Аллюминий-ионные батареи могут заменить литий-ионные? Алюминиевый аккумулятор


Алюминиевая батарея — отличное дополнение для электромобиля / Geektimes

Компания Phinergy первой в мире сумела изготовить воздушно-алюминиевую батарею, пригодную для эксплуатации в автомобиле. 100-килограммовая батарея Al-Air содержит достаточно энергии, чтобы обеспечить 3000 км хода компактного легкового автомобиля. Phinergy провела демонстрацию технологии с Citroen C1 и упрощённой версией батареи (50 пластин по 500 г, в корпусе, наполненном водой). Машина проехала 1800 км на одном заряде, останавливаясь только для пополнения запасов воды — расходуемого электролита (видео). Алюминий не заменит литий-ионные аккумуляторы (он не заряжается от розетки), но великолепно дополняет их. Ведь 95% поездок автомобиль совершает на короткие расстояния, где достаточно стандартных аккумуляторов. Дополнительная батарея обеспечивает бэкап на случай, если аккумулятор разрядился или если нужно далеко ехать.

Воздушно-алюминиевая батарея генерирует ток за счёт химической реакции металла с кислородом из окружающего воздуха. Алюминиевая пластина — анод. С двух сторон ячейка покрыта пористым материалом с серебряным катализатором, который фильтрует CO2. Металлические элементы медленно деградируют до Al(OH)3.

Химическая формула реакции выглядит так:

4 Al + 3 O2 + 6 h3O = 4 Al(OH)3 + 2,71 В

Это не какая-то сенсационная новинка, а хорошо известная технология. Её давно используют военные, поскольку такие элементы обеспечивают исключительно большую плотность энергии. Но раньше инженерам никак не удавалось решить проблему с фильтрацией CO2 и сопутствующей карбонизацией. Компания Phinergy утверждает, что решила проблему и уже в 2017 году можно производить алюминиевые батареи для электромобилей (и не только для них).

Литий-ионные аккумуляторы Tesla Model S весят около 1000 кг и обеспечивают пробег 500 км (в идеальных условиях, в реальности 180-480 км). Скажем, если сократить их до 900 кг и добавить алюминиевую батарею, то масса машины не изменится. Дальность хода от аккумулятора снизится на 10-20%, зато максимальный пробег без зарядки увеличится аж до 3180-3480 км! Можно доехать от Москвы до Парижа, и ещё что-то останется.

В чём-то это похоже на концепцию гибридного автомобиля, но здесь не требуется дорогой и громоздкий двигатель внутреннего сгорания.

Недостаток технологии очевиден — воздушно-алюминиевую батарею придётся менять в сервисном центре. Наверное, раз в год или чаще. Впрочем, это вполне заурядная процедура. Компания Tesla Motors в прошлом году показывала, как аккумуляторы Model S меняют за 90 секунд (любительское видео).

Другие недостатки — энергозатратность производства и, возможно, высокая цена. Изготовление и переработка алюминиевых батарей требует большого количества энергии. То есть с экологической точки зрения их использование только повышает общее потребление электроэнергии во всей экономике. Но зато потребление более оптимально распределяется — оно уходит из крупных городов в отдалённые районы с дешёвой энергией, там находятся ГЭС и металлургические заводы.

Неизвестно и то, сколько будут стоить такие элементы питания. Хотя сам алюминий — дешёвый металл, но катод содержит дорогое серебро. Phinergy не рассказывает, как именно изготовляет запатентованный катализатор. Возможно, это сложный техпроцесс.

Но при всех своих недостатках воздушно-алюминиевая батарея всё равно кажется очень удобным дополнением к электромобилю. По крайней мере, как временное решение на ближайшие годы (десятилетия?), пока не исчезнет проблема ёмкости аккумуляторов.

В Phinergy, тем временем, экспериментируют с «перезаряжаемой» воздушно-цинковой батареей. Она вообще работает тысячи часов без особой химической деградации, поскольку окисление цинка — обратимый процесс.

