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.
Читайте также:
Владельцы патента RU 2561566:
Изобретение относится к источникам энергии, в частности к воздушно-алюминиевым источникам тока.
Известен химический источник тока (Пат. RU 2127932), в котором замена алюминиевого электрода осуществляется также путем вскрытия корпуса батареи с последующей установкой нового электрода.
Недостатком известных способов ввода электрода в батарею является то, что на период замены электрода батарею необходимо выводить из цепи энергообеспечения.
Известна топливная батарея (заявка RU 2011127181), в котором расходуемые электроды в виде лент протягиваются сквозь корпус батареи через гермовводы и гермовыводы по мере их выработки при помощи протяжных барабанов, что обеспечивает ввод расходуемых электродов в батарею без прерывания цепи энергообеспечения.
Недостатком известного способа является то, что гермовводы и гермовыводы не выводят из батареи выделившийся во время работы водород.
Технический результат изобретения - обеспечение автоматического ввода электрода с увеличенной рабочей площадью расходуемого электрода в топливном элементе без прерывания цепи энергообеспечения, повышение энергетических показателей работы топливного элемента.
Указанный технический результат достигается тем, что способ ввода расходуемого электрода в воздушно-алюминиевый топливный элемент, включает перемещение расходуемого электрода по мере его выработки внутрь корпуса топливного элемента. Согласно изобретению используют расходуемый электрод в виде алюминиевой проволоки, которую наматывают на винтовую канавку тонкостенного стержня из диэлектрического гидрофобного материала и один конец которой вводят внутрь полости тонкостенного
стержня через отверстие в его нижней части, а перемещение расходуемого электрода осуществляют путем ввинчивания тонкостенного стержня в крышки корпуса топливного элемента, расположенные с двух сторон корпуса и изготовленные из гидрофобного материала, с обеспечением сохранения электролита внутри топливного элемента и удаления из его корпуса выделяющегося водорода по винтовой поверхности гидрофобных крышек.
Перемещение расходуемого электрода, намотанного на тонкостенный стержень с винтовой канавкой, происходит в результате ввинчивания его в крышки, которые изготовлены из гидрофобного материала (фторопласт, пс, лиэтилен), при этом электролит остается внутри топливного элемента, а выделившийся во время работы водород удаляется по винтовой поверхности из корпуса топливного элемента.
Цилиндрическая образующая для расходуемого электрода выполнена в виде тонкостенного стержня с винтовой канавкой, на которую намотан электрод из алюминиевой проволоки. Стержень выполнен из диэлектрического гидрофобного материала, позволяющий не взаимодействовать с электролитом. Стержень с электродом из алюминиевой проволоки увеличивает активную площадь расходуемого электрода и таким образом повышает энергетические характеристики (величину снимаемого тока) воздушно-алюминиевого топливного элемента.
Сущность изобретения поясняется рисунками, где:
на фиг. 1 изображен воздушно-алюминиевый источник тока;
на фиг. 2 - вид А на фиг. 1;
на фиг. 3 - вид В на фиг. 1.
Воздушно-алюминиевый топливный элемент стоит из металлического корпуса 1 с отверстиями 2 для прохождения воздуха к трехфазной границе, газодиффузионного катода 3, электролита 4, 2-х гидрофобных крышек 5, расположенных с двух сторон металлического корпуса 1, электрода в виде тонкостенного стержня 6, алюминиевой проволоки 7, намотанной на винтовую канавку.
По мере расходования алюминиевой проволоки 7, происходит коррозия и пассивация поверхности электрода, которая приводит к уменьшению величины снимаемого тока и затуханию электрохимического процесса. Для активизации процесса необходимо ввинчивать тонкостенный стержень, с винтовой канавкой, в которой намотан расходуемый алюминиевый провод, в гидрофобные крышки 5. Выделение водорода происходит через винтовые поверхности гидрофобных крышек 5, при этом электролит остается внутри металлического корпуса 1 топливного элемента.
Данный способ позволяет автоматизировать процесс замены анода (расходуемый электрод) в воздушно-алюминиевом источнике тока (ВАИТ) без прерывания цепи энергообеспечения, а также удаление выделившегося во время работы водорода.
