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 литий-ионных батарей 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.
Андрей Повный
Алюминиевая батарея — отличное дополнение для электромобиля
Компания Phinergy первой в мире сумела изготовить воздушно-алюминиевую батарею, пригодную для эксплуатации в автомобиле. 100-килограммовая батарея Al-Air содержит достаточно энергии, чтобы обеспечить 3000 км хода компактного легкового автомобиля. Phinergy провела демонстрацию технологии с Citroen C1 и упрощённой версией батареи (50 пластин по 500 г, в корпусе, наполненном водой). Машина проехала 1800 км на одном заряде, останавливаясь только для пополнения запасов воды — расходуемого электролита (видео).
Алюминий не заменит литий-ионные аккумуляторы (он не заряжается от розетки), но великолепно дополняет их. Ведь 95% поездок автомобиль совершает на короткие расстояния, где достаточно стандартных аккумуляторов. Дополнительная батарея обеспечивает бэкап на случай, если аккумулятор разрядился или если нужно далеко ехать. 
Воздушно-алюминиевая батарея генерирует ток за счёт химической реакции металла с кислородом из окружающего воздуха. Алюминиевая пластина — анод. С двух сторон ячейка покрыта пористым материалом с серебряным катализатором, который фильтрует CO2. Металлические элементы медленно деградируют до Al(OH)3.
Химическая формула реакции выглядит так:
4 Al + 3 O2 + 6 H2O = 4 Al(OH)3 + 2,71 В
Это не какая-то сенсационная новинка, а хорошо известная технология. Её давно используют военные, поскольку такие элементы обеспечивают исключительно большую плотность энергии.
Но раньше инженерам никак не удавалось решить проблему с фильтрацией CO2 и сопутствующей карбонизацией.
Компания Phinergy утверждает, что решила проблему и уже в 2017 году можно производить алюминиевые батареи для электромобилей (и не только для них).
Литий-ионные аккумуляторы Tesla Model S весят около 1000 кг и обеспечивают пробег 500 км (в идеальных условиях, в реальности 180-480 км). Скажем, если сократить их до 900 кг и добавить алюминиевую батарею, то масса машины не изменится. Дальность хода от аккумулятора снизится на 10-20%, зато максимальный пробег без зарядки увеличится аж до 3180-3480 км! Можно доехать от Москвы до Парижа, и ещё что-то останется.
В чём-то это похоже на концепцию гибридного автомобиля, но здесь не требуется дорогой и громоздкий двигатель внутреннего сгорания.
Недостаток технологии очевиден — воздушно-алюминиевую батарею придётся менять в сервисном центре. Наверное, раз в год или чаще. Впрочем, это вполне заурядная процедура. Компания Tesla Motors в прошлом году показывала, как аккумуляторы Model S меняют за 90 секунд (любительское видео).
Другие недостатки — энергозатратность производства и, возможно, высокая цена. Изготовление и переработка алюминиевых батарей требует большого количества энергии. То есть с экологической точки зрения их использование только повышает общее потребление электроэнергии во всей экономике. Но зато потребление более оптимально распределяется — оно уходит из крупных городов в отдалённые районы с дешёвой энергией, там находятся ГЭС и металлургические заводы. Неизвестно и то, сколько будут стоить такие элементы питания. Хотя сам алюминий — дешёвый металл, но катод содержит дорогое серебро. Phinergy не рассказывает, как именно изготовляет запатентованный катализатор. Возможно, это сложный техпроцесс. Но при всех своих недостатках воздушно-алюминиевая батарея всё равно кажется очень удобным дополнением к электромобилю. По крайней мере, как временное решение на ближайшие годы (десятилетия?), пока не исчезнет проблема ёмкости аккумуляторов.
В Phinergy, тем временем, экспериментируют с «перезаряжаемой» воздушно-цинковой батареей. Она вообще работает тысячи часов без особой химической деградации, поскольку окисление цинка — обратимый процесс.
Похожие научные разработки ведутся и в России.
Новые воздушно-алюминиевые батареи: еще одна дешевая и безопасная альтернатива литию создана учеными Кореи
Новая разработка ученых южно-корейского технологического института UNIST позволит комплектовать электромобили более производительными аккумуляторами по сравнению с автомобилями на традиционных видах топлива. В предложенной концепции пользователям не придется тратить много времени на зарядку аккумуляторных блоков, что сейчас считается одним из главных недостатков машин с электрическим двигателем. Вместо этого они смогут просто менять на станции аккумуляторные блоки, которые, к тому же, будут иметь меньший вес и большую мощность.
В работе профессора Джефила Чо из UNIST говорится о новом типе воздушно-алюминиевых аккумуляторов для электромобилей. По сравнению с обычными литий-ионными накопителями воздушно-алюминиевые батареи имеют более высокую плотность энергии, долгий срок эксплуатации, меньшую стоимость и большую безопасность.
Новые воздушно-алюминиевые батареи невозможно будет перезарядить обычным способом: с исчерпанием запаса энергии в них меняется электролит и окислившиеся элементы.
Но с точки зрения количества запасенной энергии на единицу веса алюминий в полтора раза превосходит традиционные виды топлива (2500 ватт-час/кг против 1700 ватт-час/кг).
Аккумулятор из килограмма алюминия удерживает энергию для пробега 700 километров.
Аккумуляторные батареи для электромобилей. Вопросы и ответы
Воздушно-алюминиевые аккумуляторы производят энергию за счет реакции окисления, и главной проблемой, почему они до сих пор не получили широкого распространения, является высокая себестоимость анода (обычно используются драгоценные металлы) и утилизации побочных продуктов в случае применения традиционных электролитов.
Ученые из UNIST решили эту проблему каталитическим восстановлением кислорода с помощью тончайшей пластины манганата серебра с покрытием из наночастиц серебра.
Они обнаружили, что атом серебра способен переходить в свободную кристаллическую решетку и перестраивать структуру оксида марганца, что позволит увеличить срок работы и плотность энергии аккумулятора.
Разрядная емкость батареи в новом воздушно-алюминиевом аккумуляторе увеличилась в 17 раз, а стоимость такого катализатора в 50 раз ниже традиционного платинового.
Несмотря на уникальные характеристики новых батарей, исследователи пока не спешат делать выводы о коммерческом потенциале технологии. Нерешенным остается вопрос инфраструктуры: для того, чтобы перейти на такой вид накопителей энергии, потребуется не только изменить производственные процессы, но и создать целую сеть специальных «электрозаправок».
Сколько батарея электромобиля сохраняет свою емкость – пример BMW i3
Источник: unist.ac.kr
А вы что думаете по этому поводу? Дайте нам знать – напишите в х!
Алюминиевые батарейки оказались намного лучше литий-ионных
Физики утверждают, что аккумуляторы на основе ионов алюминия намного эффективнее и безопаснее для экологии, чем популярные сегодня литиевые батареи.
#72: Лучшие материалы «Популярной механики» за 2019 год
Прогресс невозможно остановить, и сегодня все мы зависим от батареек, нравится нам это или нет. Все, от смартфонов до автомобилей, требует для работы аккумулятор. Однако современные литий-ионные обладают рядом очевидных недостатков. Новое исследование показало, что модернизированный тип алюминиевого аккумулятора во многом превосходит современный стандарт.
Основное преимущество алюминиевых аккумуляторов — это сравнительно низкие производственные затраты и использование материалов, которые в изобилии встречаются на нашей планете и при этом легко доступны.
Это значит, что человеку не придется разрушать целые экосистемы и тратить огромные ресурсы на то, чтобы добыть материалы для их изготовления.
В первую очередь этот концепт подходит для крупномасштабных энергосистем — например для районов, где существует возможность добывать энергию из возобновляемых источников и ее нужно где-то хранить.
Помимо дефицита лития, производители классических литий-ионных аккумуляторов также сталкиваются с проблемой использования кобальта, потенциально опасного для человека металла. Если у промышленников получится перейти на алюминий, то мы станем заметно меньше зависеть от ископаемого топлива, да и сам процесс производства и переработки батареек заметно упростится.
Yen Strandqvist/Chalmers University of Technology Схема алюминиевого аккумулятора
Физик Патрик Йоханссон из Технологического университета Чалмерса в Швеции также отметил, что аккумуляторы нового типа также обладают удвоенной энергоемкостью в сравнении с теми видами алюминиевых батарей, что уже существуют на рынке. Сам по себе концепт не является новаторским, но если раньше в качестве катода использовался графит, то теперь его заменил антрахинон.
Впрочем, даже сами разработчики признают, что их изобретению есть куда развиваться. Особенно это касается электролита — химической смеси, которая и стимулирует движение ионов между катодом и анодом. По словам Йохансона, алюминий в принципе является лучшим носителем заряда, чем литий, поскольку он многовалентный и «каждый ион компенсирует несколько электронов».
