Az alumínium{0}}levegő akkumulátor rövid bemutatása
Hagyjon üzenetet
Alumínium-levegő akkumulátorok(Al-levegő akkumulátorok) villamos energiát termelnek a levegő oxigénjének alumíniummal való reakciójából. Az összes akkumulátor közül az egyik legnagyobb energiasűrűséggel rendelkeznek, de nem használják őket széles körben a magas anódköltségek és a hagyományos elektrolitok használata során keletkező melléktermékek eltávolítása miatt. Ez elsősorban katonai alkalmazásokra korlátozta használatukat. Az alumínium akkumulátorokkal felszerelt elektromos jármű azonban akár nyolcszor nagyobb hatótávolságot is kínál, mint egy lítium--ion akkumulátor, lényegesen kisebb össztömeg mellett.
Az alumínium-levegő akkumulátorok primer cellák, azaz nem -újratölthetők. Miután az alumínium anódot a légköri oxigénnel való reakciója elhasználja egy víz-alapú elektrolitba merített katódon, és így hidratált alumínium-oxid keletkezik, az akkumulátor már nem termel áramot. Lehetőség van azonban az akkumulátor mechanikus újratöltésére a hidratált alumínium-oxid újrahasznosításából készült új alumínium anódokkal. Az ilyen újrahasznosítás elengedhetetlen lenne, ha az alumínium-levegő akkumulátorokat széles körben alkalmaznák.
Az alumínium{0}}meghajtású járművekről már évtizedek óta vita folyik. A hibridizáció csökkenti a költségeket, és 1989-ben egy elektromos járműben lévő hibrid alumínium-levegő/ólom-savas akkumulátor közúti tesztjeiről számoltak be. 1990-ben Ontarióban mutattak be egy alumínium-motoros dugós-hibrid kisteherautót.
2013 márciusában a Phinergy videobemutatót adott ki egy alumínium-levegő cellákat használó elektromos autóról, amelyet speciális katóddal és kálium-hidroxiddal hajtottak meg 330 km-t. 2013. május 27-én az izraeli 10-es csatorna esti híradása egy Phinergy akkumulátorral felszerelt autót mutatott be, amely 2000 kilométeres hatótávolságot követel az alumínium anódok cseréje előtt.
Elektrokémia
Az anód oxidációs félreakciója Al + 3OH− → Al(OH)3 + 3e− -2.31 V.
A katódredukciós fel{0}}reakció O2 + 2H2O + 4e−→ 4OH−
+0.40 V.
A teljes reakció 4Al + 3O2 + 6H2O → 4Al(OH)3 +2.71 V.
Körülbelül 1,2 voltos potenciálkülönbség keletkezik ezeknek a reakcióknak, és ez a gyakorlatban elérhető, ha kálium-hidroxidot használnak elektrolitként. A sósvíz elektrolit cellánként körülbelül 0,7 voltot ér el.
A cella fajlagos feszültsége az elektrolit összetételétől, valamint a katód szerkezetétől és anyagaitól függően változhat.
Más fémek is használhatók hasonló módon, mint például a lítium-levegő, a cink-levegő, a mangán-levegő és a nátrium-levegő, amelyek közül néhány nagyobb energiasűrűséggel rendelkezik. Az alumínium azonban vonzó, mint a legstabilabb fém.
| Fajlagos energia | 1300 (gyakorlati), 6000/8000 (elméleti) W·h/kg |
|---|---|
| Energiasűrűség | N/A |
| Fajlagos teljesítmény | 200 W/kg |
| Névleges cellafeszültség | 1.2 V |
Anód
Az alumíniumot (Al) széles körben használják fém{0}}levegőakkumulátorok anódanyagaként nagy energiasűrűsége, újrahasznosíthatósága és bősége miatt. Az Al-anódokkal kapcsolatos kihívások közé tartozik azonban a korrózió és a passziváció. A kereskedelemben kapható alumínium szennyeződései olyan rétegek kialakulásához vezetnek, amelyek rontják a teljesítményt. A korróziós reakciók során hidrogén keletkezik, és alumínium-hidroxidok képződnek, míg a levegő vagy víz hatásának kitett oxidfilm képződése tovább korlátozza a funkcionalitást.