Похожие научные разработки ведутся и в России.

geektimes.ru

Хлор алюминиевая батарейка с белизной

Александр Пехов — разработчик газовых аккумуляторов и топливных элементов снял видео про изготовление хлор-алюминиевого аккумулятора. На идею такой батареи автор натолкнулся случайно ходе экспериментов со сменой различных электролитов. Мысль пришла к нему в процессе зарядки на основе поваренной соли. Образуется хлор и едкий натр. Предположительно, натрий является минусом. Если залить вместо поваренной соли раствор едкого натрия, с хлором. Да, возможно что-то получится.Так и был найден способ изготовления хлор алюминиевого аккумулятора.

Хлор-алюминиевый аккумулятор

Первая экспериментальная модель собрана на скорую руку, но показала себя неплохо в работе. Фонарик светится уже в течении двух недель.

Что такое хлор алюминиевая батарея.Изучая опыт других экспериментатор в интернете, мастер обнаружил разработку такой батареи, запатентованную в семидесятых годах в США.

Конструкция и работа устройства. Работает на простом домашнем отбеливателем, белизне. На таком электролите можно сделать замечательные аккумуляторы.Алюминий в таком растворе не разрушается, за две недели образуется только кристаллики. При этом происходит заряд разряд.

1

Стакан, графитовый электрод, на него намотана обычная бумага. Спиралька из крученой проволоки. Блокинг-генератор в коробке из киндера. 1 элемента не потянет светодиод, поэтому нужен такой генератор.

Как собирается батарея. Заливаем белизну в стакан. Ждём, пока пропитается. Ждем, когда загорается светодиод. Это происходит практически сразу. Светодиод на 3 вольта. Какую вещь можно сделать с раствором поваренной соли. Но срок его работы будет не длительном. Отбеливатель кардинально превосходит по времени работы.

Хлор-алюминиевый аккумулятор

Посмотрим, сколько вольт выдает устройство. 1,5 вольта. Только 170 миллиампер.Мастер создал аккумулятор внушительных размеров. На ночь оставляет его включенным, утром в течении 5 минут заряжают. После зарядки устройства как-бы набирает обороты. Увеличивается вольтаж. Светит и без просадки целую ночь.

Длительные эксперименты пока не проводились. Необходимо узнать, насколько только хватит зарядки, сколько нужно алюминия, раствора.

Рассмотрим, как собрана одна ячейка аккумулятора. Конечно, если взять алюминиевый и графитовые пластины большой площади, уменьшив при этом расстояние между ними, то есть поставить мембрану, залить электролитом, увеличился бы ток и получился бы замечательный мощный аккумулятор. Если алюминия расходуется, то это будет механический перезаряжаемые устройство. Если не расходуется, то это будет просто а к б.

Как собрал элементы на скорую руку?

В наличии пластмассовая трубка. Один конец запаял пробкой от пластиковой бутылки. Для герметизации силикон. На другой стороне обрезанная горлышко. Сердцевина представляет из себя графитовый стержень, на него намотана бумага. Проклеена, чтобы не размазывается. Завернуто, чтобы электролита шел только через бумагу. Сверху скручена алюминиевая пружинка. Можно одеть трубку. В идеале желательно собрать из пластин. Пока неизвестно, будет ли разрушаться алюминий. Но эксперименты, проведённых течение 5 дней показал, что алюминий сохранил свою целостную структуру. Проверка показала, что не было никаких окислившихся или разъеденных белизной мест.

Из нескольких таких пластмассовых трубок, начиненных графитом и алюминием, залитых раствором, собрана одна большая аккумуляторная батарейка. Выдает устройство в пределах 8 вольт, просадка на 3 вольта. Только небольшой. Соединение последовательное для увеличения вольтажа.

