al menos dos obstáculos para la distribución masiva de pilas de combustible en dispositivos electrónicos portátiles. En primer lugar, el metanol es una sustancia bastante tóxica, lo que implica mayores requisitos de estanqueidad y fiabilidad de los cartuchos de combustible. En segundo lugar, para garantizar velocidades aceptables de reacciones químicas en pilas de combustible con bajas temperaturas de funcionamiento, es necesario utilizar catalizadores. Actualmente, en las células PEM y DMCF se utilizan catalizadores de platino y sus aleaciones, pero las reservas naturales de esta sustancia son pequeñas y su coste elevado. En teoría, es posible sustituir el platino por otros catalizadores, pero hasta ahora ninguno de los equipos que investigan en este sentido ha podido encontrar una alternativa aceptable. Hoy en día, el llamado problema del platino es quizás el obstáculo más serio para la adopción generalizada de pilas de combustible en PC portátiles y dispositivos electrónicos.

1 Esto se refiere al tiempo de funcionamiento de una batería estándar.

2 Se puede leer más información sobre las pilas de combustible en el artículo “Pilas de combustible: un año de esperanza”, publicado en el nº 1’2005.

Tres celdas PEM que funcionan con gas hidrógeno están equipadas con un convertidor incorporado para producir hidrógeno a partir de metanol.

Elementos de aire de zinc

Aunque los autores de varias publicaciones consideran que las baterías y acumuladores de zinc-aire son uno de los subtipos de pilas de combustible, esto no es del todo cierto. Habiéndose familiarizado con el diseño y el principio de funcionamiento de los elementos zinc-aire, incluso en términos generales, podemos llegar a una conclusión completamente inequívoca de que es más correcto considerarlos como una clase separada de fuentes de energía autónomas.

El diseño de la celda de aire de zinc incluye un cátodo y un ánodo separados por un electrolito alcalino y separadores mecánicos. Como cátodo se utiliza un electrodo de difusión de gas (GDE), cuya membrana permeable al agua permite obtener oxígeno del aire atmosférico que circula a través de ella. El "combustible" es el ánodo de zinc, que se oxida durante el funcionamiento de la celda, y el agente oxidante es el oxígeno obtenido del aire atmosférico que ingresa por los "orificios de respiración".

En el cátodo se produce una reacción de electrorreducción del oxígeno, cuyos productos son iones de hidróxido cargados negativamente:

O 2 + 2H 2 O +4e 4OH – .

Los iones hidróxido se mueven en el electrolito hasta el ánodo de zinc, donde ocurre la reacción de oxidación del zinc, liberando electrones que regresan al cátodo a través de un circuito externo:

Zn + 4OH – Zn(OH)4 2– + 2e.

Zn(OH) 4 2– ZnO + 2OH – + H 2 O.

Es bastante obvio que las pilas de zinc-aire no entran en la clasificación de pilas de combustible químicas: en primer lugar, utilizan un electrodo consumible (ánodo) y, en segundo lugar, el combustible se coloca inicialmente dentro de la pila y no se suministra desde el exterior. durante la operación.

El voltaje entre los electrodos de una celda de una celda de zinc-aire es de 1,45 V, muy cercano al de las baterías alcalinas (alcalinas).

Si es necesario, para obtener una tensión de alimentación más alta, se pueden combinar varias celdas conectadas en serie en una batería.

También es importante que los elementos de aire de zinc sean productos muy respetuosos con el medio ambiente. Los materiales utilizados para su producción no contaminan el medio ambiente y pueden reutilizarse después del reciclaje. Los productos de reacción de los elementos del zinc y el aire (agua y óxido de zinc) también son absolutamente seguros para los seres humanos y el medio ambiente. El óxido de zinc se utiliza incluso como componente principal del talco para bebés;

Entre las propiedades operativas de los elementos zinc-aire, cabe destacar ventajas como una baja tasa de autodescarga en estado no activado y un pequeño cambio en el valor de voltaje durante la descarga (curva de descarga plana).

Una cierta desventaja de los elementos de aire de zinc es la influencia de la humedad relativa del aire entrante sobre las características del elemento. Por ejemplo, para una celda de aire de zinc diseñada para funcionar en condiciones de humedad relativa del aire del 60%, cuando la humedad aumenta al 90%, la vida útil disminuye aproximadamente un 15%.

De pilas a pilas

La opción más fácil de implementar para las celdas de zinc-aire son las baterías desechables. Al crear elementos de zinc-aire de gran tamaño y potencia (por ejemplo, destinados a alimentar centrales eléctricas de vehículos), los casetes de ánodos de zinc se pueden reemplazar. En este caso, para renovar la reserva de energía basta con retirar el casete con los electrodos usados ​​e instalar uno nuevo en su lugar. Los electrodos usados ​​se pueden restaurar para su reutilización mediante el método electroquímico en empresas especializadas.

Si hablamos de baterías compactas adecuadas para su uso en PC portátiles y dispositivos electrónicos, la implementación práctica de la opción con casetes de ánodo de zinc reemplazables es imposible debido al pequeño tamaño de las baterías. Esta es la razón por la que la mayoría de las celdas de aire de zinc compactas que se encuentran actualmente en el mercado son desechables. Las baterías desechables de zinc-aire de pequeño tamaño son producidas por Duracell, Eveready, Varta, Matsushita, GP, así como por la empresa nacional Energia. Los principales campos de aplicación de este tipo de fuentes de energía son los audífonos, las radios portátiles, los equipos fotográficos, etc.

Actualmente, muchas empresas producen baterías de zinc-aire desechables.

Hace unos años, AER produjo baterías de zinc-aire Power Slice diseñadas para computadoras portátiles. Estos artículos fueron diseñados para las computadoras portátiles de las series Omnibook 600 y Omnibook 800 de Hewlett-Packard;

la duración de su batería osciló entre 8 y 12 horas.

En principio, también existe la posibilidad de crear pilas (baterías) de zinc-aire recargables, en las que, cuando se conecta una fuente de corriente externa, se produce una reacción de reducción del zinc en el ánodo. Sin embargo, la implementación práctica de tales proyectos se ha visto obstaculizada durante mucho tiempo por graves problemas causados ​​por las propiedades químicas del zinc. El óxido de zinc se disuelve bien en un electrolito alcalino y, en forma disuelta, se distribuye por todo el volumen del electrolito, alejándose del ánodo. Debido a esto, cuando se carga desde una fuente de corriente externa, la geometría del ánodo cambia significativamente: el zinc recuperado del óxido de zinc se deposita en la superficie del ánodo en forma de cristales de cinta (dendritas), con forma de largas púas. Las dendritas atraviesan los separadores y provocan un cortocircuito en el interior de la batería.

Este problema se ve agravado por el hecho de que para aumentar la potencia, los ánodos de las celdas de zinc-aire están hechos de zinc en polvo triturado (esto permite un aumento significativo en la superficie del electrodo). Así, a medida que aumenta el número de ciclos de carga-descarga, la superficie del ánodo irá disminuyendo gradualmente, repercutiendo negativamente en el rendimiento de la celda.

Las ventajas de las baterías de zinc-aire son un largo tiempo de funcionamiento y una alta intensidad energética específica, al menos el doble que las mejores baterías de iones de litio. La intensidad energética específica de las baterías de zinc-aire alcanza los 240 Wh por 1 kg de peso y la potencia máxima es de 5000 W/kg.

Según los desarrolladores de ZMP, hoy en día es posible crear baterías de zinc-aire para dispositivos electrónicos portátiles (teléfonos móviles, reproductores digitales, etc.) con una capacidad energética de unos 20 Wh. El espesor mínimo posible de este tipo de fuentes de alimentación es de sólo 3 mm. Los prototipos experimentales de baterías zinc-aire para portátiles tienen una capacidad energética de 100 a 200 Wh.

Un prototipo de batería zinc-aire creado por especialistas de Zinc Matrix Power

Otra ventaja importante de las baterías de zinc-aire es la ausencia total del llamado efecto memoria. A diferencia de otros tipos de baterías, las celdas de zinc-aire se pueden recargar en cualquier nivel de carga sin comprometer su capacidad energética. Además, a diferencia de las baterías de litio, las pilas de zinc-aire son mucho más seguras.

