Металл-воздух электрохимическая ячейка представляет собой гальванический элемент , который использует анод , изготовленный из чистого металла и внешнего катода окружающего воздуха, как правило , с использованием водным или апротонным электролитом . [1] [2] Во время разряда электрохимического элемента металл-воздух в катоде из окружающего воздуха происходит реакция восстановления, в то время как металлический анод окисляется . Удельная емкость и удельная энергия электрохимических элементов металл-воздух выше, чем у литий-ионных батарей , что делает их главным кандидатом для использования в электромобилях.. Однако сложности, связанные с металлическими анодами, катализаторами и электролитами, препятствовали разработке и внедрению металл-воздушных батарей [3] [4], хотя есть некоторые коммерческие применения.
Типы
Металло-воздушная батарея | Теоретическая удельная энергия, Втч / кг (включая кислород) | Теоретическая удельная энергия, Втч / кг (без кислорода) | Расчетное напряжение холостого хода, В |
---|---|---|---|
Алюминий – воздух | 4300 [5] | 8140 [6] | 1.2 |
Германий –воздушный | 1480 | 7850 | 1 |
Кальций – воздух | 2990 | 4180 | 3,12 |
Железо – воздух | 1431 | 2044 | 1.3 |
Литий-воздушный | 5210 | 11140 | 2,91 |
Магний – воздух | 2789 | 6462 | 2,93 |
Калий – воздух | 935 [7] [8] | 1700 [Примечание 1] | 2,48 [7] [8] |
Натрий- воздух | 1677 | 2260 | 2.3 [9] [10] |
Кремний – воздух | 4217 | 9036 | 1,6 [11] |
Олово – воздух при 1000 К [12] | 860 | 6250 | 0,95 |
Цинк – воздух | 1090 | 1350 | 1,65 |
Литий-воздушный
Удивительно высокая плотность энергии из металлического лития (до 3458 Вт · ч / кг) вдохновил дизайн литий-воздушных батарей. Литий-воздушная батарея состоит из твердого литиевого электрода, электролита, окружающего этот электрод, и электрода из окружающего воздуха, содержащего кислород. Текущие литий-воздушные батареи можно разделить на четыре подкатегории в зависимости от используемого электролита и последующей архитектуры электрохимических элементов. Эти категории электролитов бывают апротонными, водными , смешанными водно-апротонными и твердыми, и все они обладают своими собственными преимуществами и недостатками. [13] Тем не менее, эффективность литий-воздушных батарей по-прежнему ограничена неполным разрядом на катоде, превышением напряжения заряда, превышающим перенапряжение разряда , и стабильностью компонентов. [14] Во время разряда литий-воздушных батарей образующийся супероксид-ион (O 2 - ) вступает в реакцию с электролитом или другими компонентами ячейки и препятствует перезарядке батареи. [15]
Натрий – воздух
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, претерпевающего вредные вторичные реакции. Поскольку NaO 2 обратимо разлагается обратно на элементарные компоненты, это означает, что натриево-воздушные батареи обладают некоторой внутренней емкостью, которую необходимо перезаряжать. [16] Натриево-воздушные батареи могут работать только с апротонными безводными электролитами. Когда электролит ДМСО был стабилизирован трифторметансульфонимидом натрия, была получена самая высокая циклическая стабильность натрий-воздушной батареи (150 циклов). [17]
Калий – воздух
Калийно-воздушные батареи были также предложены в надежде преодолеть нестабильность батареи, связанную с супероксидом в литий-воздушных батареях. Хотя с калийно-воздушными батареями когда-либо было достигнуто всего два-три цикла заряда-разряда, они предлагают исключительно низкую разницу перенапряжения, составляющую всего 50 мВ. [18]
Цинк – воздух
Воздушно-цинковые батареи используются в слуховых аппаратах и пленочных фотоаппаратах.
Магний – воздух
Кальций – воздух
Алюминий – воздух
Железо-воздух
Перезаряжаемые железо-воздушные батареи представляют собой привлекательную технологию с потенциалом хранения энергии в масштабе сети. Основным сырьем для этой технологии является оксид железа (ржавчина), который является обильным, нетоксичным, недорогим и экологически чистым. [21] В большинстве разрабатываемых сейчас батарей используется оксид железа (в основном порошки) для производства / хранения водорода посредством реакции восстановления / окисления (окислительно-восстановительного) Fe / FeO (Fe + H 2 O ⇌ FeO + H 2 ). [22] В сочетании с топливным элементом это позволяет системе вести себя как перезаряжаемая батарея, создавая H 2 O / H 2 за счет производства / потребления электроэнергии. [23] Кроме того, эта технология оказывает минимальное воздействие на окружающую среду, поскольку ее можно использовать для хранения энергии от непостоянных источников солнечной и ветровой энергии, создавая энергетическую систему с низким уровнем выбросов углекислого газа.