Мнение одного из подписчиков канала: это не аккумулятор, это просто, батарейка. Если тратится 0.2 ампера. 1 Ампер — это 1 кулон/секунду, 1 кулон — это — 1,6 х 10 ¹ ⁹ электронов. Т. о. За 1 секунду будет расходоваться 0.2*1,6 х 10 ¹ ⁹ = 3.2 х 10 ¹⁸ электронов. Алюминий трех валентный, т.е. в нем возможно окислить три электрона. Т.е. число атомов алюминия, окисляемые таким образом за 1 секунду = 3.2 х 10 ¹⁸/3 =1.1 х 10 ¹⁸ атомов алюминия. Вес 1 атома алюминия = 4.48 х 10 ⁻² ³ грамма. Перемножаем вес одного окисленного Аl на число окислений в секунду 1.1 х 10 ¹⁸ * 4.48 х 10 ⁻² ³ = 0.00005 грамма Al в секунду. Вывод — проволока весом 5 грамм ( проволока 26 см 3 мм в диаметре) и таким током будет окисляться 5 / 0.00005 = 100000 секунд или 27 часов или около суток.

Вторая часть

Продолжение работы ведущего канала «Александр Пехов» над этим устройством. Осознан светильник, который выдает свет на хлорке, алюминии и отбеливателе. Три дня будет светить стабильно, потом нужно менять раствор, а алюминия хватит очень надолго при нагрузке одними светодиодами. В комментариях под видео автор указал, что раствор обновлять следует 1 раз в сутки.

izobreteniya.net

Алюминиевые аккумуляторы | Физика

Алюминиевые аккумуляторыПочти тридцатилетний поиск путей совершенствования алюминий-ионного аккумулятора приближается к своему финалу. Первый аккумулятор с алюминиевым анодом, способный быстро заряжается, при этом недорогой и долговечный, разработали ученые из Стэнфордского университета.

Исследователи уверенно заявляют, что их детище вполне может стать безопасной альтернативой литий-ионным аккумуляторам, всюду применяющимся сегодня, а также щелочным батарейкам, которые экологически вредны.

Не лишним будет вспомнить, что литий-ионные аккумуляторы порой возгораются. Профессор химии Хонгжи Дай уверен, что его новая батарея не загорится, даже если просверлить её насквозь. Коллеги профессора Дайя охарактеризовали новые аккумуляторы как «сверхбыстро перезаряжаемые алюминий-ионные аккумуляторы».

В силу низкой стоимости, пожаробезопасности, и способности создавать значительную электроемкость, алюминий уже давно привлек внимание исследователей, однако многие годы ушли на создание коммерчески жизнеспособной алюминий-ионной батареи, которая могла бы производить достаточное напряжение даже после многих циклов заряда-разряда.

Хонгжи Дай

Ученым нужно было преодолеть многие препятствия, в числе которых: распад материала катода, низкое напряжение разряда ячейки (около 0,55 вольт), потеря емкости и недостаточный жизненный цикл (менее 100 циклов), быстрая потеря мощности (от 26 до 85 процентов спустя 100 циклов).

батарея на основе алюминия

Теперь же ученые представили аккумуляторную батарею на основе алюминия с высокой стабильностью, в который они использовали металлический анод из алюминия в паре с катодом из трехмерной графитовой пены. До этого было перепробовано много разных материалов для катода, и решение в пользу графита было найдено совершенно случайно. Ученые из группы Хонгжи Дайя определили несколько типов графитового материала, которые показывают весьма высокую производительность.

В своих экспериментальных образцах, команда Стэнфордского университета поместила алюминиевый анод, графитовый катод, и безопасный жидкий ионный электролит, состоящий в основном из растворов солей, в гибкий полимерный пакет.

Принцип работы батареи

Профессор Дай и его группа записали видео, где показали, что даже если просверлить оболочку, их аккумуляторы все равно будут продолжать работать некоторое время и не загорятся.

Важным достоинством новых аккумуляторов является их ультрабыстрая зарядка. Обычно литий-ионные аккумуляторы смартфонов подзаряжаются в течение нескольких часов, в то время, как прототип новой технологии демонстрирует беспрецедентную скорость зарядки до одной минуты.

Характеристики

Долговечность новых батарей особенно поражает. Ресурс батареи составляет более 7500 циклов заряда-разряда, причем без потери мощности. Авторы сообщают, что это первая модель алюминий-ионных батарей, с ультрабыстрой зарядкой, и стабильностью в тысячи циклов. А типичный литий-ионный аккумулятор выдерживает лишь 1000 циклов.

новая алюминиевая батарея

Примечательной особенностью алюминиевой батареи является ее гибкость. Аккумулятор можно сгибать, что говорит о потенциальной возможности его применения в гибких гаджетах. Кроме всего прочего, алюминий значительно дешевле лития.

Перспективным видится использование таких батарей для хранения возобновляемой энергии с целью ее резервирования для последующего обеспечения электрических сетей, поскольку по последним данным ученых, алюминиевую батарею можно заряжать десятки тысяч раз.

Вопреки массово используемым элементам АА и ААА напряжением 1,5 вольт, алюминий-ионный аккумулятор генерирует напряжение порядка 2 вольт. Это наивысший из показателей, которых кто-либо добился с алюминием, причем в перспективе этот показатель будет улучшен, заявляют разработчики новых аккумуляторов.

Достигнута плотность хранения энергии 40 Вт-час на килограмм, а у литий-ионных батарей этот показатель достигает 206 Вт-час на килограмм. Однако улучшение катодного материала, уверен профессор Хонгжи Дай, в конце концов приведет как к увеличению напряжения, так и к повышению плотности хранения энергии в аккумуляторах алюминий-ионной технологии. В любом случае, ряд преимуществ перед литий-ионной технологией уже достигнут. Здесь и дешевизна, сочетающаяся с безопасностью, и высокоскоростная зарядка, и гибкость, и длительный срок службы.

Видео

Для сравнения — что будет, если проткнуть гвоздём li-ion аккумулятор

maxpark.com

Аллюминий-ионные батареи могут заменить литий-ионные?

Недорогой алюминий может сыграть огромную роль в производстве батареек, поскольку он может дать фору литий-ионным элементам.

Небольшая алюминиевая пластинка имеет в себе больше энергии, чем аналогичные по весу метанол или этанол. Короче говоря, это и есть причина, по которой учёные пытаются сейчас сделать предпочтение производству батареек на такой химической основе, куда включен алюминий. Мало того, похоже алюминий-ионные батарейки могут вместить в своё нутро больше энергии, чем литий-ионные, которые в наше время ошибочно признаны наилучшим вариантом.

Алюминий ионные батареи

Алюминий вообще самый богатый элемент из металлов и третий по богатству из всех элементов Земли. Большинство стран, независимо от их уровня развития и местоположения, являются дружественными Соединённым Штатам, если там добывается алюминиевая руда. И химическое богатство её даёт надежду на переход к производству алюминий-ионных батареек, которые обойдутся значительно дешевле.

[box type=»info» style=»rounded» border=»full»]Ключевое преимущество алюминия в «батареечной» промышленности в том, что он трёхвалентный, то есть имеет три электрона в свое валентной схеме. Литий же имеет всего один электрон. То есть при зарядке и разрядке (на форму вещества) идёт передача трёх электронов от алюминия, тогда как от лития всего один. Так что и размер батареек на основе алюминия может быть меньше, чем литиевая батарейка с тем же количеством заряда. [/box]

Потенциально алюминиевая батарейка может иметь удельную энергоёмкость в количестве 1060 W-час/кг в сравнении с 406 W-час/кг у литий-ионных элементов.

Но есть однако множество препятствий, могущих усложнить процесс развития «алюминиево-батарейной» химии. С одной стороны, элементы на основе алюминия обычно имеют водный электролит и во время рабочего цикла потребляют воду, да ещё и выделяют водород. Такое поведение элемента не даёт возможности заключить его в твёрдую оболочку.

Другая проблема — алюминий, который используется в аноде элемента, как правило, подвергается коррозии или формирует оксидную плёнку. Эти два печальных фактора снижают эффективность химической реакции в единицу времени.

К сожалению, эти действия могут происходить так быстро, что в бытовом плане элементы на основе алюминия будут непрактичные во многих областях применения.