En conclusión, no se puede dejar de mencionar un hecho importante que se convirtió en un punto de partida simbólico en el camino hacia la comercialización de celdas de zinc-aire: el 9 de junio del año pasado, Zinc Matrix Power anunció oficialmente la firma de un acuerdo estratégico con Intel Corporation. . Según los términos de este acuerdo, ZMP e Intel unirán fuerzas para desarrollar nueva tecnología de baterías para PC portátiles. Entre los principales objetivos de este trabajo está aumentar la duración de la batería de los portátiles hasta las 10 horas. Según el plan actual, los primeros modelos de portátiles equipados con baterías de zinc-aire deberían salir a la venta en 2006.

El lanzamiento de baterías compactas de zinc-aire al mercado de masas puede cambiar significativamente la situación en el segmento de mercado de fuentes de alimentación autónomas de pequeño tamaño para ordenadores portátiles y dispositivos digitales.

Problema energético

y en los últimos años ha aumentado significativamente el parque de ordenadores portátiles y diversos dispositivos digitales, muchos de los cuales han aparecido recientemente en el mercado. Este proceso se ha acelerado notablemente debido a la creciente popularidad de los teléfonos móviles.

A su vez, el rápido crecimiento del número de dispositivos electrónicos portátiles ha provocado un aumento significativo de la demanda de fuentes autónomas de electricidad, en particular de diversos tipos de baterías y acumuladores.

El problema de las fuentes de energía renovables y autónomas es muy grave en el segmento de los PC portátiles. Las tecnologías modernas permiten crear computadoras portátiles que prácticamente no son inferiores en funcionalidad y rendimiento a los sistemas de escritorio completos. Sin embargo, la falta de fuentes de energía autónomas suficientemente eficientes priva a los usuarios de portátiles de una de las principales ventajas de este tipo de ordenador: la movilidad. Un buen indicador para una computadora portátil moderna equipada con una batería de iones de litio es la duración de la batería de aproximadamente 4 horas 1, pero esto claramente no es suficiente para un trabajo completo en condiciones móviles (por ejemplo, un vuelo de Moscú a Tokio dura aproximadamente 10 horas, y de Moscú a Los Ángeles casi 15).

Una solución al problema de aumentar la duración de la batería de los PC portátiles es pasar de las baterías de níquel-hidruro metálico y de iones de litio, actualmente habituales, a pilas de combustible químicas 2 . Las pilas de combustible más prometedoras desde el punto de vista de su aplicación en dispositivos electrónicos portátiles y PC son las pilas de combustible con bajas temperaturas de funcionamiento, como PEM (Proton Exchange Membrane) y DMCF (Direct Metanol Fuel Cells). Como combustible para estos elementos se utiliza una solución acuosa de alcohol metílico (metanol) 3.

Sin embargo, a estas alturas sería demasiado optimista describir el futuro de las pilas de combustible químicas únicamente en tonos optimistas. El hecho es que existen al menos dos obstáculos para la distribución masiva de pilas de combustible en dispositivos electrónicos portátiles. En primer lugar, el metanol es una sustancia bastante tóxica, lo que implica mayores requisitos de estanqueidad y fiabilidad de los cartuchos de combustible. En segundo lugar, para garantizar velocidades aceptables de reacciones químicas en pilas de combustible con bajas temperaturas de funcionamiento, es necesario utilizar catalizadores. Actualmente, en las células PEM y DMCF se utilizan catalizadores de platino y sus aleaciones, pero las reservas naturales de esta sustancia son pequeñas y su coste elevado. En teoría, es posible sustituir el platino por otros catalizadores, pero hasta ahora ninguno de los equipos que investigan en este sentido ha podido encontrar una alternativa aceptable. Hoy en día, el llamado problema del platino es quizás el obstáculo más serio para la adopción generalizada de pilas de combustible en PC portátiles y dispositivos electrónicos.

1 Esto se refiere al tiempo de funcionamiento de una batería estándar.

2 Se puede leer más información sobre las pilas de combustible en el artículo “Pilas de combustible: un año de esperanza”, publicado en el nº 1’2005.

