Алюминиево-ионная батарея

редактировать

Алюминиево-ионные батареи относятся к классу аккумуляторных батарей, в которых алюминий Ионы обеспечивают энергию, протекая от отрицательного электрода батареи, анода, к положительному электроду, катоду. При перезарядке ионы алюминия возвращаются к отрицательному электроду и могут обмениваться тремя электронами на ион. Это означает, что введение одного Aℓ³⁺ эквивалентно трем ионам $Li + {\ displaystyle {\ ce {Li +}}}$ ${\ displaystyle {\ ce {Li +}}}$ в обычных интеркаляционных катодах. Таким образом, поскольку ионные радиусы Aℓ³⁺ (0,54 Å ) и $Li + {\ displaystyle {\ ce {Li +}}}$ ${\ displaystyle {\ ce {Li +}}}$ (0,76 Å) одинаковы, значительно более высокие модели электронов и ионов Aℓ³⁺ могут быть приняты катодами без особого измельчения. Трехвалентный носитель заряда Aℓ³⁺ является одновременно преимуществом и недостатком этой батареи. При передаче 3 единиц заряда одним ионом значительно увеличивается емкость накопления энергии, но электростатическая интеркаляция материалов-хозяев трехвалентным катионом слишком сильна для четко определенного электрохимического поведения.

Перезаряжаемые батареи на основе алюминия предлагают возможности низкой стоимости и низкой воспламеняемости, вместе с трехэлектронными окислительно-восстановительными свойствами, ведущими к высокой емкости. Ожидается, что инертность алюминия и простота обращения в окружающей среде обеспечат значительные улучшения безопасности для этого типа батарей. Кроме того, алюминий обладает большей объемной емкостью, чем Li, K, Mg, Na, Ca и Zn, благодаря своей высокой плотности (2,7 г / см при 25 ° C) и способности обмениваться тремя электронами. Это снова означает, что энергия, запасенная в алюминиевых батареях в расчете на единицу объема, выше, чем в других батареях на металлической основе. Следовательно, ожидается, что алюминиевые батареи будут меньше по размеру. Ал-ионные батареи также имеют большее количество циклов заряда-разряда. Таким образом, алюминиево-ионные аккумуляторы могут заменить литий-ионные аккумуляторы.

Содержание

1 Дизайн
2 Электрохимия
3 Сравнение литий-ионных аккумуляторов
4 Проблемы
5 Исследования
- 5.1 Окриджская национальная лаборатория
- 5.2 Корнельский университет
- 5.3 Стэнфордский университет
- 5.4 Проект ALION
- 5.5 Мэрилендский университет
- 5.6 Чжэцзянский университет Департамент полимероведения
- 5.7 Университет Клемсона
- 5.8 Квинслендский технологический университет
- 5.9 Антрахинон
6 См. Также
7 Ссылки
8 Внешние ссылки

Дизайн

Как и все другие батареи, основная структура алюминия - Ионная батарея включает в себя два электрода, соединенных электролитом, ионно (но не электрически) проводящим материалом, действующим как среда для потока носителей заряда. В отличие от литий-ионных аккумуляторов, в которых мобильный ион - это $Li + {\ displaystyle {\ ce {Li +}}}$ ${\ displaystyle {\ ce {Li +}}}$ , алюминий образует комплекс с хлоридом в большинстве электролитов и генерирует анионный мобильный носитель заряда., обычно $AlCl 4 - {\ displaystyle {\ ce {AlCl4-}}}$ ${\ displaystyle {\ ce {AlCl4-}}}$ или $Al 2 Cl 7 - {\ displaystyle {\ ce {Al2Cl7-}}}$ ${\ displaystyle {\ ce {Al2Cl7-}}}$ .

