Алюминий-воздушные батареи (Al-воздушные батареи) производства электроэнергии из реакции кислорода в воздухе 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 анодов и удалением побочных продуктов при использовании традиционных электролитов. Это ограничило их использование в основном в военных целях. Однако электромобиль с алюминиевыми батареями имеет потенциал в восемь раз больший запас хода, чем литий-ионный аккумулятор, при значительно меньшем общем весе. [1]
Удельная энергия | 1300 (практическая), 6000/8000 (теоретическая) Вт · ч / кг [1] |
---|---|
Плотность энергии | N / A |
Удельная мощность | 200 Вт / кг |
Номинальное напряжение ячейки | 1,2 В |
Алюминиево-воздушные батареи являются первичными , т. Е. Неперезаряжаемыми. Когда 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 вырабатывать электричество. Однако можно механически перезарядить аккумулятор с новыми алюминиевыми анодами, изготовленными из вторичного использования гидратированного оксида алюминия. Такая переработка была бы необходима, если бы алюминиево-воздушные батареи получили широкое распространение.
Обсуждение автомобилей с алюминиевым приводом ведется уже несколько десятилетий. [2] Гибридизация снижает затраты, и в 1989 году сообщалось о дорожных испытаниях гибридной алюминиево-воздушной / свинцово-кислотной батареи в электромобиле. [3] Подключаемый гибридный минивэн с алюминиевым двигателем был продемонстрирован в Онтарио в 1990 году. [4]
В марте 2013 года компания Phinergy [5] выпустила видеодемонстрацию электромобиля с алюминиево-воздушными ячейками, проехавшего 330 км с использованием специального катода и гидроксида калия. [6] 27 мая 2013 года в вечернем выпуске новостей израильского канала 10 был показан автомобиль с аккумулятором Phinergy в задней части, требующий дальности действия 2000 километров (1200 миль), прежде чем потребуется замена алюминиевых анодов. [7]
Электрохимия
Анодного окисления полуреакция является Al + 3OH-
→ Al (ОН)
3+ 3e - +2,31 В.
Катода уменьшение наполовину реакции O
2+ 2H
2O + 4e - → 4OH-
+0,40 В.
Общая реакция 4Al + 3O
2+ 6H
2О → 4Al (ОН)
3 +2,71 В.
Эти реакции создают разность потенциалов около 1,2 вольт, и это достижимо на практике при использовании гидроксида калия в качестве электролита. Электролит с соленой водой достигает примерно 0,7 В на элемент.
Удельное напряжение ячейки может варьироваться в зависимости от состава электролита, а также от структуры и материалов катода.
Аналогичным образом можно использовать и другие металлы, такие как литий-воздух , цинк-воздух , марганец-воздух и натрий-воздух, некоторые с более высокой плотностью энергии. Однако алюминий привлекателен как наиболее прочный металл. [8]
Коммерциализация
вопросы
Алюминий как «топливо» для транспортных средств изучалось Янгом и Никлем. [1] В 2002 году они пришли к выводу:
Система алюминиево-воздушной аккумуляторной батареи может генерировать достаточно энергии и мощности для диапазона движения и ускорения, аналогично автомобилям с бензиновым двигателем ... стоимость алюминия в качестве анода может составлять всего 1,1 доллара США / кг, если продукт реакции используется повторно. . Общая топливная эффективность в процессе цикла в электромобилях (электромобилях) с воздухом / воздухом может составлять 15% (текущий этап) или 20% (прогноз), что сравнимо с КПД автомобилей с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) (13%). Расчетная плотность энергии батареи составляет 1300 Втч / кг (в настоящее время) или 2000 Втч / кг (прогнозируется). Стоимость аккумуляторной системы, выбранной для оценки, составляет 30 долларов США / кВт (текущая) или 29 долларов США / кВт (прогнозируемая). Был проведен анализ жизненного цикла электролизеров на основе алюминия / воздуха и проведено сравнение свинцово-кислотных и никель-металлгидридных (NiMH) электромобилей. Можно спроектировать, что только электромобили с воздушным / воздушным двигателем будут иметь дальность хода, сопоставимую с ДВС. Согласно этому анализу, электромобили с воздушным / воздушным транспортом являются наиболее многообещающими кандидатами по сравнению с двигателями внутреннего сгорания с точки зрения дальности поездки, закупочной цены, стоимости топлива и стоимости жизненного цикла.