Но есть пути преодоления таких трудностей. Исследователи уже разрабатывают одну стратегию, представляющую собой замену водного электролита на ионный, наполненный ионами и ионными парами. Ионные электролиты быстро не испаряются, и при отсутствии воды не возникает проблемы выделения водорода, как в случае с элементами на основе алюминия.

Сделано много работы в Национальной Лаборатории Oak Ridge, глубоко исследовались ионные электролиты и алюминий. Группа учёных, которую возглавили Паранс Парантаман и Жильбер Браун, подошла к созданию ионного электролита, в котором 1-этил-3-метилимидазолия хлорида содержит трихлорид алюминия. Учёные утверждают, что оба этих химиката предотвращают выделение водорода и появление оксидов на алюминиевом аноде.

Лишь одна сложность с этим вариантом: ионные электролиты имеют меньшую проводимость, чем их алюминиевые собратья. Именно поэтому для успеха имеются пока некоторые помехи: литий-ионные элементы, в электролитах которых используются разные вещества.

Вот пример. Алюминий-ионные батареи, вероятно, будут выполнять те же функции, что и их литий-ионные аналоги. Вот как говорит старший научный сотрудник лаборатории Жильбер Браун: «Продуктивные батареи с высоким вольтажом имеют неводные электролиты, у которых проводимость на пару порядков меньше, чем в водной серной кислоте, которая имеется в свинцово-кислотных элементах. Можно сузить проблему — укоротить путь прохождения тока, и литий-ионные элементы не будут набиты как мешки. Но при спешной их разрядке через такой стойкий электролит будет снова происходить перегревание».

Если создать более совершенный специальный катод

Учёные из лаборатории разработали небольшой плоский круглый алюминий-ионный элемент, в котором в виде анода используется алюминий, а в виде катода — оксидо-марганцевая шпинель, которая с алюминием имеет обратную реакцию. Ещё одна исследовательская группа университета Корнелл разработала аналогичную алюминий-ионную батарейку, но с другим материалом для катода.

Группа эта, возглавляемая профессором химии и биомолекулярной инженерии Линденом Арчером, использовала тот же ионный электролит, что и учёные из Национальной Лаборатории Oak Ridge, но в виде катода применила ванадий-оксидный нанопровод. Алюминий пропитывает поры катода из оксида металла. Команда говорит, что у таких батарей хорошая электрохимическая стабильность с относительно широким диапазоном вольтажа и силой тока.

«Ванадий оксид и есть главный рабочий материал с открытой кристаллической структурой», говорит Арчер, «есть идея, что в эту структуру можно вместить относительно много алюминия. Нанопровод даёт высокую удельную поверхность и значительно сокращает расстояние для прохождения электронов».

Команда Корнелла говорит, что круглый плоский элемент повторяет вольтамметрический и гальваностатический циклы. Результаты исследований вполне многообещающие, говорит Арчер. Тесты на вольтметре показали, что повторяющиеся электрохимические процессы подобны процессам в батарейках, так как напряжение то возрастает, то падает.

Гальваностатические опыты с силой тока батарейки показали, что элемент постоянно освобождает свои электроны и они сохраняют свою ёмкость и после многочисленных зарядок и разрядок. Однако, проект алюминий-ионных элементов Корнелла ещё не пригоден для использования. С одной стороны, его кулоновский КПД недостаточен для долгосрочной работы как вспомогательного элемента. Батарейка с совершенным КПД может сберегать все свои ионы при зарядках и разрядках. Если кулоновый КПД не стопроцентный, активный материал элемента будет постоянно исчерпываться, что приведёт к кончине батарейки.

«Мы не хотим сейчас создавать много шума, потому что мы пока активно исследуем данную область», заявляет Арчер. «Наши алюминий-ионные элементы уже производят энергию, чья плотность превышает плотность энергии литий-ионных элементов, используемых современниками. Это конечно здорово, но не так, как того хотелось бы. Наша цель — создание элемента, который мог бы конкурировать с двигателем внутреннего сгорания, чья плотность энергии была бы приблизительно 5000 W-час/кг.”

