Как Ag-Zn и Ag-Cd помогают в освоении Космоса, что это за технология и почему не используют серебряные аккумуляторы массово? Узнайте!
Что такое серебряные аккумуляторы?
📃 Серебряные аккумуляторы — это электрохимические источники энергии, в которых:
- анод — серебро или его соединения;
- катод — из другого металла или его соединений;
- электролит — обычно используется щелочной раствор.
🔻 Принцип работы как и в других системах.
При заряде и разряде аккумулятора протекают химические реакции. В результате серебро, то окисляется, то восстанавливается. Катодный материал меняет своё состояние.
Эти реакции сопровождаются образованием или потреблением электрического тока. Такие системы используют для питания различных устройств.
Сейчас существует два основных типа серебряных аккумуляторов:
- серебряно-цинковые,
- серебряно-кадмиевые.
👇 Они отличаются по составу катода. У каждого уникальный набор характеристик, из-за чего области применения отличаются даже в смежных отраслях.
1. Серебряно-цинковые аккумуляторы
Ag-Zn
📃 Серебряно-цинковые аккумуляторы — это аккумуляторы, в которых:
- анод — оксида серебра (Ag2O2);
- катод — из смеси оксида цинка (ZnO) и цинковой пыли;
- электролит — раствор гидроксида калия (KOH).
Когда элемент заряжается, серебро сначала окисляется до оксида серебра Ag2O.
И после к оксиду серебра Ag4O4.
В процессе реакции происходит восстановление оксида цинка до металлического цинка.
📉📈 При разряде-заряде серебряно-цинкового аккумулятора протекает обратимая реакция:
[Источник] Chemical and Electrochemical Energy Systems, R.Narayan, B.Viswanathan.
✅ Серебряно-цинковые аккумуляторы имеют ряд преимуществ:
- Относительно высокая удельная энергоемкость — до 150 Вт·ч/кг, что в три-четыре раза больше, чем у свинцово-кислотных аккумуляторов.
- Низкое внутреннее сопротивление, что позволяет отдавать большие токи — до 50 А на 1 А·ч ёмкости.
- Малый ток саморазряда — 5-15% в месяц, что обеспечивает длительное хранение в заряженном состоянии.
- Широкий диапазон рабочих температур — от -40 до +50°C.
- Высокая стабильность электрохимической системы и внутренних процессов.
- Экологическая безопасность — серебро и цинк не являются токсичными металлами.
❌ Однако у серебряно-цинковых аккумуляторов есть и недостатки:
- Высокая стоимость — серебро является дорогим и дефицитным металлом.
- Сложность технологического процесса — необходимо контролировать паразитные продукты реакции, газоотвод и рекуперацию.
- Малый срок службы — менее 100 циклов заряда-разряда.
- Длительное время заряда — до 10 часов.
- Низкое напряжение на ячейку — теоретический максимум 1,85 В (на практике 1,62, номинальное 1,55 В, диапазоны могут отличаться у разных производителей).
Серебряно-цинковые аккумуляторы находят применение в узких нишах, таких как космос, военная техника, медицина и так далее. Например, их преимущества отлично подошли для использования в качестве источника питания передатчиков первого искусственного спутника Земли, запущенного в СССР 4 октября 1957 года [архивная публикация, pdf, 1958].
💬 Почему учёные СССР выбрали именно эти серебряные батареи?
На тот момент это был самый лучший вариант для космических проектов СССР:
- гораздо более высокая удельная энергоёмкость, чем у свинцово-кислотных;
- ниже внутреннее сопротивление;
- способность отдавать большие токи;
- более экологичные, чем альтернативные на тот момент ртутно-цинковые или свинцовые аккумуляторы (недопустимо для загрязнения космического пространства).
Дороговизна и малый срок службы, а также длительное время заряда и повышенное газовыделение для космических программ СССР не имели особого значения при выборе источников питания.
2. Серебряно-кадмиевые аккумуляторы
Ag-Cd
Серебряно-кадмиевые аккумуляторы — это аккумуляторы, в которых:
- анод — оксид серебра (Ag2O);
- катод — кадмий (Cd) или его сплавы;
- электролит — раствор гидроксида калия (KOH).
✅ Серебряно-кадмиевые аккумуляторы имеют ряд преимуществ:
- Долгий срок службы — более 3000 циклов заряда-разряда.
- Высокая стойкость к образованию дендритов кадмия и внутренним коротким замыканиям.
- Низкий ток саморазряда — 1-2% в месяц.
- Широкий диапазон рабочих температур — от -40 до +60 °C.
- Надёжность и безопасность — отсутствие газообразования и взрывоопасности.
❌ Однако у серебряно-кадмиевых аккумуляторов есть и недостатки:
- Высокая стоимость — серебро и кадмий (дорогая индустрия) влияют на ценник в худшую сторону.
- Низкая удельная энергоёмкость — менее 50 Вт·ч/кг, что в пять-шесть раз меньше, чем у литий-ионных аккумуляторов.
- Низкое напряжение на ячейку — теоретический предел 1,6 В (на практике не более 1,27 В, рабочее напряжение 1,1 В, диапазоны могут отличаться в зависимости от целей и производителей).
- Экологическая опасность — кадмий является токсичным металлом, который может накапливаться в организме и вызывать различные заболевания.
- Сложность переработки — кадмий требует дорогостоящие методы утилизации и переработки.
Серебряно-кадмиевые аккумуляторы находят применение в средствах радиосвязи, военной технике, авиации и так далее. Применялись в космическом корабле «Вояджер» 1965-го года (п.6.1.4.1, страница 42 документа: «Дополнение к определению конструкции космического корабля Voyager RTG, Задача Voyager C»: «Две раздельные серебряно-кадмиевые батареи использовались, разряжались параллельно, заряжались независимо. Каждая батарея содержит 27 ячеек в серии по 5 А·ч в ёмкости, весом около 14 фунтов»).
👍👎 Какие перспективы у серебряных аккумуляторов?
Серебряные аккумуляторы погрузились в ниши. Есть приборы и устройства, где их достоинства лучше всего применимы.
📡 Более массовыми и конкурентоспособными они возможно никогда не станут, так как необходимо устранить ряд практически нерешаемых проблем.
📃 Список всех электрохимических систем на базе серебряного анода:
- Серебряно-цинковая система (Ag2O2/Zn) — космос, оборона, медицина, высокая энергоёмкость, мало служат, дорогие.
- Серебряно-кадмиевая система (Ag2O/Cd) — радиосвязь, военная техника и авиация, долго служит, мало хранит энергии, дорогая и опасная в плане экологии.
- Серебряно-железная система (Ag2O/Fe) — промышленность, быстро отдаёт заряд, но мало хранит энергии и нестабильная.
- Серебряно-никелевая система (Ag2O/Ni) — встречается в авиации и энергетике, хорошая энергоёмкость и мощность, очень дорого стоит сложно производить.
- Серебряно-магниевая система (Ag2O/Mg) — космос и оборона, нестабильна и опасна в бытовых задачах.
- Серебряно-оловянная система (Ag2O/Sn) — есть практика в электронике, солнечных батареях, относительно недорогая, мало вмещает энергии, плохо отдаёт заряд.
👍 Возможны следующие пути развития серебряных аккумуляторов:
- Снижение стоимости — поиск альтернативных материалов, которые могут заменить или сократить использование серебра и кадмия. Например, исследуются возможности использования серебряно-железных, серебряно-никелевых, серебряно-магниевых и других комбинаций.
- Упрощение технологии — разработка более эффективных и простых методов контроля за паразитными продуктами реакции, газоотвода и рекуперации. Например, исследуются возможности использования твердого электролита, который может предотвратить образование дендритов и улучшить безопасность.
- Поиск оптимальных соотношений материалов, которые могут увеличить электрохимический потенциал системы. Например, исследуются возможности использования бумажных батарей с электродами из серебра (Ag) и серебряно-цинкового сплава (ZnAg), которые были нанесены методом шелкографии на бумажную основу, достигая энергоёмкости 200 Вт·ч/кг (срок службы пока менее 50 циклов).
👇 Сейчас есть более интересные для массового пользователя типы аккумуляторов
Они теснят перспективы серебряных аккумуляторов и привлекают больше инвестиций.
Например, литий-ионные аккумуляторы с более высокой энергоёмкостью, сроком службы и более подходящим для большинства вариантов электроники напряжением. Они уже ставятся везде, где только можно. В их производства и логистику не нужны колоссальные инвестиции.
Да, они страдают от проблем с безопасностью, температурой и экологией. Но эти вопросы гораздо быстрее решить, чем «100 циклов» у серебряно-цинковой электрохимической системы.
Или ещё пример — литий-железо-фосфатные аккумуляторы. Их хорошие показатели энергоёмкости в соотношении к сроку службы и цены даже при чуть меньшем напряжении завоевали сердца прагматиков. Катоды LiFePO4 попали в тяговые батареи электромобилей, включая такие бестселлеры, как «Тесла».
Есть и другие перспективные типы аккумуляторов, такие как литий-титанатные, твердотельные, литий-воздушные, литий-серные, литий-металлические, натрий-ионные и так далее.
***
У серебряных аккумуляторов уникальные свойства. Они прошли долгую историю и актуальны до сих пор.
Но и проблемы их не решаются десятилетиями. Перспективы туманны из-за слишком сильного дисбаланса — либо мало служат, либо мало держат, а ещё дорогие и сложные в производстве.
В узких нишах вроде космоса, оборонки, радиосвязи и медицины серебряные батареи раскрывают свои возможности лучшим образом. Это хорошая альтернатива для особых задач.
Для обычных пользователей электроники лучше рассмотреть другие типы аккумуляторов. А пока серебряные аккумуляторы — это очередная интересная и перспективная тема для исследований и разработок в области электрохимических источников энергии.
🔗 Полезные источники
- [Источник] Исследования НАСА помогают вывести серебряно-цинковые батареи из идеи на полку, Nasa, 2016.
- [Источник, pdf] Использование запечатанной серебряно-кадмиевой аккумуляторной батареи на Explorer XII, Nasa, 1963.
- [Интервью] Почему новые типы аккумуляторов обещают, но так и не выпускают в продажу, интервью Neovolt у учёного Петра Новак, 2020.
- [Факты] Что точно происходит и произойдёт до 2030-го года с аккумуляторами без выдумок, аналитика Neovolt и Circular Energy Storage, 2021.