Количество энергии или мощности, которую может высвободить аккумулятор, зависит от факторов, включая напряжение аккумуляторного элемента, емкость и химический состав. Батарея может максимизировать уровень своей выходной энергии за счет:

увеличения разницы химических потенциалов между двумя электродами
уменьшения массы реагентов
предотвращения модификации электролита в результате химических реакций

Электрохимия

Полуреакция анода:

Al + 7 AlCl 4 - ↽ - - ⇀ 4 Al 2 Cl 7 - + 3 e - {\ displaystyle {\ ce {{Al} + {7AlCl4 ^ { -}} <=>{4Al2Cl7 ^ {-}} + {3e ^ {-}}}}}

${\ce {{Al}+{7AlCl4^{-}}<=>{4Al2Cl7 ^ {-}} + {3e ^ {-}}}}$

Половина реакции катода:

2 MnO 2 + Li + + e - ↽ - - ⇀ LiMn 2 O 4 {\ displaystyle {\ ce {{2MnO2} + {Li +} + {e ^ {-}} <=>{LiMn2O4}}}}

{\ce {{2MnO2}+{Li+}+{e^{-}}<=>{LiMn2O4}}}

Объединение двух половинных реакций дает следующую реакцию:

Al + 7 AlCl 4 - + 6 MnO 2 + 3 Li + ↽ - - ⇀ 4 Al 2 Cl 7 - + 3 LiMn 2 O 4 {\ displaystyle {\ ce {{Al} + {7AlCl4 ^ {-}} + {6MnO2} + {3Li +} <=>{ 4Al2Cl7 ^ {-}} + {3LiMn2O4}}}}

{\ce {{Al}+{7AlCl4^{-}}+{6MnO2}+{3Li+}<=>{4Al2Cl7 ^ {-}} + {3LiMn2O4}}}

Сравнение литий-ионных аккумуляторов

Алюминиево-ионные аккумуляторы концептуально аналогичны литий-ионные батареи, но имеют алюминиевый анод вместо литиевого. Хотя теоретическое напряжение для алюминиево-ионных аккумуляторов ниже, чем для литий-ионных аккумуляторов, 2,65 В и 4 В соответственно, теоретический потенциал плотности энергии для алюминиево-ионных аккумуляторов составляет 1060 Втч / кг по сравнению с пределом для литий-ионных 406 Втч / кг..

Современные литий-ионные аккумуляторы обладают высокой плотностью мощности (быстрый разряд) и высокой плотностью энергии (удерживают большой заряд). У них также могут образовываться дендриты, похожие на осколки, которые могут вызвать короткое замыкание батареи и привести к пожару. Алюминий также более эффективно передает энергию. Внутри батареи атомы элемента - лития или алюминия - отдают часть своих электронов, которые проходят через внешние провода для питания устройства. Из-за своей атомной структуры ионы лития могут выделять только один электрон за раз; алюминий может дать сразу три. Алюминий также более распространен, чем литий, что снижает затраты на материалы.

Проблемы

Алюминиево-ионные батареи имеют относительно короткий срок хранения. Комбинация тепла, скорости заряда и цикличности может резко снизить энергоемкость. Одной из основных причин такого короткого срока хранения является поломка традиционного графитового анода, причем ионы Al намного больше, чем ионы Li, используемые в обычных аккумуляторных системах. Когда металло-ионные батареи полностью разряжены, их больше нельзя заряжать. Ионные электролиты, повышая безопасность и долговременную стабильность устройств за счет минимизации коррозии, дороги в производстве и покупке и поэтому могут не подходить для массового производства устройств с ионами алюминия. Кроме того, нынешние достижения наблюдаются только в ограниченных лабораторных условиях, где необходимо проделать гораздо больше работы по расширению производства для использования в коммерческих условиях.

Исследования

Различные исследовательские группы проводят эксперименты. с алюминием и другими химическими соединениями для производства наиболее эффективных, долговечных и безопасных аккумуляторов.

