Piles zinc-air : des batteries aux batteries. Piles zinc-air. Applications pour appareils auditifs Pile zinc-air

Ces éléments ont la densité la plus élevée de tous technologies modernes. La raison en était les composants utilisés dans ces batteries. Ces cellules utilisent l’oxygène de l’air comme réactif cathodique, ce qui se reflète dans leur nom. Pour que l'air réagisse avec l'anode en zinc, de petits trous sont pratiqués dans le corps de la batterie. L'hydroxyde de potassium, qui possède une conductivité élevée, est utilisé comme électrolyte dans ces cellules.
Créées à l'origine comme sources d'énergie non rechargeables, les piles zinc-air ont une durée de conservation longue et stable, du moins lorsqu'elles sont stockées hermétiquement dans un état inactif. Dans ce cas, après un an de stockage, ces éléments perdent environ 2 pour cent de leur capacité. Une fois que l'air pénètre dans la batterie, ces batteries ne dureront pas plus d'un mois, que vous les utilisiez ou non.
Certains fabricants ont commencé à utiliser la même technologie dans les piles rechargeables. De tels éléments ont fait leurs preuves lors d'un fonctionnement à long terme dans des appareils à faible consommation. Le principal inconvénient de ces éléments est leur résistance interne élevée, ce qui signifie que pour atteindre une puissance élevée, ils doivent être de taille énorme. Cela signifie la nécessité de créer des compartiments de batterie supplémentaires dans les ordinateurs portables, comparables en taille à l'ordinateur lui-même.
Mais il convient de noter qu’ils n’ont commencé à être utilisés que récemment. Le premier produit de ce type est une création conjointe de Hewlett-Packard Co. et Ressources énergétiques AER Inc. - PowerSlice XL - a montré l'imperfection de cette technologie lorsqu'elle est utilisée dans ordinateurs portables. Cette batterie, créée pour l'ordinateur portable HP OmniBook 600, pesait 3,3 kg, soit plus que l'ordinateur lui-même. Elle n'a fourni que 12 heures de travail. Energizer a également commencé à utiliser cette technologie dans ses petites piles bouton utilisées dans les aides auditives.
Recharger les batteries n’est pas non plus une tâche si facile. Les processus chimiques sont très sensibles à courant électrique fournie à la batterie. Si la tension fournie est trop faible, la batterie enverra du courant plutôt que d’en recevoir. Si la tension est trop élevée, des réactions indésirables peuvent se produire et endommager l'élément. Par exemple, lorsque la tension augmente, le courant augmentera nécessairement, ce qui entraînera une surchauffe de la batterie. Et si vous continuez à charger l'élément une fois qu'il est complètement chargé, des gaz explosifs peuvent commencer à s'y libérer et même une explosion peut se produire.