Эпоха новых аккумуляторов — Будущее на vc.ru
Конспект статьи журнала Wired о том, почему учёные во всём мире ищут замену литий-ионному аккумулятору и какие альтернативы есть сегодня.
Современный смартфон — бомба замедленного действия, пишет Wired. Литий, который содержится в аккумуляторе, настолько взрывоопасен, что может воспламениться при контакте с водой. Лёгкий и энергоёмкий, он подходит для портативной электроники, но не справляется с большой нагрузкой.
В течение последних пятидесяти лет производители аккумуляторов и учёные со всего мира вынуждены искать баланс между мощностью аккумулятора и безопасностью его использования: при превышении допустимой нагрузки литий может взорваться.
Ожидается, что объём рынка внешних аккумуляторов достигнет $25 млрд к 2022 году. Тем не менее, большинство потребителей считают, что время работы внутреннего аккумулятора — одна из главных характеристик смартфона.
Десятки компаний пытаются создать новый тип аккумулятора: улучшить его энергоёмкость, срок службы. Сделать так, чтобы он заряжался в течение нескольких секунд и ему хватало заряда на целый день.
Как работает аккумулятор
В основе работы аккумулятора лежит химическая реакция. Его главные компоненты — отрицательно заряженный анод и положительно заряженный катод, разделённые электролитом.
Когда аккумулятор подключен к цепи, происходит окислительно-восстановительная реакция. Атомы металла теряют электроны и становятся положительно заряженными ионами, которые притягиваются к катоду.
Электроны, являясь отрицательно заряженными частицами, тоже притягиваются к катоду. В отличие от атомов металла, электроны притягиваются к катоду не через электролит, а по внешнему участку замкнутой электрической цепи.
Когда атомы металла больше не могут отдавать электроны, аккумулятор разряжается. Однако его можно снова использовать после подзарядки: электрический ток перемещает ионы и электроны обратно к катоду.
Электроды из чистого метала не выдерживают постоянного перемещения атомов и электронов, поэтому аккумуляторы делаются из различных смесей.
Создание литий-ионного аккумулятора
В 1977 году британский учёный Стэн Уиттингэм создал анод из алюминия и лития. При зарядке батареи ионы лития занимали пустые места между атомами алюминия. Уиттингэм создал первый в мире заряжаемый аккумулятор, однако при повышении напряжения он воспламенялся.
В 1980 году Джон Гуденаф, специалист по оксидам металла, вместо алюминия и лития использовал оксид лития-кобальта, который позволял «вытягивать» в два раза больше атомов лития.
В 1991 году компания Sony начала использовать катод Гуденафа и углеродный анод для аккумуляторов в видеокамере CCD-TR1. Это был первый потребительский товар с заряжаемым литий-ионным аккумулятором.
В течение 2000-2010 годов производители постоянно улучшали энергоёмкость аккумуляторов, но начиная с 2007 года даже минимальное увеличение энергоёмкости давалось всё сложнее.
Несмотря на тысячи опубликованных исследований, миллиарды потраченных долларов и десятки стартапов технология работы аккумулятора не сильно изменилась с 1991 года. Аккумулятор IPhone X по составу практически идентичен аккумулятору видеокамеры Sony.
Альтернативы литий-ионному аккумулятору
На основе кремния
В 2011 году бывший сотрудник Tesla Джин Бердичевский вместе с Алексом Джейкобсом и Глебом Юшиным основал компанию Sila Nanotechnologies. Они решили использовать кремний как наиболее перспективный материал для производства аккумуляторов: атом кремния способен захватывать до четырёх ионов лития.
Эксперименты с кремнием проводились до 2011 года, однако безуспешно. При зарядке анод поглощает ионы лития и увеличивается в объёме, а при разрядке возвращается к прежнему размеру.
Расширение и сжатие анода — одна из причин, почему аккумулятор смартфонов теряет ёмкость со временем. Графитовый анод может служить около двух лет (1000 циклов разрядки), однако кремния хватает на пару циклов.
Компании Sila потребовалось пять лет, чтобы создать материал, позволяющий кремнию расширяться без изменения внешней структуры анода. По словам Бердичевского, материал будет доступен для производства в 2019 году и сможет повысить уровень безопасности использования аккумуляторов и увеличить энергоёмкость на 20% (а в будущем, возможно, до 40%).
Энергоёмкость современных аккумуляторов постоянно увеличивается, но вместе с ней увеличиваются и риски, потому что слои анода и катода становятся тоньше и располагаются всё ближе друг к другу. Даже маленькая ошибка может привести к катастрофе. Ярким примером тому служит Galaxy Note 7.
Так как литий опасен, то его количество в литий-ионном аккумуляторе не превышает 2%. Если бы можно было использовать чистый литий, энергоёмкость аккумулятора увеличилась бы в десятки раз. Основатель и генеральный директор Ionic Materials Майк Циммерман, возможно, нашёл способ использовать чистый литий в аккумуляторах.
По его мнению, проблема заключается в электролите. В последнее время заметна тенденция использования гелей и полимеров вместо жидких электролитов, однако они в основном огнеопасны.
Ionic Materials создала недорогой, гибкий и прочный полимер с электропроводностью при комнатной температуре.
Компания вбивала гвозди в аккумуляторы, стреляла в них из огнестрельного оружия и разрезала ножницами, но аккумуляторы не горели.
Циммерман считает, что новый полимер позволит использовать чистый литий и ускорит появление литий-серных и литий-кислородных аккумуляторов на рынке. Но будущее, возможно, не за литием.
На основе углерода
В 2013 году инженер-разработчик в Netscape Стивен Воллер основал компанию ZapGo, занимающуюся разработкой аккумуляторов на основе углерода. Эти аккумуляторы должны заряжаться так же быстро, как суперконденсаторы, сохранять заряд так же долго, как литий-ионные аккумуляторы.
Если аккумуляторы накапливают энергию благодаря химическим реакциям, то суперконденсаторы запасаются ею в электрическом поле. Однако они не могут накопить столько же энергии, как аккумуляторы, и теряют её очень быстро.
Некоторые учёные считают, что объединение суперконденсаторов с аккумуляторами может стать решением всех проблем. Суперконденсаторы могут лечь в основу гибридного телефона, который заряжается за пару минут и у которого есть запасной литий-ионный аккумулятор.
ZapGo разработала аккумулятор с твёрдым невзрывающимся электролитом и двумя электродами из тонких слоёв алюминия, покрытых наноуглеродным материалом.
В аккумуляторе не протекает никаких химических реакций, поэтому он может выдержать до 100 тысяч циклов разрядки (30 лет каждодневного использования), что невыгодно производителям техники.
Однако Воллер утверждает, что ZapGo может искусственно уменьшить его срок службы.
Аккумуляторам, разработанным ZapGo, ещё не хватает мощности, чтобы питать смартфоны, Воллер планирует решить эту проблему к 2022 году. Для этого придётся изменить способ зарядки смартфонов. Современное зарядное устройство замедляет количество электрического тока, поступающего в аккумулятор, чтобы он не износился раньше времени и не загорелся.
Для аккумулятора компании ZapGo или любого другого, работающего на базе суперконденсатора, нужно зарядное устройство, которое, наоборот, накапливало бы энергию из розетки и подавало бы её в телефон в один миг.
Углеродные аккумуляторы — это, возможно, один из шагов на пути к будущему, в котором у телефонов есть гибкие экраны и 5G-интернет.
Ученые создали алюминиевые аккумуляторы с удвоенной мощностью
Ученые создали алюминиевые аккумуляторы с удвоенной мощностью
Шведские и словенские ученые смогли удвоить плотность энергии алюминий-органического аккумулятора. Производство аккумуляторов из такого доступного материала, как алюминий, позволит снизить расходы и ущерб окружающей среде, а применять их можно будет для хранения солнечной или ветровой энергии.
Исследователи из Технологического университета Чалмерса в Швеции и Национального института химии в Словении добились прогресса в разработке алюминий-органического аккумулятора.
Их разработка вдвое превосходит по плотности энергии предыдущие образцы алюминиевых аккумуляторов.
Как и в них, анод в новом аккумуляторе изготовлен из алюминия, но материалом катода служит не графит, а органический материал на основе антрахинона.
По мнению разработчиков идеи, применение батарей на основе алюминия имеет ряд преимуществ. У них в теории высокая плотность энергии, а индустрия и для производства, и для утилизации дешевого материала уже создана. По сравнению с современными литий-ионными батареями изготовление алюминиевых экономически выгоднее.
«Вдобавок наша новая концепция обладает в два раза большей энергетической плотностью, чем самые современные алюминиевые аккумуляторы», — заявил профессор Патрик Йоханссон с факультета физики Чалмерса.
Раньше в конструкции алюминиевых батарей применяли алюминиевый анод и графитовый катод. Однако графит не позволял сделать элементы с достаточно высоким КПД. Поэтому ученые заменили его на органический катод из углеродной молекулы антрахинона. Эта молекула накапливает носители положительного заряда, что повышает энергетическую плотность аккумулятора.
Пока коммерчески доступных алюминиевых батарей не существует, даже исследований на их тему немного. Нынешние алюминиевые аккумуляторы вдвое уступают по емкости литий-ионным. Но исследователи из Швеции и Словении собираются преодолеть этот разрыв. Для этого им придется найти более эффективный электролит и разработать другой механизм зарядки.
Однако сам алюминий в принципе лучше переносит заряд, чем литий, поскольку он многовалентный, то есть каждый ион «компенсируется» несколькими электронами. Кроме того, такие батареи наносят значительно меньше ущерба природе.
Новый тип батарей на основе алюминия разработали в Южной Корее. Плотность энергии в них выше, чем у бензинового двигателя, и они намного безопаснее и дешевле литий-ионных. А заряжать их вообще не придется.
- Ранее ЭлектроВести писали, что создана первая полностью перезаряжаемая батарея на двуокиси углерода.
- Читайте самые интересные истории ЭлектроВестей в Telegram и Viber
Алюминий-ионный аккумулятор — Aluminium-ion battery
Алюминий-ионные аккумуляторы представляют собой класс аккумуляторной батареи , в которых алюминиевые ионы обеспечивают энергию путем пропускания от отрицательного электрода аккумуляторной батареи, на аноде , к положительному электроду, на катоде .
При зарядке, ионы алюминия вернуться к отрицательному электроду, и могут обмениваться три электрона на один ион. Это означает , что вставка одного Al 3+эквивалентно трем Li +ионы в обычных интеркаляционных катодов.
Таким образом, поскольку ионные радиусы Al 3+(0,54 А) и Li +(0,76 А) подобны, значительно более высокие модели электронов и Al 3+Ионы могут быть приняты катодами без особых пульверизации. Трехвалентного носителей заряда, Al 3+ является как преимущество, так и недостаток этой батареи ..
Во время передачи 3 единицы заряда одного иона значительно увеличить емкость хранения энергии, но электростатическую интеркаляцию принимающих материалов с трехвалентный катионом является слишком сильным для хорошо определенного электрохимического поведения.
Аккумуляторные на основе алюминия аккумуляторы имеют возможности низкой стоимости и низкой горючестью, вместе с тремя электронно-окислительно-восстановительными свойствами, приводящих к большой емкости.
Инертность алюминия и легкость обработки в окружающей среде, как ожидается, может предложить значительные улучшения безопасности для этого вида батареи.
Кроме того, алюминий обладает более высокой объемной мощностью, чем Li, K, Mg, Na, Ca и Zn, владеющей своей высокой плотности (2,7 г см -3 ^ при 25 ° C) и возможность обмена три электрона.
Это снова означает, что энергия, запасенная в алюминиево-батарей на единицу объема основе выше, чем в других металлов на основе батарей. Таким образом, алюминий-батарея, как ожидается, будет меньше по размеру. Ай-ионные батареи также имеют большее количество циклов заряд-разряд. Таким образом, Ai-ионные батареи имеют потенциал, чтобы заменить литий-ионные батареи ..
дизайн
Как и все другие батареи, основная структура алюминиево-ионных батарей включает в себя два электрода , соединенные с электролитом , с ионной (но не электрически провод щего материала) , действующий в качестве среды для потока носителей заряда. В отличие от литий-ионных батарей, где ион мобил является Li +, Алюминий образует комплекс с хлористым в большинстве электролитов и генерирует анионный мобильный носитель заряда, как правило , AlCl4 -или Al2 Cl7 -,
Количество энергии или мощности, что батарея может освободить зависят от факторов, включая напряжение аккумуляторной ячейки, емкость и химический состав. Батарея может максимизировать свои выходные уровни энергии путем:
- Повышение химической разности потенциалов между двумя электродами
- Уменьшение массы реагентов
- Предотвращение электролита от изменения химических реакций
Исследование
Различные исследовательские группы экспериментируют с алюминием и другими химическими соединениями для получения наиболее эффективного длительным и безопасного аккумулятора.
Национальная лаборатория Oak Ridge
Около 2010 года Окриджской национальной лаборатории (ORNL) разработала и запатентовала высокую удельную энергию устройства, производя 1060 Вт · ч / кг в сравнении 406 Вт · ч / кг для литий-ионных батарей . ОРНЛ использовал ионный электролит, вместо типичного водного электролита , который может производить водород газ во время работы и привести к коррозии алюминиевого анода.
Электролит был изготовлен из хлорида 3-этил-1-метилимидазолия с избытком трихлорида алюминия . Тем не менее, ионные электролиты являются менее проводящими, снижая плотность мощности . Снижение разделения анода / катода может компенсировать ограниченную проводимость, но вызывает нагрев. ОРНЛ разработал катод, состоящий из шпинели оксида марганца дополнительно уменьшая коррозию.
Корнелл Университет
В 2011 году в Корнельском университете , исследовательская группа использовала тот же электролит , как ORNL, но используется оксид ванадия нанопроводов для катода.
Оксида ванадия отображает открытую кристаллическую структуру, что позволяет большую площадь поверхности для алюминиевой конструкции и уменьшает путь между катодом и анодом, увеличивая выходные уровни энергии.
Устройство произвело большое выходное напряжение во время работы. Тем не менее, батарея имеет низкую кулоновскую эффективность .
Стэндфордский Университет
В апреле 2015 года исследователи из Стэнфордского университета заявили, что разработали алюминиево-ионный аккумулятор с временем перезарядок около одной минуты (на неопределенные емкости батареи).
Они утверждали , что их батарея не имеют возможностей загореться, предлагая видео отверстия , которое сверлят в батарею , пока он генерировал электричество. Их клетка обеспечивает около 2 вольт. Подключение 2 клеток в последовательной цепи обеспечит 4 вольт.
Прототип длился более 7500 циклов заряда-разряда без потери мощности.
«Сверхбыстрый перезаряжаемые алюминий-ионный аккумулятор» изготовлен из алюминиевого анода, электролита, жидкого изоляции пены, и графитовый катода. Во время процесса зарядки, ионы интеркалятов среди графеновых слоев сложены.
При осуществлении, ионы быстро де-интеркалированный через графеновых слоев сложены. Особенности Al-ионных батарей , включают:
AlCl 4 — { Displaystyle { се {AlCl4-}}}
AlCl 4 — { Displaystyle { се {AlCl4-}}}
- Быстрая зарядка: цикл заряда дис заряд может быть завершена в течение одной минуты
- Высокая прочность: Аль-ионный аккумулятор выдерживает более 10000 циклов без разложения потенциала
- Высокая безопасность: тонкая элементная батарея является стабильным, нетоксичным и Сгибаемой. Это не загореться, даже если поврежден сверлением
- Низкая стоимость: расходы на приобретение сырья являются относительно дешевыми. Помимо питания 3C электронных устройств, в Al-ионные аккумуляторы также могут быть использованы в электрических велосипедов и мотоциклов, тележки для гольфа, автопогрузчиков, ветровых турбин, солнечных батарей и т.д.
В 2016 году в лаборатории проверили эти клетки через сотрудничество с Тайваня научно — исследовательский технологический институт промышленной (ITRI) к власти на мотоцикле. Тем не менее, эта версия батареи имела один существенный недостаток: она участвует дорогой электролит.
В 2017 году, новая версия включает в себя мочевины основанного электролит , и примерно в 100 раз дешевле , чем 2015 модели, с более высокой эффективностью и временем зарядки 45 минут. Это первый раз , когда мочевина используется в аккумуляторе. Демонстрирует батареи ~99.7% кулоновское эффективность и возможность существенной скорости, с катодом мощностью в (1,4 ° С).
73 mAhg — 1 { Displaystyle { се {73 mAhg ^ {- 1}}}}
100 mAhg — 1 { Displaystyle { се {100 mAhg ^ {- 1}}}}
ALION проекта
В июне 2015 года Европейский Horizon 2020 был запущен исследовательский проект по алюминиево-ионным батареям в технологическом исследовательском центре LEITAT. Проект направлен на разработку прототипа с помощью различных европейских отраслей промышленности и научно — исследовательских институтов.
Проект под названием высокой удельной энергии Алюминий-ионная аккумуляторная батарея для децентрализованных источников выработки электроэнергии , или ALION для краткости, преследует комплексный подход , включающий электроактивных материалов на основе « кресло — качалка механизм», надежные ионные жидкости на основе электролитов, а также новой ячейки и батареи понятия, наконец , в результате чего в технологии с гораздо меньшими затратами, повышенной производительностью, безопасностью и надежностью в отношении существующих решений накопления энергии (например , накачка хранения гидро , сжатый воздух хранения энергии , литий-ионный аккумулятор , Редокс поток батареи и т.д.). Проект охватывает всю цепочку создания стоимости от материалов и производителей компонентов, батареи ассемблере, до проверки технологии в конкретной электрической Microgrid системы , включая возобновляемые источники энергии источника (то есть мини — ветровой турбины , фотоэлектрические системы и т.д.). Таким образом, конечная целью данного проекта является получение модуля батареи Аль-иона проверенного в соответствующей среде, с удельной энергией 400 Вт · ч / кг , напряжением 48 В и жизненным циклом 3000 циклов.