Национальная лаборатория Ок-Ридж

Примерно в 2010 г. Национальная лаборатория Ок-Ридж (ORNL) разработала и запатентовала устройство с высокой плотностью энергии, производящее 1060 ватт-часов на килограмм (Втч / кг) по сравнению с 406 Втч / кг для литий-ионных батарей. ORNL использовал ионный электролит вместо обычного водного электролита, который может выделять газообразный водород во время работы и вызывать коррозию алюминиевого анода. Электролит состоял из хлорида 3-этил-1-метилимидазолия с избытком трихлорида алюминия. Однако ионные электролиты обладают меньшей проводимостью, что снижает удельную мощность. Уменьшение расстояния между анодом и катодом может компенсировать ограниченную проводимость, но вызывает нагрев. ORNL разработал катод, состоящий из шпинели оксида марганца, что дополнительно снижает коррозию.

Корнельский университет

В 2011 году в Корнельском университете исследовательская группа использовала тот же электролит, что и ORNL, но использовала оксид ванадия нанопроволоки в качестве катода. Оксид ванадия демонстрирует открытую кристаллическую структуру, что обеспечивает большую площадь поверхности для алюминиевой структуры и уменьшает расстояние между катодом и анодом, максимизируя уровни выхода энергии. Во время работы устройство выдавало большое выходное напряжение. Однако батарея имела низкую кулоновскую эффективность.

Стэнфордский университет

В апреле 2015 года исследователи из Стэнфордского университета заявили, что разработали алюминиево-ионную батарею со временем перезарядки около одной минуты (для неуказанной емкости аккумулятора). Они заявили, что их батарея не имеет возможности загореться, и предложили видео, на котором в батарее просверливается отверстие, когда она вырабатывает электричество. Их элемент выдает около 2 вольт, 4 вольта при соединении последовательно из двух элементов. Прототип выдержал более 7500 циклов зарядки-разрядки без потери емкости.

«Сверхбыстрая перезаряжаемая алюминий-ионная батарея» состоит из алюминиевого анода, жидкого электролита, изоляционной пены и графита катод. Во время процесса зарядки ионы $AlCl 4 - {\ displaystyle {\ ce {AlCl4-}}}$ ${\ displaystyle {\ ce {AlCl4-}}}$ интеркалируют между слоями графена. Во время разряда ионы $AlCl 4 - {\ displaystyle {\ ce {AlCl4-}}}$ ${\ displaystyle {\ ce {AlCl4-}}}$ быстро деинтеркалируются через многослойные графеновые слои. К особенностям алюминиево-ионных батарей относятся:

Цикл быстрой зарядки и разрядки, который может быть завершен за одну минуту
Высокая долговечность, позволяющая батарее выдерживать более 10 000 циклов без снижения емкости
Повышенная безопасность, поскольку тонкий аккумуляторный элемент является стабильным, нетоксичным и гибким (то есть он не загорится даже в случае повреждения в результате сверления)
Низкая стоимость, так как затраты на приобретение сырья относительно дешевы. Это может позволить использовать ионно-алюминиевые батареи не только в электронных устройствах, но и в электрических велосипедах и мотоциклах, тележках для гольфа, погрузчиках, ветряных турбинах, солнечных элементах и т. Д.

В 2016 году лаборатория провела испытания этих элементов в сотрудничестве с Тайваньский научно-исследовательский институт промышленных технологий (ITRI) для питания мотоциклов. Однако у этой версии батареи был один существенный недостаток - требовался дорогой электролит. В 2017 году новейшая версия включает электролит на основе мочевины и примерно в 100 раз дешевле, чем модель 2015 года, с более высокой эффективностью и временем зарядки 45 минут. Впервые мочевина была использована в батарее. Батарея демонстрирует кулоновский КПД ∼99,7% и значительную емкость $100 мА / г {\ displaystyle {\ ce {100 мА / г}}}$ ${\ displaystyle {\ ce {100 мА / г}} }$ при емкости катода $73 мАч / г {\ displaystyle {\ ce {73 мАч / г}}}$ ${\ displaystyle {\ ce {73 мАч / г} }}$ (1,4 C).

