Металловоздушная электрохимическая ячейка
 | этой статьи Начальный раздел может быть слишком коротким, чтобы адекватно суммировать ключевые моменты . ( октябрь 2021 г. ) |
Электрохимическая ячейка металл -воздух — это электрохимическая ячейка , в которой используется анод, изготовленный из чистого металла , и внешний катод из окружающего воздуха, обычно с водным или апротонным электролитом . [ 1 ] [ 2 ]
Во время разряда металловоздушного электрохимического элемента в катоде, окружающем воздух, происходит реакция восстановления, в то время как металлический анод окисляется .
Удельная емкость и плотность энергии металло-воздушных электрохимических элементов выше, чем у литий-ионных аккумуляторов , что делает их главным кандидатом для использования в электромобилях . Хотя существуют некоторые коммерческие применения, сложности, связанные с металлическими анодами, катализаторами и электролитами, препятствуют разработке и внедрению металло-воздушных батарей. [ 3 ] [ 4 ]
Типы по анодному элементу
[ редактировать ]Литий
[ редактировать ]Необычайно высокая плотность энергии металлического лития (до 3458 Втч/кг) вдохновила на разработку литий-воздушных батарей. Литий-воздушная батарея состоит из твердого литиевого электрода, электролита, окружающего этот электрод, и электрода из окружающего воздуха, содержащего кислород. Современные литий-воздушные батареи можно разделить на четыре подкатегории в зависимости от используемого электролита и последующей архитектуры электрохимических элементов. Этими категориями электролитов являются апротонные, водные , смешанные водно-апротонные и твердотельные электролиты, каждый из которых имеет свои явные преимущества и недостатки. [ 5 ] Тем не менее, эффективность литий-воздушных аккумуляторов по-прежнему ограничена неполной разрядкой на катоде, превышением зарядного перенапряжения над разрядным перенапряжением и стабильностью компонентов. [ 6 ] При разряде литий-воздушных аккумуляторов ион супероксида (O 2 − ) образующийся элемент вступит в реакцию с электролитом или другими компонентами элемента и предотвратит возможность перезарядки аккумулятора. [ 7 ]
Натрий
[ редактировать ]Натриево-воздушные батареи были предложены в надежде преодолеть нестабильность батареи, связанную с супероксидом в литий-воздушных батареях. Натрий с плотностью энергии 1605 Втч/кг не может похвастаться такой высокой плотностью энергии, как литий. Однако он может образовывать стабильный супероксид (NaO 2 ), в отличие от супероксида, подвергающегося вредным вторичным реакциям. Поскольку NaO 2 будет обратимо разлагаться до элементарных компонентов, это означает, что натрий-воздушные батареи обладают некоторой внутренней емкостью, которую можно перезаряжать. [ 8 ] Натриево-воздушные аккумуляторы могут работать только с апротонными безводными электролитами. При стабилизации электролита ДМСО трифторметансульфонимидом натрия была получена наибольшая циклическая стабильность натрий-воздушной батареи (150 циклов). [ 9 ]
Калий
[ редактировать ]![[икона]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/1c/Wiki_letter_w_cropped.svg/20px-Wiki_letter_w_cropped.svg.png){kind=small} | Этот раздел нуждается в расширении . Вы можете помочь, добавив к нему . ( октябрь 2021 г. ) |
Калийно-воздушные батареи также были предложены в надежде преодолеть нестабильность батареи, связанную с супероксидом в литий-воздушных батареях. Хотя с помощью калийно-воздушных батарей когда-либо было достигнуто только два-три цикла зарядки-разрядки, они действительно обеспечивают исключительно низкую разницу перенапряжений - всего 50 мВ. [ 10 ]
Цинк
[ редактировать ] | Этот раздел нуждается в расширении . Вы можете помочь, добавив к нему . ( октябрь 2021 г. ) |
Воздушно-цинковые батареи используются в слуховых аппаратах и пленочных фотоаппаратах.
