Алюміній-іонні батареї можуть замінити літій-іонні?

Недорогий алюміній може зіграти величезну роль у виробництві батарей, оскільки він може дати фору літій-іонним елементів.

Невелика алюмінієва пластинка має в собі більше енергії, ніж аналогічні по вазі метанол або етанол. Коротше кажучи, це і є причина, по якій вчені намагаються зараз зробити перевагу виробництву батарейок на такий хімічній основі, куди включено алюміній. Мало того, схоже алюміній-іонні батареї можуть вмістити в своє нутро більше енергії, ніж літій-іонні, які в наш час помилково визнані найкращим варіантом.

Алюміній взагалі найбагатший елемент з металів і третій за багатством з усіх елементів Землі. Більшість країн, незалежно від їх рівня розвитку та місця розташування, є дружніми Сполученим Штатам, якщо там видобувається алюмінієва руда. І хімічне багатство її дає надію на перехід до виробництва алюміній-іонних батарей, які обійдуться значно дешевше.

[Box type = “info» style = »rounded» border = “full»] Ключова перевага алюмінію в «батарейковому» промисловості в тому, що він тривалентний, тобто має три електрона в своє валентної схемою. Літій ж має всього один електрон. Тобто при зарядці і розрядці (на форму речовини) йде передача трьох електронів від алюмінію, тоді як від літію за все один. Так що і розмір батарейок на основі алюмінію може бути менше, ніж літієва батарейка з тією ж кількістю заряду. [/ Box]

Потенційно алюмінієва батарейка може мати питому енергоємність в кількості 1060 W-годину / кг в порівнянні з 406 W-годину / кг у літій-іонних елементів.

Але є проте безліч перешкод, які можуть ускладнити процес розвитку «алюмінієво-батарейній» хімії. З одного боку, елементи на основі алюмінію зазвичай мають водний електроліт і під час робочого циклу споживають воду, та ще й виділяють водень. Така поведінка елемента не дає можливості зробити висновок його в тверду оболонку.

Інша проблема – алюміній, який використовується в аноді елемента, як правило, піддається корозії або формує оксидну плівку. Ці два сумних фактора знижують ефективність хімічної реакції в одиницю часу.

На жаль, ці дії можуть відбуватися так швидко, що в побутовому плані елементи на основі алюмінію будуть непрактичні в багатьох областях застосування.

Але є шляхи подолання таких труднощів. Дослідники вже розробляють одну стратегію, яка була заміну водного електроліту на іонний, наповнений іонами і іонними парами. Іонні електроліти швидко не випаровуються, і при відсутності води не виникає проблеми виділення водню, як у випадку з елементами на основі алюмінію.

Зроблено багато роботи в Національній Лабораторії Oak Ridge, глибоко досліджувалися іонні електроліти і алюміній. Група вчених, яку очолили Паранс Парантаман і Жильбер Браун, підійшла до створення іонного електроліту, в якому 1-етил-3-метілімідазол хлориду містить трихлорид алюмінію. Вчені стверджують, що обидва цих хімікату запобігають виділення водню і поява оксидів на алюмінієвому аноді.

Лише одна складність з цим варіантом: іонні електроліти мають меншу провідність, ніж їх алюмінієві побратими. Саме тому для успіху є поки деякі перешкоди: літій-іонні елементи, в електролітах яких використовуються різні речовини.

Ось приклад. Алюміній-іонні батареї, ймовірно, будуть виконувати ті ж функції, що і їх літій-іонні аналоги. Ось як говорить старший науковий співробітник лабораторії Жильбер Браун: «Продуктивні батареї з високим вольтажем мають неводні електроліти, у яких провідність на пару порядків менше, ніж у водному сірчаної кислоти, яка є в свинцево-кислотних елементах. Можна звузити проблему – вкоротити шлях проходження струму, і літій-іонні елементи не будуть набиті як мішки. Але при нагальної їх розрядки через такий стійкий електроліт буде знову відбуватися перегрівання ».

Якщо створити більш досконалий спеціальний катод

Вчені з лабораторії розробили невеликий плоский круглий алюміній-іонний елемент, в якому у вигляді анода використовується алюміній, а у вигляді катода – оксидо-марганцева шпінель, яка з алюмінієм має зворотну реакцію. Ще одна дослідницька група університету Корнелл розробила аналогічну алюміній-іонну батарею, але з іншим матеріалом для катода.

Група ця, очолювана професором хімії і біомолекулярної інженерії Лінденом Арчером, використовувала той же іонний електроліт, що і вчені з Національної Лабораторії Oak Ridge, але у вигляді катода застосувала ванадій-оксидний нанодріт. Алюміній просочує пори катода з оксиду металу. Команда каже, що у таких батарей хороша електрохімічна стабільність з відносно широким діапазоном вольтажа і силою струму.

«Ванадій оксид і є головний робочий матеріал з відкритою кристалічною структурою», говорить Арчер, «є ідея, що в цю структуру можна вмістити відносно багато алюмінію. Нанодріт дає високу питому поверхню і значно скорочує відстань для проходження електронів ».

Команда Корнелла каже, що круглий плоский елемент повторює вольтамметріческій і гальваностатичного цикли. Результати досліджень цілком багатообіцяючі, говорить Арчер. Тести на вольтметрі показали, що повторюються електрохімічні процеси подібні до процесів у батарейках, так як напруга то зростає, то падає.