Проект ALION

В июне 2015 г. Проект алюминиево-ионных аккумуляторов для децентрализованных источников производства электроэнергии (ALION) был запущен консорциумом производителей материалов и компонентов и сборщиков аккумуляторов как европейский проект Horizon 2020, возглавляемый исследовательским институтом LEITAT . Цель проекта - разработать прототип алюминиево-ионного аккумулятора, который можно было бы использовать для хранения электроэнергии из децентрализованных источников, таких как возобновляемые источники энергии. В рамках проекта исследуются различные концепции элементов и батарей, а также электроактивные материалы для достижения плотности энергии 400 Втч / кг, напряжения 48 В и срока службы заряда-разряда 3000 циклов.

В мае 2019 года проект завершился и опубликовал его окончательные результаты. Спустя четыре года проект показал, что высокая мощность и циклические характеристики технологии алюминиево-ионных аккумуляторов сделали их привлекательной альтернативой существующим коммерческим продуктам. Например, они обнаружили, что алюминиево-ионные батареи могут стать серьезным кандидатом на замену свинцово-кислотных аккумуляторов в источниках бесперебойного питания. Они также нашли применение в телекоммуникациях и стационарных приложениях для хранения энергии в сети. 3D-печать аккумуляторных блоков позволила создать самые крупные из разработанных алюминиево-ионных элементов с напряжением от 6 до 72 В.

Мэрилендский университет

В 2016 году команда Университета Мэриленда сообщила о следующем: аккумуляторная батарея алюминий / сера, в которой в качестве катодного материала используется композит сера / углерод. Химия способна обеспечить теоретическую плотность энергии 1340 Втч / кг. Команда создала прототип элемента, который продемонстрировал плотность энергии 800 Втч / кг в течение более 20 циклов.

Факультет полимеров Университета Чжэцзян

В декабре 2017 года группа под руководством профессора Гао Чао из Департамента полимеров и инженерии Чжэцзянского университета объявили о разработке батареи с использованием графеновых пленок в качестве катода и металлического алюминия в качестве анода.

Конструкция 3H3C (Trihigh Tricontinuous) дает пленочный графеновый катод с превосходными электрохимическими свойствами. Расположение жидких кристаллов графена приводит к высокоориентированной структуре. Процесс высокотемпературного отжига под давлением газа дает высококачественную структуру графена с высокой канализацией. Эта конструкция 3H3C создает алюминиево-графеновую батарею (Al-GB), которая обладает впечатляющими свойствами:

Батарея хорошо работает после четверти миллиона циклов, сохраняя 91,7 процента своей первоначальной емкости.
Батарея может быть полностью заряжена. заряжается за 1,1 секунды.
Аккумулятор в сборе хорошо работает в диапазоне температур от минус 40 до 120 градусов по Цельсию.
Он обладает высокой емкостью по току (111 мАч / г, 400 А / г на катоде).
Его можно складывать.
Он не взрывается при воздействии огня, а используемые материалы негорючие.

Однако алюминиево-ионный аккумулятор не может По словам Гао, по плотности энергии они могут конкурировать с широко используемыми литий-ионными аккумуляторами.

Университет Клемсона

В 2017 году исследователи из Института наноматериалов Клемсона построили прототип алюминиево-ионного аккумулятора, который использует графеновый электрод для интеркалирования тетрахлоралюмината (AlCl. 4). В их новой технологии батарей используется алюминиевая фольга и тонкие листы графита, называемые многослойным графеном (FLG), в качестве электрода для хранения электрического заряда от ионов алюминия, присутствующих в электролите. Команда сконструировала батареи с алюминиевыми анодами, нетронутыми или модифицированными катодами FLG и ионной жидкостью с солью AlCl3 в качестве электролита. Они утверждали, что аккумулятор может работать более 10 000 циклов, а удельная энергия составляет 200 Втч / кг. Они надеются создать алюминиевые батареи с более высокой энергией, чтобы в конечном итоге вытеснить литий-ионные технологии.

Технологический университет Квинсленда

Исследователи из QUT разработали электроды на основе криптомелана, богатые землей, как катод для алюминиево-ионной батареи с водными электролитами.

Антрахинон

В 2019 году исследователи предложили использовать антрахинон в качестве катода в алюминиево-ионной батарее.

См. Также

Ссылки

Внешние ссылки