Nikel-çinko pil - Nickel–zinc battery

Nikel-çinko pil
NicoJenner.jpg tarafından Akku NiZn AAA AA
AA ve AAA boyutlarında nikel-çinko hücreler
Spesifik enerji 100 W·sa /kg
Enerji yoğunluğu 280 W·s/L
özgül güç > 3000 W/ kg
Enerji/tüketici fiyatı 2–3 Ws /ABD$
Nominal hücre voltajı 1,65V

NiZn olarak kısaltılan bir nikel-çinko pil , NiCd pillere benzer , ancak 1,6 V'luk daha yüksek bir voltaja sahip bir tür şarj edilebilir pildir .

Daha büyük nikel – çinko pil sistemleri 100 yılı aşkın bir süredir bilinmektedir. 2000 yılından bu yana, stabilize bir çinko elektrot sisteminin geliştirilmesi, bu teknolojiyi uygulanabilir ve piyasada bulunan diğer şarj edilebilir pil sistemleriyle rekabet edebilir hale getirdi. Diğer bazı teknolojilerin aksine, damlama şarjı önerilmez.

Tarih

1901'de Thomas Alva Edison , şarj edilebilir bir nikel-çinko pil sistemi için ABD Patenti 684.204'ü aldı.

Pil daha sonra İrlandalı kimyager Dr. James J. Drumm (1897–1974) tarafından geliştirildi ve Dublin-Bray demiryolu hattında kullanılmak üzere 1932 ve 1949 yılları arasında dört adet iki vagonlu Drumm vagon setine yerleştirildi . Başarılı olmalarına rağmen piller tükenince geri çekildiler. Erken nikel-çinko piller, yalnızca az sayıda deşarj/şarj döngüsü sağladı. 1960'larda askeri uygulamalar için gümüş-çinko pillere alternatif olarak nikel-çinko piller araştırıldı ve 1970'lerde yine elektrikli araçlar için ilgi gördü. Evercel Inc. , nikel-çinko pillerde çeşitli iyileştirmeler geliştirdi ve patentini aldı, ancak 2004'te bu alandan çekildi.

Uygulamalar

Nikel-çinko piller 1,2 V NiCd veya NiMH hücrelere benzer bir şarj/deşarj eğrisine sahiptir , ancak 1,6 V nominal voltaj daha yüksektir.

Nikel-çinko piller, yüksek enerji tüketen uygulamalarda iyi performans gösterir ve daha yüksek enerji-kütle oranı ve daha yüksek güç-kütle oranı (kütlenin %25'i kadar küçük) nedeniyle kurşun-asit pillerin yerini alma potansiyeline sahip olabilir. aynı güç için. NiZn, nikel-kadmiyum pillerden daha ucuzdur ve NiCd ile kurşun-asit türleri arasında bir yerde fiyatlandırılması beklenmektedir. NiZn, nikel-kadmiyum yerine kullanılabilir. Avrupa Parlamentosu, kadmiyum bazlı pillerin yasaklanmasını desteklemiştir; nikel-çinko, elektrikli aletler ve diğer uygulamalar için iyi bir alternatiftir. Bir dezavantaj, yaklaşık 30-50 döngüden sonra kendi kendine deşarj oranının artmasıdır, böylece piller yeni olduklarında şarjlarını tutmazlar. Bunun sorun olmadığı durumlarda NiZn, yüksek güç ve yüksek voltaj gerektiren uygulamalar için iyi bir pil seçimidir.

Pil ömrü

Kadmiyum hidroksitle karşılaştırıldığında, çözünür çinko hidroksit iyonunun ( zinkat ) çözelti içinde çözünme ve yeniden şarj etme sırasında tamamen katoda geri dönmeme eğilimi , geçmişte NiZn pilin ticari uygulanabilirliği için zorluklar ortaya çıkarmıştır. Çinko şarj edilebilir pillerle ilgili diğer bir yaygın sorun, elektrot şekli değişikliği ve dendritlerdir (veya " bıyıklar "), bunlar hücre deşarj performansını azaltabilir veya sonunda hücreyi kısa devre yaparak düşük çevrim ömrüne neden olabilir.

Son gelişmeler bu sorunun büyük ölçüde azaltılmasını sağlamıştır. Bu ilerlemeler arasında elektrot ayırıcı malzemelerdeki iyileştirmeler, çinko malzeme stabilizatörlerinin dahil edilmesi ve elektrolit iyileştirmeleri (örneğin fosfatlar kullanılarak ) bulunmaktadır. PowerGenix , NiCd pillerle karşılaştırılabilir, iddia edilen pil döngüsü ömrüne sahip 1,6 V piller geliştirmiştir.

