Akumulator cynkowo-powietrzny

Akumulator cynkowo-powietrzny – rodzaj akumulatora elektrycznego, opartego na ogniwach galwanicznych zbudowanych z elektrody cynkowej, porowatej membrany z węgla aktywnego oraz stężonego roztworu wodnego wodorotlenku potasu, KOH (rzadziej NaOH), spełniającego rolę elektrolitu.

Akumulator cynkowo-powietrzny jest stosunkowo nowym typem akumulatora, będącym wciąż w fazie badań. Budowa jest zbliżona do jednorazowych ogniw cynkowo-powietrznych, stosowanych masowo jako źródło prądu w aparatach słuchowych i urządzeniach przywoławczych.

Konstrukcja i działanie

Klasyczny akumulator cynkowo-powietrzny składa się z zestawu wymiennych elektrod cynkowych oraz porowatej membrany z węgla aktywnego, będącego jednocześnie przegrodą między elektrolitem a powietrzem atmosferycznym.

Każde ogniwo generuje siłę elektromotoryczną równą 1,65 V.

Moc pojedynczego ogniwa zależy od sumarycznej powierzchni elektrod cynkowych.

Rozładowanie

W ogniwie tym, w trakcie poboru prądu zachodzą następujące reakcje chemiczne na elektrodach:

elektroda ujemna, będąca w tej reakcji anodą (utlenianie):

Zn + 4OH−
→ Zn(OH)2−
4 + 2e−
     ε⁰ = −1,25 V

Zn(OH)2−
4 → ZnO + H
2O + 2OH−

elektroda dodatnia, będąca w tej reakcji katodą (redukcja):

O
2 + 2H
2O + 4e−
→ 4OH−
     ε⁰ = 0,4 V

sumarycznie:

2Zn + O
2 → 2ZnO     ε⁰ = 1,65 V

Niepożądaną reakcją uboczną jest nieodwracalna korozja cynku z wydzieleniem wodoru: Zn + 2H
2O → Zn(OH)
2 + H
2↑

Katodą w procesie rozładowania jest atmosferyczny tlen, absorbowany na membranie z węgla aktywnego i ulegający reakcji w kontakcie ze środowiskiem elektrolitu. Stan całkowitego rozładowania akumulatora polega na całkowitym przekształceniu elektrody cynkowej w wodorotlenek cynku.

Akumulator ten pracuje w systemie otwartym, tj. do jego pracy wymagany jest dostęp powietrza.

Ładowanie

W trakcie ładowania zachodzą takie same reakcje w przeciwnym kierunku. Na elektrodzie ujemnej, która w tym procesie jest katodą, osadza się cynk metaliczny, a na elektrodzie dodatniej (anodzie) wydziela się tlen.

W procesie ładowania z akumulatora jest uwalniany tlen.

Wydajność

Akumulatory te potrafią zgromadzić 2–3 razy więcej energii niż najpopularniejsze w 2006 r. akumulatory litowo-polimerowe. Sprawność akumulatora zależy od powierzchni kontaktu tlenu z elektrodą węglową oraz wielkości elektrody cynkowej (większa powierzchnia ułatwia wymianę elektronów z elektrolitem).

Zalety

• wysoka gęstość energii na kg masy akumulatora
• tanie surowce do produkcji
• niski poziom samorozładowania zabezpieczonego akumulatora (<2%/rok)
• możliwość poboru dużych prądów
• w przypadku rozładowania akumulatora możliwe "mechaniczne naładowanie" poprzez wymianę zużytej katody cynkowej na nową

Wady

• słaba odporność na skrajne temperatury oraz wilgoć
• negatywny wpływ CO₂ zwiększający opór wewnętrzny akumulatora
• wysoki poziom samorozładowania niezabezpieczonego akumulatora (tj. przy dostępie powietrza)
• higroskopijność akumulatora
• wysoki opór wewnętrzny podczas poboru dużych prądów