Остается решить технические проблемы, чтобы сделать воздушно-воздушные батареи пригодными для электромобилей. Аноды из чистого алюминия корродируют электролитом, поэтому алюминий обычно легирован оловом или другими элементами. Гидратированный оксид алюминия, который образуется в результате реакции в ячейке, образует гелеобразное вещество на аноде и снижает выработку электроэнергии. Этот вопрос решается в ходе разработки алюминиево-воздушных ячеек. Например, были разработаны добавки, которые образуют 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 ПТФЭ , предотвращающей утечку электролита. Кислород в воздухе проходит через ПТФЭ, а затем вступает в реакцию с водой с образованием гидроксид-ионов. Эти катоды работают хорошо, но могут быть дорогими.
Традиционные алюмо -воздушные батареи имели ограниченный срок хранения [9], потому что алюминий вступал в реакцию с электролитом и выделял водород, когда батарея не использовалась, хотя это уже не относится к современным конструкциям. Этой проблемы можно избежать, если хранить электролит в резервуаре вне батареи и передавать его в батарею, когда он необходим для использования.
Эти батареи могут использоваться, например, как резервные батареи в телефонных станциях и как резервные источники питания .
Алюминиево-воздушные батареи могут стать эффективным решением для морских применений из-за их высокой плотности энергии, низкой стоимости и большого количества алюминия при отсутствии выбросов в месте использования (лодки и корабли). Phinergy Marine , [10] RiAlAiR [11] и несколько других коммерческих компаний работают над коммерческими и военными приложениями в морской среде.
В настоящее время ведутся исследования и разработки альтернативных, более безопасных и эффективных электролитов, таких как органические растворители и ионные жидкости. [8]
Смотрите также
Рекомендации
- ^ a b c Ян, С. (2002). «Проектирование и анализ системы аккумуляторных батарей алюминий / воздух для электромобилей». Журнал источников энергии . 112 : 162–201. Bibcode : 2002JPS ... 112..162Y . DOI : 10.1016 / S0378-7753 (02) 00370-1 .
- ^ «Алюминиево-воздушная батарея» . Papers.sae.org . Проверено 28 апреля 2014 .
- ^ «Демонстрация алюминиево-воздушных топливных элементов в дорожном транспортном средстве» . Papers.sae.org . Проверено 28 апреля 2014 .
- ^ Подключаемый модуль шоссе. Архивировано 29 октября 2013 г. на Wayback Machine .
- ^ «Финергия, Дом» . Phinergy.com . Проверено 29 апреля 2014 .
- ^ Корпоративное видео Phinergy на YouTube
- ^ Эдельштейн, Стивен. «Компания Phinergy, занимающаяся разработкой алюминиево-воздушных аккумуляторов, сотрудничает с Alcoa» . Greencarreports.com . Проверено 28 апреля 2014 .
- ^ а б Браун, Ричард (3 февраля 2020 г.). "Аль-воздух: лучший аккумулятор для электромобилей?" . Автомобильная логистика . Дата обращения 14 мая 2021 .
- ^ «Руководство по финансам Великобритании - Новости ссуд и финансов в Великобритании» . Архивировано из оригинала 3 января 2007 года.
- ^ «Финэджи Марин, Дом» . Phinergy.com . Проверено 24 апреля 2020 .
- ^ «РиАлАиР, Дом» . rialair.com . Проверено 24 апреля 2020 .
Внешние ссылки
- Алюминиевая батарея из Стэнфорда - безопасная альтернатива обычным батареям
- Алюминиевый аккумулятор может зарядить телефон за одну минуту, утверждают ученые
- Простой самодельный алюминиево-воздушный аккумулятор