Университет Мэриленда
В 2016 году, университет команды Мэриленд сообщил аккумуляторную батарею алюминия / сер, которая использует серы / углеродный композит в качестве материала катода. Химия способна обеспечить плотность энергии 1340 Вт · ч / кг в теории. Команда сделала прототип клетки, которые продемонстрировали плотность энергии 800 Вт · ч / кг в течение более 20 циклов.
Zhejiang University Департамент Polymer Science
В декабре 2017 года команда под руководством профессора Гао Чао из отдела полимерной науки и техники Zhejiang University, объявила конструкцию батареи с использованием графеновых пленок в качестве катода и металлического алюминия в качестве анода.
3H3C (Trihigh Tricontinuous) Результаты проектирования в графеновой пленке катода с превосходными электрохимическими свойствами. Расположение графеновыми жидких кристаллов приводит к высокому ориентированной структуре.
Процесс отжига высокой температуры под давлением газа производит высокое качество и структуру графена высокой каналирования.
Такая конструкция создает 3H3C алюминий-графен аккумулятор (Al-GB), который имеет впечатляющие свойства:
- Аккумулятор работает хорошо после четверти миллиона циклов подпорных 91,7 процентов от его первоначальной емкости.
- Батарея может быть полностью заряжен в 1,1 секунды.
- Собраны батареи хорошо работает через диапазон температур от минус 40 до 120 градусов по Цельсию.
- Он предлагает высокую мощность тока (111 мА · ч / г 400 мА · ч / г на катоде).
- Его можно сложить.
- Она не взрывается при воздействии огня и материалы, используемые не воспламеняется.
Однако алюминий-ионный аккумулятор не может конкурировать с широко используемыми литий-ионных батарей с точки зрения плотности энергии, или количество энергии, вы можете хранить в батарее в зависимости от размера, в соответствии с Гао.
университет Клемсона
В 2017 году исследователи Клемсонских наноматериалов институт создал прототип Al-ионный аккумулятор , который использует графен электрод для интеркаляции тетрахлоралюмината ( AlCl4 -).
Их новая технология батареи использует алюминиевую фольгу и тонкие листы из графита под названием несколько слоя графены (FLG) в качестве электрода для хранения электрического заряда из алюминиевых ионов, присутствующих в электролите.
Команда построены батареи с алюминиевыми анодами, нетронутые или модифицированных катодов FLG и ионной жидкости с AlCl3 соли в качестве электролита. Они утверждали, что батарея может работать более 10000 циклов, а плотность энергии составляет 200 Вт · ч / кг.
Их надежда состоит в том, чтобы сделать алюминиевые батареи с более высокой энергией, чтобы в конце концов вытеснит литий-ионную технологию.
электрохимия
- Анод полуреакции:
- Al + 7 AlCl 4 — ↽ — — ⇀ 4 Al 2 Cl 7 — + 3 е — { Displaystyle { се {{Al} + {7AlCl4 ^ {-}} {4Al2Cl7 ^ {-}} + {3e ^ {-}}}}}
- Катодные полуреакции:
- 2 MnO 2 + Li + + е — ↽ — — ⇀ LiMn 2 О 4 { Displaystyle { се {{2MnO2} + {Li +} + {е ^ {-}} {LiMn2O4}}}}
- Объединение этих двух реакций половиной дает следующую реакцию:
- Al + 7 AlCl 4 — + 6 MnO 2 + 3 Li + ↽ — — ⇀ 4 Al 2 Cl 7 — + 3 LiMn 2 О 4 { Displaystyle { се {{Al} + {7AlCl4 ^ {-}} + {6MnO2} + {3Li +} {4Al2Cl7 ^ {-}} + {3LiMn2O4}}}}
Алюминий-ионные аккумуляторы концептуально похожи на литий-ионные батареи , но обладают алюминиевым анодом вместо литиевого анода. В то время как теоретическое напряжение для алюминиево-ионных батарей ниже , чем литий-ионных батарей, 2,65 В и 4 В , соответственно, плотность потенциальной теоретической энергии для алюминиево-ионных батарей 1060 Вт · ч / кг по сравнению с 406 Вт · ч / кг предела литий-иона ..
