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, 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 spełniających rolę anody, 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.

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

anoda (utlenianie):

Zn + 2OH_- ⇌ Zn(OH)₂ + 2e_-     ε⁰ = −1,25 V

katoda (redukcja):

O₂ + 2H₂O + 4e_- ⇌ 4OH_-     ε⁰ = 0,4 V

sumarycznie:

2H₂O + 2Zn + O₂ ⇌ 2Zn(OH)₂     ε⁰ = 1,65 V

W trakcie ładowania zachodzą takie same reakcje w przeciwnym kierunku.

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. W procesie ładowania, z akumulatora jest uwalniany tlen do atmosfery.
Akumulator ten pracuje w systemie otwartym, tj. do jego pracy wymagany jest dostęp powietrza.

Akumulatory te są bardzo obiecujące pod względem ilości magazynowanej energii – w kilogramie masy akumulatora potrafią zgromadzić 2–3 razy więcej energii niż obecnie (2006) najpopularniejsze akumulatory litowo-polimerowe. Sprawność akumulatora zależy od powierzchni kontaktu tlenu z elektrodą węglową oraz wielkości elektrody cynkowej (większa powierzchnia ułatwia wymianę elektronów z elektrolitem).

Obecnie prace badawcze koncentrują się na wersjach rozwojowych tego akumulatora – obecnie produkuje się wyłącznie jednorazowe ogniwa cynkowo-powietrzne używane przede wszystkim w aparatach słuchowych i urządzeniach przywoławczych.

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