Алюминиевая батарея — отличное дополнение для электромобиля. Новые батареи от Phinergy – революция или…? Комбинированные источники тока
Использование: воздушно-металлические батареи в качестве автономного малогабаритного перезаряжаемого источника тока. Сущность изобретения: воздушно-металлический гальванический элемент коробчатого типа, включающий электролитную емкость с заправочным отверстием в ее верхней части, крышку, расходуемый металлический анод плоской формы, помещенный в электролитную емкость, газодиффузионный катод, расположенный на некотором расстоянии от рабочей поверхности анода и свободно омываемый снаружи газом, например воздухом, газосборную камеру. В верхней части электролитной емкости вокруг заправочного отверстия имеется непрерывный конический выступ, выполняющий роль лабиринтного уплотнения, в средней части боковых стенок электролитной емкости и в ее нижней части выполнено по два ограничительных выступа, в нижней части электролитной емкости V образована камера для сбора шлама V шл с соотношением объемов V: V шл = 5-15, толщина анода в пределах 1-3 мм и составляет 0,05-0,50 от величины межкатодного зазора, объем электролитной емкости определяется выражениями: V = V эл + V ан; V эл =q эл QnK 1 ; V ан =q эх +q кор QnK 2 , V ан - объем анода, см 3 ;
n - количество циклов;
K 2 = (1,97-1,49) -конструктивный коэффициент,
а соотношение длины а, ширины b и высоты с составляет: 1: 0,38: 2,7; 1: 0,35: 3,1; 1: 0,33: 3,9. Воздушно-металлическая батарея содержит корпус, крышку с коммутацией, по крайней мере один воздушно-металлический гальванический элемент предлагаемой конструкции. Способ эксплуатации воздушно-металлического гальванического элемента и батареи на его основе включает разряд, замену анодов и электролита свежими, промывку элементов. Аноды перед использованием предварительно обрабатывают в водном растворе гидроокиси натрия концентрацией (2-5) моль/л с добавкой трехводного натрий метастанната концентрацией (0,01-0,10) моль/л. 3 с.п. ф-лы, 5 ил., 2 табл.
Изобретение относится к электрохимии, касается способа эксплуатации воздушно-металлических батарей и может быть использовано при применении воздушно-металлических батарей в качестве автономного малогабаритного перезаряжаемого источника тока. Известен гальванический элемент, например, воздушно-металлического типа. Элемент в основном содержит электролитную емкость, крышку, расходуемый металлический электрод плоской формы, помещенный в электролитную емкость. На некотором расстоянии от рабочей поверхности электрода расположен газодиффузионный катод, который снаружи свободно омывается газом, в частности воздухом. Для улучшения циркуляции электролита и тем самым повышения эффективности электрохимического преобразования энергии водород, образующийся в процессе электрохимической реакции, накапливается в электролитной емкости и повышающееся при этом давление используется для перемещения электролита. При этом электролитная емкость содержит газосборную камеру, газовое давление в которой может воздействовать на электролит. Через систему трубок вытесняемый электролит переходит из верхней части электролитной емкости в нижнюю (Европатент N 0071015 А2 от 22.06.82 - прототип). Недостатком известного гальванического элемента воздушно-металлического типа являются низкие удельные электроэнергетические характеристики из-за избыточного веса, вызванного усложнением конструкции. Известна первичная воздушно-металлическая батарея, содержащая корпус, крышку с коммутацией, по крайней мере один воздушно-металлический гальванический элемент (патент США N 4626482, H 01 M 12/6, 1986 - прототип). Недостатком известной первичной воздушно-металлической батареи являются низкие удельные электроэнергетические характеристики. Известен способ эксплуатации воздушно-металлического гальванического элемента и батареи на его основе путем разряда, замены анодов и электролита свежими, промывки элемента (а.