Что такое алюминиево-воздушная батарея?

Поскольку рынок электромобилей продолжает набирать обороты, некоторые покупатели автомобилей по-прежнему обеспокоены запасом хода и безопасностью литий-ионных аккумуляторов. Чтобы решить эти обоснованные проблемы, много денег и времени тратится на разработку новых аккумуляторных технологий.

В последние годы компании инвестировали в старую, но улучшенную батарею на основе алюминия и воздуха, которая может значительно продвинуть индустрию электромобилей. Кажется, что алюминиево-воздушная (Al-air) батарея меняет правила игры в области аккумуляторов для электромобилей, но все ли это шумиха?

Что такое алюминиево-воздушная батарея?

Изображение предоставлено: ENERGY.GOV/Wikimedia Commons

Электромобили играют жизненно важную роль в достижении нулевого будущего. Тем не менее, беспокойство по поводу запаса хода и вопросы безопасности литий-ионных аккумуляторов являются препятствиями, мешающими росту рынка электромобилей. Литий-ионные аккумуляторы возглавили революцию в области электромобилей, но их запас хода по-прежнему ограничен 400 милями, что может создавать проблемы при длительных поездках.

Проблемы с поиском зарядной станции в отдаленных районах и ожиданием зарядки вашего электромобиля могут оттолкнуть потенциальных покупателей. Другие предполагаемые проблемы с литиевыми батареями, такие как деградация батареи, утечки и перезарядка, также не сильно помогают в этом случае. Среди всех других аккумуляторных технологий алюминиево-воздушные аккумуляторы привлекают столько внимания, потому что их не нужно перезаряжать.

Концепция этих батарей восходит к 1960-м годам. Но поскольку его электролит был опасно едким и ядовитым, его нельзя было использовать в коммерческих целях. Тревор Джексон, технический офицер Королевского флота Великобритании, начал экспериментировать с аккумулятором в 2001 году, чтобы сделать его безопасным в использовании. Аль-воздушные батареи изготовлены из пластины из алюминиевого сплава в качестве анода, воздушного катода, нетоксичного электролита, такого как вода, и серебряного катализатора.

Как работает алюминиево-воздушная батарея?

Традиционные аккумуляторы для электромобилей имеют два электрода, один катод и один анод, изготовленные из разных материалов, между которыми находится электролит. Когда батарея используется, ионы текут от анода через электролит к катоду. Во время зарядки ионы возвращаются к аноду в обратном направлении.

Алюминиево-воздушные батареи

функционируют аналогично топливному элементу. Он использует алюминий на аноде и кислород на катоде. Результатом является гораздо более высокая плотность энергии. Примерно в восемь-девять раз больше, чем у нынешних литий-ионных аккумуляторов, используемых в электромобилях, что значительно увеличивает мощность. Плотность энергии измеряет, сколько энергии батарея может хранить на единицу массы. Плотность мощности измеряет, сколько мгновенной энергии он может передать на единицу массы.

Анод высвобождает электроны по мере того, как окисляется алюминий, в то время как катод восстанавливает кислород, высвобождая электроны, таким образом вырабатывая электрическую энергию. Нагрузка может питаться от электрического тока, генерируемого электронами, движущимися по внешней цепи. Конечным результатом является белый порошок, который образуется на аноде.

Преимущества и недостатки алюминиево-воздушных аккумуляторов

Алюминий является третьим наиболее часто встречающимся природным ресурсом в земной коре и самым распространенным металлом на Земле, поэтому мы, вероятно, никогда не исчерпаем его. Благодаря своей мягкости с алюминием легко работать, и он стабилен, в отличие от лития. К тому же он нетоксичен. Ниже приведены другие преимущества алюминиево-воздушных аккумуляторов по сравнению с литий-ионными аккумуляторами:

• Дешевле в производстве
• Стабильность
• Меньший углеродный след при добыче и переработке
• Сохраняет намного больше энергии
• Легче, чем большинство других батарей, благодаря тому, что батарея изготовлена ​​из алюминия и воздуха
• Высокая степень вторичной переработки

• 2 своих преимуществ, у этой батареи есть несколько недостатков. Во-первых, у него есть недостаток в том, что он является основной батареей. По сути, его нельзя перезарядить, если батарея разряжена или полностью разряжена. Кроме того, воздух внутри батареи разъедает алюминиевый анод. Следовательно, алюминиевую пластину в аккумуляторе необходимо заменить, что может быть дорогостоящим. Кроме того, на себестоимость производства аккумуляторов могут влиять колебания цен на серебро, содержащееся в аккумуляторе.

