Rovatvezető: Tölgyesi László

Átírás

1 m Rvatvezető: Tölgyesi László A jövő szárazelemei? TÖLGYESI LÁSZLÓ BHG Az elektrnika egyre szélesebb körű felhasználása látványsan növekvő igényeket jelent, a különböző fajtájú és méretű telepek iránt. Ez az igény legfeltűnőbben a zsebrádióknál, kalkulátrknál, hallókézülékeknél, elektrnikus óráknál jelentkezik, de szés es körben használnak elemeket berendezésekben is, mint például a keskenysávú adók, mikrprcessz- Irk, detektrk, különféle jeláramkörök stb. Szemlénkben két újabb fajta, a Sany és a Guld cég által kifejlesztett, még kevésbé elterjedt elemet mutatunk be a Cmmunicatins Internatinal 1979/10. számában megjelent következő cikkek alapján: T. Nabeshima: Lithium pwer surce fr the future? és Dick Pytches: 1 Zink-air cells ha ve lng lives. A hagymánys elemek Skhelyütt használnak telepeket, és velük szemben különböző követelményeket támasztanak. Az egyik felhasználásban kis terhelés mellett stabil, laps kisütési karakterisztika kell, máshl a hsszú élettartam alatt szakaszsan, nagy kisütési cikluskra van szükség. Ehhez jönnek még a feszültség, kapacitás, hőmérsékleti, frmai és súly kívánalmak. Az elektrnkémiai, rendszereknek, tvábbá lyan hajléknyknak kell lenniük, hgy a különböző követelményekét elektrmsakat és mechanikaiakat egyaránt visznylag kis mechanikai knstrukciós váltztatáskkal ki tudják elégíteni. Ezeken kívül környezeti szempntból biztnságs, nem mérgező, nem szenj r - nyező is megfelelőnek kell lenniök amellett, hgy kereskedelmileg is elfgadhatóak. Ezeknek az igényeknek a kielégítésére skféle típusú és méretű telepet használnak, némelyik közülük igen régi családfával rendelkezik. Például a mst 113 éves Leclanche-elem még mindig a frgalmban levő legelterjedtebb elemi cella. Az összes elektrkémiai elem lényegében két elektródából és az elektrlitból áll. Az egyik elektróda a katód, egy xidáló reagens ami vegyileg redukálódik, a másik elektróda az anód, elektrkémiailag xidálható vagy xidálható anyaggal van érintkezésben. A Leclanche-elem katódja eredetileg ásványi szén- ^mangándixid keverék, keményítőpasztába itattt ammóniumklrid az elektrlitja, és cink az andója. Eleinte ezek mindhárman egy semleges külső edényben helyezkedtek el, de később kifejlesztették az elem száraz" váltzatát, amelynél maga a cinkanód alktja a külső edényt. A mdern fejlesztések összetételben és felépítésben is tvábbi tökéletesítéshez vezettek, például jól kézbentartható paraméterekkel rendelkező elekrlitikus mangándixidt használnak a kevésbé tiszta, szabályzhatatlan jellemzőjű természetes anyag helyett, ezzel nagymértékben megjavítva az elem tulajdnságait. Az egyre könnyebb hrdzható eszközök igénye állandó nymást jelentett a felhasználók részéről, ami az elektrnikus alkatrészek és áramkörök miniatürizálásával együtt a mind kisebb telepek növekvő népszerűségéhez vezetett. Ezt az igényt kisebb Leclanche-elemek gyártásával eleinte biznys mértékig ki tudták elégíteni, de a lényeges előrelépést a miniatürizált higanyelemek felhasználása jelentette. Áz elemek miniatürizálásának aznban alapvető prblémái vannak. A töltés magatartásának és kielégítő élettartam biztsításának például az elektrms szivárgás és a vegyi reakciókkal szemben nrmál nehézségei ezeknél a termékeknél a kisebb méretek miatt fkzttabb mértékben jelentkeznek. S mivel ezek csak kis mennyiségű aktív anyagt tartalmaznak, egy kis abszlút veszteség, ami a nagybb egységeknél még eltűrhető lenne, a skkal kisebbeknél jelentősen lecsökkenti a kapacitást. Ezekkel és más prblémákkal a mdern miniatűr elemekben is találkztak. A higanyelemet eredetileg a másdik világhábrú idején találták ki, azóta mindenféle méretben fejlesztették tvább, köztük miniatűr váltzatban is készítik már. A higanyelem felépítése a következő: az anód Cink-amalgám, a katód higany(ii)xid, az elektrlit pedig cinkxiddal telített 40%-s kálium-hidrxidldat vagyis Zn(Hg):KOH(ZnO):HgO. Feszültsége 1,35 V, amit kicsit növelni lehet, ha a. katódhz egy kis mangánxidt adnak, de így is, csak legfeljebb 1,4 V-ig lehet felmenni. A magasabb feszültségre való igényt körülbelül. 15 évvel később sikerült kielégíteni az ezüstxid- ; elemmel. Ez az áramfelvétel tői függően 1,65 1,50 V feszültséget szlgáltat, de a töltéskapacitása mintegy 10%-kal kisebb, mint az azns méretű higanyelemé. Felépítése is hasnlít az utóbbihz, azzal a különbséggel, hgy higany(ii)xid helyett Híradástechnika XXXI. évflyam szám 193

2 ezüstxid alktja a katódt. A rendszer felépítése így: Zn(Hg):KOH:Ag 2 0. Az anód príttt cink-^amalgám, az elektrlit kcsnyásíttt kálium-hidrxid (vagy néha nátrium-hidrxid), a katódba itt is keverhető mangándixid, ez emeli a feszültséget. A lítiumelem A legnagybb elektródaptenciállal rendelkező elem a lítium, a perióduss rendszer harmadik eleme (3,045 V). Sűrűsége 535 kg/m 3, az ismert legkönnyebb fémes elem. Magas elektródaptenciálja azt jelenti, hgy nagyn reaktív redukáló elem. Ezért egy ideje tudják róla, hgy anódként használva száms előnyös tulajdnsággal rendelkezhet, a legjelentősebb ezek közül a nagy energiasűrűség. A lítiumanód persze önmagában kevés ahhz, hgy elektrmsságt generáljn, sőt a gyakrlati felhasználás szempntjából legfntsabb paramétereket, mint a feszültség, tárlási időtartam, energiasűrűség (a súly vagy térfgategységenként tárlt elektrms energia), működési hőmérséklet-tartmány, jelentős mértékben a katód anyagának megválasztása határzza meg. A különböző gyártók különböző katódanyagkat választttak melyek mindegyike rendelkezik előnyökkel is, hátránykkal is, de a kereskedelemben kapható lítiumrendszerek bármelyikének energiasűrűsége felülmúlja a jelenleg kapható akármelyik más rendszerét (1. ábra). U/S0CÍ2 Li/(CF)n- Li/Mn02 Li/Ag2CrQ2 / 7n/& G2 n - y Zn/HgO -+ h B ábra. összehasnlító kisütési görbék, feszültség (V) idő (óra). A terhelés a lítium cellán 22 kohm, a higany és az ezüst cellán 11 kohm hgy a speciálisan hűkezelt Mn0 2 nem ldódik az elektrlitban. A lítiumelemek előnyei \ ' A lítiumrendszerek leglényegesebb előnyei a többivel összevetve a hsszú élettartam és a nagy energiasűrűség. Ez utóbbi előnyt gyakrlatilag kétféleképpen is kifejezhetjük, vagy úgy, hgy azns térfgatban (vagy súlyban) több elektrmsságt tárlhatunk, akár azns elektrmsságt kevesebb helyen. Néhány különböző fajta elem energiasűrűségét hasnlítja össze az 1. táblázat. 1. táblázat. Különböző elemek energiasűrűgégének összehasnlítása Eendszer Lítium Ezüst Zn/AgsO Higany Zn/HgO Lúgs mangán Cink-szén Relatív energiasűrűség egységnyi súlyra í, 0,4, 0,4 0,3 0,2 Relatív energiasűrűség egységnyi térfgatra 1,0 0,5 0,5 0,4 0,2 Katnai távközlési berendezésekben már nagy lítiumelémeket használnak (Li:S0 2 ), ahl a lítium megbízható, karbantartást nem igénylő, hrdzható, nagyn kényelmes elektrms táplálást kínál. A Li/Mn0 2 -rendszerek természete aznban a miniatűr elemek tömeggyártását teszi lehetővé. A Li/Mn0 2 hajléknysága következtében több rétegű elektródás laps elemet lehet készíteni, ezzel skkal kisebb belső ellenállást elérni, mint az ugyanilyen alakú hagymánys elemekkel. Általánsan vizsgálva megállapítható, hgy a lítiumelemeknek legnagybb szerepe azkn a felhasználási területeken van, ahl a táplálandó létesítmény vagy berendezés távli, elszigetelt, ahl hatékny energiafelhasználás szükséges, ahl súlykrlátzás van. Előnyösen használhatók speciális területeken, mint például az űrkutatás és a műhldas távközlés, ahl a lítiumtelepek nyújttta összes előny ^kihasználható (2. és 3.. ábra). Azkn a területeken, ahl nincsenek különleges igények, még nem szívesen alkalmazzák a lítiumelemeket.. Ennek több ka is van: első, a lítiumcellák ára, ami egy ideig még elég magas, másdik, biznys félelem él a lítiumcellákkal szemben, amit rsszul zárt Li/S0 2 -elemekkel végzett kísérletek kz- A mangándixids rendszer visznylag újkeletű (1975). Ennek az elemnek a féjlesztését száms lyan prbléma lassíttta, mely főleg abból származtt, hgy kezdetben még nem ismerték telj«sen a lítium és a mangánxid közötti elektrkémiai reakciók pnts természetét. A Sany labratóriumaiban sikerült az in- és röntgensugaras mikranalízisekkel feltárni a reakció természetét. Az elem elektrms erejét a négy vegyértékű Mn0 3 lítiummal hárm vegyértékű Mn0 2 -vé való redukálása szlgáltatja, ezért nincs gázképződés sem a Li/Mn0 2 rendszerben. Az alacsny működési hőmérséklet (egészen 20 C-ig) lehetősége érdekében vízmentes szerves elektrlitt álkalmaznak. Az elemnek' különlegesen hsszú élettartamt biztsít, 5 N ~> 1 QJ 270ÍI 560C 1.0 k/a , 80 Kisütési idő (óra) [B107-2] 2. ábra. Egy tipikus lítium-elem flyamats kisütési karakterisztikája szbahőmérsékleten 194 Híradástechnika XXXI. évflyam szám

3 u > -8*3 ő ^ 2 se <*-^ a> :/JA K)mA.20s 20mA.2s ^ Kisütési kapacitás (maóra) 3. ábra. Egy tipikus lítium-elem impulzusüzemű kisütési karakterisztikája szbahőmérsékleten tak, harmadik, a jellegzetes 3 V lítiumptenciál, ami nem kmpátibilis a meglevő technlógiákkal, mint például a NiCd (1,2 V), a lúgs mangán (1,5 V), az ezüst (1,5 V) és higany (1,4 V) cellákkal. Általánsan szólva a lítiumtechnlógia a jövőé, de létezését már a tervezési szakaszban figyelembe kell venni., Felhasználás A következő helyeken lehet lítiumelemeket használni: 1. LSI-memória vésztartalék MPU vezérelt eszközökben. 2. Miniatűr adók. 3. Távli és felügyelet nélküli távmérő berendezések tápellátása (tengeri bóják, műhldak stb.). 4. Orvsi berendezések (hallókészülékek stb.). 5. Betörés elleni biztsítórendszerek. 6. Elektrnikus aznsítók. 7. LCD-karórák. 8. Kamerák. 9. Víz alatti berendezések. Á lítiumelemek felhasználási köre széles és nehéz megmndani, hgy milyen területeken fgják még elfgadni. A lítiumelemek ára jelenleg bármilyen cellát véve is nagybb, mint, mndjuk egy higanyelemé. Még ha a tárlt wattóra energiát hasnlítjuk is össze, a lítiumelem gyakran akkr is skkal drágább. A miniatűr elemeknél súlysbítja a helyzetet a tkzási költség, amely a végtermék árának meghatárzó tényezője. A gyártási mennyiség növelésével^aznban ez meg fg váltzni. A Li/MnO a -rendsaerek hajléknyságát és költséghatéknyságát véve tekintetbe, várható, hgy a miniatűr Li/Mn0 2 -elemek ára végül épply lcsó lesz, mint az azns méretű higanyelemeké. Sajns azt nehéz megjóslni, hgy ez mikrra fg megvalósulni. A levegőelemek Az eddigi elemekben mindenütt fémxidk vltak a redukálható összetevők, de sk más xidáló reagenst is használnak a gyakrlatban. Ha visznt magát az xigént (amit a levegőből nyerhetünk) használjuk redukáló kmpnensként, akkr magának a telepnek nem kell xidáló reagenst tárlnia. A levegőelemek ötlete már az 1800-as években felmerült, s habár a krabeli vegyészek rájöttek, hgy a levegő xigénje néhény fémmel elektrms energiát szlgáltatva reagálhat, ennek működő flyamatként való megvalósítása még kmly nehézségekbe ütközik. A levegőelektródák előnye az összes többi fajta elektródával szemben a kis súlya és az, hgy nagy áramú működést képes fenntartani. Természetesen vannak hátrányai is, amiket megfelelő tervezéssel kell kiküszöbölni. Nem lehet teljesen zártra tkzni, feltétlenül szabad levegőn kell lennie az elektródának. Emellett az elektrlit felé is nyitva kell lennie, méghzzá úgy, hgy az elektrlit is találkzzn a levegővel, ez krlátzza az elektrlit választásának lehetőségeit. Az illéknyak elpárlgnak (a vizesek visznt megfelelőnek biznyultak), a lúgsak széndixiddal szennyeződnek. ^ A fém levegő rendszerben használandó fém megválasztásánál a tervezőnek kmprmisszums megldást kell keresnie a könnyű xidálás, elektrlittal szembeni stabilitás, egy adtt energiafelszabadításhz szükséges súly, költség és hzzáférhetőség között. Az alkalmazásk legszélesebb körében a cinket találták a' legmegfelelőbbnek' minden tulajdnságában. Csak az 1930-as évektől tudtak biznys célkra cink-levegő telepeket sikeresen alkalmazni. Ezek a telepek katalitikusan aktivált prózus széntömböt használtak az elektrlit felületén elszltt xigén reakciójának elősegítésére. A vastag szénkatód szerkezetben paraffin akadályzta meg, hgy az elektrlit elöntse a póruskat és kiszökjön az elemből. Az anód fémes cink vlt, az elektrlit pedig káliumhidrxid vizes ldata. A tefln (plitetrafluóretilén) megjelenésével az 1950-es években tvábbi fejlődés következett be, mivel az új anyag víztaszító, ugyanakkr a gázkra nézve prózus. A fizikai tulajdnságknak ez a kmbinációja, valamint általáns vegyi ellenállóképessége alkalmassá'tette, hgy az űrkutatás számára ultravékny, nagy teljesítményű xigén katódkat hzzanak létre belőle. Lehetővé vált a nagy, viaszba márttt széntömb elektródákról lemndani, amik eddig krlátzták a cink-levegő telepek tervezését, kns- Hagymánys and búra szigetelés/tömités cink anód szeparátr -- katód katód búra ACTIVAIFT 4. ábra. Egy hagymánys és Activair elem keresztmetszete V, Híradástechnika XXXL évflyam szám 195

4 Katód bura Levegő Levegőző nyilas ő. ábra. Activair levegő katód ^Cink anód,- Szeparátr rendszer Katalizátr réteg Fémháló Víztaszító hártya "^Diffúziós hártya Levegő elsztó réteg B ] frakcióját, teljesítményét. Guldék átvették ezt a technlógiát az űrkutatástól és kifejlesztették az Activair nevű cink-levegő gmbelemet. Ebben az elemben egy mindössze 0,5 mm vastag levegő elektróda szlgál katódként. Ez az elektróda szeparáló, vezető, szerkezeti, katalizátr és nedvességgátló rétegekből álló többrétegű membrán (5. ábra). Mivel a katód katalitikusan működik, nyilvánvaló, hgy üzemelés közben nem fgy el. Az elem kapacitását nem a levegőből nyerhető xigén mennyisége szabja meg, hanem a cinkanód krlátzza. Ez az elektróda 3 súlyszázalék higanyt tartalmazó cink-amalgám, finmszcmcsézett frmában, s a nagy felületének köszönhetően az elektróda kapacitása 0,8 amperóra grammnként. Az elem anódrésze tartalmazza a vizes lúgelektrlitt gél frmában, a teljes télfgatban egyenletesen elsztva. Mivel a levegő elektróda ilyen vékny a fémxid-elemek katódjáhz képest, melyeknek a szükséges Oxigént maguknak kell tárlniuk és előállítaniuk, a cink-levegő elem cinkanódjának kapacitása kétszerese az azns méretű hagymánysnak/^, ábra). A hármfajta elem reakcióegyenlete a következő: Higany: tárlt HgO + Zn - ZnO + Hg. Ezüst: tárlt Ag Zn-ZnO + 2 Ag. Activair: diffundált Zn-ZnO. A gyakrlatban ezeknek az elemeknek az üzemideje kétszerese a higany- vagy ezüstelemekének. A 2. táblázat hármfajta levegős gmbelem aránys kapacitását adja milliamperórában azns méretű fémxid, elemekkel összevetve. A cink-levegő elemek flymats kisütés esetén skkal hsszabb haszns élettartamt adnak, mint az azns méretű más gmbelemek a kisütő ellenállás mindegyikénél aznsan 620 Ohm. Ez világsan látszik a 6. ábrából. Hasnló előnyök mutatkznak szakaszs kisütésnél is. Ilyen körülmények között a levegőelem 27 naps üzemet ad, ez kb. 2,5-szer hsszabb, mint a többieké, ahgy ez a 7. ábrából is látható. A 6. ábrából figyelemreméltó még az is, hgy a levegőelemek kisütési feszültséggörbéje skkal lapsabb az egész, hsszabb élettartam alatt. Ennek az az ka, hgy a levegőelektróda működési sebessége független az elem kisütöttségének mértékétől. Ha az xigént fémxid katód szlgáltatja, az xigénellátás sebessége függ attól, hgy mennyi fémdixid marad. Ez az- egyenletes feszültségszlgáltatás nyilvánvalóan nagy előny, mivel bármilyen berendezésben is üzemel, szükségtelenné teszi az utánállítást. Van még egy technlógiai előny, amely a gyártás srán állandóságt, a felhasználónak pedig jbb minőséget jelent. Más elemekkel összevetve a levegős rendszerek visznylag nagy cinkanódt használnak, melyet a gyártásbán pntsan lehet mérni. A-többieknek mivel a két elektródaanyagból, a cinkanódból és fémxid katódból kisebb mennyiségeket használnak relatív hátránya, hgy a teljes kapacitás eléréséhez egymásnak megfelelő mennyiségek kellenek, és ezeket a kisebb mennyiségek miatt kisebb mérni. A vékny katód alkalmazásának tvábbi következménye a levegőelem igen nagy energiasűrűsége. Még a kisebbek is elérhetnek 0,95 wattóra köbcentiméterenkénti sűrűséget, a nagybbak pedig elmehetnek egészen 1,5 Wh/cm 3 és 500 Wh/kg-ig is. Még egy 2. táblázat. Különböző elemek kapacitásának összehasnlítása Típus/Méret Higany Ezüst Activair N N N 76 N Vizsgalati körülmények : 620A flyamats szbahőmérséklet terhelés és páratartalm -Higany 1. Guld A675 \ Higany 2. ACTIVAR Ezüst! Hallókészülék -elem Kisütési idő (óra ) Az 1, 2. 3 szám különböző gyártókra utal B ábra. Különböző elemek flyamats kisütési karakterisztikái 196 Híradástechnika XXXI. évflyam szám

5 * 2.0 &> -cu. 1.0 N. V) Qj -U. MIM' Ezüst 76 I 2.gyartó ' Higany 675 Igyártó Guld ACTIVAR A 675 Vízsg. körülmények'.loooíiflyamatsan napi 12rat Szbahőmérséklet és páratartalm 10 Kisütési idő 20 B ábra. Hárm különböző elem szakaszs kisütési karakterisztikája adat, bár ez a felhasználó számára kevésbé érdekes, hgy a felhasznált cink kapacitása 0,82 Ah fémcink grammnként. Végül az új elem az öklógia területén is legyőzi a krábbiakat. Az ezüstelemekben értékes fémet használnak, amit utána eldbnak. A higanyelemek használat után környezetszennyezési veszélyt jelentenek. A levegőelemek nem tartalmaznak ezüstöt, és csak egyszázadrész annyi higanyt, mint az azns kapacitású higany(ii)xid-elemek. Az anódk között ebből a szempntból nincs különbség, mivel az mindegyiknél cink de a technikai előnyök és a környezetvédelmi szempntk közötti általáns egyensúly a levegőéiemeknél van. Felhasználásk A Guld Activair elemet 6 éves kutatás és fejlesztés után 1977 őszén hzták ki az amerikai piacra. Az elemek első srzatát speciálisan hallókészülékekhez tervezték, és ez is maradt az elemek fő piaca, bár mst már kezdik egyéb elektrnikus berendezésekbe is, például elektrnikus órák, kalkulátrk, mikrprcesszrk stb. felhasználni. Elkészült és sikerrel vizsgáztt a közelítőleg 50 Ah kapacitású és 15 Wh/cm 3 energiasűrűségű Activair elem prttípusa is. Ezek a nagybb telepek még fejlesztés alatt állnak, de a hrdzható elektrnikus berendezések tervezői már egy nagyn reális tápáramfrrásként tekinthetik a készülékek széles köre számára. Akár hsszabb élettartamt igényelnek a tervezők az elemektől, akár a hagymányssal azns élettartamú, de még kisebb méretű elemekre van szükség, úgy tűnik, a cink-levegő elemek jelentős előnyöket kínálnak a többi elemfajtával szemben.