Kratka predstavitev aluminija-zračne baterije
Pustite sporočilo
Aluminij-zračne baterije(Al–zračne baterije) proizvajajo elektriko iz reakcije kisika v zraku z aluminijem. Imajo eno najvišjih energijskih gostot med vsemi baterijami, vendar se ne uporabljajo široko zaradi težav z visokimi stroški anode in odstranjevanjem stranskih produktov pri uporabi tradicionalnih elektrolitov. To je njihovo uporabo omejilo predvsem na vojaške namene. Vendar ima električno vozilo z aluminijastimi baterijami potencial za do osemkrat večji doseg kot litij-ionska baterija z znatno nižjo skupno težo.
Aluminij-zračne baterije so primarne celice, tj. ne-za ponovno polnjenje. Ko je aluminijeva anoda porabljena zaradi reakcije z atmosferskim kisikom na katodi, potopljeni v elektrolit na osnovi vode-, da nastane hidratiziran aluminijev oksid, baterija ne bo več proizvajala elektrike. Vendar pa je možno mehansko ponovno napolniti baterijo z novimi aluminijevimi anodami, izdelanimi iz recikliranja hidriranega aluminijevega oksida. Takšno recikliranje bi bilo nujno, če bi aluminij-zračne baterije široko sprejeli.
O vozilih-z aluminijastim pogonom se razpravlja že nekaj desetletij. Hibridizacija zmanjša stroške in leta 1989 so poročali o cestnih preskusih hibridne aluminij-zrak/svinčeno-kislinske baterije v električnem vozilu. Leta 1990 so v Ontariu predstavili-hibridni enoprostorec-z aluminijastim vtičem.
Marca 2013 je Phinergy je objavil video demonstracijo električnega avtomobila, ki uporablja celice iz aluminija in zraka, prevoženega 330 km z uporabo posebne katode in kalijevega hidroksida. 27. maja 2013 je izraelski kanal 10 v večerni informativni oddaji prikazal avto z baterijo Phinergy v zadnjem delu in trdil, da ima doseg 2000 kilometrov (1200 milj), preden je potrebna zamenjava aluminijastih anod.
elektrokemija
Pol{0}}reakcija oksidacije anode je Al + 3OH− → Al(OH)3 + 3e− -2.31 V.
Pol{0}}reakcija katodne redukcije je O2 + 2H2O + 4e−→ 4OH−
+0.40 V.
Skupna reakcija je 4Al + 3O2 + 6H2O → 4Al(OH)3 +2.71 V.
S temi reakcijami nastane približno 1,2 volta potencialne razlike, ki jo je v praksi mogoče doseči, če kot elektrolit uporabimo kalijev hidroksid. Elektrolit v slani vodi doseže približno 0,7 voltov na celico.
Specifična napetost celice se lahko spreminja glede na sestavo elektrolita ter strukturo in materiale katode.
Druge kovine je mogoče uporabiti na podoben način, kot so litij-zrak, cink-zrak, mangan-zrak in natrij-zrak, nekatere z večjo energijsko gostoto. Vendar pa je aluminij privlačen kot najbolj stabilna kovina.
| Specifična energija | 1300 (praktično), 6000/8000 (teoretično) W·h/kg |
|---|---|
| Gostota energije | N/A |
| Specifična moč | 200 W/kg |
| Nazivna napetost celice | 1.2 V |
Anoda
Aluminij (Al) se pogosto uporablja kot anodni material v kovinskih-zračnih baterijah zaradi visoke energijske gostote, možnosti recikliranja in številčnosti. Vendar pa izzivi z Al anodami vključujejo korozijo in pasivacijo. Nečistoče v komercialno dostopnem aluminiju povzročijo nastanek plasti, ki poslabšajo delovanje. Korozijske reakcije proizvajajo vodik in tvorijo aluminijeve hidrokside, medtem ko tvorba oksidnega filma ob izpostavljenosti zraku ali vodi dodatno omejuje funkcionalnost.
