Nickel-Zink-Batterie - Nickel–zinc battery

Nickel-Zink-Batterie
Akku NiZn AAA AA von NicoJenner.jpg
Nickel-Zink-Zellen in den Größen AA und AAA
Spezifische Energie 100 W·h /kg
Energiedichte 280 Wh/L
Spezifische Leistung > 3000 W/ kg
Energie-/Verbraucherpreis 2–3 Wh /US$
Zellnennspannung 1,65 V

Eine Nickel-Zink-Batterie , abgekürzt NiZn , ist eine Art wiederaufladbarer Batterie ähnlich den NiCd- Batterien, jedoch mit einer höheren Spannung von 1,6 V.

Größere Nickel - Zink - Batteriesysteme sind seit über 100 Jahren bekannt. Seit 2000 Entwicklung eines stabilisierten Zinkelektrode System hat diese Technologie lebens- und wettbewerbsfähig gemacht mit anderen im Handel erhältlichen Akku - Systemen. Im Gegensatz zu einigen anderen Technologien wird die Erhaltungsladung nicht empfohlen.

Geschichte

1901 erhielt Thomas Alva Edison das US-Patent 684.204 für ein wiederaufladbares Nickel-Zink-Batteriesystem.

Die Batterie wurde später von dem irischen Chemiker Dr. James J. Drumm (1897–1974) entwickelt und zwischen 1932 und 1949 in vier zweiteiligen Drumm-Triebwagensets für den Einsatz auf der Eisenbahnstrecke Dublin–Bray eingebaut . Obwohl erfolgreich, wurden sie zurückgezogen, als die Batterien erschöpft waren. Frühe Nickel-Zink-Batterien boten nur eine geringe Anzahl von Entlade-/Aufladezyklen. In den 1960er Jahren wurden Nickel-Zink-Batterien als Alternative zu Silber-Zink-Batterien für militärische Anwendungen untersucht und wurden in den 1970er Jahren wieder für Elektrofahrzeuge interessant. Evercel Inc. entwickelte und patentierte mehrere Verbesserungen bei Nickel-Zink-Batterien, zog sich jedoch 2004 aus diesem Bereich zurück.

Anwendungen

Nickel-Zink-Akkus haben eine ähnliche Lade-/Entladekurve wie 1,2 V NiCd- oder NiMH- Zellen, jedoch mit einer höheren Nennspannung von 1,6 V.

Nickel-Zink-Batterien funktionieren gut in Anwendungen mit hohem Stromverbrauch und können aufgrund ihres höheren Energie-zu-Masse-Verhältnisses und höheren Leistungs-zu-Masse-Verhältnisses – nur 25 % der Masse of – das Potenzial haben, Blei-Säure-Batterien zu ersetzen für die gleiche Macht. NiZn sind billiger als Nickel-Cadmium-Batterien und werden voraussichtlich irgendwo zwischen NiCd- und Blei-Säure-Typen liegen. NiZn kann als Ersatz für Nickel-Cadmium verwendet werden. Das Europäische Parlament hat das Verbot von Batterien auf Cadmiumbasis unterstützt; Nickel-Zink ist eine gute Alternative für Elektrowerkzeuge und andere Anwendungen. Nachteilig ist die erhöhte Selbstentladung nach ca. 30-50 Zyklen, so dass Batterien ihre Ladung nicht so lange halten wie im Neuzustand. Wo dies kein Problem darstellt, ist NiZn eine gute Batteriewahl für Anwendungen, die hohe Leistung und Hochspannung erfordern.

Lebensdauer der Batterie

Im Vergleich zu Cadmiumhydroxid hat die Tendenz des löslichen Zinkhydroxid-Ions ( Zinkat ), sich in Lösung zu lösen und während des Wiederaufladens nicht vollständig zurück zur Kathode zu wandern, in der Vergangenheit Herausforderungen für die kommerzielle Lebensfähigkeit der NiZn-Batterie gestellt. Ein weiteres häufiges Problem bei wiederaufladbaren Zinkbatterien ist die Änderung der Elektrodenform und Dendriten (oder „ Whisker “), die die Entladeleistung der Zelle verringern oder schließlich die Zelle kurzschließen können, was zu einer geringen Zyklenlebensdauer führt.

Jüngste Fortschritte haben es ermöglicht, dieses Problem stark zu reduzieren. Zu diesen Fortschritten gehören Verbesserungen bei Elektrodenseparatormaterialien, die Aufnahme von Zinkmaterialstabilisatoren und Elektrolytverbesserungen (zB durch Verwendung von Phosphaten ). PowerGenix hat 1,6-V-Batterien mit einer angegebenen Batterielebensdauer entwickelt, die mit NiCd-Batterien vergleichbar ist.

Die Batterielebensdauer wird am häufigsten bei einer Entladetiefe von 80 Prozent der Nennkapazität und unter Annahme einer Entladestromrate von einer Stunde angegeben. Wenn der Entladestrom oder die Entladetiefe verringert wird, erhöht sich die Anzahl der Lade-Entlade-Zyklen für eine Batterie. Beim Vergleich von NiZn mit anderen Batterietechnologien können die Vergleiche der Zykluslebensdauer je nach verwendeter Entladerate und Entladetiefe variieren.

Vorteile

Nickel-Zink-Zellen haben bei voller Ladung eine Leerlaufspannung von 1,85 Volt und eine Nennspannung von 1,65 V. Dies macht NiZn zu einem hervorragenden Ersatz für elektronische Produkte, die für 1,5-V-Alkali-Primärzellen ausgelegt sind. Geräte, die für Alkalibatterien ausgelegt sind, funktionieren im frischen Zustand unterhalb einer Endpunktspannung von 1,5 V nicht richtig; NiCd und NiMH haben beide eine nominale Zellspannung von 1,2 V und erreichen diesen Endpunkt, bevor ihre Ladekapazität vollständig erschöpft ist.

Neuere, leistungsstärkere Zellen mit einer Lebensdauer von bis zu 800 Zyklen können eine Alternative zu Li-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge sein. Aufgrund der höheren Zellspannung werden bei gegebener Packspannung weniger Zellen benötigt als bei NiCd und NiMH. Sie haben auch eine niedrige Innenimpedanz (typischerweise 5 Milliohm ), die hohe Batterieentladungsraten von bis zu 50 C ermöglicht . ( C ist die Batteriekapazität in Ah, geteilt durch eine Stunde.)

NiZn-Batterien verwenden kein Quecksilber, Blei, Cadmium oder Metallhydride , die alle schwer zu recyceln sind. Sowohl Nickel als auch Zink sind in der Natur häufig vorkommende Elemente und können vollständig recycelt werden.

NiZn-Zellen verwenden keine brennbaren Aktivmaterialien oder organischen Elektrolyte, und die neuesten Modelle verwenden polymere Separatoren, die das Dendritenproblem reduzieren.

Richtig konstruierte NiZn-Zellen können eine sehr hohe Leistungsdichte und Tieftemperatur-Entladeleistung aufweisen und können auch zu fast 100% entladen und problemlos wieder aufgeladen werden. Ab 2017 waren sie in den Größen bis F und 50Ah/prismatische Zelle erhältlich.

Zink ist ein billiges und häufig vorkommendes Metall, das auf Platz 24 am häufigsten vorkommende Element in der Erdkruste und nicht gesundheitsgefährdend ist. Die übliche Oxidation ist +2, so dass beim Laden und Entladen zwei Elektronen statt eines wie bei NiMH-Batterien bewegt werden.

Aufladen

Ladegeräte für NiZn-Akkus müssen in der Lage sein, einen Akku mit einer voll geladenen Spannung von 1,85 V pro Zelle zu laden, die höher ist als die 1,4 V von NiMH. Die NiZn-Technologie eignet sich gut für schnelle Ladezyklen, da optimale Laderaten von C oder C/2 bevorzugt werden.

Bekannte Ladeverfahren umfassen einen konstanten Strom von C oder C/2 bis Zellenspannung = 1,9 V. Ein Hersteller empfiehlt, mit einem konstanten Strom von C/4 bis C zu laden, bis die Zellenspannung 1,9 V erreicht, und dann mit einer konstanten Spannung von . weiterzuladen 1,9 V, bis der Ladestrom auf C/40 sinkt.

Die maximale Ladezeit wird unterschiedlich als 2 . angegeben+1 ⁄ 2 Stunden und 3 Stunden. Nach dem Aufladen wird eine kontinuierliche Erhaltungsladung nicht empfohlen, da keine Rekombination vorgesehen ist und überschüssiger Wasserstoff schließlich entweicht , was die Lebensdauer der Batterie beeinträchtigt. Ein typisches Ladegerät für NiZn-Batterien führt speziell keine Erhaltungsladung, nachdem die Batterie vollständig geladen ist, sondern schaltet sich ab.

Chemie

(−) Elektrode: Zn + 4 OH − ⇌ Zn(OH) 4 2− + 2e − (E 0 = −1.2 V/SHE )
Elektrolyt: KOH
Zn(OH) 4 2− ⇌ Zn(OH) 2 + 2OH −
Zn(OH) 2 ⇌ ZnO + H 2 O
(+) Elektrode: 2 NiO(OH) + 2 H 2 O + 2 e − ⇌ 2 Ni(OH) 2 + 2 OH − (E 0 = +0,50 V/SHE)
Gesamtreaktion: Zn + 2 NiO(OH) + H 2 O ⇌ ZnO + 2 Ni(OH) 2
Parasitäre Reaktion: Zn + 2 H 2 O → Zn(OH) 2 + H 2

Siehe auch

Verweise