Алюминий-воздушная батарея
| Удельная энергия | 1300 (практическая), 6000/8000 (теоретическая) Вт·ч /кг [ 1 ] |
|---|---|
| Плотность энергии | Н/Д |
| Удельная мощность | 200 Вт /кг |
| Номинальное напряжение ячейки | 1.2 V |
Алюмовоздушные батареи результате реакции кислорода воздуха (Ал-воздушные батареи) производят электроэнергию в с алюминием . У них одна из самых высоких плотностей энергии среди всех батарей, но они не получили широкого распространения из-за проблем, связанных с высокой стоимостью анода и удалением побочных продуктов при использовании традиционных электролитов. Это ограничило их использование в основном военными применениями. Однако электромобиль с алюминиевыми батареями может в восемь раз увеличить запас хода по сравнению с литий-ионным аккумулятором при значительно меньшем общем весе. [ 1 ]
Алюмовоздушные батареи являются первичными элементами , то есть неперезаряжаемыми. Как только алюминиевый анод израсходуется в результате реакции с кислородом воздуха на катоде, погруженном в электролит на водной основе, с образованием гидратированного оксида алюминия , батарея больше не будет производить электричество. Однако можно механически перезарядить батарею с помощью новых алюминиевых анодов, изготовленных из вторичной переработки гидратированного оксида алюминия. Такая переработка будет иметь важное значение для широкого распространения алюминиево-воздушных батарей.
Транспортные средства с алюминиевым двигателем обсуждаются уже несколько десятилетий. [ 2 ] Гибридизация снижает затраты, и в 1989 году сообщалось о дорожных испытаниях гибридной алюминиево-воздушной/ свинцово-кислотной батареи в электромобиле. [ 3 ] минивэн с алюминиевым двигателем Гибридный был продемонстрирован в Онтарио в 1990 году. [ 4 ]
В марте 2013 года Финергия [ 5 ] выпустила видео-демонстрацию электромобиля на алюминиево-воздушных элементах, проехавшего 330 км с помощью специального катода и гидроксида калия. [ 6 ] 27 мая 2013 года в вечернем выпуске новостей израильского канала 10 был показан автомобиль с аккумулятором Phinergy сзади, заявленный запас хода 2000 километров (1200 миль) до того, как потребуется замена алюминиевых анодов. [ 7 ]
Электрохимия
[ редактировать ]Полуреакция анодного окисления . - Al + 3OH −
→ Ал(ОН)
3 + 3е − +2.31 V.
Полуреакция катодного восстановления O
2 + 2Ч
2О + 4е − → 4ОН −
+0.40 V.
Суммарная реакция 4Al + 3O.
2 + 6Ч
2O 4Al( ОН → )
3 +2.71 V.
около 1,2 В, разность потенциалов В результате этих реакций создается гидроксид калия которая достижима на практике, когда в качестве электролита используется . Электролит с соленой водой достигает напряжения примерно 0,7 В на ячейку.
Удельное напряжение элемента может варьироваться в зависимости от состава электролита, а также структуры и материалов катода.
Аналогичным образом можно использовать и другие металлы, такие как литий-воздух , цинк-воздух , марганец-воздух и натрий-воздух, некоторые из которых имеют более высокую плотность энергии. Однако алюминий привлекателен как наиболее стабильный металл. [ 8 ]
Коммерциализация
[ редактировать ]Проблемы
[ редактировать ]Алюминий как «топливо» для транспортных средств изучали Ян и Никл. [ 1 ] В 2002 году они пришли к выводу:
Система алюминиево-воздушных аккумуляторов может генерировать достаточно энергии и мощности для дальности пробега и ускорения, аналогично автомобилям с бензиновым двигателем... стоимость алюминия в качестве анода может составлять всего 1,1 доллара США за кг, при условии, что продукт реакции перерабатывается. . Общая топливная эффективность в ходе цикла в алюминиевых/воздушных электромобилях (EV) может составлять 15% (современный этап) или 20% (прогнозируемый), что сопоставимо с эффективностью транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) (13%). Проектная плотность энергии батареи составляет 1300 Втч/кг (в настоящее время) или 2000 Втч/кг (проектируется). Стоимость аккумуляторной системы, выбранной для оценки, составляет 30 долларов США/кВт (в настоящее время) или 29 долларов США/кВт (прогнозируется). Был проведен анализ жизненного цикла алюминиево-воздушных электромобилей и сравнен со свинцово-кислотными и никель-металлогидридными (NiMH) электромобилями. Только электромобили Al/air могут иметь запас хода, сравнимый с ДВС. Согласно этому анализу, электромобили Al/air являются наиболее многообещающими кандидатами по сравнению с двигателями внутреннего сгорания с точки зрения дальности хода, покупной цены, стоимости топлива и стоимости жизненного цикла.
Еще предстоит решить технические проблемы, чтобы сделать алюминиево-воздушные батареи пригодными для электромобилей. Аноды, изготовленные из чистого алюминия, подвергаются коррозии под действием электролита, поэтому алюминий обычно легируют оловом или другими элементами. Гидратированный оксид алюминия, образующийся в результате клеточной реакции, образует гелеобразное вещество на аноде и снижает выход электроэнергии. Это проблема, решаемая в ходе разработки алюминиево-воздушных ячеек. Например, были разработаны добавки, образующие оксид алюминия в виде порошка, а не геля.
