Алюминиевые аккумуляторы.Устройство.Отличия.Особенности

С момента появления батарей, позволяющих накапливать и сохранять электрическую энергию, люди задумывались о том, как делать это более эффективно и без излишних издержек. За последние 30-40 лет сначала появились литий-ионные батареи, считающиеся большим достижением в области создания экономичных накопителей электричества. Сегодня инженерная мысль вплотную подошла к тому, чтобы получить и начать использовать в практических целях так называемые «алюминиевые аккумуляторы».

Благодаря появлению совершенно новой технологии хранения и восстановления заряда предполагается выпускать изделия, отличающиеся высокой скоростью подзарядки и еще меньшей себестоимостью. По утверждению изобретателей алюминиевых батарей они смогут полностью заменить как широко распространенные сегодня литий-ионные аналоги, так и опасные для здоровья людей щелочные АКБ.

Наибольшим спросом в мире сегодня пользуются литий-ионные батареи, что объясняется множеством достоинств этих изделий.

Среди них особо выделяются следующие неоспоримые преимущества:

• Высокий показатель плотности заряда.
• Низкий уровень саморазряда (не более 4-6% в месяц).
• Способность работать в широком диапазоне температур (от -20°C до +50°C).
• Незначительная масса и сравнительно большое количество допустимых циклов заряда и разряда банок (порядка тысячи).

Несмотря на эти преимущества, литий-ионные аккумуляторы не могут считаться идеальным вариантом. Они имеют ряд существенных недостатков, среди которых особое внимание обращают на себя их взрывоопасность и сравнительно высокая стоимость. Именно поэтому специалистами всего мира сегодня ведутся поиски материалов, способных заменить часть их компонентов элементами, менее дорогими и опасными с эксплуатационной точки зрения.

В качестве одного из возможных вариантов такой замены в свое время рассматривалось химическое соединение графита и литий-кобальт-оксида. Но добиться каких-либо положительных результатов в этом направлении так и не удалось. Сегодня большинство специалистов сходятся во мнении о том, что алюминиевые аккумуляторы, содержащие металл в смеси с литием – самый подходящий вариант безопасного и сравнительно дешевого изделия. На данный момент такие батареи не поступают в продажу, поскольку их разработка сегодня находится на стадии исследовательских работ.

Из отчетов специалистов стало известно, что возгорание алюминиевого аккумулятора невозможно даже в случае, если его полностью просверлить насквозь. Также отмечается, что новые изделия перезаряжаются значительно быстрее всех уже существующих и известных аналогов.

Достоинства и недостатки перспективных батарей

Если сравнивать алюминиевые аккумуляторы с их литий-ионными аналогами – окажется, что к числу достоинств этих устройств можно отнести:

• Возможность получения емкостных показателей, значительно превышающих те же параметры для аккумулирующих изделий другого типа (практически в два раза).
• Длительные сроки эксплуатации с сохранением номинального напряжения после большого количества циклов заряда-разряда.
• Экологическая чистота.
• Сравнительно низкая стоимость изделий при условии наладки их серийного производства.

Дешевизна аккумуляторных устройств этого типа объясняется широким распространением алюминия и его значительными запасами в недрах Земли. Помимо этого использование алюминия обходится дешево по причине отработанных технологий по добыче исходного сырья и его последующей переработке.

Недостатки этого направления проявляются в тех сложностях, с которыми приходится сталкиваться специалистам при создании полноценного алюминиевого аккумулятора. К числу наиболее проблемных мест, встречающихся при разработке новых изделий, относят:

• Необходимость подбора особого материала, замедляющего ускоренный распад катода аккумулятора.
• Низкие показатели рабочего напряжения отдельных банок (всего 0,53 В).
• Достаточно быстрый разряд во время длительного хранения.

Последний недостаток таких аккумуляторов объясняется тем, что их алюминиевый анод необратимо разрушается из-за коррозии металла. Вместе с тем высокая скорость обменных процессов на поверхности положительного электрода препятствует удержанию на ней защитной оксидной пленки. Ко всему перечисленному следует добавить незначительное число разрядно-зарядных циклов (не более 100), по завершении которых батарея теряет в мощности от 25 до 28%.

Как было найдено оптимальное сочетание материалов для алюминиевого АКБ

После нескольких лет напряженной исследовательской работы инженерам удалось решить часть проблем и получить совершенно новый тип АКБ на основе алюминия. Его отличительная характеристика – высокий показатель стабильности заряда и возможность поддержания рабочего напряжения на требуемом уровне. Добиться этого удалось за счет удачно найденного сочетания алюминиевого анода с катодом из трехмерной графитовой пены. К такому оригинальному решению специалисты пришли после целого ряда экспериментов с самыми различными материалами.

После нахождения такого сочетания в качестве эксперимента исследователи поместили в полимерный пакет следующий набор элементов:

• Анод на основе алюминия.
• Графитовый катод.
• Ионный электролит, не опасный для человека и состоящий в основном из активных солевых растворов.

После этого к анодным и катодным клеммам подсоединялся регистрирующий ток стрелочный прибор. По величине отклонения стрелки на шкале индикатора можно было судить о кондициях собранной конструкции. Проведенные с пробным образцом опыты полностью подтвердили правильность найденного учеными решения по выбору материала анода.

Описание опытов по проверке параметров новых аккумуляторов

Для проверки стойкости новых батарей к механическим воздействиям те же специалисты проделывали следующий примечательный опыт. Они брали два образца и сравнивали по этому показателю литий – ионные АКБ и алюминиевые аккумуляторы. Для этого к каждому из них подключалась лампочка на 12 В, которая начинала гореть в полный накал.

Затем специалисты с помощью механической дрели просверливали в том и другом образце отверстие, после чего лампочка на литий-ионной батарее сразу же гасла. При проделывании той же операции с алюминиевыми образцами подключенная к ним лампа продолжала гореть. На основании этого опыта был сделан вывод о том, что после механического повреждения алюминиевые аккумуляторы способны какое-то время работать без видимых отклонений от нормального режима. При этом им не угрожают такие опасные последствия, как возгорание или разрыв корпуса на части.

Еще один важный результат, полученный в ходе исследований новых батарей – их очень быстрая зарядка, сравниться с которой не может ни один из существующих аналогов. Для подтверждения этого факта бралась литий-ионная батарея от обычного смартфона, после чего к ней подключалось зарядное устройство. Для ее полной зарядки (на 100%) обычно требовалось как минимум 4 часа. Когда те же самые операции проделывались с экспериментальным алюминиевым аккумулятором – на его полное восстановление расходовалась всего одна минута. Таким образом, скорость зарядки возрастала в сотни раз (4х60/1=240).

Отдельно исследовалась длительность (предельные сроки) эксплуатации новой аккумуляторной батареи, которым при разработке уделили особое внимание. У наиболее удачных образцов литий-ионных изделий, известных сегодня, этот показатель не превышает примерно 1000 разрядно-зарядных циклов.

Новые алюминиевые аккумуляторы позволили увеличить его почти в 7,5 раз, что продлило их эксплуатационный ресурс до недостижимых ранее 7500 циклов. Причем этот показатель был получен только на начальном этапе проведения экспериментов с опытными образцами!

Перспективы развития новой технологии

К числу особенностей и преимуществ алюминий-ионных аккумуляторов также относят возможность изготовления гибкого корпуса (ранее опытным путем было установлено, что ему не страшны деформации). Из этого следует вывод о том, что такое изделие предположительно может устанавливаться в любых гибких гаджетах (как в уже работающих, так и в еще только разрабатываемых образцах).

Сегодня перспективность разработки и внедрения в производство батарей с анодно-катодной парой из алюминия и графита ни у кого не вызывает сомнений. Основное направление их будущего применения – аккумулирование электроэнергии с целью питания особо важных и стратегических объектов, имеющих государственное значение. К ним чаще всего относят медицинские учреждения, космические системы и атомные электростанции.

В перспективе алюминиевые аккумуляторы при их массовом производстве смогут полностью заменить миниатюрные элементы типа «АА» и «ААА», напряжение которых предположительно увеличится с 1,5 до 2,0 В. В этом также сказывается оригинальность новой конструкции батареи, способной расширить возможности ее практического применения и повысить эффективность накопления электрического заряда.