  Проблемы с литий-ионными батареями

  Ученые разрабатывают более совершенные аккумуляторы из-за недостатков литий-ионных аккумуляторов, которые доминируют на рынке электромобилей. Литий, никель и кобальт, используемые в литий-ионных батареях, являются редкоземельными металлами, встречающимися только в определенных частях мира. В настоящее время электромобили составляют 6% транспортных средств на дорогах, и добыча этих металлов идет полным ходом; представьте, когда цифры EV поднимутся до 50% или 80%. Другие недостатки литий-ионных аккумуляторов включают следующее:

  • Дорого в производстве, хотя цены снизились
  • Нестабильность лития
  • Нагрузка на национальную энергосистему
  • Дорогие и сложные зарядные сети
  • Воздействие на окружающую среду, связанное с добычей полезных ископаемых, несмотря на то, что перерабатывается больше литиевых батарей

  Замена батареи по сравнению с перезарядкой

  Изображение предоставлено: bfishadow/Wikimedia Commons

  Существуют факторы, которые следует учитывать при рассмотрении вопроса о замене батареи или ее подзарядке.

  Чтобы получить такой же диапазон на одной зарядке, потребуется аккумуляторная батарея размером в 1/8 размера литий-ионной батареи. Из-за меньшего веса алюминиево-воздушных батарей электромобили смогут путешествовать дальше, повышая общую эффективность.

  Также будет проще и удобнее упаковать аккумулятор в легкодоступном месте внутри электромобиля, чтобы его можно было легко заменить при необходимости. Некоторые компании оценивают время замены алюминиево-воздушной батареи электромобиля всего за три минуты, что позволяет владельцам электромобилей быстро вернуться в дорогу.

  По оценкам, алюминиевых батарей хватает примерно на 5400 миль. Вопрос в том, зачем кому-то идти по этому пути вместо подзарядки? С электромобилем, работающим на алюминиевом топливе, вы можете проехать гораздо дальше, не находя зарядную станцию. Другая причина заключается в том, что замена разряженной алюминиево-воздушной батареи на переработанную намного дешевле, чем стоимость замены батареи Tesla. Поскольку единственной заменяемой деталью являются алюминиевые пластины, которые могут быть на 100 % переработаны, вы платите за километры, которые проезжаете.

  Будущее за алюминиево-воздушными батареями?

  В современных электромобилях можно использовать алюминиево-воздушные батареи. Популярность этих аккумуляторов, вероятно, возрастет по мере того, как станции по замене аккумуляторов станут более распространенными. До тех пор их также можно использовать для расширения диапазона электромобилей с литий-ионными батареями, решая проблему необходимости подзарядки, когда вы не можете этого сделать.

  Со временем покупатели электромобилей получат возможность менять аккумуляторы или перезаряжать свои автомобили, что в конечном итоге создаст более универсальный рынок электромобилей для всеобщего блага. В результате переход к миру, полностью основанному на электромобилях, будет продолжать ускоряться.

  Прогресс в области анодных материалов на основе алюминия для литий-ионных аккумуляторов

  Хайдун Ван, † ^и Хэнфэн Тан, † ^и Синьюань Луо, ^и Хуэй Ван, ^и Тинг Ма, ^и Мяо Львов, ^и Сяолань Песня, ^и Шэнмин Джин, ^и Синхуа Чанг * ^и и Синго Ли ^б

  Принадлежности автора

  * Соответствующие авторы

  ^и Hunan Key Lab Mineral Materials and Application, School of Mineral Processing and Bioengineering, Central South University, Changsha 410083, China
  Электронная почта: changxinghua@csu. edu.cn

  ^б Пекинская национальная лаборатория молекулярных наук (BNLMS), Колледж химии и молекулярной инженерии, Пекинский университет, Пекин 100871, Китай

  Аннотация

  Алюминий

  считается перспективным кандидатом в качестве анода для литий-ионных аккумуляторов из-за его низкой стоимости, высокой емкости и низкого равновесного потенциала для литирования/делитирования. Однако компактный поверхностный оксидный слой, недостаточная кинетика диффузии лития и незначительное изменение объема анодных материалов на основе алюминия серьезно препятствуют их расширенному применению.