Pil çevrim ömrü en yaygın olarak, nominal kapasitenin yüzde 80'i deşarj derinliğinde ve bir saatlik deşarj akımı oranı varsayılarak belirtilir. Deşarj akımı veya deşarj derinliği azaldıkça, bir akünün şarj-deşarj döngülerinin sayısı artar. NiZn'yi diğer pil teknolojileriyle karşılaştırırken, çevrim ömrü karşılaştırmaları, kullanılan deşarj hızına ve deşarj derinliğine bağlı olarak değişebilir.

Avantajlar

Nikel-çinko hücreler, tam şarj olduklarında 1,85 volt açık devre voltajına ve 1,65 V nominal voltaja sahiptir. Bu, NiZn'yi 1,5 V alkalin birincil hücreler kullanmak üzere tasarlanmış elektronik ürünler için mükemmel bir yedek yapar. Alkalin piller için tasarlanmış ekipman, tazeyken 1,5 V'a dayalı bir uç nokta voltajının altında düzgün çalışmayacaktır; NiCd ve NiMH'nin her ikisi de 1,2 V nominal hücre voltajlarına sahiptir ve bu son noktaya şarj kapasiteleri tamamen tükenmeden ulaşacaktır.

Daha güçlü ve 800 döngüye varan ömre sahip daha yeni hücreler, elektrikli araçlar için Li-ion pillere alternatif olabilir. Daha yüksek hücre voltajı nedeniyle, belirli bir paket voltajı için NiCd ve NiMH'ye göre daha az hücre gerekir. Ayrıca , 50 C'ye kadar yüksek pil deşarj oranlarına izin veren düşük iç empedansa (tipik olarak 5 miliohm ) sahiptirler . ( C , Ah cinsinden pil kapasitesinin bir saate bölümüdür.)

NiZn piller, geri dönüşümü zor olabilen cıva, kurşun veya kadmiyum veya metal hidritler kullanmaz. Hem nikel hem de çinko, doğada yaygın olarak bulunan elementlerdir ve tamamen geri dönüştürülebilir.

NiZn hücreleri, yanıcı aktif maddeler veya organik elektrolitler kullanmaz ve en yeni modeller, dendrit sorununu azaltan polimerik ayırıcılar kullanır.

Düzgün tasarlanmış NiZn hücreleri, çok yüksek güç yoğunluğuna ve düşük sıcaklıkta boşaltma performansına sahip olabilir ve ayrıca neredeyse %100'e kadar deşarj edilebilir ve sorunsuz bir şekilde yeniden şarj edilebilir. 2017 itibariyle F'ye kadar boyutlarda ve 50Ah/prizmatik hücrede mevcuttu.

Çinko, ucuz ve bol bir metaldir, yerkabuğunda en bol bulunan 24. elementtir ve sağlığa zararlı değildir. Yaygın oksidasyon +2'dir, bu nedenle şarj ve deşarj, NiMH pillerde olduğu gibi bir yerine iki elektronu hareket ettirir.

Doluyor

NiZn piller için şarj cihazları, 1,4 V NiMH'den daha yüksek, hücre başına 1,85 V'luk tam şarjlı bir voltajla bir pili şarj edebilmelidir. NiZn teknolojisi, C veya C/2'nin optimum şarj oranları tercih edildiğinden, hızlı şarj döngüsü için çok uygundur .

Bilinen şarj rejimleri arasında hücre voltajına göre C veya C/2 sabit akımı = 1,9 V bulunur. Bir üretici, hücre voltajı 1,9 V'a ulaşana kadar C/4 ila C sabit bir akımda şarj edilmesini, ardından şarjın 1,9 V sabit voltajda devam etmesini önerir Şarj akımı C/40'a düşene kadar 1,9V.

Maksimum şarj süresi çeşitli şekillerde 2 olarak verilmektedir.+1 ⁄ 2 saat ve 3 saat. Şarj edildikten sonra, rekombinasyon sağlanmadığından ve aşırı hidrojen sonunda boşalarak pil çevrim ömrünü olumsuz yönde etkilediğindensürekli damlama şarjı önerilmez. NiZn piller için tipik bir şarj cihazı, pil tamamen şarj olduktan sonra özellikle şarj damlatmaz, ancak kapanır.

Kimya

(−) elektrot: Zn + 4 OH − ⇌ Zn(OH) 4 2− + 2e − (E 0 = −1.2 V/SHE )
elektrolit: KOH
Zn(OH) 4 2− ⇌ Zn(OH) 2 + 2OH −
Zn(OH) 2 ⇌ ZnO + H 2 O
(+) elektrot: 2 NiO(OH) + 2 H 2 O + 2 e − ⇌ 2 Ni(OH) 2 + 2 OH − (E 0 = +0.50 V/SHE)
Genel reaksiyon: Zn + 2 NiO(OH) + H 2 O ⇌ ZnO + 2 Ni(OH) 2
Parazitik reaksiyon: Zn + 2 H 2 O → Zn(OH) 2 + H 2

Ayrıca bakınız

Referanslar