Похожие темы:

• Проточные аккумуляторы. Работа и применение. Особенности
• Гелевые аккумуляторы. Устройство и особенности. Зарядка
• Накопители энергии. Виды и применение. Особенности
• Литий-полимерные аккумуляторы. Виды и устройство. Плюсы и минусы
• Солнечные аккумуляторы (Аккумуляторы для солнечных батарей). Виды
• Гибкие аккумуляторные батареи. Технологии будущего и применение
• Аккумуляторные батареи. Виды и устройство. Особенности
• Карбоновые аккумуляторы. Устройство и особенности
• Свинцово-кислотные аккумуляторы. Виды и устройство
• Никель-кадмиевые аккумуляторы. Работа и особенности
• Никель-металлогидридные аккумуляторы (NI-Мh). Особенности

Алюминиевые аккумуляторы GMG ускорят зарядку электромобилей в 60 раз

Австралийская компания Graphene Manufacturing Group (GMG) отчиталась об испытаниях алюминий-ионных батарей нового типа. По словам разработчика, новые аккумуляторы обеспечивают прирост в скорости зарядки до 60 раз и способны вместить в три раза больше энергии, чем эталонные литий-ионные элементы, за счет отказа от систем охлаждения. GMG не сомневается в коммерческом успехе своего решения и уже разработала дорожную карту — базовая версия аккумулятора поступит в продажу в начале следующего года, а элементы, оптимизированные для электромобилей, появятся на рынке в 2024 году.

Новая конструкция GMG базируется на исследованиях Австралийского института биоинженерии и нанотехнологий при Квинслендском университете. Команда инженеров предложила установить атомы алюминия в миниатюрные отверстиях в графеновых плоскостях. Новый подход резко увеличил плотность энергии батареи — до 7000 Вт/кг, сообщает Forbes. Для сравнения, средняя мощность современных литий-ионных батарей составляет 250-700 Вт/кг. Таким образом показатели аккумуляторов GMG ближе к ультраконденсаторам с плотностью около 12000-14000 Вт/кг.

За счет высокой плотности энергии новые батареи многократно увеличили скорость зарядки и разрядки — по подсчетам GMG, с такими элементами питания современные смартфоны будут заряжаться от 0 до 100% менее чем за 10 секунд. Плотность энергии аккумулятора — около 150-160 Вт*ч/кг — составляет 60% от лучших коммерческих литий-ионных батарей. В компании считают, что этот показатель компенсируется не только скоростью зарядки, но и дополнительной особенностью аккумуляторов — они не подвержены перегреву, поэтому не нуждаются в системе охлаждения.

«На данный момент у нас нет проблем с температурой.

Около 20% литий-ионной аккумуляторной батареи в автомобиле отведено под охлаждение. А мы уверены в том, что нам вообще не понадобится ни охлаждение, ни обогрев», — заявил управляющий директор GMG Крейг Николь. Это значит, что батареи от GMG будут либо компактнее, либо смогут содержать больше элементов.

Аккумуляторы уже прошли тестирование в нескольких австралийских университетах и сейчас отправляются на пилотную производственную линию. GMG начнет с выпуска «монетных» батарей — такие элементы подойдут для питания бытовой электроники и мобильных устройств. А затем, когда компания отладит серийное производство, на рынке появятся алюминий-ионные аккумуляторы GMG для электрического транспорта — ориентировочная дата их производства назначена на 2024 год.

В компании также считают, что новые батареи можно адаптировать под существующие платформы автопроизводителей — например, для MEB от немецкого автоконцерна Volkswagen Group.

«Наши будут той же формы и напряжения, что и нынешние литий-ионные элементы, или мы можем придать любую форму, которая потребуется», — добавил Николь.

Помимо Квинслендского университета, в проекте GMG также участвовал Даляньский университет, Университет Небраски-Линкольна, Корнельский университет, Университет Клемсона, а также Стэнфорд и промышленный консорциум European Alion.

Фото: Graphene Manufacturing Group

Катодные материалы для алюминиевых аккумуляторных батарей: текущее состояние и прогресс

Захид Али Зафар, ^и Сумаир Имтиаз, ^и Рамиз Разак, ^и Шэннань Джи, ^и Тайчжун Хуан, 9 лет0003 и Чжаолян Чжан* ^a Юнхуэй Хуанг *

б и Джеймс А. Андерсон* ^c

Принадлежности автора

* Соответствующие авторы

^и Школа химии и химического машиностроения, Ключевая лаборатория химии фтора и химических материалов провинции Шаньдун, Цзинаньский университет, № 336, Западная дорога Нань Синьчжуан, Цзинань 250022, Китай
Электронная почта: chm_zhangzl@ujn.

edu.cn

^б Государственная ключевая лаборатория обработки материалов и технологии штампов и пресс-форм, Школа материаловедения и инженерии, Хуачжунский университет науки и технологий, Ухань, Хубэй 430074, Китай
Электронная почта: [email protected]

^с Группа химии поверхности и катализа, Материалы и химическая инженерия, Инженерная школа, Абердинский университет, Абердин AB24 3UE, Великобритания
Электронная почта: [email protected]

Аннотация

rsc.org/schema/rscart38″> Аккумуляторные алюминиевые батареи (РАБ) являются одними из наиболее перспективных постлитиевых систем накопления энергии (АСЭ) со значительно более высокой удельной объемной емкостью (8046 мА·ч · см ⁻³ ), большей безопасностью и меньшей стоимостью. Разработка таких эффективных и недорогих ESS необходима для удовлетворения будущих потребностей современного общества в хранении энергии. В последние годы было опубликовано несколько исследовательских статей об эволюции катодных материалов для RAB, что делает критический обзор своевременным, чтобы послужить источником вдохновения для будущих исследований. В этой статье подробно рассматриваются катодные материалы, разработанные специально для RAB, разработка катодных материалов на основе углерода, а затем разработка катодных материалов на основе оксидов переходных металлов (TMO), сульфидов и хлоридов и, наконец, несколько других катодных материалов. также обсудили. Соответственно, будущие перспективы и возможности выделены.

• Эта статья является частью тематического сборника: Последние обзорные статьи

Изучение способов разработки более качественных перезаряжаемых алюминиевых батарей

Координация Cl с Al на борофене для облегчения адсорбции ионов. Кредит: Чуан Ву

Группа из Китая опубликовала новую работу по перезаряжаемым алюминиевым батареям в Energy Material Advances .

«Перезаряжаемые алюминиевые батареи (RAB) имеют большой потенциал в качестве мощных кандидатов для крупномасштабных устройств накопления энергии», — сказал соответствующий автор Чуан Ву, профессор Школы материаловедения и инженерии Пекинского технологического института. «Высокая теоретическая мощность, обильные резервы и высокий уровень безопасности помогут RAB добиться применения и коммерциализации».

Профессор Ву объяснил, что из-за многоэлектронной реакции алюминия (теоретически трехэлектронный перенос) прямое внедрение алюминиевого анода может привести к высококонкурентным гравиметрическим и объемным емкостям (2980 мАч·г ⁻¹ и 8046 мА·ч см ^-3 на основе Al), а также подходящий окислительно-восстановительный потенциал (-1,66 В по сравнению со стандартным водородом для Al ³⁺ /Al). Однако из-за основных свойств малого радиуса (54 пм) и высокого заряда (+3) ионы Al ³⁺ проявляют чрезвычайно медленную миграционную активность и сильную электростатическую силу, повреждающую кристаллическую структуру при миграции.

Эти внутренние характеристики приводят к низкому напряжению холостого хода, уменьшению емкости и неудовлетворительной циклической работе, что затрудняет применение RAB. Кроме того, побочная реакция электролита и коррозия алюминиевого анода также являются неотложными проблемами, которые исследователи должны решить, чтобы получить отличные характеристики RAB. Соответственно, крайне важно понять механизм реакции и соответствующим образом разработать катодные материалы.

Двумерные (2D) материалы привлекли внимание исследователей благодаря настраиваемому электронному состоянию, способности принимать ионы и некоторым особым свойствам, примером которых является графен, MoS ₂ , фосфолен, силицен и т. д. Чтобы изучить подходящие катодные материалы, Ву и его команда обратили внимание на борофен, который был впервые синтезирован в 2015 году.

Согласно отчетам по применению аккумуляторов, напряжения реакции (от 0,15 до 0,96 В против металлов Li, Na, Mg, K и Ca) почти подходят в качестве анодных материалов, а энергетические барьеры диффузии носителей заряда низкие (325 мэВ для Li, 3 мэВ для Na, 28 мэВ для Mg, 440 мэВ для Ca и 4 мэВ для K). Следовательно, это подразумевает превосходные электрохимические характеристики борофена, который может быть потенциальным электродным материалом для алюминиевой батареи, особенно страдающей кинетикой диффузии.