Az Al-anód teljesítményének javítása magában foglalja a szemcseméret és a kristály orientáció optimalizálását, mivel a finomabb szemcsés szerkezetek javítják a korrózióállóságot és az elektrokémiai aktivitást. Fan és Lu tanulmánya a szemcseméret és az anód teljesítménye közötti összefüggést vizsgálta. Ebben a tanulmányban finomabb szemcseméretű alumínium anódokat hoztak létre az Equal Channel Angular Pressing (ECAP) nevű módszerrel. Az extrudálási menetek számának növekedésével a szemcsék kisebbek és egyenletesebbek lettek. Az eljárásnak azonban korlátai voltak a deformációból származó hő miatt, amely némi szemcsenövekedést okozott. Az eredmények azt mutatták, hogy a szemcseméret finomítása javította az anód elektrokémiai aktivitását, csökkentette a korróziót, valamint megnövelte a polarizációs és töltésátviteli ellenállást. A tesztek megerősítették, hogy a finom szemcsés anód jobban teljesített, mint a nagyobb szemcsés anód. A finom -szemcsés szerkezet jobb korróziógátló -tulajdonságokat és megnövelt akkumulátorteljesítményt is biztosít 4 mol/l-es NaOH-oldatban. 10 mA/cm áramsűrűség mellett2, a finomszemcsés anód kapacitássűrűsége 41,5%-kal, energiasűrűsége pedig 55,5%-kal nőtt a durva-szemcsés anódhoz képest. A mikrostruktúra optimalizálása mellett az anódok feldolgozása is befolyásolhatja a teljesítményt. A lézeres szintereléssel készült anódok kapacitása megnövekedett a nem-szinterezett mintákhoz képest, ami rávilágít az anód feldolgozásának fontosságára az anód teljesítménye szempontjából.
A mikrostruktúra finomítása és a jobb feldolgozási módszerek kifejlesztése mellett az Al ötvözete olyan elemekkel, mint a Ga, Zn és Sn segít csökkenteni a korróziót és a hidrogénfejlődést. A cinket különösen széles körben ismerik el az Al-levegő akkumulátor anódok előnyös ötvözőelemeként, mivel segít csökkenteni az ön-korróziós sebességet és növeli a cella névleges feszültségét. Park, Choi és Kim tanulmánya azonban rávilágít egy hátrányra: a cink hozzáadása valójában csökkentheti az anód kisülési teljesítményét lúgos oldatokban az anódos polarizáció során fellépő passzivációs hatások miatt. Pontosabban, a Zn elősegíti kétféle oxidációs film képződését. Az első, 1-es típusú film egy porózus réteg, amely Zn(OH)-ból áll.2és hibás ZnO, amely oldott Zn(OH)42-kicsapódik az ömlesztett elektrolitból. A második, 2-es típusú fólia egy kompakt, védő ZnO réteg, amely közvetlenül a fémfelület oxidációjából képződik, és stabilabb. Ez a 2-es típusú fólia passzivációs réteget hoz létre, amely rontja az Al-levegő akkumulátor kisütési teljesítményét. Az indium (In) hozzáadása azonban segít lebontani és destabilizálni ezt a passzív Zn-réteget. Az In-ionok ismételten hibákat okoznak a 2-es típusú fólián belül a lebomlás és az újra{8}}passziválás során, hatékonyan gyengítve a védőgátat és javítva az akkumulátor kisülési hatékonyságát. Ennek eredményeként az Al-Zn-Terner ötvözetből készült anód használata, amelyet a drága, nagy tisztaságú alumínium helyett a kereskedelemben kapható alumíniumból állítanak elő, költséghatékony megoldást{13}} kínál jobb teljesítménnyel.
A réz-leválasztott Al-ötvözetek anódanyagként is ígéretesnek bizonyultak, védőrétegeket képezve, amelyek csökkentik a hidrogénfejlődést és javítják a kisülési teljesítményt. Mutlu és Yazıcı tanulmánya azt mutatja, hogy a réz elektromos leválasztása segít csökkenteni az alumínium anódok töltési{2}átviteli ellenállását. Ennek az az oka, hogy bizonyos vegyületek (például Al(OH)2+, Al7(OH)174+, Al2(OH)24+és Al13(OH)345+) felhalmozódnak a felületen, és ellenállást keltenek. Ezzel szemben az Al(OH)3lúgos oldatokban oldódik, Al(OH)4-, amelynek kisebb az oldódási sebessége, és fenntartja az egyensúlyt az Al(OH) és az Al(OH) között4-. A réz segít eltávolítani ezeket a vegyületeket a felületről, csökkenti az ellenállást és javítja a kisülési teljesítményt. Ezenkívül az alumínium-oxid ellenállása nagyobb, mint a réz-alumínium kombinációé, így a réz csökkenti a fólia ellenállását és tartósabbá teszi azt. Összességében az ötvözetek összetételének és gyártási módszereinek fejlesztése kritikus fontosságú az Al-anódok hatékonyságának és költséghatékonyságának maximalizálásához.