Способ ввода расходуемого электрода в воздушно-алюминиевый топливный элемент, включающий перемещение расходуемого электрода по мере его выработки внутрь корпуса топливного элемента, отличающийся тем, что используют расходуемый электрод в виде алюминиевой проволоки, которую наматывают на винтовую канавку тонкостенного стержня из диэлектрического гидрофобного материала и один конец которой вводят внутрь полости тонкостенного стержня через отверстие в его нижней части, а перемещение расходуемого электрода осуществляют путем ввинчивания тонкостенного стержня в крышки корпуса топливного элемента, расположенные с двух сторон корпуса и изготовленные из гидрофобного материала, с обеспечением сохранения электролита внутри топливного элемента и удаления из его корпуса выделяющегося водорода по винтовой поверхности гидрофобных крышек.
Похожие патенты:
Настоящее изобретение относится к электрогенератору на топливных элементах, специально спроектированному как резервное устройство при отсутствии сетевого электроснабжения.
Настоящее изобретение относится к газогенератору для конверсии топлива в обедненный кислородом газ и/или обогащенный водородом газ, который может быть использован в любом процессе, требующем обедненного кислородом газа и/или обогащенного водородом газа, предпочтительно, используют его для генерирования защитного газа или восстановительного газа для запуска, выключения или аварийного отключения твердооксидного топливного элемента (SOFC) или твердооксидного элемента электролиза (SOEC).
Изобретение относится к технологии топливных элементов, а более конкретно к сборному модулю из батарей твердооксидных топливных элементов. Технический результат - обеспечение компактности, простота перехода батарея/система и улучшение характеристик системы.
Изобретение относится к энергоустановкам c твердополимерными топливными элементами (ТЭ), в которых получают электроэнергию за счет электрохимической реакции газообразного водорода с двуокисью углерода, и электрохимической реакции окиси углерода с кислородом воздуха.
Предложена система (100) топливного элемента, включающая в себя топливный элемент (1) для генерирования энергии путем осуществления электрохимической реакции между газом-окислителем, подаваемым на электрод (34) окислителя, и топливным газом, подаваемым на топливный электрод (67); систему (HS) подачи топливного газа для подачи топливного газа на топливный электрод (67); и контроллер (40) для регулирования системы (HS) подачи топливного газа, чтобы подавать топливный газ на топливный электрод (67), причем контроллер (40) осуществляет изменение давления, когда выход стороны топливного электрода (67) закрыт, при этом контроллер (40) периодически изменяет давление топливного газа у топливного электрода (67) на основе первого профиля изменения давления для осуществления изменения давления при первом размахе давления (ДР1).
Изобретение относится к способу изготовления металлического стального сепаратора для топливных элементов, который обладает коррозионной стойкостью и контактным сопротивлением не только в начальной стадии, но также и после влияния условий высокой температуры и/или высокой влажности в топливном элементе в течение длительного периода времени.
Изобретение относится к твердотельным оксидным топливным элементам со способностью к внутреннему риформингу. Твердотельный оксидный топливный элемент обычно включает катод, электролит, анод и слой катализатора, находящийся в соприкосновении с анодом.
Настоящее изобретение относится к керамической мембране, проводящей щелочные катионы, по меньшей мере, часть поверхности которой покрыта слоем из органического катионо-проводящего полиэлектролита, который нерастворим и химически устойчив в воде при основном рН.
Изобретение относится к химическим источникам тока с газодиффузионным воздушным катодом, металлическим анодом и водными растворами электролитов. Металло-воздушный источник тока содержит корпус, заполненный электролитом, размещенный внутри него металлический анод, газодиффузионные воздушные катоды, расположенные по обе стороны металлического анода. При этом газодиффузионные воздушные катоды имеют центральные поперечные изгибы и отделены от металлического анода проницаемыми для электролита пористыми сепараторами, изготовленными из материала с высоким омическим сопротивлением. Металлический анод имеет форму прямоугольного параллелепипеда, сопряженного с клином, и опирается клином на упомянутые пористые сепараторы. Предложенный металло-воздушный источник тока обладает повышенной удельной емкостью, стабильными характеристиками и увеличенным ресурсом работы, поскольку позволяет увеличить отношение массы растворяющейся части металлического анода к объему электролита, а следовательно, удельную энергоемкость и время работы источника тока без замены металлического анода. 10 ил., 2 пр.