Чтобы понять особые свойства борофена, вмещающего ионы алюминия, Ву и его команда исследовали кристаллическую структуру, электронную структуру, равновесное напряжение и кинетику диффузии ионов в качестве электродного материала для RAB.

«В отличие от традиционного признания, электролитная среда в РАБ на самом деле оказывает глубокое влияние на теорию окислительно-восстановительного потенциала, поскольку комплекс Al-анион может выступать в качестве носителя и, следовательно, происходит изменение реакции. Как правило, в электролите ионной жидкости или аналоги ионной жидкости (наилучший вариант для алюминиевого анода благодаря совместимости и высокой эффективности осаждения/растворения), кроме Al

3+ , анионные соединения AlCl ₄ ⁻ и Al ₂ Cl ₇ ⁻ и катионные соединения AlCl ₂ ⁺ и AlCl ²⁺ могут существовать в форме Al сложный», — сказал Ву.

“Следовательно, необходимо пересмотреть электрохимические характеристики борофена с учетом влияния комплексных ионов AlCl _n и понять предпочитаемый механизм реакции. ”

Установлено, что «После сравнения адсорбции Cl ⁻ , Li ⁺ и Al ³⁺ реакция переноса электрона затруднена сильным кулоновским взаимодействием в процессе адсорбции Al ³⁺ . Происхождение лежит на стабильной 3s-орбитали и большом промежутке между 3s и уровнем Ферми, чтобы предотвратить дальнейший перенос электронов Al», — сказал Ву. «Неподеленная пара электронов на 3s-орбитали отталкивает борофен, принимающий электроны».

“Когда мы берем AlCl ₄ ⁻ , AlCl ₂ ⁺ и AlCl ²⁺ в качестве носителей в РАВ систематически, мы обнаруживаем, что из-за координации Cl с Al соответственно разблокируется многоэлектронный перенос: Зазор между 3s и уровнем Ферми уменьшается после орбитальная гибридизация, и переход электрона на орбиталь 3s легко происходит для AlCl _n », — сказал Ву.

«Координация с Cl (как AlCl _n ) уменьшает разрыв между Al 3s орбиталь и уровень Ферми для облегчения переноса электрона».

«Высокие емкости 490 мАч/г ([AlCl ₂ ] _0,17 B) и 841 мАч/г ([AlCl] _0,33 B) прогнозируются в исследовании DFT при средних напряжениях 2,037 В. ([AlCl ₂ ] _0,17 B) и 1,018 В ([AlCl] _0,33 B) по отношению к Al. 0095 , 0,20 эВ для AlCl ₂ и 0,08 эВ для AlCl соответственно», — сказал Ву.

«Быстрая кинетика диффузии, высокая емкость и напряжение указывают на превосходные электрохимические характеристики борофена в RAB».

Эта работа описывает возможную универсальную роль координации Cl в выполнении многоэлектронной реакции и проливает свет на сложное окислительно-восстановительное состояние RAB с несколькими носителями (AlCl _n ). Ву сказал, что такие выводы могут предсказать характеристики борофена в качестве электродных материалов и обеспечить важную точку зрения на мультиноситель в случае RAB.

«Несмотря на достигнутый большой прогресс, разработка алюминиевых катодов для RAB по-прежнему сталкивается с серьезными проблемами, такими как динамика медленных ионов Al ³⁺ и сложный механизм реакции Al и AlCl _n », — сказал Ву.

«В практическом применении RAB требуют большего внимания для уменьшения побочных реакций, замедления коррозии алюминиевых анодов и изучения новых катодных материалов. Если новые материалы, особенно алюминийсодержащие катодные материалы, смогут обеспечить высокую плотность энергии и длительный срок службы, RAB станут неотъемлемой частью электрохимического хранения энергии. Одним словом, достижение коммерциализации RAB требует большего внимания к решению более практических вопросов».

Дополнительная информация: Люмин Чжэн и др., Многоэлектронная реакция AlCl n в борофене для перезаряжаемых алюминиевых батарей, Energy Material Advances (2022). DOI: 10.34133/energymatadv.0005

Предоставлено Пекинский технологический институт Press Co., Ltd.

Цитата : Изучение способов разработки более качественных перезаряжаемых алюминиевых батарей (30 января 2023 г.) получено 2 июня 2023 г. с https://phys.org/news/2023-01-exploring-rechargeable-aluminum-batteries.