Tres celdas PEM que funcionan con gas hidrógeno están equipadas con un convertidor incorporado para producir hidrógeno a partir de metanol.

Elementos de aire de zinc

Aunque los autores de varias publicaciones consideran que las baterías y acumuladores de zinc-aire son uno de los subtipos de pilas de combustible, esto no es del todo cierto. Habiéndose familiarizado con el diseño y el principio de funcionamiento de los elementos zinc-aire, incluso en términos generales, podemos llegar a una conclusión completamente inequívoca de que es más correcto considerarlos como una clase separada de fuentes de energía autónomas.

El diseño de la celda de aire de zinc incluye un cátodo y un ánodo separados por un electrolito alcalino y separadores mecánicos. Como cátodo se utiliza un electrodo de difusión de gas (GDE), cuya membrana permeable al agua permite obtener oxígeno del aire atmosférico que circula a través de ella. El "combustible" es el ánodo de zinc, que se oxida durante el funcionamiento de la celda, y el agente oxidante es el oxígeno obtenido del aire atmosférico que ingresa por los "orificios de respiración".

En el cátodo se produce una reacción de electrorreducción del oxígeno, cuyos productos son iones de hidróxido cargados negativamente:

O 2 + 2H 2 O +4e 4OH – .

Los iones hidróxido se mueven en el electrolito hasta el ánodo de zinc, donde ocurre la reacción de oxidación del zinc, liberando electrones que regresan al cátodo a través de un circuito externo:

Zn + 4OH – Zn(OH)4 2– + 2e.

Zn(OH) 4 2– ZnO + 2OH – + H 2 O.

Es bastante obvio que las pilas de zinc-aire no entran en la clasificación de pilas de combustible químicas: en primer lugar, utilizan un electrodo consumible (ánodo) y, en segundo lugar, el combustible se coloca inicialmente dentro de la pila y no se suministra desde el exterior. durante la operación.

El voltaje entre los electrodos de una celda de una celda de zinc-aire es de 1,45 V, muy cercano al de las baterías alcalinas (alcalinas).

Si es necesario, para obtener una tensión de alimentación más alta, se pueden combinar varias celdas conectadas en serie en una batería.

También es importante que los elementos de aire de zinc sean productos muy respetuosos con el medio ambiente. Los materiales utilizados para su producción no contaminan el medio ambiente y pueden reutilizarse después del reciclaje. Los productos de reacción de los elementos del zinc y el aire (agua y óxido de zinc) también son absolutamente seguros para los seres humanos y el medio ambiente. El óxido de zinc se utiliza incluso como componente principal del talco para bebés;

Entre las propiedades operativas de los elementos zinc-aire, cabe destacar ventajas como una baja tasa de autodescarga en estado no activado y un pequeño cambio en el valor de voltaje durante la descarga (curva de descarga plana).

Una cierta desventaja de los elementos de aire de zinc es la influencia de la humedad relativa del aire entrante sobre las características del elemento. Por ejemplo, para una celda de aire de zinc diseñada para funcionar en condiciones de humedad relativa del aire del 60%, cuando la humedad aumenta al 90%, la vida útil disminuye aproximadamente un 15%.

De pilas a pilas

La opción más fácil de implementar para las celdas de zinc-aire son las baterías desechables. Al crear elementos de zinc-aire de gran tamaño y potencia (por ejemplo, destinados a alimentar centrales eléctricas de vehículos), los casetes de ánodos de zinc se pueden reemplazar. En este caso, para renovar la reserva de energía basta con retirar el casete con los electrodos usados ​​e instalar uno nuevo en su lugar. Los electrodos usados ​​se pueden restaurar para su reutilización mediante el método electroquímico en empresas especializadas.

Si hablamos de baterías compactas adecuadas para su uso en PC portátiles y dispositivos electrónicos, la implementación práctica de la opción con casetes de ánodo de zinc reemplazables es imposible debido al pequeño tamaño de las baterías. Esta es la razón por la que la mayoría de las celdas de aire de zinc compactas que se encuentran actualmente en el mercado son desechables. Las baterías desechables de zinc-aire de pequeño tamaño son producidas por Duracell, Eveready, Varta, Matsushita, GP, así como por la empresa nacional Energia. Los principales campos de aplicación de este tipo de fuentes de energía son los audífonos, las radios portátiles, los equipos fotográficos, etc.