Изобретение относится к источникам энергии, а именно к способам замены расходуемого электрода в воздушно-алюминиевом топливном элементе без прерывания цепи энергообеспечения. Используют расходуемый электрод в виде алюминиевой проволоки, которую наматывают на винтовую канавку тонкостенного стержня из диэлектрического гидрофобного материала. Один конец проволоки вводят внутрь полости тонкостенного стержня через отверстие в его нижней части. Перемещение расходуемого электрода осуществляют путем ввинчивания тонкостенного стержня в крышки корпуса топливного элемента, расположенные с двух сторон корпуса и изготовленные из гидрофобного материала, с обеспечением сохранения электролита внутри топливного элемента и удаления из его корпуса выделяющегося водорода по винтовой поверхности гидрофобных крышек. Обеспечивается повышение энергетических показателей работы топливного элемента. 3 ил.
Phinergy, израильский стартап, продемонстрировал алюминий-воздушный аккумулятор, который способен питать электромобиль до 1000 миль (1609 км). В отличие от других метал-воздушных батарей, о которых мы писали в прошлом, алюминий-водушная батарея Phinergy потребляет алюминий как топливо, таким образом предоставляя прирост энергии в таком количестве, что впору тягаться с газом или дизелем. Phinergy заявляет, что подписали контракт с глобальным автопроизводителем для "массового производства" батарей в 2017 году.
Метал-воздушные батареи отнюдь не новая идея. Цинк-воздушные батареи широко используются в слуховых аппаратах, и поетнциально способны помочь с . IBM заняты работой над литий-воздушной батареей, которая, как и у Phinergy, нацелена на длительное снабжение . В последние месяцы выяснилось, что натрий-воздушные батареи также имеют право на жизнь. Во всех трех случаях, воздух - тот самый компонент, который делает батареи такими желанными. В обычной батарейке, химическая реакция исключительно внутреннего характера, потому они, как правило, очень плотные и тяжелые. В метал-воздушных батареях, энергия получается путем окисления металла (лития, цинка, алюминия) кислородом, окружающим нас, а не заключенного в батарее. В результате получается более легкая и простая батарея.
Алюминий-воздушная батарея Phinergy является новинкой по двум причинам: во-первых, компания, очевидно, нашла способ предотвращения коррозии алюминия углекислым газом. Во-вторых, батарея на самом деле питается алюминием, как топливом, медленно преобразуя простой алюминий в диоксид алюминия. Прототип алюминий-воздушной батареи Phinergy состоит из как минимум 50 алюминиевых пластин, каждая из которых предоставляет энергию на 20 миль езды. После 1000 миль, пластины необходимо механически перезарядить - эвфемизм простому физическому удалению пластин из батареи. Алюминий-воздушные батареи необходимо пополнять водой каждый 200 миль, чтобы восстановить уровень электролита.
В зависимости от вашей точки зрения, механическая зарядка и прекрасна, и ужасна. С одной стороны, вы даете машине жизнь еще на 1000 миль, грубо говоря, поменяв батарейку; с другой стороны, покупать новую батарею для каждой тысячи миль, мягко говоря, не очень экономно. В идеале, это все, скорее всего, опустится до вопроса цены аккумулятора. Учитывая сегодняшний рынок, килограмм алюминия стоит $2, а набор из 50 пластин в 25 кг. Путем несложных подсчетов, получаем, что "перезарядка" машины обойдется в $50. $50 за поездку на 1000 миль это, по правде говоря, неплохо, при сравнении с $4 за галлон газа, которого хватит на 90 миль. Диоксид алюминия можно перерабатывать назад в алюминий, однако, это не дешевый процесс.
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 CO 2 . Металлические элементы медленно деградируют до Al(OH) 3 .
Химическая формула реакции выглядит так:
4 Al + 3 O 2 + 6 H 2 O = 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 CO 2 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»