Цинково-въздушна батерия

Цинково-въздушната батерия представлява първичен източник на ток, т.е. еднократна електрическа батерия, напрежението на която теоретично е максимум 1,60 V и се създава чрез реакция между цинк и кислород. На практика обаче постижимото напрежение при разтоварване е само 1,35 до 1,4 V, тъй като намаляването на кислорода в катода е силно възпрепятствано. Следователно цинково-въздушните батерии са в същия диапазон на напрежение като батериите с живачен оксид, които вече не се произвеждат и са ги заменили, когато се използват в слухови апарати. Цинк-въздушната батерия е разработена главно поради липсата на суровини след Втората световна война. Днес, под формата на миниатюрна батерия, тя предлага оптимално захранване за аналогови и цифрови слухови апарати благодарение на нейната особено висока енергийна плътност и почти хоризонтална крива на разряд. Произвежда се и в по-голяма форма за огради под напрежение и като батерии за фенери с особено висок капацитет. По време на Втората световна война са произвеждани и като плоски батерии.

Типове цинково-въздушни батерии за захранване на слухови апарати:
Синя (675), PR44, 11,56 mm × 5,33 mm
Оранжева (13), PR48, 7,80 mm × 5,35 mm
Кафява (312), PR41, 7,80 mm × 3,45 mm
Жълта (10), PR70, 5,80 mm × 3,60 mm

След като разработката на горивни клетки довежда до създаването на високоеластични газодифузни електроди под формата на фолио, стават възможни и въздушно-цинковите акумулатори.

Разреждане

В цинково-въздушната батерия цинкът се окислява с атмосферен кислород в алкален електролит до оксид или хидроксид и освободената енергия се използва като електрическа. Протичат следните реакции:

	Химично уравнение
Анод	$\mathrm {2\ Zn+8\ OH^{-}\to 2\ Zn(OH)_{4}^{2-}+4\ e^{-}} \quad (\mathrm {E^{0}} =-1{,}199\,\mathrm {V} )$ Окисление / освобождаване на електрони
Електролит	$\mathrm {2\ Zn(OH)_{4}^{2-}\to 2\ ZnO+2\ H_{2}O+4\ OH^{-}}$
Катод	$\mathrm {O_{2}+2\ H_{2}O+4\ e^{-}\to 4\ OH^{-}} \quad (\mathrm {E^{0}} =0{,}401\,\mathrm {V} )$ Редукция / поглъщане на електрони
Обща реакция	$\mathrm {2\ Zn+O_{2}+2\ H_{2}O\to 2\ Zn(OH)_{2}} \quad (\Delta U=1{,}6\,\mathrm {V} )$ Редокс / клетъчна реакция

Порите на газодифузионния електрод трябва да се намокрят с електролит, за да се осигури голяма реакционна повърхност за преобразуване на кислорода на трифазната граница. „Сърцето“ на газодифузионния електрод е активен слой с дебелина около 1 mm, който има проводим носещ материал, изработен от фино раздробен въглерод, върху който е приложен катализатор от страна на електролита за ускоряване на кислородната редукция и окисляването на хидроксида.

При новите батерии входният отвор за атмосферния кислород обикновено е запечатан с езиче, така че редокс реакциите започват само когато това уплътнение се отстрани. Поради това цинково-въздушните батерии се характеризират с дълъг срок на годност, но обикновено трябва да се изразходват в рамките на няколко седмици след отстраняването на уплътнението.

Разрез на батерия

Анимация на работата на цинково-въздушна клетка

Зареждане

	Химично уравнение
Анод	$\mathrm {4\ OH^{-}\to O_{2}+2\ H_{2}O+4e^{-}}$ Окисление / освобождаване на електрони
Катод	$\mathrm {2\ ZnO+2\ H_{2}O+4\ e^{-}\to 2\ Zn+4\ OH^{-}}$ редукция / поглъщане на електрони
Обща реакция	$\mathrm {2\ Zn(OH)_{2}\to 2\ Zn+O_{2}+2\ H_{2}O}$ Редокс / клетъчна реакция

Презареждането може да бъде постигнато, ако реагиралият метал се замени механично, което е вариант на горивна клетка с твърдо гориво. Такива системи са тествани за тяхната пригодност в електрически превозни средства от 70-те години на миналия век, но все още не са успели да се докажат.

Електрическото презареждане би било по-малко сложно и следователно по-удобно за потребителя. Цинковият електрод може да бъде презареден във воден алкален електролит; обаче се образуват дендрити, които водят до къси съединения. Освен това трябва да се използва бифункционален, порест газодифузионен електрод. Бифункционален означава, че трябва да може да редуцира атмосферния кислород и да окислява разрядния продукт (OH⁻) на трифазната граница между твърдия електрод и течния електролит и газовото пространство.

Видове

В момента най-често срещаните типове са 13 (оранжев), 312 (кафяв) и 10 (жълт), които се използват основно в слухови апарати.

Номер (тип)	Цветно означение	IEC	ANSI	Renata	Varta	Duracell	Диаметър × височина	Амперчасове (ориентировъчно)	Напрежение
675	синьо	PR44	7003ZD	ZA675	V675A	DA675	11,56 mm × 5,33 mm	600 mAh	1,4 V
13	оранжево	PR48	7000ZD	ZA13	V13A	DA13	7,80 mm × 5,35 mm	290 mAh	1,4 V
312	кафяво	PR41	7002ZD	ZA312	V312A	DA312	7,80 mm × 3,45 mm	160 mAh	1,4 V
10	жълто	PR70	7005ZD	ZA10	V10A	DA230	5,80 mm × 3,60 mm	90 mAh	1,4 V
5	червено	PR63		ZA5			5,80 mm × 2,16 mm	35 mAh	1,4 V

Литература

• Carl H. Hamann, Wolf Vielstich: Elektrochemie. 3., vollständig überarbeitete Auflage. WILEY-VCH Verlag GmbH, Weinheim 1998, ISBN 3-527-27894-X.

Външни препратки

• Zinc–air powered buses
• Zinc–Air Batteries for UAVs and MAVs
• Reaction to ZnO shown in hydrated form Zn(OH)2
• Zinc–air fuel cell
• Duracell technical bulletin (suppliers of zinc–air hearing aid batteries)
• Overview of batteries
• Metal Air Batteries