с. СССР, 621041, H 01 M 10/42, H 01 M 12/08). Недостатком известного способа является длительный период выхода батареи на заданный режим (10-20) мин. Целью изобретения является повышение удельных электроэнергетических характеристик воздушно-металлических элементов и батарей на их основе, повышение стабильности характеристик во времени, а также уменьшение времени выхода на режим до (1-3) мин. Поставленная цель достигается тем, что в известном воздушно-металлическом гальваническом элементе коробчатого типа, включающем электролитную емкость с заправочным отверстием в верхней ее части, крышку, расходуемый металлический анод плоской формы, помещенный в электролитную емкость, газодиффузионный катод, расположенный на некотором расстоянии от рабочей поверхности анода и свободно омываемый снаружи газом, например воздухом, газосборную камеру, в верхней части вокруг заправочного отверстия имеется непрерывный конический выступ, выполняющий роль лабиринтного уплотнения, в средней части боковых стенок электролитной емкости и в ее нижней части выполнено по два ограничительных выступа, в нижней части электролитной емкости (V) образована камера для сбора шлама (V шл) с соотношением объемов V: V шл = 5 - 15, толщина анода в пределах (1-3) мм составляет 0,05-0,50 от величины межкатодного зазора, объем электролитной емкости определяется выражением:
V = V эл + V ан;
V эл = q эл Qnk 1 ;
V ан (q эх + q кор)Qnk 2 ;
где V - объем электролитной емкости, см 3 ;
V эл - объем электролита, см 3 ;
V ан - объем анода, см 3 ;
q эл - удельный расход воды из электролита, см 3 /Ач;
q эх - удельный расход алюминия на электрохимическую реакцию, см 3 /Ач;
Q - емкость элемента за один цикл, Ач;
n - количество циклов;
k 1 = (0,44-1,45) - конструктивный коэффициент;
a:b:c = 1:0,38:2,7;
a:b:c = 1:0,35:3,1;
a:b:c = 1:0,33:3,9. В известной первичной воздушно-металлической батарее, содержащей корпус, крышку с коммутацией, один или несколько воздушно-металлических гальванических элементов, в качестве такого элемента применен предлагаемый элемент; в известном способе эксплуатации воздушно-металлического элемента и батареи на его основе путем разряда, замены анодов и электролита свежими, промывки элемента аноды предварительно обрабатывают в водном растворе гидроокиси натрия концентрацией (2-5) моль/л с добавкой трехводного натрий метастанната концентрацией (0,01-0,10) моль/л. Общим признаком является наличие в воздушно-металлическом гальваническом элементе коробчатого типа электролитной емкости с заправочным отверстием в верхней ее части, крышки, расходуемого металлического анода плоской формы, помещенного в электролитную емкость, газодиффузионного катода, расположенного на некотором расстоянии от рабочей поверхности анода и свободно омываемого снаружи газом, например воздухом, газосборной камеры, наличие в батарее корпуса, крышки с коммутацией, одного или нескольких элементов, эксплуатация батареи путем разряда, замены анодов и электролита свежими, промывки элемента. Отличительным признаком является то, что в верхней части электролитной емкости вокруг заправочного отверстия имеется непрерывный конический выступ, выполняющий роль лабиринтного уплотнения, в средней части боковых стенок электролитной емкости и в ее нижней части выполнено по два ограничительных выступа, в нижней части электролитной емкости (V) образована камера для сбора шлама (V шл) с соотношением объемов V: V шл = 5 - 15, толщина анода в пределах (1 - 3) мм составляет 0,05-0,50 от величины межкатодного зазора, объем электролитной камеры определяется выражением:
V = V эл + V ан;
V эл = q эл Qnk 1 ;
V ан =(q эх +q кор)Qnk 2 ;
где V - объем электролитной емкости, см 3 ;
V эл - объем электролита, см 3 ;
V ан - объем анода, см 3 ;
q эл - удельный расход воды из электролита, см 3 /Ач;
q эх - удельный расход алюминия на электрохимическую реакцию, см 3 /Ач;
q кор - удельный расход алюминия на коррозию, см 3 /Ач;
Q - емкость элемента за один цикл, Ач;
n - количество циклов;
k 1 = (0,44-1,45) - конструктивный коэффициент;
k 2 = (1,97-1,49) - конструктивный коэффициент;
а соотношение длины (a), ширины (b) и высоты (c) составляет:
a:b:c = 1:0,38:2,7;
a:b:c = 1:0,35:3,1;
a:b:c = 1:0,33:3,9. В батарее в качестве воздушно-металлического гальванического элемента применен предлагаемый элемент; при эксплуатации воздушно-металлического гальванического элемента и батареи на его основе аноды предварительно обрабатывают в водном растворе гидроокиси натрия концентрацией (2-5) моль/л с добавкой трехводного натрий метастанната концентрацией (0,01-0,10) моль/л. Заявляемая совокупность и взаимосвязь отличительных признаков в известных источниках патентной и научно-технической литературы не обнаружены. Таким образом, предлагаемое техническое решение обладает новизной и изобретательским уровнем. Изобретение является промышленно применимым, т.к. может быть использовано в качестве экологически чистого автономного источника тока в составе следующих систем:
- портативный переносной магнитофон типа "плеер" с функциями записи и воспроизведения через внешнюю акустическую систему;
- портативный телевизионный приемник на жидких кристаллах;
- портативный электрофонарь;
- электровентилятор;
- детские видеоигры на жидких кристаллах;
- детские радиоуправляемые электромобили;
- портативный радиоприемник;
- зарядное устройство для аккумуляторов;
- переносной измерительный прибор. Предлагаемый источник тока обеспечивает высокие удельные электроэнергетические характеристики, сохраняя их стабильными в течение всего своего ресурса, а также позволяет снизить время выхода на расчетный режим с 10 - 20 до 1-3 мин. Состояние показателей позволяет сделать вывод о целесообразности использования полученных геометрических соотношений в проектировании воздушно-алюминиевых батарей. Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1 показан воздушно-алюминиевый элемент - вид N 1, на фиг. 2 - воздушно-алюминиевый элемент - вид N 2, на фиг. 3 - воздушно-алюминиевый элемент - вид N 3. На фиг. 4 изображена электролитная емкость воздушно-алюминиевого элемента, а на фиг. 5 - батарея на основе воздушно-алюминиевых элементов. Воздушно-алюминиевый гальванический элемент состоит из электролитной емкости 1, которая имеет по внешним боковым стенкам 2 окна 3, в верхней части 4 заправочное отверстие 5, окруженное непрерывным коническим выступом 6, выполняющим роль лабиринтного уплотнения, с внутренней стороны электролитной емкости 1 на средней части боковых стенок 2 и в ее нижней части выполнены два ограничительных выступа 7, в нижней части электролитной емкости 1 образована камера 8 для сбора шлама, который нарабатывается в процессе эксплуатации. В электролитную емкость 1 герметично вставлены газодиффузионные катоды 9 в окна 3 рамки 10. Герметичность электролитной емкости 1 достигается при помощи нейтрального по отношению к водному раствору электролита герметика. Электрическая связь катодов 9 с потребителем при использовании воздушно-алюминиевого элемента как вне батареи, а также в составе ее осуществляется с помощью катодного токосъемника 11, охватывающего электролитную емкость 1 двумя горизонтальными поджимами 12, которые электрически связаны с двумя вертикальными поджимами 13. В электролитную емкость 1 через заправочное отверстие 5 вставляется плоский металлический анод 14 с выступом 15 прямоугольной формы, предназначенным для осуществления токосъема. Плоскость выступа 15 служит также для уплотнения по линии "анод 14 - крышка 16". Заправочное отверстие 5 закрывается и уплотняется крышкой 16, содержащей одно отверстие 17 для пропускания через него анода 14 и одно или несколько отверстий 18 для отвода водорода из электролитной емкости 1 в процессе работы воздушно-алюминиевого элемента через крышку 16, являющуюся одновременно гидрофобной мембраной. Наличие в верхней части электролитной емкости 4 по периметру вокруг заправочного отверстия 5 выступа конической формы 6 позволяет усилить уплотнительные свойства крышки 16. Геометрические соотношения конструкции, позволяющие улучшить удельные электроэнергетические параметры следующие:
Н1/(Н2+Н3+Н4) = 1,05-1,20
Н3/Н2=Н3/Н4= 5-15
Н5/Н1= 1,1-1,5
Н6/Н3=1-1,1