Izboljšanje učinkovitosti Al anode vključuje optimizacijo velikosti zrn in orientacije kristalov, saj finejše zrnate strukture povečajo odpornost proti koroziji in elektrokemično aktivnost. Študija, ki sta jo opravila Fan in Lu, je preučevala razmerje med velikostjo zrn in zmogljivostjo anode. V tej študiji so bile aluminijeve anode z drobnejšimi velikostmi zrn ustvarjene z metodo, imenovano Equal Channel Angular Pressing (ECAP). Ko se je število ekstruzijskih prehodov povečalo, so zrna postala manjša in bolj enotna. Vendar je imel postopek omejitve zaradi toplote zaradi deformacije, ki je povzročila nekaj rasti zrn. Rezultati so pokazali, da je izboljšanje velikosti zrn izboljšalo elektrokemično aktivnost anode, zmanjšalo korozijo ter povečalo polarizacijo in odpornost-na prenos naboja. Testi so potrdili, da je anoda z drobnimi zrni delovala bolje kot anoda z večjimi zrni. Fino{8}}zrnata struktura je zagotovila tudi boljše proti-korozijske lastnosti in izboljšano delovanje baterije v 4 mol/L raztopini NaOH. Pri gostoti toka 10 mA/cm2, je drobnozrnata anoda pokazala 41,5-odstotno povečanje gostote zmogljivosti in 55,5-odstotno povečanje energijske gostote v primerjavi z grobo{3}}anodo. Poleg optimizacije mikrostrukture lahko na delovanje vpliva tudi obdelava anod. Anode, izdelane z laserskim sintranjem, kažejo večjo zmogljivost v primerjavi z ne-sintranimi vzorci, kar poudarja pomen obdelave anode v smislu učinkovitosti anode.
Poleg izboljšanja mikrostrukture in razvoja boljših metod obdelave zlitje Al z elementi, kot so Ga, Zn in Sn, pomaga ublažiti korozijo in nastajanje vodika. Zlasti cink je splošno priznan kot koristen legirni element v anodah Al-zračnih baterij, ker pomaga zmanjšati stopnjo samo-korozije in poveča nazivno napetost celice. Vendar študija, ki so jo izvedli Park, Choi in Kim, poudarja pomanjkljivost: dodatek Zn lahko dejansko zmanjša zmogljivost praznjenja anode v alkalnih raztopinah zaradi učinkov pasivacije med anodno polarizacijo. Natančneje, Zn spodbuja nastanek dveh vrst oksidacijskih filmov. Prvi, film tipa 1, je porozna plast, sestavljena iz Zn(OH)2in okvarjeni ZnO, ki nastane pri raztapljanju Zn(OH)42-izloča iz osnovnega elektrolita. Drugi, film tipa 2, je kompaktna, zaščitna plast ZnO, ki nastane neposredno z oksidacijo kovinske površine in je bolj stabilna. Ta film tipa 2 ustvarja pasivno plast, ki poslabša zmogljivost praznjenja Al-zračne baterije. Vendar pa dodatek indija (In) pomaga razgraditi in destabilizirati to Zn pasivno plast. Ioni In vedno znova ustvarjajo napake v filmu tipa 2 s ciklom razgradnje in ponovne -pasivacije, s čimer učinkovito oslabijo zaščitno pregrado in povečajo učinkovitost praznjenja baterije. Posledično predstavlja uporaba anode iz trikomponentne zlitine Al-Zn-In, proizvedene iz komercialno dostopnega aluminija in ne iz dragega aluminija visoke-čistosti, stroškovno-učinkovito rešitev z izboljšano zmogljivostjo.
Al-zlitine z nanosom bakra so obetavne tudi kot anodni material, saj tvorijo zaščitne plasti, ki zmanjšujejo nastajanje vodika in povečujejo učinkovitost praznjenja. Študija, ki sta jo opravila Mutlu in Yazıcı, kaže, da elektrodepozicija bakra pomaga zmanjšati upor-prenosa naboja aluminijevih anod. To je zato, ker nekatere spojine (kot je Al(OH)2+, Al7(OH)174+, Al2(OH)24+, in Al13(OH)345+) se kopičijo na površini in ustvarjajo odpornost. Nasprotno pa Al(OH)3topi se v alkalnih raztopinah in tvori Al(OH)4-, ki ima nižjo stopnjo raztapljanja in ohranja ravnotežje med Al(OH) in Al(OH)4-. Baker pomaga odstraniti te spojine s površine, zmanjša odpornost in izboljša učinkovitost praznjenja. Poleg tega je odpornost aluminijevega oksida višja kot pri kombinaciji bakra-aluminija, zato baker zmanjša odpornost filma in ga naredi bolj trpežnega. Na splošno je napredek v sestavi zlitin in metodah izdelave ključnega pomena za čim večjo učinkovitost in stroškovno-učinkovitost Al anod.
