Baterije za slušne aparate: tehnologija cink-vazduh i aktivacija kiseonikom iz vazduha

Specijalni energetski zahtevi medicinske elektronike

Slušni aparati predstavljaju jedno od najimpresivnijih dostignuća minijaturizacije u savremenoj elektronici. Moderni digitalni slušni aparati ne samo da hvataju zvuk, već u realnom vremenu primenjuju složene algoritme za obradu digitalnih signala (DSP) – filtrirajući pozadinsku buku, izolujući ljudski glas i adaptirajući se na akustične karakteristike prostorije. Da bi jedan ovakav izuzetno složen kompjuter mogao celodnevno i pouzdano da radi skriven u ušnom kanalu, njemu je neophodan stalan, stabilan izvor električne energije čiji napon neće drastično opasti sve do samog kraja veka trajanja. Međutim, fizički prostor na raspolaganju je ekstremno mali – zapremina svega nekoliko kubnih milimetara.

Dok klasične alkalne i litijumske dugmaste ćelije isporučuju dobru stabilnost, one su za svoje dimenzije limitirane u količini uskladištene energije, prvenstveno zato što moraju unutar svog zapečaćenog metalnog kućišta da nose i gorivo (anodu) i reaktant (katodu). Inženjeri su za medicinsku elektroniku ovog tipa primenili radikalno drugačiji koncept: šta ako baterija uopšte ne bi nosila polovinu svojih hemijskih sastojaka u kućištu, već bi umesto toga koristila nešto čega ima u izobilju svuda oko nas – običan atmosferski vazduh?

Tako je nastala masovna komercijalizacija cink-vazduh (Zinc-Air) tehnologije, elektrohemijskog čuda koje je danas de-facto svetski standard za napajanje slušnih aparata, klasifikovan prema međunarodnom IEC sistemu kodnom oznakom "PR".

Hemijska genijalnost: Katoda od vazduha

U tradicionalnoj alkalnoj bateriji imate prah cinka (anodu) i prah mangan-dioksida (katodu) zatvorene u limenci. Težište, masu i zapreminu uređaja, dakle, diktiraju ova dva materijala.

Tehnologija Zinc-Air (cink-vazduh) okreće ovu logiku naglavačke. Unutar sićušnog metalnog lončića u formi dugmeta postavlja se maksimalno moguća količina finog cinkovog praha pomešanog sa elektrolitom (najčešće je to kalijum-hidroksid u formi gela). To predstavlja anodu. A šta je sa katodom? Umesto ubacivanja metalnog oksida (koji je težak i zauzima dragoceni prostor), na dnu baterije postavlja se takozvana "gasno-difuzna elektroda" (GDE) – tanki membranski sloj napravljen od slojeva teflona, grafita i katalizatora, preko kog je izbušeno nekoliko mikroskopskih rupa (oko mikrometra u prečniku) probušenih laserom kroz samo čelično dno kućišta.

Ovaj dizajn ima epohalne posledice za energetsku gustinu uređaja: pošto katodni reaktant ne mora biti unutar kućišta, celokupna unutrašnja zapremina se može popuniti gorivom – cinkovim prahom. Ovo omogućava da cink-vazduh baterije imaju i do pet puta veću gustinu energije od tradicionalnih alkalnih baterija istih dimenzija, i oko tri puta veću od skupih srebro-oksid dugmastih ćelija.

Hemijske reakcije tokom rada

Hemijski proces aktivacije započinje tačno onog momenta kada se sa minijaturnih otvora (rupa) na bateriji oljušti fabrička zaštitna nalepnica. Kiseonik iz vazduha lagano difunduje (prodire) kroz zaštitnu teflonsku (PTFE) membranu unutar gasno-difuzne elektrode. Tu se kiseonik, posredstvom prisutnih tečnosti (vode iz elektrolita) i finih čestica ugljenika (katalizatora), redukuje – odnosno apsorbuje elektrone koji su putovali kroz slušni aparat:

Katodna redukcija (na poroznoj ugljeničnoj mreži uz prisustvo kiseonika): $$ O_{2} + 2 H_{2}O + 4 e^{-} \rightarrow 4 OH^{-} $$ Ovako nastali hidroksidni joni (OH-) kreću se kroz gel elektrolita od kalijum-hidroksida ka cinkovoj pasti u gornjem delu baterije.

Anodna oksidacija (na česticama cinka): Tamo, joni napadaju cink. Cink oksidira, ispušta elektrone i stvara kompleksni cinkat-jon, koji ubrzo raspadom postaje cink-oksid, pri čemu se voda vraća u sistem: $$ Zn + 4 OH^{-} \rightarrow Zn(OH)_{4}^{2-} + 2 e^{-} $$ Raspadom cinkata: $$ Zn(OH)_{4}^{2-} \rightarrow ZnO + H_{2}O + 2 OH^{-} $$

Ovaj neprekidni proces generiše nominalni napon od približno 1.4 V do 1.45 V (u praksi varira između 1.25 V i 1.4 V kada je pod opterećenjem u uređaju), a karakteristika radne krive je takva da je pražnjenje izuzetno ravno. Napon je savršeno stabilan dok se cink gotovo potpuno ne iscrpi i pretvori u praškasti beli cink-oksid. Tek na samom kraju, napon naglo opada i uređaj se isključuje, bez neprijatnih izobličenja zvuka kakva su bila česta kod starijih slušnih aparata napajanih alkalnim i srebro-oksid ćelijama.