Современные литий-ионные батареи имеют высокую плотность мощности (быстрая разрядка) и высокая плотность энергии (держать много заряда). Но литий редко, дорого и токсичен. Он также может развиваться дендриты, как щепки, что может вызвать короткое замыкание батареи и привести к пожару. Алюминий также передает энергию более эффективно.
Внутри батареи, элемент — литий или алюминий — отказаться от некоторых из своих электронов, которые текут через внешние провода для питания устройства. Из-за их атомной структуры, ионы лития может обеспечить только один электрон за один раз; алюминий может дать три одновременно.
Алюминий также в большем количестве, чем литий, снижение материальных затрат.
проблемы
Алюминиево-литиевые батареи имеют относительно короткий срок годности . Сочетание тепла, скорость заряда, езда на велосипеде и может значительно уменьшить энергоемкость.
Когда ионные батареи металла полностью разряжены, они больше не могут быть пополнены. Ионные электролита материалы являются дорогостоящими.
Кроме того, современные прорывы ограничены только в лабораторных условиях , где должна быть сделана на расширение масштабов производства в коммерческих условиях намного больше работы.
Смотрите также
Рекомендации
внешняя ссылка
Новые алюминий-воздушные батареи не надо заряжать
Южнокорейские ученые создали новый тип батарей для электромобилей. Плотность энергии в них выше, чем у бензинового двигателя, и они намного безопаснее и дешевле литий-ионных. Кроме того, они полностью решают проблему долгой зарядки.
Революционная разработка принадлежит ученым Национального института науки и технологий Ульсана. Созданные ими алюминий-воздушные аккумуляторы после отработки ресурса надо просто менять, что исключает многочасовую подзарядку. По сути, процесс напоминает заправку автомобиля с ДВС. Только заправляется он не бензином, а алюминием, сообщает EurekAlert.
Прорыв совершила команда под руководством профессора Джефила Чо. Результаты исследования опубликованы в одном из самых престижных научных изданий Nature Communications.
От литий-ионных аккумуляторов новый тип батареи отличается большей эффективностью, дешевизной и безопасностью.
При этом алюминий-воздушный аккумулятор нельзя заряжать. После его разрядки, необходимо просто заменить электролит и окислившуюся алюминиевую пластину на новые.
Это во много раз сокращает время на «заправку» электромобиля. Алюминиевая батарея сделает электрокар похожим на автомобиль на обычном топливе — только экологически чистым.
При этом плотность энергии в новом аккумуляторе выше, чем у бензиновых двигателей. «Бензин имеет плотность энергии 1700 Вт*ч/кг, в то время как наша алюминий-воздушная батарея — 2500 Вт*ч/кг», — говорит Чо.
«Это означает, что из 1 кг алюминия мы можем собрать аккумулятор, который позволяет электромобилю проезжать до 700 км», — поясняет ученый.
Такие показатели делают новую электрическую силовую установку более энергоэффективной, чем двигатели внутреннего сгорания.
Электричество в такой батарее вырабатывается за счет реакции алюминия с кислородом в воздушном потоке. Прежние модели алюминий-воздушных аккумуляторов были слишком дорогими из-за использования драгоценных металлов в аноде.
Команде южнокорейских ученых удалось решить эту проблему, заменив платину наночастицами серебра, которое в 50 раз дешевле.
Помимо этого, им удалось избавиться и от других ограничений — накоплени побочных продуктов реакции и растворения драгметалла в воздушном электроде.
В итоге энергоэффективность новой батареи удалось увеличить в 17 раз по сравнению с показателями обычных алюминий-воздушных аккумуляторов.
Тем не менее, ученые пока осторожно высказываются по поводу перспектив коммерциализации технологии.
Дело в том, что при всей своей эффективности и безопасности новый аккумулятор имеет большой экономический минус.
Для перехода на него придется с нуля строить инфраструктуру по «заправке» электромобилей алюминием и менять всю технологию их производства.
Множество компаний и исследовательских центров по всему миру пытаются найти альтернативу взрывоопасным и достаточно дорогим литий-ионным батареям. Например, миллиардер и известный хирург Патрик Синьсян, увлекшийся чистой энергетикой, обещает уже в следующем году начать поставки воздушно-цинковых батарей