L2/LI = 1-1,1
L3/LI= 1,1-1,5
L5/L6= 0,05-0,50
2xL4/L6= 0,95-0,75
Батарея на основе воздушно-алюминиевых элементов состоит из корпуса 19 с внутренними вертикальными пазами 20 для удержания воздушно-алюминиевых элементов и окон 21 для организации внешнего свободного притока воздуха внутрь батареи, замков 22 для крепления крышки с коммутацией 23 к корпусу 19, одной или нескольких электролитных емкостей 1 с установленными катодными токосъемниками 11, с вставленными в них анодами 14 и надетыми поверх крышками 16, токоразводящей двухсторонней платы 24, содержащей на стороне, повернутой к воздушно-алюминиевым элементам, токопроводящие дорожки 25 для осуществления электрической связи от катодов 9 к электролитным емкостям 1 через катодные токосъемники 11 к токоразводящей двухсторонней плате 24, несколько отверстий 26 прямоугольной формы для пропускания выступа 15 металлического анода 14 с целью осуществления электрической связи между металлическим анодом 14 и анодным токосъемником 27, несколько отверстий произвольной формы 28 для дренажа водорода из электролитной емкости 1 в атмосферу через крышку 23, несколько разъемов 29, расположенных на верхней стороне токоразводящей двухсторонней платы 24, перемыкаемых электропроводящей перемычкой 30 для выбора потребителем рабочего напряжения и связи с электропроводящими дорожками 25 и 31 с обеих сторон, несколько разъемов 32, расположенных на верхней стороне токоразводящей двухсторонней платы 24, служащих для подключения потребителя, а также крышки 23, закрывающей батарею сверху и содержащей несколько отверстий 33 под разъемы 32, несколько отверстий 34 под разъемы 29, одно или несколько отверстий 35 под дренаж водорода, два продольных паза 36 под замки 22, этикетку 37 с краткой инструкцией по эксплуатации. Принцип действия и способ эксплуатации воздушно-металлического гальванического элемента и батареи на его основе, например батарея 3 ВА-24, заключаются в следующем. Электрическая энергия в батарее генерируется при осуществлении электрохимической реакции окисления алюминия на аноде и восстановления кислорода на катоде. В качестве электролита используют водные растворы или едкого натрия (NaOH), или хлористого натрия (NaCI), или смеси указанных растворов с ингибирующими добавками: Na 2 SnO 3 3Н 2 О - в щелочном электролите и NaHCO 3 - в солевом. В процессе реакции наряду с расходом алюминия идет потребление кислорода из воздуха и воды из электролита, поэтому при эксплуатации батареи по мере их расходования в процессе разряда периодически проводят замену анода и электролита на свежие. Продуктами реакции являются гидроокись алюминия Al(OH) 3 и тепло. Батарея работает в диапазоне температур от -10 o C до +60 o C без дополнительного подогрева при запуске от минусовых температур. Одним из отрицательных факторов воздушно-алюминиевой батареи является коррозия анода. Это приводит к снижению электрических характеристик батареи и выделению небольшого количества водорода. В большей степени влияние коррозии проявляется на пусковых характеристиках, вследствие чего время выхода на заданный режим составляет (10-20) мин. Предлагаемая обработка анодов, при которой их поверхность покрывается оловом, позволяет снизить плотность тока коррозии и значительно улучшить режим эксплуатации воздушно-алюминиевой батареи, в результате чего повышаются электрические характеристики и время выхода на режим снижается до (1-3) мин. Нанесение покрытия на анод проводят перед началом включения батареи в работу. Предварительно анод обезжиривают, а затем обрабатывают в водном растворе гидроокиси натрия концентрацией (2-5) моль/л с добавкой трехводного натрий метастанната концентрацией (0,01- 0,10) моль/л при комнатной температуре в течение 5-60 мин. Результаты испытаний предлагаемой воздушно-алюминиевой батареи и прототипа представлены в табл. 1 и 2. Как видно из таблиц, предлагаемая воздушно-алюминиевая батарея обеспечивает высокие удельные и стабильные во времени электроэнергетические характеристики при малом времени выхода на режим.