Магний
[ редактировать ] | Этот раздел нуждается в расширении . Вы можете помочь, добавив к нему . ( октябрь 2021 г. ) |
различные химические процессы В настоящее время изучаются металл-воздух. Гомогенное . осаждение металлического Mg делает интересными системы Mg–воздух [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] Однако водные Mg-воздушные батареи серьезно ограничены растворением Mg- электрода . использование ряда ионных водных электролитов в магниево-воздушных Рекомендовано устройствах. Тем не менее, электрохимическая хрупкость затрагивает их всех. [ 14 ] Однако обратимость элемента ограничена и особенно заметна во время перезарядки . [ 14 ]
Кальций
[ редактировать ]кальциево-воздушных (O 2 ) батареях. Сообщалось о [ 15 ] [ 16 ]
Алюминий
[ редактировать ]Алюмовоздушные батареи имеют самую высокую плотность энергии среди всех других батарей, однако по состоянию на 2003 год теоретическая максимальная плотность энергии составляет 6–8 кВтч / кг. [update]был достигнут максимум всего 1,3 кВтч/кг. Алюминиевые аккумуляторные элементы не перезаряжаются, поэтому необходимо устанавливать новые алюминиевые аноды, чтобы продолжать получать энергию от батареи, что делает их использование дорогим и ограниченным в основном военным применением. [ 17 ]
Алюминиево-воздушные батареи использовались в прототипах электромобилей, один из которых рассчитан на запас хода в 2000 км на одном заряде, однако ни один из них не был доступен широкой публике. Однако алюминиево-воздушные батареи поддерживают стабильное напряжение и выходную мощность до тех пор, пока они не иссякнут, что может сделать их полезными для электрических самолетов, где в случае аварийной посадки всегда требуется полная мощность. Из-за отсутствия отдельного металлического анода, естественной низкой плотности алюминия и высокой плотности энергии алюминиево-воздушных батарей батареи очень легкие, что также выгодно для электрической авиации. Масштабы аэропортов также могут позволить перерабатывать аноды на месте, что было бы невозможно для автомобилей, где необходимо много небольших станций. [ 18 ]
Алюминиево-воздушные батареи более безопасны для окружающей среды по сравнению с традиционными литий-ионными батареями. Алюминий является наиболее распространенным металлом в земной коре, поэтому шахты не должны быть такими агрессивными, чтобы найти такое же количество алюминия, как и лития. Еще одним фактором является то, что заводы по переработке алюминия уже существуют, а заводы по переработке лития только начинают появляться и приносить прибыль. Алюминий гораздо более экономично перерабатывать с помощью современных технологий. [ 18 ]
Железо
[ редактировать ]Железо-воздушные аккумуляторные батареи представляют собой привлекательную технологию с потенциалом хранения энергии в масштабе сети . Основным сырьем для этой технологии является оксид железа ( ржавчина ), распространенный, нетоксичный, недорогой и экологически чистый материал. [ 19 ] В большинстве разрабатываемых в настоящее время аккумуляторов используются порошки оксида железа для генерации и хранения водорода посредством реакции восстановления/окисления (окислительно-восстановительной) Fe/FeO (Fe + H 2 O ⇌ FeO + H 2 ). [ 20 ] В сочетании с топливным элементом это позволяет системе работать как перезаряжаемая батарея, создавая H 2 O/H 2 посредством производства и потребления электроэнергии. [ 21 ] Кроме того, эта технология оказывает минимальное воздействие на окружающую среду, поскольку ее можно использовать для хранения энергии из прерывистых или переменных источников энергии, таких как солнечная и ветровая энергия, создавая энергетическую систему с низкими выбросами углекислого газа.
Один из способов запуска системы — использование окислительно-восстановительной реакции Fe/FeO. Водород, образующийся при окислении железа и кислорода из воздуха, может использоваться топливным элементом для производства электроэнергии. Когда необходимо хранить электричество, водород, вырабатываемый из воды при работе топливного элемента в обратном направлении, расходуется во время восстановления оксида железа до металлического железа. [ 20 ] [ 21 ] Сочетание обоих этих циклов позволяет системе работать как железо-воздушная аккумуляторная батарея.