Современные воздушные катоды состоят из реактивного слоя углерода с токосъемником из никелевой сетки, катализатора (например, кобальта ) и пористой гидрофобной пленки из ПТФЭ , предотвращающей утечку электролита. Кислород воздуха проходит через ПТФЭ, а затем вступает в реакцию с водой, образуя гидроксид-ионы. Эти катоды работают хорошо, но могут быть дорогими.
Традиционные алюминиево-воздушные батареи имели ограниченный срок хранения. [ 9 ] потому что алюминий вступал в реакцию с электролитом и выделял водород, когда аккумулятор не использовался; это уже не относится к современному дизайну. Этой проблемы можно избежать, храня электролит в резервуаре вне батареи и передавая его в батарею, когда он необходим для использования.
Эти аккумуляторы могут использоваться в качестве резервных аккумуляторов в телефонных станциях и в качестве резервных источников питания.
Другая проблема — стоимость материалов, которые необходимо добавлять в батарею, чтобы избежать падения мощности. Алюминий по-прежнему очень дешев по сравнению с другими элементами, используемыми для изготовления батарей. Алюминий стоит 2,51 доллара за килограмм, а литий и никель — 12,59 и 17,12 доллара за килограмм соответственно. Однако еще один элемент, который обычно используется в алюминиевом воздухе в качестве катализатора на катоде, — это серебро, которое стоит около 922 долларов за килограмм (цены 2024 года). [ 10 ]
Алюмовоздушные батареи могут стать эффективным решением для морского применения благодаря их высокой плотности энергии, низкой стоимости и обилию алюминия, а также отсутствию выбросов в местах использования на лодках и кораблях. АлумаПауэр , [ 11 ] Финергия Марин , [ 12 ] Материалы журнала 9 , РиАлАиР [ 13 ] и несколько других коммерческих компаний работают над коммерческим и военным применением в морской среде.
Ведутся исследования и разработки альтернативных, более безопасных и более эффективных электролитов, таких как органические растворители и ионные жидкости. [ 8 ] Другие, такие как AlumaPower, сосредоточены на механических методах смягчения многих исторических проблем, связанных с алюминиево-воздушными батареями. Патент AlumaPower ( США US 10978758B2 ) иллюстрирует способ вращения анода, который устраняет износ и коррозию анода. В патенте также утверждается, что в конструкции можно использовать любой алюминиевый лом, включая переплавленные банки из-под газировки и блоки двигателей.
См. также
[ редактировать ]- Список типов батарей
- Цинк-воздушная батарея
- Калий-ионный аккумулятор
- Металловоздушная электрохимическая ячейка
- Алюминий-ионный аккумулятор
- Алюминиевый аккумулятор
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с Ян, С. (2002). «Проектирование и анализ алюминиево-воздушной аккумуляторной системы для электромобилей». Журнал источников энергии . 112 (1): 162–201. Бибкод : 2002JPS...112..162Y . дои : 10.1016/S0378-7753(02)00370-1 .
- ^ Фитцпатрик, Северная Каролина; Смит, ФН; Джеффри, PW (1983). «Алюминий-воздушная батарея» . Серия технических документов SAE . Том. 1. Papers.sae.org. дои : 10.4271/830290 . Проверено 28 апреля 2014 г.
- ^ Пэриш, Д.В.; Фитцпатрик, Северная Каролина; Каллаган, WB О'; Андерсон, WM (1989). «Демонстрация алюминиево-воздушных топливных элементов в дорожном транспортном средстве» . Серия технических документов SAE . Том. 1. Papers.sae.org. дои : 10.4271/891690 . Проверено 28 апреля 2014 г.
- ^ Подключаемое шоссе. Архивировано 29 октября 2013 г. в Wayback Machine .
- ^ «Финергия, Дом» . Phinergy.com . Проверено 29 апреля 2014 г.
- ^ Корпоративное видео Phinergy на YouTube.
- ^ Эдельштейн, Стивен. «Разработчик алюминиево-воздушных аккумуляторов Phinergy сотрудничает с Alcoa» . Greencarreports.com . Проверено 28 апреля 2014 г.
- ^ Перейти обратно: а б Браун, Ричард (3 февраля 2020 г.). «Аль-Эйр: лучший аккумулятор для электромобилей?» . Автомобильная логистика . Проверено 14 мая 2021 г.
- ^ «Путеводитель по финансам Великобритании – новости о кредитах и финансах в Великобритании» . Архивировано из оригинала 3 января 2007 года.
- ^ «Алюмовоздушные аккумуляторы – меняют правила игры или обманывают?», Домой . www.sparkanalytics.co. Архивировано из оригинала 13 декабря 2021 г. Проверено 13 декабря 2021 г.
- ^ «АлюмаПауэр» . AlumaPower.com . Проверено 12 июня 2023 г.
- ^ «Phinergy Marine, Дом» . Phinergy.com . Проверено 24 апреля 2020 г.
- ^ «РиАлАиР, Дом» . rialair.com . Проверено 24 апреля 2020 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Алюминиевая батарея из Стэнфорда предлагает безопасную альтернативу обычным батареям
- Алюминиевая батарея может зарядить телефон за одну минуту, говорят ученые
- Простой самодельный алюминиево-воздушный аккумулятор