Формула изобретения
1. Воздушно-металлический гальванический элемент коробчатого типа, включающий электролитную емкость с заправочным отверстием в ее верхней части, расходуемый металлический анод плоской формы, помещенный в электролитную емкость, газодиффузионный катод, расположенный на некотором расстоянии от рабочей поверхности анода и свободно омываемый снаружи газом, например воздухом, газосборную камеру, отличающийся тем, что в верхней части электролитной емкости вокруг заправочного отверстия имеется непрерывный конический выступ, выполняющий роль лабиринтного уплотнения, в средней части боковых стенок электролитной емкости и в ее нижней части выполнено по два ограничительных выступа, в нижней части электролитной емкости V образована камера V шл для сбора шлама с соотношением объемов V: V шл = 5 - 15, толщина анода в пределах 1 - 3 мм составляет 0,05 - 0,50 от величины межкатодного зазора, объем электролитной емкости определяется выражением:
V = V эл + V ан;
V эл = q эл Q n k 1 ;
V ан = (q эх + q кор) Q n k 2 ;
где V - объем электролитной емкости, см 3 ;
V эл - объем электролита, см 3 ;
V ан - объем анода, см 3 ;
q эл - удельный расход воды из электролита, см 3 /Ач;
q эх - удельный расход алюминия на электрохимическую реакцию см 3 /Ач;
q кор - удельный расход алюминия на коррозию, см 3 /А ч;
Q - емкость элемента за один цикл, Ач;
n - количество циклов;
K 1 = (0,44 - 1,45) - конструктивный коэффициент;
K 2 = (1,97 - 1,49) - конструктивный коэффициент;
а соотношение длины а, ширины b и высоты с составляет 1: 0,38: 2,7; 1: 0,35: 3,1; 1: 0,33: 3,9. 2. Первичная воздушно-металлическая батарея, содержащая корпус, крышку, по крайней мере один воздушно-металлический гальванический элемент, отличающаяся тем, что в качестве такого элемента взят элемент по п.1. 3. Способ эксплуатации воздушно-металлического гальванического элемента и батареи на его основе путем разряда, замены анодов и электролита свежими, промывка элемента, отличающийся тем, что аноды предварительно обрабатывают в водном растворе гидроокиси натрия концентрацией (2 - 5) моль/л с добавкой трехводного натрий метастанната с концентрацией (0,01 - 0,10) моль/л.
Французская компания Renault предлагает использовать в будущих электромобилях алюминиево-воздушные батареи от Phinergy. Давайте взглянем на их перспективы.
Renault решило сделать ставку на новый тип аккумулятора, который может позволить увеличить дальность пробега от одной зарядки в семь раз. При сохранении габаритов и веса сегодняшних батарей. Алюминиево-воздушные (Al-air) элементы имеют феноменальную плотность энергии (8000 Вт/кг, против 1000 Вт/кг у традиционных батарей), вырабатывая её при реакции окисления алюминия в воздухе. Такая батарея содержит в себе позитивный катод и негативный анод, сделанный из алюминия, а между электродами содержится жидкий электролит на водяной основе.
