Akumulator aluminiowo-powietrzny - Aluminium–air battery

Informacje na temat akumulatora, patrz akumulator aluminiowo-jonowy .
Akumulator aluminiowo-powietrzny
Specyficzna energia 1300 (praktyczne), 6000/8000 (teoretyczne) W·h /kg
Gęstość energii Nie dotyczy
Moc właściwa 200 W /kg
Napięcie znamionowe ogniwa 1,2 V

Akumulatory aluminium-powietrze ( akumulatory Al-powietrze) wytwarzają energię elektryczną w wyniku reakcji tlenu zawartego w powietrzu z aluminium . Mają jedną z najwyższych gęstości energii spośród wszystkich akumulatorów, ale nie są szeroko stosowane ze względu na problemy z wysokimi kosztami anody i usuwaniem produktów ubocznych przy stosowaniu tradycyjnych elektrolitów. Ograniczyło to ich zastosowanie głównie do zastosowań wojskowych. Jednak pojazd elektryczny z akumulatorami aluminiowymi ma potencjał nawet ośmiokrotnie większy niż akumulator litowo-jonowy przy znacznie mniejszej masie całkowitej.

Baterie aluminiowo-powietrzne są ogniwami pierwotnymi , tzn. nie nadają się do ponownego naładowania. Gdy anoda aluminiowa zostanie zużyta w wyniku reakcji z tlenem atmosferycznym na katodzie zanurzonej w elektrolicie na bazie wody w celu wytworzenia uwodnionego tlenku glinu , bateria nie będzie już wytwarzać energii elektrycznej. Istnieje jednak możliwość mechanicznego doładowania akumulatora za pomocą nowych anod aluminiowych wykonanych z recyklingu uwodnionego tlenku glinu. Taki recykling byłby niezbędny, gdyby akumulatory aluminiowo-powietrzne miały być szeroko stosowane.

Pojazdy napędzane aluminium są przedmiotem dyskusji od kilkudziesięciu lat. Hybrydyzacja zmniejsza koszty, a w 1989 r . zgłoszono testy drogowe zhybrydyzowanego akumulatora aluminiowo-powietrzno -ołowiowo-kwasowego w pojeździe elektrycznym. Napędzany aluminium hybrydowy minivan typu plug-in został zademonstrowany w Ontario w 1990 roku.

W marcu 2013 roku firma Phinergy opublikowała pokaz wideo samochodu elektrycznego z ogniwami aluminiowo-powietrznymi, przejechanego 330 km przy użyciu specjalnej katody i wodorotlenku potasu. 27 maja 2013 roku izraelski kanał 10 w wieczornych wiadomościach pokazał samochód z akumulatorem Phinergy z tyłu, który miał zasięg 2000 km (1200 mil), zanim konieczna będzie wymiana aluminiowych anod.

Elektrochemia

Anodowego utleniania reakcja połówkowa jest al + 3OH−
→ Al(OH)
3+ 3e − -2,31 V.

Katody zmniejszenie połowicznego reakcji O
2+ 2 godz
2O + 4e − → 4OH−
 +0,40 V.

Całkowita reakcja to 4Al + 3O
2+ 6H
2O → 4Al(OH)
3 +2,71 V.

W wyniku tych reakcji powstaje różnica potencjałów wynosząca około 1,2 woltów, którą można osiągnąć w praktyce, gdy jako elektrolit stosuje się wodorotlenek potasu . Elektrolit ze słonej wody osiąga około 0,7 wolta na ogniwo.

Specyficzne napięcie ogniwa może się różnić w zależności od składu elektrolitu, a także struktury i materiałów katody.

W podobny sposób można stosować inne metale, takie jak lit-powietrze , cynk-powietrze , mangan-powietrze i sód-powietrze, niektóre o wyższej gęstości energetycznej. Jednak aluminium jest atrakcyjnym metalem jako najbardziej stabilnym.