Uporedna tabela dugmastih baterija za slušne aparate i male uređaje

Pravilo pet minuta: Tajna maksimalnog radnog veka

Inženjerska arhitektura gasne elektrode nameće jedno veoma specifično pravilo u radu sa ovim baterijama. Za razliku od klasične baterije za daljinski upravljač koju samo izvadite iz pakovanja, ubacite u uređaj i odmah radi na 100%, cink-vazduh baterija koja je stajala mesecima u blister pakovanju ne sadrži dovoljno kiseonika u sebi za trenutni start punom snagom.

Zaštitna nalepnica na poleđini služi kao barijera (zaptivka) kako cink ne bi reagovao sa vlagom i vazduhom dok stoji na rafovima apoteka. Kada pacijent skine tu nalepnicu, on otvara mikroskopske rupe i kiseonik polako, procesom proste difuzije, počinje da ulazi u gel u unutrašnjosti. Ovaj proces ne odvija se u mikrosekundi. Zbog ograničene veličine gasnih rupica, uspostavljanje pune operativne hemijske ravnoteže unutar same ćelije traje određeno vreme.

Ahilova peta: Atmosferska vlaga i ugljen-dioksid

Iako su cink-vazduh baterije energetski giganti u mikro formatu, njihova otvorena priroda je ujedno i njihova najveća slabost. Budući da moraju komunicirati sa atmosferom kako bi 'uzele' kiseonik, kroz iste te rupice unutra mogu ući (ali i izaći) nepoželjni elementi. Baterija je potpuno na milosti mikroklimatskih uslova u okolini korisnika. Dve stvari najviše oštećuju ovu tehnologiju:

1. Voda (Prekomerna ili nedostatak) Tečni rastvor kalijum-hidroksida na bazi vode neophodan je za jonsku provodljivost (prenos hidroksil jona između katode i anode). Ako je vreme izuzetno toplo i suvo, ili je osoba zimi u kući gde su radijatori isušili vazduh, voda iz kalijum-hidroksid gela će kroz otvorene rupice naprosto ispariti u vazduh. Bez vode, jonski transport u elektrolitu staje, unutrašnji otpor baterije eksponencijalno raste i ona se 'suši', postajući bezvredna (dead cell). S druge strane, u vrelim, tropskim klimama ili prostorijama visoke vlažnosti (poput kupatila), previše vlage iz vazduha će prodreti unutra, apsorbujući se u higroskopni kalijum-hidroksid. Tada se elektrolit previše razblaži i počinje da buja. Baterija može 'nabreknuti' (otok ćelije), procuriti kroz gasne rupice i izazvati tešku koroziju unutar izuzetno skupog i osetljivog slušnog aparata.

2. Karbonizacija (Ugljen-dioksid) Osim kiseonika, atmosferski vazduh sadrži i ugljen-dioksid (CO2). Tokom vremena, ugljen-dioksid prodire unutar baterije i reaguje direktno sa elektrolitom KOH: $$ 2 KOH + CO_2 \rightarrow K_2CO_3 + H_2O $$ Reakcijom nastaje kalijum-karbonat ($K_2CO_3$). Ovi krupni kristali blokiraju mikroskopske prolaze unutar gasno-difuzne membrane kroz koje ulazi kiseonik. Pored toga, time se troši vredni hidroksid (OH-). Fenomen, u industriji poznat kao 'karbonizacija ćelije', ograničava njen operativni vek na maksimalno dve nedelje.

Iz ovih razloga, jednom otpečaćena cink-vazduh baterija nepovratno započinje svoj kraj, bez obzira da li uređaj stalno radi, ili ga gasite noću kako biste je "sačuvali". Vraćanje nalepnice ili lepljenje selotejpom samo usporava degradaciju, ali je ne sprečava. Zbog toga se njena upotreba i drži samo u industriji gde je potrošnja ogromna, stalna i neophodna iz dana u dan (kao što je upravo slušni aparat, koji pacijenti nose svakodnevno).

Zaključak i budućnost slušnih aparata

Tehnologija cink-vazduh predstavlja inženjerski trijumf korišćenja neiscrpnih eksternih resursa (kiseonika iz atmosfere) za rešavanje problema ograničenog fizičkog volumena. Ova elegantna simbioza hemije i difuzije omogućila je generacijama ljudi diskretan sluh, minijaturizaciju uređaja u okvire samog ušnog kanala (CIC - Completely in Canal uređaji), a sve to uz pouzdan, ravan radni napon neophodan za složeno procesuiranje zvuka.

Iako su usled klimatske osetljivosti i nepovratne degradacije nakon aktivacije cink-vazduh primarne ćelije danas suočene sa konkurencijom u vidu punjivih litijum-jonskih mikro-baterija najnovije generacije, one su i dalje najefikasniji, najsigurniji i najjeftiniji izbor po jedinici uložene mase na tržištu. Poštovanjem elementarnog principa "disanja" od 5 minuta pre instalacije i izbegavanjem visoke i preniske vlažnosti vazduha, korisnici iz ovih malenih metalnih pilula mogu da izvuku neverovatnu količinu tehnološke čarolije.

Reference

• Oltra, E. G., & Wang, Y. (2018). Zinc-Air Batteries: Basics and Challenges. ECS Transactions, 85(13), 101.
• Linden, D. (2002). Handbook of Batteries, Third Edition, poglavlje o Cink-vazduh ćelijama, McGraw-Hill.
• Pan, J., et al. (2016). A flexible zinc-air battery for wearable electronics. Advanced Energy Materials, 6(16).