Ограничения этой технологии связаны с используемыми материалами. Обычно выбираются слои порошка оксида железа; однако быстрое спекание и измельчение порошков ограничивают возможность достижения большого количества циклов, что приводит к снижению производительности. Другие методы, которые в настоящее время изучаются, например, 3D-печать. [ 22 ] и замораживание , [ 23 ] [ 24 ] стремиться обеспечить создание архитектурных материалов, допускающих большие изменения площади поверхности и объема во время окислительно-восстановительной реакции.
Сравнение
[ редактировать ]| Анодный элемент | Теоретическая удельная энергия, Втч/кг (включая кислород) |
Теоретическая удельная энергия, Втч/кг (без учета кислорода) |
Расчетное напряжение холостого хода, В |
|---|---|---|---|
| Алюминий | 4300 [ 25 ] | 8140 [ 26 ] | 1.2 |
| германий [ нужна ссылка ] | 1480 | 7850 | 1 |
| Кальций | 2990 | 4180 | 3.12 |
| Железо | 1431 | 2044 | 1.3 |
| Литий | 5210 | 11140 | 2.91 |
| Магний | 2789 | 6462 | 2.93 |
| Калий | 935 [ 27 ] [ 28 ] | 1700 [ Примечание 1 ] | 2.48 [ 27 ] [ 28 ] |
| Натрий | 1677 | 2260 | 2.3 [ 29 ] [ 30 ] |
| Полагать [ 31 ] | 860 | 6250 | 0.95 |
| Цинк [ нужна ссылка ] | 1090 | 1350 | 1.65 |
См. также
[ редактировать ]Примечания
[ редактировать ]- ^ Рассчитано на основе значения удельной плотности энергии (включая кислород) и данных атомного веса 39,1 и 16 для K и O соответственно для KO 2.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Металлический воздух» . 27 декабря 2010 г. Архивировано из оригинала 27 декабря 2010 г.
- ^ «Металло-воздушные батареи: литий, алюминий, цинк и углерод» (PDF) . Проверено 4 апреля 2013 г.
- ^ Ли, Ю.; Лу, Дж. (2017). «Металл-воздушные батареи: станут ли они в будущем предпочтительным электрохимическим устройством хранения энергии?» . Энергетические письма ACS . 2 (6): 1370–1377. doi : 10.1021/acsenergylett.7b00119 . ОСТИ 1373737 .
- ^ Чжан, X.; Ван, X.; Се, З.; Чжоу, З. (2016). «Последние достижения в области перезаряжаемых щелочно-металло-воздушных батарей» . Зеленая энергетика и окружающая среда . 1 (1): 4–17. дои : 10.1016/j.gee.2016.04.004 .
- ^ Гиришкумар, Г.; Макклоски, Б.; Лунц, К.; Суонсон, С.; Вилке, В. (2010). «Литий-воздушная батарея: перспективы и проблемы». Журнал физической химии . 1 (14): 2193–2203. дои : 10.1021/jz1005384 .
- ^ Крайцберг, Александр; Эйн-Эли, Яир (2011). «Обзор литий-воздушных батарей - возможности, ограничения и перспективы». Журнал источников энергии . 196 (3): 886–893. Бибкод : 2011JPS...196..886K . дои : 10.1016/j.jpowsour.2010.09.031 .
- ^ Зыга, Лиза. «Натрий-воздушная батарея имеет преимущества по сравнению с литий-воздушными батареями» . Физика.орг . Проверено 1 марта 2018 г.
- ^ Хартманн, П.; Бендер, К.; Врачар, М.; Дурр, А.; Гарсуч, А.; Янек, Дж.; Адельхельм, П. (2012). «Перезаряжаемая батарея из супероксида натрия (NaO2) комнатной температуры». Письма из природных материалов . 12 (1): 228–232. Бибкод : 2013NatMa..12..228H . дои : 10.1038/NMAT3486 . ПМИД 23202372 .
- ^ Он, М.; Лау, К.; Рен, X.; Сяо, Н.; Маккалок, В.; Кертисс, Л.; Ву, Ю. (2016). «Концентрированный электролит для натриево-кислородных аккумуляторов: сольватная структура и увеличенный срок службы» . Ангеванде Хеми . 55 (49): 15310–15314. дои : 10.1002/anie.201608607 . ОСТИ 1352612 . ПМИД 27809386 .
- ^ Рен, X.; Ву, Ю. (2013). «Калийно-кислородная батарея с низким перенапряжением на основе супероксида калия». Журнал Американского химического общества . 135 (8): 2923–2926. дои : 10.1021/ja312059q . ПМИД 23402300 .
- ^ Рахман, доктор медицины Арафат; Ван, Сяоцзянь; Вэнь, Кюи (2013). «Металло-воздушные батареи с высокой плотностью энергии: обзор» . Журнал Электрохимического общества . 160 (10): А1759–А1771. дои : 10.1149/2.062310jes . ISSN 0013-4651 .
- ^ Чжан, Тяньрань; Тао, Чжаньлян; Чен, Джун (2014). «Магниево-воздушные аккумуляторы: от принципа к применению» . Матер. Гориз . 1 (2): 196–206. дои : 10.1039/c3mh00059a . ISSN 2051-6347 .
- ^ ; Ли, Хао-Бо; Чи Ан, Цзею; Ван, Яо, Ян (сентябрь 2016 г.). Ли, Ифей, Сяосюэ фазовый муллитовый электрокатализатор для pH-нейтрального восстановления кислорода в магниево-воздушных батареях» . Nano Energy . 27 : 8–16. doi : 10.1016/j.nanoen.2016.06.033 . ISSN 2211-2855 .
- ^ Перейти обратно: а б Ли, Чунь-Шэн; Сунь, Ян; Геберт, Флориан; Чоу, Шу-Лэй (22 августа 2017 г.). «Текущий прогресс в области создания перезаряжаемых магниево-воздушных аккумуляторов» . Передовые энергетические материалы . 7 (24): 1700869. Бибкод : 2017AdEnM...700869L . дои : 10.1002/aenm.201700869 . ISSN 1614-6832 . S2CID 102825802 .
- ^ Сига, Тору; Като, Юичи; Хасэ, Йоко (27 июня 2017 г.). «Сочетание нитроксильного радикала в качестве катализатора электрохимической зарядки и ионной жидкости для нанесения / удаления кальция с перезаряжаемой кальциево-кислородной батареи» . Журнал химии материалов А. 5 (25): 13212–13219. дои : 10.1039/C7TA03422A . ISSN 2050-7496 .
- ^ Райнсберг, Филип; Бондю, Кристоф Дж.; Балтрушат, Хельмут (06 октября 2016 г.). «Кальций-кислородные батареи как перспективная альтернатива натрий-кислородным батареям» . Журнал физической химии C. 120 (39): 22179–22185. дои : 10.1021/acs.jpcc.6b06674 . ISSN 1932-7447 .
- ^ Ян, Шаохуа; Никл, Гарольд (24 октября 2002 г.). «Проектирование и анализ алюминиево-воздушной аккумуляторной системы для электромобилей» . Журнал источников энергии . 112 (1): 162–173. Бибкод : 2002JPS...112..162Y . дои : 10.1016/S0378-7753(02)00370-1 . ISSN 0378-7753 .
- ^ Перейти обратно: а б «Могут ли алюминиево-воздушные батареи превзойти литий-ионные для электромобилей?» . Энергетический пост . 08.09.2021 . Проверено 8 января 2023 г.
- ^ Нарайанан, СР; Пракаш, Г.К. Сурья; Манохар, А.; Ян, Бо; Малханди, С.; Киндлер, Эндрю (28 мая 2012 г.). «Проблемы с материалами и технические подходы к созданию недорогих и надежных железо-воздушных батарей для крупномасштабного хранения энергии». Ионика твердого тела . «Топливные элементы-преобразование энергии» Материалы симпозиума X Весеннего собрания EMRS 2011 г. E-MRS / ДВУХСТОРОННЯЯ КОНФЕРЕНЦИЯ MRS по ЭНЕРГЕТИКЕ, состоявшегося на ВЕСЕННЕМ СОВЕЩЕНИИ E-MRS 2011 г. IUMRS ICAM 2011. 216 : 105–109. doi : 10.1016/j. сси.2011.12.002 .
- ^ Перейти обратно: а б Реквиес, Дж.; Гуэмес, МБ; Хил, С. Перес; Баррио, ВЛ; Камбра, Дж. Ф.; Искьердо, У.; Ариас, Польша (19 апреля 2013 г.). «Природные и синтетические оксиды железа для хранения и очистки водорода». Журнал материаловедения . 48 (14): 4813–4822. Бибкод : 2013JMatS..48.4813R . дои : 10.1007/s10853-013-7377-7 . ISSN 0022-2461 . S2CID 93103339 .
- ^ Перейти обратно: а б Джу, Ён-Ван; Ида, Синтаро; Инагаки, Тору; Исихара, Тацуми (01 августа 2011 г.). «Поведение повторного окисления биметаллической подложки анода Ni-Fe в твердооксидных топливных элементах с использованием тонкопленочного электролита на основе LaGaO3». Журнал источников энергии . 196 (15): 6062–6069. Бибкод : 2011JPS...196.6062J . дои : 10.1016/j.jpowsour.2011.03.086 .
- ^ Якус, Адам Э.; Тейлор, Шеннон Л.; Гейзендорфер, Николас Р.; Дюнанд, Дэвид К.; Шах, Рамиль Н. (01 декабря 2015 г.). «Металлические конструкции из жидких порошковых чернил, напечатанных на 3D-принтере». Передовые функциональные материалы . 25 (45): 6985–6995. дои : 10.1002/adfm.201503921 . ISSN 1616-3028 . S2CID 15711041 .
- ^ Сепульведа, Ранье; Планк, Амелия А.; Дюнан, Дэвид К. (01 марта 2015 г.). «Микроструктура каркасов Fe2O3, созданных методом замораживания и спекания». Материалы писем . 142 : 56–59. дои : 10.1016/j.matlet.2014.11.155 .
- ^ Дуран, П.; Лашен, Дж.; Плу, Дж.; Сепульведа, Р.; Эргидо, Дж.; Пенья, JA (16 ноября 2016 г.). «Поведение оксида железа, отлитого замораживанием, при очистке потоков водорода методом парового чугуна». Международный журнал водородной энергетики . 5-й Иберийский симпозиум по водороду, топливным элементам и современным батареям (HYCELTEC 2015), 5–8 июля 2015 г., Тенерифе, Испания. 41 (43): 19518–19524. doi : 10.1016/j.ijhydene.2016.06.062 .
- ^ «Электрически перезаряжаемые металло-воздушные батареи (ЭРМАБ)» . Архивировано из оригинала 3 марта 2016 года . Проверено 25 марта 2012 г.
- ^ «Батарейки для кислородных концентраторов» . НАСА.gov . Архивировано из оригинала 26 февраля 2014 года.
- ^ Перейти обратно: а б Ву, Иин; Рен, Сяоди (2013). «Калийно-кислородная батарея с низким перенапряжением на основе супероксида калия» . Журнал Американского химического общества . 135 (8): 2923–2926. дои : 10.1021/ja312059q . ПМИД 23402300 .
- ^ Перейти обратно: а б Рен, Сяоди; Ву, Иин (2013). «Калийно-кислородная батарея с низким перенапряжением на основе супероксида калия». Журнал Американского химического общества . 135 (8): 2923–2926. дои : 10.1021/ja312059q . ПМИД 23402300 .
- ^ Сунь, Цянь (2012). «Электрохимические свойства натриево-воздушных батарей комнатной температуры с неводным электролитом». Электрохимические коммуникации . 16 :22–25. дои : 10.1016/j.elecom.2011.12.019 .
- ^ «BASF исследует натриево-воздушные батареи в качестве альтернативы литий-воздушным; заявка на патент подана в USPTO» . Конгресс зеленых автомобилей .
- ^ Джу, ХёнГук; Ли, Джеён (2015). «Высокотемпературный жидкий олово-воздушный аккумулятор энергии». Журнал энергетической химии . 24 (5): 614–619. дои : 10.1016/j.jechem.2015.08.006 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Высокотемпературный жидкий олово-воздушный аккумулятор энергии – Металло-воздушный аккумулятор: новый тип высокотемпературного жидкостного металло-воздушного накопителя энергии на основе твердооксидного электролита.