Гальваностатичного досліди з силою струму батарейки показали, що елемент постійно звільняє свої електрони і вони зберігають свою ємність і після численних зарядок і розрядів. Однак, проект алюміній-іонних елементів Корнелла ще не придатний для використання. З одного боку, його кулонівський ККД недостатній для довгострокової роботи як допоміжний елемент. Батарейка з досконалим ККД може зберігати всі свої іони при заряджання та розряджання. Якщо кулоновий ККД не стовідсотковий, активний матеріал елемента буде постійно вичерпуватися, що призведе до кончини батарейки.

«Ми не хочемо зараз створювати багато шуму, тому що ми поки активно досліджуємо цю область», заявляє Арчер. «Наші алюміній-іонні елементи вже виробляють енергію, чия щільність перевищує щільність енергії літій-іонних елементів, які використовуються сучасниками. Це звичайно здорово, але не так, як того хотілося б. Наша мета – створення елемента, який міг би конкурувати з двигуном внутрішнього згоряння, чия щільність енергії була б приблизно 5000 W-годину / кг. “

Якщо задумане буде розвиватися як планується, група університету Корнелл зможе отримати більш цікаві результати приблизно через один рік. «Зазвичай якщо хочуть отримати більш потужну батарею, витрачають для її отримання більше матеріалу», говорить Арчер, «і дуже приємно, коли отримуєш відмінно працює річ маленького розміру. Ми активно вивчаємо різні хімічні елементи, і вже є успіх. Приблизно через рік ми будемо мати кишенькові батарейки з потужністю, що дозволяє працювати лептопу.

Однак, процес створення алюміній-іонних елементів з достатньою потужністю для електронних гаджетів виходить за межі практичної діяльності університету. Корнелл не має технічних можливостей для створення таких макроелементів. Так що якщо наша група знайде область застосування макроелементів, університет буде шукати комерційних партнерів для втілення винаходу в життя ».

Як би принадно не звучала ідея створення алюміній-іонних елементів, залишається ще багато роботи. «Схоже ми матимемо величезну кількість проблем з алюмінієвими анодами для батарейок. Ми ще не знаємо, на які проблеми натолкнёмся », говорить старший науковий співробітник Oak Ridge Жильбер Браун.

Одна з них – дорожнеча іонного електроліту, хоча він і багаторазовий. Також повністю не вирішене питання і з матеріалом для алюміній-іонного анода. «У алюміній-іонних елементах на електродах з’являються дендритні освіти, такі самі, які створюють проблеми в літій-іонних елементах», заявив член відбіркової команди Oak Ridge та її лідер Паранс Парантаман. «Є речі, за якими потрібно стежити, щоб не порушилася взаємодія між електродами і електролітами».

Але перехід від літій-іонної до алюміній-іонної хімії не вирішить проблем з розрядкою батарейок. Ця трудність стала головною, коли виявилося, що у кількох власників родстерів Tesla стодоларові батарейки розрядилися до нуля, і всі вони заплатили за їх заміну кругленьку суму.

«Ми не розуміємо: хіба повністю виснажену батарейку можна перезарядити?», Дивується пан Жільбер Браун. «Ще рано говорити, що алюміній-іонні елементи вирішать всі проблеми. Два типу батарейок мають абсолютно різну анодний структуру.

Літієвий анод – це графіт з прошарками літію. А алюмінієва батарейка має алюмінієвий анод, на який алюміній завдано гальванічним способом. Безумовно можна сказати лише, що алюміній-іонні елементи матимуть абсолютно інші проблеми з розрядкою, ніж їх мають літій-іонні елементи ».

Крім того, пошкодження алюміній-іонних батарей при аварії може привести до таких же небезпечних наслідків, як і від пошкодження, що зім’яло літій-іонних елементів. Один з найвідоміших випадків, коли блок батарейок Chevy Volt загорівся через три тижні після серйозного удару їх на дослідному стенді. Але спочатку немає ніяких натяків на те, що наслідки від удару алюміній-іонних елементів будуть гірше, ніж у їх літій-іонних побратимів, хоча точних відомостей немає.

«І літій і алюміній реагують з киснем і водою», говорить лідер відбірковій команди Oak Ridge Паранс Парантаман. «У батарейному відсіку алюміній має перевагу в цьому питанні, так як оксид алюмінію формується на поверхні анода і погашає хімічну реакцію. Але батарейка при цьому звичайно пошкоджується ».

І нарешті, можливо більш переважно живити гаджети звичайними не перезаряджується алюміній-іонними батареями, ніж винаходити елементи, здатні продовжити життя автомобіля. Цей варіант Національна Лабораторія НЕ ІГНОРУВАТИМЕ.

«У пошуках батарейок можна проїхати добрих 500 миль до найближчої сервісної станції», знову говорить Жильбер Браун. «Автомобілісти захочуть робити регулярну перезавантаження елементів при розумних витратах. Алюміній коштує приблизно 2,5 долара за кілограм. Купівля батарейки на алюмінієвій основі рівносильна купівлі пального за ціною 5 доларів за галон (приблизно 3,8 літра). Було б більш заманливо навчитися виробляти металевий алюміній низькотемпературним способом ».

Ссылка на основную публикацию