Компания разработчик батарей Phinergy заявила, что достигла большого прогресса в развитии подобных батарей. Их предложение – использовать катализатор, изготовленный из серебра, который позволяет эффективно задействовать кислород, содержащийся в обычном воздухе. Этот кислород смешивается с жидким электролитом, и тем самым освобождает электрическую энергию, которая содержится в алюминиевом аноде. Главный нюанс заключается в «воздушном катоде», который действует как мембрана в вашей зимней куртке – пропускает только О2, а не углекислый газ.
В чем отличие от традиционных батарей? У последних полностью закрытые ячейки, в то время как Al-air элементам нужен внешний элемент, «запускающий» реакцию. Важным плюсом является тот факт, что Al-air батарея действует как дизель-генератор – она вырабатывает энергию только тогда, когда вы ее включили. А когда вы «перекрыли воздух» такой батарее, весь её заряд остается на месте и не исчезает со временем, как у обычных аккумуляторов.
В процессе работы Al-air батареи используется алюминиевый электрод, но его можно сделать заменяемым, как картридж в принтере. Зарядку нужно делать каждые 400 км, она будет заключаться в доливании нового электролита, что намного проще, чем ждать, пока зарядится обычная батарея.
Компания Phinergy уже создала электрический Citroen C1, который оборудован 25 кг батареей емкостью 100 кВтч. Она дает запас хода в 960 км. С мотором мощностью в 50 кВт (около 67 лошадиных сил), машина развивает скорость в 130 км/ч, разгоняется до сотни за 14 секунд. Подобная батарея также тестируется на Renault Zoe, но её емкость – 22 кВтч, максималка у машины – 135 км/ч, 13.5 сек до “сотни”, но только 210 км запаса хода.
Новые батареи легче, в два раза дешевле, чем литий-ионные и в перспективе проще в эксплуатации, нежели современные. И пока что, единственная их проблема – это алюминиевый электрод, который сложен в производстве и замене. Как только эта проблема решится – можно смело ожидать еще большей волны популярности электромобилей!
- , 20 Янв 2015
Батареи это устройства, преобразующее химическую энергию в электрическую энергию. Они имеют 2 электрода, между ними идет химическая реакция, которую используют или производят электроны. Электроды связаны между собой раствором называемым электролитом, с помощью которого ионы могут перемещаться, совершая электрическую цепь. Электроны образуются на аноде и могут проходить через внешнюю цепь на катод, это движение электронов электрического тока, которые могут быть использованы для совершения работы простых устройств.
В нашем случае батарея может быть сформирована с помощью двух реакций: (1) реакции с алюминием, который генерирует электроны на один электрод, и (2) реакции с кислородом, что использует электроны на другом электроде. Чтобы помочь электронам в батарее, получить доступ к кислороду в воздухе, вы можете сделать вторым электродом материал, который может проводить электричество, но не является активным, например уголь, который состоит в основном из углерода. Активированный уголь очень пористый и это порой приводит к большой площади поверхности, которая подводится воздействию атмосфер. Один грамм активированного угля может быть большей площади, чем целое футбольное поле.
В этом опыте вы можете построить аккумулятор , который использует эти две реакции и самое удивительное, что эти батареи могут питать небольшой мотор или лампочку. Для этого вам понадобится: алюминиевая фольга, ножницы, активированный уголь, металлические ложки, бумажные полотенца, соль, маленькая чашечка, вода, 2 электрических провода с зажимами на концах и небольшое электрическое устройство, такое как двигатель или светодиод. Отрежьте кусочек алюминиевой фольги размером, что составит примерно 15Х15см. , подготовьте насыщенный раствор, смесь соли в небольшой чашке с водой пока соль не перестанет растворяться, сложите бумажное полотенце на четверть и пропитайте его рассолом. Положите это полотенце на фольгу, добавьте около ложки активированного угля на вершину бумажного полотенца, налейте рассол на уголь, чтобы смочить его. Будьте уверены, что уголь является мокрым повсюду. Чтобы не прикасаться к воде напрямую вы должны меть 3 слоя как в бутерброде. Подготовьте свои электрические устройства для использования, один конец электрического провода прикрепите к загрузке, а другой конец провода подключим к алюминиевой фольге. Плотно прижмем второй провод к куче угля и смотрим, что происходит, если аккумулятор работает нормально, то вполне вероятно, что вам понадобится еще один элемент для включения вашего устройства. Попробуйте увеличить площадь контакта между вашим проводом и древесным углем, сложив батарею и сильно сдавив. Если вы используете двигатель, вы также можете ему помочь стартонуть крутанув вал пальцами.
Первая современная электрическая батарея была сделана из ряда электрохимических ячеек и называется вольтовым столбом. Повторите шаг первый и третий, чтобы построить дополнительный алюминиево-воздушный элемент , соединив 2 или 3 воздушно-алюминиевых элемента друг с другом вы получите более мощный аккумулятор. Используйте мультиметр для измерения напряжения и тока полученного с вашей батареи.
Как нужно изменить вашу батарею, чтобы она стала давать большее напряжение или больший ток – рассчитайте выходную мощность от вашего аккумулятора путем произведения его напряжения и тока. Попробуйте подключить и другие устройства к вашему аккумулятору.
Почти 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.
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).
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.
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.
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.
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 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.
Fuji Pigment показала инновационный тип воздушно-алюминиевой батареи, зарядка которой может осуществляться при помощи солёной воды. Батарея имеет модифицированную структуру, обеспечивающую более длительным сроком эксплуатации, который теперь составляет минимум 14 дней.
В структуру воздушно-алюминиевой батареи в качестве внутреннего слоя были внедрены керамические и углеродистые материалы. Эффекты коррозии анода и аккумулирования побочных примесей были подавлены. В результате было достигнуто более длительное время эксплуатации.
Воздушно-алюминиевая батарея с рабочим напряжением 0,7 – 0,8 В, производящая 400 – 800 мА тока на элемент, имеет теоретический энергетический уровень на единицу объёма порядка 8100 Вт*ч/кг. Это второй показатель из максимальных для аккумуляторных батарей различного типа. Теоретический энергетический уровень на единицу объёма в ионно-литиевых батареях составляет 120–200 Вт*ч/кг. Это означает, что у воздушно-алюминиевых батарей теоретически ёмкость может превышать данный показатель ионно-литиевых аналогов более чем в 40 раз.
Хотя коммерческие перезаряжаемые ионно-литиевые батареи широко используются сегодня в мобильных телефонах, ноутбуках и прочих электронных устройствах, их энергетическая плотность всё ещё недостаточна для использования в электромобилях на промышленном уровне. На сегодняшний день учёные разработали технологию воздушно-металлических батарей, имеющих максимальную энергетическую ёмкость. Исследователи изучали воздушно-металлические батареи на основе лития, железа, алюминия, магния и цинка. Среди металлов, алюминий в качестве анода представляет интерес ввиду большой удельной ёмкости и высокого стандартного электродного потенциала. К тому же, алюминий является недорогим и самым рециркулируемым металлом в мире.
Инновационный тип батарей должен обойти основную преграду на пути коммерциализации подобных решений, а именно, высокий уровень коррозии алюминия во время электрохимических реакций. Помимо этого, на электродах накапливаются побочные материалы Al2O3 и Al(OH)3, ухудшающие ход реакций.
Fuji Pigment заявила, что новый тип воздушно-алюминиевых батарей может производиться и может эксплуатироваться в обычных условиях окружающей среды, поскольку элементы обладают устойчивостью в отличие от ионно-литиевых батарей, способных возгораться и взрываться. Все материалы, применяемые для сборки конструкции батарей (электрода, электролита) – безопасны и дёшевы в производстве.