Technologies de recharge
Appareils modernes pour la recharge - ce sont des appareils électroniques assez complexes avec différents degrés de protection - tant pour vous que pour vos batteries. Dans la plupart des cas, chaque type de cellule possède son propre chargeur. Si vous n'utilisez pas correctement le chargeur, vous pouvez endommager non seulement les batteries, mais également l'appareil lui-même, voire les systèmes alimentés par les batteries.
Il existe deux modes de fonctionnement chargeurs- à tension constante et courant constant.
Les plus simples sont les appareils à tension constante. Ils produisent toujours la même tension et fournissent un courant qui dépend du niveau de charge de la batterie (et d'autres facteurs environnementaux). Au fur et à mesure que la batterie se charge, sa tension augmente, donc la différence entre le potentiel du chargeur et celui de la batterie diminue. En conséquence, moins de courant circule dans le circuit.
Tout ce dont un tel appareil a besoin est un transformateur (pour réduire la tension de charge au niveau requis par la batterie) et un redresseur (pour redresser courant alternatif constante, utilisée pour charger la batterie). Tel appareils simples les chargeurs sont utilisés pour charger les batteries des voitures et des navires.
En règle générale, les batteries au plomb pour sources sont chargées avec des appareils similaires. Alimentation sans interruption. De plus, des appareils à tension constante sont également utilisés pour recharger les cellules lithium-ion. Seulement là, des circuits ont été ajoutés pour protéger les batteries et leurs propriétaires.
Le deuxième type de chargeur fournit un courant constant et fait varier la tension pour fournir la quantité de courant requise. Une fois que la tension atteint sa pleine charge, la charge s'arrête. (N'oubliez pas que la tension produite par la cellule chute à mesure qu'elle se décharge). En règle générale, de tels dispositifs chargent des cellules au nickel-cadmium et au nickel-hydrure métallique.
En plus du niveau de tension requis, les chargeurs doivent savoir combien de temps il faut pour recharger la cellule. La batterie peut être endommagée si vous la chargez trop longtemps. Selon le type de batterie et « l’intelligence » du chargeur, plusieurs technologies sont utilisées pour déterminer le temps de charge.
Dans les cas les plus simples, la tension générée par la batterie est utilisée à cet effet. Le chargeur surveille la tension de la batterie et s'éteint lorsque la tension de la batterie atteint un niveau seuil. Mais cette technologie ne convient pas à tous les éléments. Par exemple, pour le nickel-cadmium, ce n'est pas acceptable. Dans ces éléments, la courbe de décharge est proche d’une ligne droite et il peut être très difficile de déterminer le niveau de tension seuil.
Les chargeurs plus « sophistiqués » déterminent le temps de charge en fonction de la température. Autrement dit, l'appareil surveille la température de la cellule et éteint ou réduit le courant de charge lorsque la batterie commence à chauffer (ce qui signifie qu'elle est surchargée). En règle générale, des thermomètres sont intégrés à ces batteries qui surveillent la température de l'élément et transmettent le signal correspondant au chargeur.
Les appareils intelligents utilisent ces deux méthodes. Ils peuvent passer d'un courant de charge élevé à un courant faible, ou maintenir un courant constant à l'aide de capteurs spéciaux de tension et de température.
Les chargeurs standards fournissent un courant de charge inférieur au courant de décharge de la cellule. Et les chargeurs avec une valeur de courant plus élevée fournissent plus de courant que le courant de décharge nominal de la batterie. Les dispositifs de charge continue à faible courant utilisent un courant si faible qu'il empêche uniquement l'autodécharge de la batterie (par définition, de tels dispositifs sont utilisés pour compenser l'autodécharge). En règle générale, le courant de charge dans de tels appareils correspond au vingtième ou au trentième du courant de décharge nominal de la batterie. Les chargeurs modernes peuvent souvent fonctionner avec plusieurs courants de charge. Ils utilisent d’abord des courants plus élevés et passent progressivement à des courants plus faibles à mesure qu’ils approchent de la pleine charge. Si vous utilisez une batterie capable de supporter une charge à faible courant (les batteries nickel-cadmium, par exemple, ne le peuvent pas), alors à la fin du cycle de charge, l'appareil passera dans ce mode. La plupart des chargeurs d'ordinateurs portables et téléphones portables conçus de manière à pouvoir être connectés en permanence aux éléments sans leur causer de dommages.

Champ d'application à long terme piles zinc-air ne va pas au-delà de la médecine. Leur grande capacité et leur longue durée de vie (à l'état inactif) leur ont permis d'occuper facilement le créneau des piles jetables pour appareils auditifs. Mais ces dernières années, on a assisté à un regain d’intérêt pour cette technologie parmi les constructeurs automobiles. Certains pensent qu’une alternative au lithium a été trouvée. Est-ce ainsi ?

Une batterie zinc-air pour véhicule électrique peut être disposée comme suit : les électrodes sont insérées dans un récipient divisé en compartiments, sur lesquels l'oxygène de l'air est adsorbé et réduit, ainsi que des cassettes amovibles spéciales remplies de consommables anode, dans ce cas des granulés de zinc. Un séparateur est placé entre les électrodes négative et positive. Une solution aqueuse d'hydroxyde de potassium ou une solution de chlorure de zinc peut être utilisée comme électrolyte.

L'air provenant de l'extérieur, à l'aide de catalyseurs, forme des ions hydroxyle dans la solution électrolytique aqueuse, qui oxydent l'électrode de zinc. Lors de cette réaction, des électrons sont libérés, formant un courant électrique.

Avantages

Les réserves mondiales de zinc sont estimées à environ 1,9 gigatonnes. Si nous commençons dès maintenant la production mondiale de zinc métallique, il sera alors possible d'assembler dans quelques années un milliard de batteries zinc-air d'une capacité de 10 kWh chacune. Par exemple, il faudrait plus de 180 ans pour créer la même quantité dans les conditions actuelles d’extraction du lithium. La disponibilité du zinc réduira également le prix des batteries.

Il est également très important que les cellules zinc-air, dotées d'un système transparent de recyclage des déchets de zinc, soient des produits respectueux de l'environnement. Les matériaux utilisés ici n'empoisonnent pas l'environnement et peuvent être recyclés. Le produit de réaction des piles zinc-air (oxyde de zinc) est également absolument sans danger pour l'homme et son environnement. Ce n’est pas pour rien que l’oxyde de zinc est utilisé comme composant principal de la poudre pour bébé.

Le principal avantage, grâce auquel les constructeurs de véhicules électriques envisagent cette technologie avec espoir, est la densité énergétique élevée (2 à 3 fois supérieure à celle du Li-ion). Déjà, l’intensité énergétique du Zinc-Air atteint 450 Wh/kg, mais la densité théorique peut être de 1350 Wh/kg !

Défauts

Comme nous ne conduisons pas de véhicules électriques avec des batteries zinc-air, cela présente des inconvénients. Premièrement, il est difficile de rendre rechargeables de telles cellules avec un nombre de cycles de décharge/charge suffisant. Lors du fonctionnement d'une batterie zinc-air, l'électrolyte sèche simplement ou pénètre trop profondément dans les pores de l'électrode à air. Et comme le zinc déposé est inégalement réparti, formant une structure ramifiée, des courts-circuits se produisent souvent entre les électrodes.

Les scientifiques tentent de trouver une issue. La société américaine ZAI a résolu ce problème en remplaçant simplement l'électrolyte et en ajoutant de nouvelles cartouches de zinc. Naturellement, cela nécessitera une infrastructure développée de stations-service, où le matériau actif oxydé de la cassette anodique sera remplacé par du zinc frais.

Et bien que la composante économique du projet n'ait pas encore été élaborée, les constructeurs affirment que le coût d'une telle « recharge » sera nettement inférieur à celui du ravitaillement d'une voiture équipée d'un moteur à combustion interne. De plus, le processus de changement de matière active ne nécessitera pas plus de 10 minutes. Même les plus rapides ne pourront reconstituer que 50 % de leur potentiel dans le même temps. L'année dernière, la société coréenne Leo Motors avait déjà présenté des batteries zinc-air ZAI sur son camion électrique.

La société technologique suisse ReVolt travaille également à l’amélioration de la batterie Zinc-Air. Elle a proposé des additifs gélifiants et astringents spéciaux qui contrôlent l'humidité et la forme de l'électrode de zinc, ainsi que de nouveaux catalyseurs qui améliorent considérablement les performances des cellules.

Cependant, les ingénieurs des deux sociétés n’ont pas réussi à dépasser la barre des 200 cycles de décharge/charge Zinc-Air. Il est donc trop tôt pour parler des piles zinc-air comme des batteries de véhicules électriques.

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Les batteries zinc-air sont bien plus fiables que leurs prédécesseurs : elles ne fuient pas. Cela signifie qu’une pile soudainement détériorée n’endommagera pas votre aide auditive. Cependant, les nouvelles piles zinc-air sont assez fiables et cessent rarement de fonctionner prématurément. Mais ils ont aussi leurs propres caractéristiques.

Si vous n'avez pas besoin de changer les piles de votre aide auditive, vous ne devez pas retirer l'emballage de la pile. Avant utilisation, une telle batterie est scellée avec un film spécial qui empêche la pénétration de l'air. Une fois le film retiré, la cathode (oxygène) et l'anode (poudre de zinc) réagissent. Il ne faut pas oublier ceci : si vous retirez le film, la batterie perd sa charge, qu'elle ait été placée ou non dans l'appareil.

Les batteries zinc-air sont une nouvelle génération de batteries qui présentent de sérieux avantages par rapport à leurs prédécesseurs. Sans aucun doute, ils sont beaucoup plus économes en énergie et durables en raison de leur plus grande capacité. La cathode de la batterie n'est pas de l'argent ou de l'oxyde de mercure, comme dans les autres batteries, mais de l'oxygène obtenu à partir de l'air. L'interaction entre la cathode et l'anode se produit uniformément tout au long de la durée de vie de la batterie. L'aide auditive n'aura pas besoin d'être constamment reconfigurée ni le volume modifié en raison d'une pile affaiblie. Le zinc en poudre est utilisé comme anode, qui est contenu dans une grande partie plus, que l'anode des batteries de la génération précédente - cela garantit son intensité énergétique.

Vous pouvez remarquer une pile faible par ce « symptôme » caractéristique : quelques minutes après la mise en marche, l'aide auditive devient soudainement silencieuse. C'est le signal qu'il est temps de changer les piles.

1. Il est recommandé d'utiliser la batterie jusqu'au bout puis de la changer immédiatement. Vous ne devez pas stocker les piles usagées.
2. Les piles doivent être sélectionnées en fonction de la taille spécifiée dans la description de l'aide auditive.
3. Gardez les piles éloignées des objets métalliques ! Le métal provoque la fermeture des contacts, ce qui entraînera des dommages au produit.
4. Il est conseillé d'emporter avec vous une batterie de rechange, placée dans un sac de protection spécial.
5. Lors de l'installation d'une batterie, il est très important de déterminer où se trouve son côté « plus » (il est plus convexe et comporte des trous pour l'air).
6. Lors de l'insertion d'une nouvelle batterie, attendez quelques minutes après le retrait film protecteur: la substance active doit être saturée en oxygène autant que possible. Ceci est nécessaire pour une durée de vie complète de la batterie. Si vous vous précipitez, l'anode ne sera saturée d'oxygène qu'en surface et la batterie s'épuisera prématurément.
7. Lorsque vous n'utilisez pas votre aide auditive, elle doit être éteinte et les piles retirées.

8. Les piles doivent être conservées dans des blisters spéciaux, à température ambiante et hors de portée des enfants.

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