Принцип работы системы может начинаться с использования окислительно-восстановительной реакции Fe / FeO, затем водород, образующийся при окислении железа, может потребляться топливным элементом в сочетании с кислородом из воздуха для создания электричества. Когда необходимо хранить электричество, водород, генерируемый из воды при работе топливного элемента в обратном направлении, расходуется во время восстановления оксида железа до металлического железа. [22] [23] Комбинация обоих этих циклов - это то, что заставляет систему работать как железо-воздушная аккумуляторная батарея.
Ограничения этой технологии связаны с используемыми материалами. Обычно выбирают слои порошка оксида железа, однако быстрое спекание и измельчение порошков ограничивают возможность достижения большого количества циклов, что приводит к более низкой производительности. Другие методы в настоящее время ведется расследование, такие как 3D - печати [24] и заморозить литья , [25] [26] стремятся обеспечить создание архитектуры материалов для обеспечения высокой площадью поверхности и объемных изменений в процессе окислительно - восстановительной реакции.
Кремний – воздух
Смотрите также
- Литий-серная батарея
Заметки
- ^ Рассчитано на основе значения удельной плотности энергии (включая кислород) и данных по атомной массе 39,1 и 16 для K и O соответственно для KO 2 .
Рекомендации
- ^ "Металлический воздух" . 27 декабря 2010 года Архивировано из оригинала на 2010-12-27.
- ^ «Металло-воздушные батареи, литий, алюминий, цинк и углерод» (PDF) . Проверено 4 апреля 2013 .
- ^ Li, Y .; Лу, Дж. (2017). "Металло-воздушные батареи: станут ли они предпочтительным электрохимическим накопителем энергии в будущем?" . ACS Energy Letters . 2 (6): 1370–1377. DOI : 10.1021 / acsenergylett.7b00119 . ОСТИ 1373737 .
- ^ Чжан, X .; Ван, X .; Xie, Z .; Чжоу, З. (2016). «Последние достижения в области перезаряжаемых щелочно-металлических-воздушных батарей» . Зеленая энергия и окружающая среда . 1 (1): 4–17. DOI : 10.1016 / j.gee.2016.04.004 .
- ^ «Электрически перезаряжаемые металл-воздушные батареи (ЭРМАБ)» . Архивировано из оригинала 3 марта 2016 года . Проверено 25 марта 2012 года .
- ^ «Батареи для концентраторов кислорода» . NASA.gov . Архивировано из оригинального 26 февраля 2014 года.
- ^ а б У, Иин; Рен, Сяоди (2013). «Калийно-кислородная батарея с низким перенапряжением на основе супероксида калия» . Журнал Американского химического общества . 135 (8): 2923–2926. DOI : 10.1021 / ja312059q . PMID 23402300 .
- ^ а б Рен, Сяоди; У, Иин (2013). «Калийно-кислородная батарея с низким перенапряжением на основе супероксида калия». Журнал Американского химического общества . 135 (8): 2923–2926. DOI : 10.1021 / ja312059q . PMID 23402300 .
- ^ Сунь, Цянь (2012). «Электрохимические свойства натриево-воздушных батарей комнатной температуры с неводным электролитом». Электрохимические коммуникации . 16 : 22–25. DOI : 10.1016 / j.elecom.2011.12.019 .
- ^ «BASF исследует натриево-воздушные батареи как альтернативу литий-воздушным; заявка на патент подана в USPTO» . Конгресс зеленых автомобилей .
- ^ Durmus, YE; Асланбас, О .; Kayser, S .; Tempel, H .; Hausen, F .; де Хаарт, LGJ; Granwehr, J .; Ein-Eli, Y .; Eichel, R.-A .; Кунгл, Х. (2017). «Длительный разряд, производительность и эффективность первичных кремниево-воздушных элементов со щелочным электролитом». Electrochimica Acta . 225 : 215–224. DOI : 10.1016 / j.electacta.2016.12.120 .
- ^ Джу, ХёнКук; Ли, Джэён (2015). «Высокая температура жидкости энергия Sn-воздушная камера хранения» . Журнал энергетической химии . 24 (5): 614–619. DOI : 10.1016 / j.jechem.2015.08.006 .
- ^ Girishkumar, G .; Макклоски, Б .; Luntz, C .; Swanson, S .; Вилке, В. (2010). «Литий-воздушная батарея: перспективы и проблемы». Журнал писем по физической химии . 1 (14): 2193–2203. DOI : 10.1021 / jz1005384 .
- ^ Крайцберг, Александр; Эйн-Эли, Яир (2011). «Обзор литий-воздушных аккумуляторов - возможности, ограничения и перспективы». Журнал источников энергии . 196 (3): 886–893. Bibcode : 2011JPS ... 196..886K . DOI : 10.1016 / j.jpowsour.2010.09.031 .
- ^ Зыга, Лиза. «Натриево-воздушная батарея предлагает перезаряжаемые преимущества по сравнению с литий-воздушными батареями» . Phys.org . Проверено 1 марта 2018 .
- ^ Hartmann, P .; Бендер, Ц .; Vracar, M .; Durr, A .; Garsuch, A .; Janek, J .; Адельхельм П. (2012). «Перезаряжаемый супероксид натрия (NaO2), работающий при комнатной температуре». Письма о материалах природы . 12 (1): 228–232. Bibcode : 2013NatMa..12..228H . DOI : 10.1038 / NMAT3486 . PMID 23202372 .
- ^ Он, М .; Lau, K .; Ren, X .; Xiao, N .; McCulloch, W .; Curtiss, L .; Ву, Ю. (2016). «Концентрированный электролит для натрий-кислородной батареи: структура сольватации и увеличенный срок службы» . Angewandte Chemie . 55 (49): 15310–15314. DOI : 10.1002 / anie.201608607 . ОСТИ 1352612 . PMID 27809386 .
- ^ Ren, X .; Ву, Ю. (2013). «Калийно-кислородная батарея с низким перенапряжением на основе супероксида калия». Журнал Американского химического общества . 135 (8): 2923–2926. DOI : 10.1021 / ja312059q . PMID 23402300 .
- ^ Шига, Тору; Като, Юичи; Хасэ, Йоко (27.06.2017). «Соединение нитроксильного радикала в качестве катализатора электрохимической зарядки и ионной жидкости для гальванического покрытия / удаления кальция с перезаряжаемой кальциево-кислородной батареей» . Журнал Материалы ХИМИИ . 5 (25): 13212–13219. DOI : 10.1039 / C7TA03422A . ISSN 2050-7496 .
- ^ Рейнсберг, Филипп; Bondue, Christoph J .; Балтрушат, Гельмут (2016-10-06). «Кальций-кислородные батареи как перспективная альтернатива натриево-кислородным батареям» . Журнал физической химии C . 120 (39): 22179–22185. DOI : 10.1021 / acs.jpcc.6b06674 . ISSN 1932-7447 .
- ^ Нараянан, SR; Пракаш, Г. К. Сурья; Manohar, A .; Ян, Бо; Malkhandi, S .; Киндлер, Эндрю (2012-05-28). «Проблемы материалов и технические подходы для реализации недорогих и надежных железо-воздушных батарей для крупномасштабного хранения энергии». Ионика твердого тела . "Fuel Cells-Energy Conversion" Труды симпозиума X EMRS Spring Meeting 2011П-MRS / MRS ДВУСТОРОННЕЕ конференция по энергетике " , состоявшейся в EMRS 2011 SPRING ЗАСЕДАНИИ IUMRS ICAM 2011. 216 : 105-109. DOI : 10.1016 / у. ssi.2011.12.002 .
- ^ а б Requies, J .; Гуэмез, МБ; Гил, С. Перес; Barrio, VL; Cambra, JF; Искьердо, штат Вашингтон; Ариас, Польша (19 апреля 2013 г.). «Природные и синтетические оксиды железа для хранения и очистки водорода». Журнал материаловедения . 48 (14): 4813–4822. Bibcode : 2013JMatS..48.4813R . DOI : 10.1007 / s10853-013-7377-7 . ISSN 0022-2461 .
- ^ а б Джу, Ён-Ван; Ида, Синтаро; Инагаки, Тору; Исихара, Тацуми (01.08.2011). «Поведение при повторном окислении биметаллической анодной подложки Ni – Fe в твердооксидных топливных элементах с использованием тонкого пленочного электролита на основе LaGaO3». Журнал источников энергии . 196 (15): 6062–6069. Bibcode : 2011JPS ... 196.6062J . DOI : 10.1016 / j.jpowsour.2011.03.086 .
- ^ Jakus, Adam E .; Тейлор, Шеннон Л .; Geisendorfer, Nicholas R .; Дананд, Дэвид С .; Шах, Рамиль Н. (01.12.2015). «Металлические конструкции из порошковых жидких красок на основе 3D-печати». Современные функциональные материалы . 25 (45): 6985–6995. DOI : 10.1002 / adfm.201503921 . ISSN 1616-3028 .
- ^ Сепульведа, Ранье; Plunk, Amelia A .; Дананд, Дэвид К. (2015-03-01). «Микроструктура каркасов из Fe2O3, созданная литьем вымораживанием и спеканием». Материалы Письма . 142 : 56–59. DOI : 10.1016 / j.matlet.2014.11.155 .
- ^ Durán, P .; Lachén, J .; Plou, J .; Sepúlveda, R .; Herguido, J .; Пенья, Дж. А (16 ноября 2016 г.). «Поведение оксида железа литья при вымораживании для очистки потоков водорода паро-чугунным процессом». Международный журнал водородной энергетики . 5-й Иберийский симпозиум по водороду, топливным элементам и усовершенствованным батареям (HYCELTEC 2015), 5–8 июля 2015 г., Тенерифе, Испания. 41 (43): 19518–19524. DOI : 10.1016 / j.ijhydene.2016.06.062 .
Внешние ссылки
- Металло-воздушная высокотемпературная батарея