Princip fungování hliníkových{0}}vzduchových baterií
Hliníková-článek se vzduchem se skládá z hliníkové anody, vzduchové katody a vodného elektrolytu, obvykle hydroxidu draselného nebo hydroxidu sodného. Na anodě se hliník rozpouští a uvolňuje tři elektrony na atom; na katodě je redukován kyslík z okolního vzduchu. Celková reakce 4Al + 3O2 + 6H2O na 4Al(OH)3 dává teoreticky napětí naprázdno- blízko 2,7 V, zatímco praktické články pracují při asi 1,2 až 1,6 V kvůli polarizačním ztrátám. Vzhledem k tomu, že aktivní materiál katody, kyslík, je odebírán volně ze vzduchu místo toho, aby byl ukládán uvnitř článku, může baterie dosáhnout teoretické měrné energie blízké 8,1 kWh/kg na základě samotné hliníkové anody, tedy asi 2 980 Ah na kilogram hliníku při 2,7 V, což je několikanásobek hodnoty pro lithium{{18}iontové chemikálie.
Proč je hliník důležitý pro skladování energie
Hliník je nejrozšířenějším kovem v zemské kůře a vyrábí se v průmyslovém měřítku po celém světě, což udržuje nízké náklady na anody a stabilní dodavatelské řetězce. Vypouštěným produktem je hydroxid hlinitý, neškodná sloučenina, kterou lze vrátit do tavírny a přeměnit zpět na kov pomocí Hall-Heroultova procesu, takže smyčka materiálu je uzavřená a recyklovatelná. Ve srovnání s lithium-iontovými bateriemi používají hliníkové-vzduchové systémy nehořlavý elektrolyt na bázi vody--, který odstraňuje riziko tepelného úniku a zjednodušuje tepelné řízení. Tyto vlastnosti činí chemii atraktivní pro aplikace, kde záleží na dlouhém dosahu, nízké ceně a bezpečnosti více než na špičkovém výkonu.
Materiály a buněčné komponenty
Anoda je obvykle -hliník o vysoké čistotě 99,5 % nebo vyšší, dodávaný jako plát nebo těžká fólie, často legovaný malým množstvím galia, india, cínu nebo hořčíku, aby se potlačila pasivace a parazitický vývoj vodíku v alkalickém elektrolytu. Vzduchová katoda je porézní uhlíková vrstva naplněná katalyzátorem, jako je oxid manganičitý, podložená kovovým sběračem proudu a hliníková fólie běžně slouží jako vodivý substrát nebo samotný anodový polotovar. Elektrolytové systémy se liší od koncentrovaného KOH pro vysokorychlostní-provoz až po solné roztoky pro články s dlouhou-nízkou-životností. Návrh elektrody pro difúzi plynu a řízení srážení uhličitanu jsou dva nejkritičtější inženýrské úkoly při vývoji článků.
Vykazované údaje o výkonu a demonstracích
Laboratorní články udávaly specifické energie v rozmezí 400 až 800 Wh/kg na úrovni článků a demonstrace systému se zaměřily na mechanicky dobíjecí konstrukce. V široce uváděné silniční demonstraci z roku 2013 se tvrdilo, že malé městské auto vybavené asi 50 kg hliníkových anodových desek ujelo zhruba 1 600 km, přičemž se pravidelně přidávala voda pro udržení elektrolytu. Spotřeba hliníku je zásadně spojena s kapacitou: protože každý kilogram hliníku nese teoretický náboj asi 2 980 Ah, článek vybíjející se průměrně 1,4 V dá zhruba 4,2 kWh elektrické energie na kilogram spotřebované anody, než se přidá elektrolyt a režijní náklady systému. To je srovnatelné s přibližně 0,25 až 0,30 kWh/kg typickými pro lithium-iontové články na úrovni balení, ačkoli srovnání musí zahrnovat hmotnost celého hliníkového-vzduchového systému.
Klíčové výzvy pro aplikace-pro elektrická vozidla
Mezi laboratorními buňkami a užitkovými elektrickými vozidly stojí čtyři překážky. Za prvé, hustota výkonu je omezena kinetikou redukce kyslíku na vzduchové katodě, takže hliníkové-vzduchové baterie vyhovují ustálenému vybíjení lépe než rychlému zrychlení. Za druhé, hliník koroduje v alkalickém elektrolytu, uvolňuje vodík a plýtvá materiálem, což vyžaduje optimalizaci slitiny a přísady do elektrolytu. Za třetí, baterie není elektricky dobíjecí v konvenčním smyslu; tankování znamená výměnu anodové patrony a recyklaci hydroxidu, což vyžaduje novou servisní infrastrukturu. Za čtvrté, vzduchová katoda se časem degraduje tvorbou uhličitanu a deaktivací katalyzátoru, což zkracuje životnost. Z těchto důvodů se současný výzkum zaměřuje na hybridní konfigurace, ve kterých malá lithium-iontová vyrovnávací paměť zvládá špičkový výkon, zatímco hliníková-vzduchová jednotka dodává cestovní energii, a specializované aplikace, jako je záložní napájení a-těžká doprava na velké vzdálenosti.
FAQ
Otázka: Jak funguje hliníková-vzduchová baterie?
A:Oxiduje hliníkovou anodu kyslíkem nasávaným z okolního vzduchu ve vodném elektrolytu, uvolňuje elektrony vnějším obvodem a produkuje hydroxid hlinitý jako produkt výboje.
Otázka: Jaká je teoretická hustota energie hliníkového-vzduchu?
A:Na základě samotné hliníkové anody dosahuje asi 8,1 kWh/kg, zhruba 2 980 Ah/kg při 2,7 V, což je několikanásobek lithium-iontu; praktické buňky dosahují nižších, ale stále konkurenceschopných hodnot.
Otázka: Kolik hliníku článek spotřebuje?
A:Každý kilogram hliníku nese asi 2 980 Ah nabití, takže při průměrném vybíjecím napětí 1,4 V jej článek přemění na zhruba 4,2 kWh elektrické energie, než dojde k režii systému.
Otázka: Lze hliníkové-vzduchové baterie dobíjet elektricky?
A:Ne v konvenčním smyslu; anoda je spotřebována a musí být mechanicky vyměněna, zatímco hydroxid hlinitý jako vedlejší produkt-je recyklován zpět na kov prostřednictvím Hallova-procesu Heroult.
Otázka: Proč ještě nejsou běžné v elektrických vozidlech?
A:Omezená hustota výkonu, koroze anody v alkalickém elektrolytu, degradace vzduchové-katody a nedostatek infrastruktury pro doplňování paliva je v současnosti omezují na výzkumné programy, hybridní konstrukce a stacionární aplikace.
Otázka: Jakou roli hraje v těchto bateriích hliníková fólie?
A:Hliníkové fólie a tenké plechy o vysoké{0}}čistotě se používají pro anodové polotovary a sběrače proudu, a proto výrobci fólií a plechů vývoj této technologie pozorně sledují.