Kommercializáció
Yang és Knickle tanulmányozta az alumíniumot, mint a járművek "üzemanyagát". 2002-ben arra a következtetésre jutottak, hogy:
Az Al/levegő akkumulátorrendszer elegendő energiát és teljesítményt tud előállítani a távok megtételéhez és a gyorsuláshoz, hasonlóan a benzinüzemű autókhoz... az alumínium anód ára akár 1,1 USD/kg is lehet, amíg a reakcióterméket újrahasznosítják. A ciklusfolyamat során az Al/levegő elektromos járművek (EV-k) teljes üzemanyag-hatékonysága 15% (jelenlegi szakasz) vagy 20% (tervezett) lehet, ami összevethető a belső égésű motoros járművekkel (ICE) (13%). Az akkumulátor tervezési energiasűrűsége 1300 Wh/kg (jelenleg) vagy 2000 Wh/kg (tervezett). Az értékelésre kiválasztott akkumulátorrendszer ára 30 USD/kW (jelenleg) vagy 29 USD/kW (tervezett). Al/levegő elektromos járművek életciklus-elemzését{13}}végezték, és összehasonlították az ólom/sav és nikkel-fémhidrid (NiMH) elektromos járművekkel. Csak az Al/levegő EV-k hatótávolsága vetíthető össze az ICE-vel. Ebből az elemzésből az Al/air elektromos járművek a legígéretesebb jelöltek az ICE-ekhez képest az utazási távolság, a vételár, az üzemanyagköltség és az életciklus-költség tekintetében.
Az Al-air akkumulátorok elektromos járművekhez való alkalmassá tétele technikai problémákat még meg kell oldani. A tiszta alumíniumból készült anódokat az elektrolit korrodálja, ezért az alumíniumot általában ónnal vagy más elemekkel ötvözik. A sejtreakció során létrejövő hidratált alumínium-oxid gélszerű anyagot képez az anódon, és csökkenti a villamosenergia-kibocsátást. Ezzel a kérdéssel foglalkoznak az Al-levegő cellák fejlesztési munkája során. Például olyan adalékanyagokat fejlesztettek ki, amelyek az alumínium-oxidot por, nem pedig gél formájában képezik.
A modern levegőkatódok reaktív szénrétegből, nikkel-rácsáramgyűjtővel, katalizátorból (pl. kobaltból) és porózus hidrofób politetrafluoretilén fóliából állnak, amely megakadályozza az elektrolit szivárgását. A levegő oxigénje áthalad a politetrafluor-etilénen, majd reakcióba lép a vízzel, és hidroxidionokat hoz létre. Ezek a katódok jól működnek, de drágák lehetnek.
A hagyományos Al-air akkumulátorok élettartama korlátozott volt, mert az alumínium reakcióba lép az elektrolittal és hidrogént termelt, amikor az akkumulátort nem használták; ez már nem így van a modern kiviteleknél. A probléma elkerülhető, ha az elektrolitot az akkumulátoron kívüli tartályban tárolja, és amikor a használathoz szükséges, áthelyezi az akkumulátorba.
Ezek az akkumulátorok tartalék akkumulátorként használhatók telefonközpontokban és tartalék áramforrásként.
Egy másik probléma az anyagok költsége, amelyeket hozzá kell adni az akkumulátorhoz, hogy elkerüljük a teljesítmény csökkenését. Az alumínium még mindig nagyon olcsó az akkumulátorok építéséhez használt többi elemhez képest. Az alumínium kilogrammonként 2,51 dollárba kerül, míg a lítiumé 12,59 dollárba, a nikkelé pedig 17,12 dollárba kerül kilogrammonként. Azonban az alumínium levegőben a katódban katalizátorként használt másik elem az ezüst, amelynek kilogrammonkénti ára körülbelül 922 dollár (2024-es árakon).
Az alumínium-levegő akkumulátorok hatékony megoldást jelenthetnek a tengeri alkalmazásokhoz, mivel nagy energiasűrűségük, alacsony költségük és rengeteg alumíniumot tartalmaznak, a csónakokban és hajókban történő felhasználáskor nincs károsanyag-kibocsátás. AlumaPower, Phenergy Marine, Log 9 anyagok, RiAlAiR és számos más kereskedelmi vállalat dolgozik kereskedelmi és katonai alkalmazásokon a tengeri környezetben.
Kutatás és fejlesztés folyik alternatív, biztonságosabb és nagyobb teljesítményű elektrolitokon, például szerves oldószereken és ionos folyadékokon. Mások, például az AlumaPower, a mechanikai módszerekre összpontosítanak az Al-levegő akkumulátorokkal kapcsolatos számos történelmi probléma enyhítésére. Az AlumaPower szabadalma (US 10978758B2) egy olyan eljárást szemléltet, amely elforgatja az anódot, amely kiküszöböli az anód kopását és korrózióját. A szabadalom továbbá azt állítja, hogy a kialakítás bármilyen alumíniumhulladékot felhasználhat, beleértve az újraolvasztott üdítős kannákat és a motorblokkokat is.
