Akumulator aluminiowo-jonowy

Akumulatory glinowo-jonowe to klasa akumulatorów , w których jony glinu służą jako nośniki ładunku . Aluminium może wymieniać trzy elektrony na jon. Oznacza to, że wprowadzenie jednego Al ³⁺ odpowiada trzem jonom Li ⁺ . Tak więc, ponieważ promienie jonowe Al ³⁺ (0,54 Å ) i Li ⁺ (0,76 Å) są podobne, znacznie większa liczba elektronów i jonów Al ³⁺ może zostać przyjęta przez katody z niewielkimi uszkodzeniami. