Серебряно-цинковые микробатареи: гигантский шаг вперед для небольших приложений

В 1990-х годах коммерциализация литий-ионных (Li-ion) батарей открыла новую эру инноваций. Этот революционный источник питания позволил создавать новые продукты, начиная от мобильной и бытовой электроники до электромобилей и заканчивая сложными военными и медицинскими приложениями. Сегодня литий-ионные аккумуляторы по-прежнему играют фундаментальную роль в сотнях продуктов, которые ежедневно затрагивают нашу жизнь.

По иронии судьбы, многие из продуктов, которые стали возможными благодаря этому революционному источнику питания, в настоящее время предъявляют требования, которые раскрывают ограничения Li-ion. Сегодня потребители ожидают, что следующее поколение мобильных устройств, носимых устройств и других продуктов будет меньше, безопаснее и долговечнее. Литий-ионные аккумуляторы ставят перед инженерами-проектировщиками несколько задач, связанных с разработкой следующей волны миниатюрной бытовой электроники.

Для этих небольших применений серебряно-цинковые аккумуляторы оказываются чрезвычайно привлекательной альтернативой литий-ионным и другим химическим составам батарей. Это особенно актуально для производителей и инженеров-конструкторов, которые занимаются четырьмя ключевыми областями:

• Плотность энергии и время работы
• Безопасность
• Регулирование и сложность доставки
• Срок службы устройства и ремонтопригодность

В этих важнейших областях серебро-цинк обеспечивает атрибуты, необходимые для разработки более безопасных, долговечных и надежных миниатюрных систем.

Плотность энергии: больше энергии в меньшем объеме

Несмотря на то, что литий-ионные батареи по-прежнему будут предпочтительным источником питания для многих продуктов, производители, сталкивающиеся с потребностями в устройствах меньшего размера, найдут желанную альтернативу в серебряно-цинковых батареях. Из-за своей конструкции серебро-цинк обеспечивает более высокую плотность энергии в ячейках небольшого размера — это свойство, на которое Li-ion не может претендовать.

Серебряно-цинковый аккумулятор имеет плотность энергии, аналогичную литий-ионной, при размерах батарей более 250 мм³. Реальное преимущество серебро-цинка становится очевидным в устройствах, требующих совсем мелких батарей. По мере сокращения доступного пространства плотность энергии ионов лития резко падает из-за его конструкции с «намотанным желе», полостью оправки и меньшей плотностью тока на электродах (рисунок ниже).

По мере уменьшения размера серебряно-цинковые батареи обеспечивают более высокие значения плотности энергии и более длительное время работы, чем любые другие батареи в том же диапазоне объема (<250 мм³) (рисунок ниже). Например, ZPower разработала микробатареи, которые предлагают плотность около 340 Вт / л при размере 156 мм³. При запланированном увеличении использования электродов эти микробатареи будут иметь плотность энергии 370 Вт / л к концу 2019 года и 400 Вт / л в 2021 году.

Безопасность: решение горячей проблемы отрасли

В последние годы инциденты в области безопасности, связанные с литий-ионными батареями, привлекли внимание как СМИ, так и юристов — перегревающиеся мобильные телефоны, «тающие» ноутбуки… Эти истории более чем анекдотичны. В результате взрыва литий-ионных батарей в электронных сигаретах за последние два года в отделение неотложной помощи было направлено более 2000 человек. И, согласно FAA, в 2018 году пожары от литий-ионных батарей приводили к аварийной посадке одного коммерческого рейса в США примерно каждые 10 дней.

Хотя сбои в работе литий-ионных аккумуляторов маловероятны, с распространением на рынке устройств с литий-ионным питанием даже небольшая частота отказов может иметь существенные последствия. В 2006 году инцидент с поломкой 1 устройства на 200 000 вызвал отзыв почти шести миллионов устройств, когда микроскопические металлические частицы вступили в контакт с другими частями элемента батареи, что привело к короткому замыканию. Напоминания об этом случае не только влияют на прибыльность производителя, но также могут привести к озабоченности потребителей качеством и безопасностью продукции бренда.

Серебряно-цинковые батареи используют химические растворы на водной основе, которая не представляет опасности возгорания или перегрева. Это особенно актуально в таких приложениях, как носимые, медицинские и военные устройства на теле и другие технологии, которые находятся в тесном контакте с пользователем.

Безопасность химического состава серебряно-цинковых аккумуляторов также обеспечивает конструктивные преимущества. Серебряно-цинковые батареи не требуют дополнительных цепей безопасности, необходимых для всех литий-ионных батарей. Это освобождает ценное пространство для инженеров, что, в свою очередь, позволяет создавать устройства меньшего размера.

Правила доставки: серебряно-цинковые аккумуляторы «могут летать»

Размер и безопасность — не единственные недостатки, которые Li-ion создает для производителей. Из-за характера своего химического состава литий-ионная батарея также создает барьеры, которые могут повлиять на доставку, стоимость и удобство.

Недавние правила перевозки наложили существенные ограничения на доставку литий-ионных батарей. При доставке оптом небольшие литий-ионные аккумуляторы классифицируются как опасные грузы и могут нести в себе не более 30% заряда во время авиаперевозок. Это может привести к разрядке батарей, что, в свою очередь, может повлиять на производительность устройства после установки. Правила доставки литий-ионных аккумуляторов также включают множество требований к упаковке, маркировке и обращению с ними во время транспортировки.

Ограничения сохраняются и для небольших партий и использованных устройств. Например, поврежденные литий-ионные батареи не могут быть отправлены по воздуху ни при каких обстоятельствах, что может привести к задержкам и неудовлетворенности клиентов, возвращающих устройство для ремонта. Это может вызывать еще большую обеспокоенность у людей, имеющих медицинские устройства, которые могут нуждаться в срочной замене или ремонте. Ограничения по доставке литий-ионных аккумуляторов распространяются даже на потребительский уровень. Федеральные правила запрещают пассажирам путешествовать с запасными или сменными батареями в сумках.

В ближайшее время могут быть установлены дополнительные требования к доставке литий-ионных аккумуляторов для дальнейшего устранения опасностей, связанных с дымом, огнем, горючими газами или взрывами, когда ячейка в упаковке выходит из-под контроля.

Серебряно-цинковые аккумуляторы, напротив, не ограничены какими-либо транспортными ограничениями или правилами перевозок. Поскольку они менее токсичны и не воспламеняются, серебряно-цинковые батареи рассматриваются в том же свете, что и другие щелочные батареи. Они могут быть отправлены по желанию по всему миру, без ограничений или специальной упаковки. Это не только улучшает время отклика и удобство, но также снижает риск, затраты и логистическую сложность в цепочке поставок.

Срок службы устройства: серебряно-цинковый аккумулятор и расстояние

Проблемы безопасности литий-ионных аккумуляторов влияют не только на способ их транспортировки, но и на конструкцию устройств, где они применяются. Разработчики делают невозможным их разборку, чтобы защитить потребителей от травм от литий-ионных батарей, находящихся внутри приборов. Устройства, разработанные таким образом, не могут быть отремонтированы кем-либо вне производителя, если они вообще могут быть отремонтированы.

Дело в том, что все батареи начинают терять емкость при первой зарядке, и эта потеря емкости продолжается с каждым циклом заряда. У всех, кто владеет мобильным телефоном с литий-ионным аккумулятором, батарея со временем «умирает». Клиенты, владеющие устройствами с батареями, которые больше не держат заряд, должны отправить свое устройство обратно и, если возможно, оплатить замену батареи или приобрести новое устройство.

На самом деле, проблемы, создаваемые этим методом проектирования, достигли такого уровня наглядности, что теперь вмешивается правительство. В США восемнадцать штатов приняли законодательство, касающееся «права пользователей на ремонт» своих электронных устройств. Самая последняя форма законодательства была принята в штате Вашингтон, где в настоящее время рассматривается законопроект, который бы полностью запретил продажу электронных устройств, в которых нет легко снимаемых батарей.

Серебряно-цинковые батареи не горючие и работают при более низком напряжении, чем литий-ионные. Следовательно, с ними безопасно обращаться. Благодаря своей безопасности серебряно-цинковые батареи могут быть сконструированы так, чтобы их можно было снимать с устройства и, следовательно, заменить их сможет сам потребитель, без пересылки производителю. Это продлевает срок полезного использования устройств, повышает удобство использования и снижает количество электронных отходов.

Большие преимущества для небольших приложений

Литий-ионные аккумуляторы позволили создать и разработать буквально сотни инновационных электронных продуктов, и они будут продолжать делать это в будущем. Однако по мере роста спроса на более мелкие, более безопасные и более энергоемкие источники энергии недостатки литий-ионной конструкции в этих приложениях становятся все более очевидными.

Серебряно-цинковые аккумулятор напрямую решает многие проблемы проектирования, безопасности и энергопотребления, с которыми сталкиваются производители и инженеры-конструкторы. В поисках лучшей микробатареи серебряно-цинковый аккумулятор обладает непревзойденной способностью собирать большие количества энергии и является очень хорошей инновацией для приложений, требующих большую плотность мощности при малом пространстве.