Actualmente, muchas empresas producen baterías de zinc-aire desechables.

Hace unos años, AER produjo baterías de zinc-aire Power Slice diseñadas para computadoras portátiles. Estos artículos fueron diseñados para las computadoras portátiles de las series Omnibook 600 y Omnibook 800 de Hewlett-Packard;

la duración de su batería osciló entre 8 y 12 horas.

En principio, también existe la posibilidad de crear pilas (baterías) de zinc-aire recargables, en las que, cuando se conecta una fuente de corriente externa, se produce una reacción de reducción del zinc en el ánodo. Sin embargo, la implementación práctica de tales proyectos se ha visto obstaculizada durante mucho tiempo por graves problemas causados ​​por las propiedades químicas del zinc. El óxido de zinc se disuelve bien en un electrolito alcalino y, en forma disuelta, se distribuye por todo el volumen del electrolito, alejándose del ánodo. Debido a esto, cuando se carga desde una fuente de corriente externa, la geometría del ánodo cambia significativamente: el zinc recuperado del óxido de zinc se deposita en la superficie del ánodo en forma de cristales de cinta (dendritas), con forma de largas púas. Las dendritas atraviesan los separadores y provocan un cortocircuito en el interior de la batería.

Este problema se ve agravado por el hecho de que para aumentar la potencia, los ánodos de las celdas de zinc-aire están hechos de zinc en polvo triturado (esto permite un aumento significativo en la superficie del electrodo). Así, a medida que aumenta el número de ciclos de carga-descarga, la superficie del ánodo irá disminuyendo gradualmente, repercutiendo negativamente en el rendimiento de la celda.

Las ventajas de las baterías de zinc-aire son un largo tiempo de funcionamiento y una alta intensidad energética específica, al menos el doble que las mejores baterías de iones de litio. La intensidad energética específica de las baterías de zinc-aire alcanza los 240 Wh por 1 kg de peso y la potencia máxima es de 5000 W/kg.

Según los desarrolladores de ZMP, hoy en día es posible crear baterías de zinc-aire para dispositivos electrónicos portátiles (teléfonos móviles, reproductores digitales, etc.) con una capacidad energética de unos 20 Wh. El espesor mínimo posible de este tipo de fuentes de alimentación es de sólo 3 mm. Los prototipos experimentales de baterías zinc-aire para portátiles tienen una capacidad energética de 100 a 200 Wh.

Un prototipo de batería zinc-aire creado por especialistas de Zinc Matrix Power

Otra ventaja importante de las baterías de zinc-aire es la ausencia total del llamado efecto memoria. A diferencia de otros tipos de baterías, las celdas de zinc-aire se pueden recargar en cualquier nivel de carga sin comprometer su capacidad energética. Además, a diferencia de las baterías de litio, las pilas de zinc-aire son mucho más seguras.

En conclusión, no se puede dejar de mencionar un hecho importante que se convirtió en un punto de partida simbólico en el camino hacia la comercialización de celdas de zinc-aire: el 9 de junio del año pasado, Zinc Matrix Power anunció oficialmente la firma de un acuerdo estratégico con Intel Corporation. . Según los términos de este acuerdo, ZMP e Intel unirán fuerzas para desarrollar nueva tecnología de baterías para PC portátiles. Entre los principales objetivos de este trabajo está aumentar la duración de la batería de los portátiles hasta las 10 horas. Según el plan actual, los primeros modelos de portátiles equipados con baterías de zinc-aire deberían salir a la venta en 2006.