Komercializacija
Yang in Knickle sta proučevala aluminij kot "gorivo" za vozila. Leta 2002 so sklenili:
Al/zračni baterijski sistem lahko proizvede dovolj energije in moči za dosege in pospeške, podobne avtomobilom na bencin ... stroški aluminija kot anode so lahko tako nizki kot 1,1 USD/kg, če se produkt reakcije reciklira. Skupni izkoristek goriva med postopkom cikla pri električnih vozilih Al/zrak (EV) je lahko 15 % (trenutna stopnja) ali 20 % (predvideno), kar je primerljivo z izkoristkom vozil z motorjem z notranjim zgorevanjem (ICE) (13 %). Načrtovana energijska gostota baterije je 1300 Wh/kg (trenutno) ali 2000 Wh/kg (predvidena). Cena akumulatorskega sistema, izbranega za oceno, je 30 USD/kW (trenutno) ali 29 USD/kW (predvideno). Izvedena je bila analiza življenjskega-cikla električnih vozil iz aluminija in zraka in primerjana z električnimi vozili s svincem/kislino in nikelj-kovinskim hidridom (NiMH). Samo za električna vozila Al/Air je mogoče predvideti, da bodo imeli doseg, primerljiv z vozili ICE. Iz te analize so električna vozila Al/Air najbolj obetavni kandidati v primerjavi z vozili ICE v smislu dosega potovanja, nakupne cene, stroškov goriva in stroškov-življenjskega cikla.
Rešiti je treba še tehnične težave, da bodo Al-zračne baterije primerne za električna vozila. Anode iz čistega aluminija elektrolit razjeda, zato je aluminij običajno legiran s kositrom ali drugimi elementi. Hidrirani aluminijev oksid, ki nastane s celično reakcijo, tvori gelu-podobno snov na anodi in zmanjša izhod električne energije. To je vprašanje, ki se obravnava pri razvoju celic Al–air. Na primer, razvili so dodatke, ki tvorijo aluminijev oksid v prahu in ne v obliki gela.
Sodobne zračne katode so sestavljene iz reaktivne plasti ogljika z nikljevim -mrežnim zbiralnikom toka, katalizatorja (npr. kobalta) in poroznega hidrofobnega politetrafluoretilenskega filma, ki preprečuje uhajanje elektrolita. Kisik v zraku prehaja skozi politetrafluoroetilen in nato reagira z vodo, da ustvari hidroksidne ione. Te katode delujejo dobro, vendar so lahko drage.
Tradicionalne Al-zračne baterije so imele omejen rok trajanja, ker je aluminij reagiral z elektrolitom in proizvedel vodik, ko baterija ni bila v uporabi; to ne velja več za sodobne modele. Težavi se lahko izognete tako, da elektrolit shranite v rezervoarju zunaj akumulatorja in ga prenesete v akumulator, ko je potreben za uporabo.
Te baterije se lahko uporabljajo kot rezervne baterije v telefonskih centralah in kot rezervni viri napajanja.
Druga težava so stroški materialov, ki jih je treba dodati bateriji, da preprečimo padec moči. Aluminij je še vedno zelo poceni v primerjavi z drugimi elementi, ki se uporabljajo za izdelavo baterij. Aluminij stane 2,51 USD na kilogram, litij in nikelj pa 12,59 USD oziroma 17,12 USD na kilogram. Vendar pa je še en element, ki se običajno uporablja v aluminiju v zraku kot katalizator v katodi, srebro, ki stane približno 922 USD na kilogram (cene iz leta 2024).
Aluminij-zračne baterije lahko postanejo učinkovita rešitev za pomorske aplikacije zaradi svoje visoke energijske gostote, nizkih stroškov in obilice aluminija, brez emisij na mestu uporabe v čolnih in ladjah. AlumaPower, Phinergy Marine, Dnevnik 9 Materiali, RiAlAiR in več drugih komercialnih podjetij dela na komercialnih in vojaških aplikacijah v morskem okolju.
Raziskave in razvoj potekajo na alternativnih, varnejših in zmogljivejših elektrolitih, kot so organska topila in ionske tekočine. Drugi, kot je AlumaPower, se osredotočajo na mehanske metode za ublažitev številnih zgodovinskih težav z Al-zračnimi baterijami. Patent podjetja AlumaPower (US US10978758B2) ponazarja metodo, ki vrti anodo, kar odpravlja vzorce obrabe in korozijo anode. Patent nadalje trdi, da lahko zasnova uporablja kateri koli odpadni aluminij, vključno s pretopljenimi pločevinkami sode in bloki motorjev.