Если задуманное будет развиваться как планируется, группа университета Корнелл сможет получить более интересные результаты примерно через один год. «Обычно если хотят получить более мощную батарейку, тратят для её получения больше материала», говорит Арчер, «и очень приятно, когда получаешь отлично работающую вещь маленького размера. Мы активно изучаем разные химические элементы, и уже есть успех. Примерно через год мы будем иметь карманные батарейки с мощностью, позволяющей работать лэптопу.

Однако, процесс создания алюминий-ионных элементов с достаточной мощью для электронных гаджетов выходит за пределы практической деятельности университета. Корнелл не имеет технических возможностей для создания таких макроэлементов. Так что если наша группа найдёт область применения макроэлементов, университет будет искать коммерческих партнёров для воплощения изобретения в жизнь».

Как бы заманчиво ни звучала идея создания алюминий-ионных элементов, остаётся ещё много работы. «Похоже мы будем иметь огромное количество проблем с алюминиевыми анодами для батареек. Мы ещё не знаем, на какие проблемы натолкнёмся», говорит старший научный сотрудник Oak Ridge Жильбер Браун.

Одна из них — дороговизна ионного электролита, хотя он и многоразовый. Также полностью не решён вопрос и с материалом для алюминий-ионного анода. «В алюминий-ионных элементах на электродах появляются дендритные образования, такие самые, которые создают проблемы в литий-ионных элементах», заявил член отборочной команды Oak Ridge и её лидер Паранс Парантаман. «Есть вещи, за которыми нужно следить, чтобы не нарушилось взаимодействие между электродами и электролитами».

Но переход от литий-ионной к алюминий-ионной химии не решит проблем с разрядкой батареек. Эта трудность стала главной, когда оказалось, что у нескольких владельцев родстеров Tesla стодолларовые батарейки разрядились до нуля, и все они заплатили за их замену кругленькую сумму.

«Мы не понимаем: разве полностью истощённую батарейку нельзя перезарядить?», удивляется господин Жильбер Браун. «Ещё рано говорить, что алюминий-ионные элементы решат все проблемы. Два типа батареек имеют совершенно разную анодную структуру.

Литиевый анод — это графит с прослойками лития. А алюминиевая батарейка имеет алюминиевый анод, на который алюминий нанесён гальваническим способом. Определённо можно сказать лишь, что алюминий-ионные элементы будут иметь абсолютно другие проблемы с разрядкой, чем их имеют литий-ионные элементы».

Кроме того, повреждение алюминий-ионных батареек при аварии может привести к таким же опасным последствиям, как и от повреждения, смятия литий-ионных элементов. Один из самых известных случаев, когда блок батареек Chevy Volt загорелся через три недели после серьёзного удара их на опытном стенде. Но первоначально нет никаких намёков на то, что последствия от удара алюминий-ионных элементов будут хуже, чем у их литий-ионных собратьев, хотя точных сведений нет.

«И литий и алюминий реагируют с кислородом и водой», говорит лидер отборочной команды Oak Ridge Паранс Парантаман. «В батарейном отсеке алюминий имеет преимущество в этом вопросе, так как оксид алюминия формируется на поверхности анода и погашает химическую реакцию. Но батарейка при этом конечно повреждается».

И наконец, возможно более преимущественно питать гаджеты обычными не перезаряжающимися алюминий-ионными батарейками, чем изобретать элементы, способные продлить жизнь автомобиля. Этот вариант Национальная Лаборатория не будет игнорировать.

«В поисках батареек можно проехать добрых 500 миль до ближайшей сервисной станции», снова говорит Жильбер Браун. «Автомобилисты захотят делать регулярную перезагрузку элементов при разумных расходах. Алюминий стоит примерно 2,5 доллара за килограмм. Покупка батарейки на алюминиевой основе равносильна покупке горючего по цене 5 долларов за галлон (примерно 3,8 литра). Было бы более заманчиво научиться производить металлический алюминий низкотемпературным способом».

www.yaprofi.net


Смотрите также