Las celdas de mercurio-zinc utilizan un electrodo de zinc poroso, en el que se introduce hasta un 10% de mercurio para reducir la corrosión, y un cátodo hecho de óxido de mercurio mezclado con grafito. El electrolito es una solución de KOH al 30...40%. Los principales procesos de los electrodos se describen mediante las ecuaciones:

Zn + 2OH − → Zn(OH) 2 + 2e − (con descomposición posterior

hidróxido de zinc en ZnO y agua) y

Hg + H 2 O + 2e − → Hg + 2OH −

El voltaje de la celda de mercurio-zinc permanece estable hasta el final de la descarga con corrientes bajas (hasta 0,01 C N). Con tales corrientes, se garantiza un voltaje estable incluso a 0 0 C. Esto permite su uso como elementos de soporte en equipos de medición. Los elementos tienen un rendimiento igualmente bueno tanto en modo de funcionamiento continuo como intermitente. Las características típicas de descarga de las celdas de mercurio-zinc se muestran en la figura 17.7.

El voltaje de circuito abierto de estos elementos es de 1,35 V, el voltaje de funcionamiento es de 1,22...1,25 V. El rango de temperatura de funcionamiento es de −30 a +70 0 C. El voltaje de descarga final es de 0,9...1,0 V.

Los más utilizados son los elementos de mercurio-zinc en el diseño de disco (Fig. 17.8), en los que el electrodo de zinc positivo 1 se presiona en el cuerpo de acero y el negativo (masa activa) 2 en la tapa. No hay espacio libre en ellos y el hidrógeno, que se libera durante la corrosión del zinc, se elimina a través de la junta de sellado 4 por difusión. El electrolito no debe derramarse.

Las pilas miniatura de mercurio y zinc se utilizaron ampliamente en equipos fotográficos, relojes electrónicos de mano, calculadoras y equipos médicos. Sin embargo, los problemas ambientales asociados con la toxicidad del mercurio han llevado al cese generalizado de la producción de estos elementos. Para sustituirlas se recomienda utilizar pilas galvánicas de plata-zinc o litio.

17.3.3 Elementos de plata-zinc

Las celdas galvánicas de plata-zinc tienen características eléctricas cercanas a las de las celdas de mercurio-zinc, características de descarga estables a alto voltaje operativo (1,5 V) y una larga vida útil. Sin embargo, son menos sensibles al aumento de la carga actual. El rango de temperatura de funcionamiento es de 0 a +40 0 C. Estos elementos son los más respetuosos con el medio ambiente, pero son relativamente caros.

Los elementos de plata y zinc se fabrican principalmente en versión de disco y su diseño es similar al de los elementos de mercurio y zinc. La principal aplicación de los elementos de plata y zinc son los relojes electrónicos de mano. Los parámetros de dichos elementos de los principales fabricantes se dan en la Tabla 17.7.

17.3.4 Elementos aire de zinc

Los elementos de zinc-aire se diferencian de otras fuentes de corriente química primaria por la presencia de un orificio especial, que se abre durante la puesta en servicio para asegurar la entrada de aire al elemento, cuyo oxígeno se utiliza como agente oxidante.

Como cátodo se utilizan electrodos de carbono modificados con un catalizador, sobre los que se reduce el oxígeno atmosférico. El material activo del ánodo es zinc, el electrolito es una solución de KOH o NaOH. La reacción total generadora de corriente en el elemento se puede escribir:

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

A medida que el zinc se disuelve y la solución se satura con iones zincato, el Zn(OH) 4 2− se descompone con la precipitación de óxido de zinc ZnO.

El voltaje de circuito abierto de dicho elemento es de 1,4 V y el voltaje de funcionamiento es de 1,35 V. El rango de temperatura de funcionamiento es de +10...+40 0 C.

METRO Los elementos de aire de aluminio y zinc tienen un diseño de disco (Fig. 17.9) y se utilizan principalmente para audífonos. El ánodo está fabricado de zinc en polvo. El cátodo es un cátodo delgado hecho de carbón activado, hollín y un catalizador. El electrolito suele estar concentrado. Con la ayuda de una membrana especial, después de abrir el orificio, el aire se distribuye uniformemente sobre la superficie del cátodo. El electrolito no atraviesa la capa hidrófoba. Estas celdas se fabrican con capacidades de 50 a 6300 mAh.

Las baterías de celdas de manganeso, zinc y aire con diseño prismático también se utilizan para operar equipos de navegación, por ejemplo, las series Liman o Baken.