Komercjalizacja

Zagadnienia

Aluminium jako „paliwo” do pojazdów zostało zbadane przez Yang i Knickle. W 2002 roku doszli do wniosku:

System baterii Al/powietrze może generować wystarczającą ilość energii i mocy do jazdy i przyspieszania, podobnie jak w samochodach napędzanych benzyną... koszt aluminium jako anody może wynosić zaledwie 1,1 USD/kg, o ile produkt reakcji jest poddawany recyklingowi . Całkowita wydajność paliwowa podczas procesu cyklu w pojazdach elektrycznych Al/air (EV) może wynosić 15% (obecny etap) lub 20% (przewidywana), porównywalna z wydajnością pojazdów z silnikiem spalinowym (ICE) (13%). Projektowana gęstość energii akumulatora wynosi 1300 Wh/kg (obecnie) lub 2000 Wh/kg (przewidywana). Koszt systemu baterii wybranego do oceny wynosi 30 USD/kW (obecnie) lub 29 USD/kW (przewidywany). Przeprowadzono analizę cyklu życia EV Al/Air i porównano ją z pojazdami EV z ołowiem/kwasem i wodorkiem niklu (NiMH). Tylko pojazdy elektryczne Al/air mogą mieć zasięg podróży porównywalny z pojazdami ICE. Z tej analizy wynika, że ​​pojazdy elektryczne Al/air są najbardziej obiecującymi kandydatami w porównaniu z ICE pod względem zasięgu podróży, ceny zakupu, kosztów paliwa i kosztów cyklu życia.

Problemy techniczne pozostają do rozwiązania, aby dostosować akumulatory Al-air do pojazdów elektrycznych. Anody wykonane z czystego aluminium ulegają korozji pod wpływem elektrolitu, dlatego aluminium jest zwykle stopione z cyną lub innymi pierwiastkami. Uwodniony tlenek glinu, który powstaje w wyniku reakcji komórkowej, tworzy na anodzie substancję podobną do żelu i zmniejsza produkcję energii elektrycznej. Jest to kwestia poruszana w pracach rozwojowych nad ogniwami Al-air. Na przykład opracowano dodatki, które tworzą tlenek glinu w postaci proszku, a nie żelu.

Nowoczesne katody powietrzne składają się z reaktywnej warstwy węgla z kolektorem prądu z siatki niklowej , katalizatora (np. kobaltu ) oraz porowatej hydrofobowej folii PTFE, która zapobiega wyciekowi elektrolitu. Tlen z powietrza przechodzi przez PTFE, a następnie reaguje z wodą, tworząc jony wodorotlenowe. Te katody działają dobrze, ale mogą być drogie.

Tradycyjne akumulatory Al-air miały ograniczony okres trwałości, ponieważ aluminium reagowało z elektrolitem i wytwarzało wodór, gdy akumulator nie był używany – chociaż nie ma to już miejsca w przypadku nowoczesnych konstrukcji. Problemu można uniknąć, przechowując elektrolit w zbiorniku poza akumulatorem i przenosząc go do akumulatora, gdy jest potrzebny do użycia.

Baterie te mogą być wykorzystane np. jako baterie rezerwowe w centralach telefonicznych oraz jako zapasowe źródła zasilania .

Baterie aluminiowo-powietrzne mogą stać się skutecznym rozwiązaniem dla zastosowań morskich ze względu na ich wysoką gęstość energii, niski koszt i obfitość aluminium, bez emisji w miejscu użytkowania (łodzie i statki). Phinergy Marine , RiAlAiR i kilka innych firm komercyjnych pracuje nad zastosowaniami komercyjnymi i wojskowymi w środowisku morskim.

Prowadzone są prace badawczo-rozwojowe nad alternatywnymi, bezpieczniejszymi i bardziej wydajnymi elektrolitami, takimi jak rozpuszczalniki organiczne i ciecze jonowe.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki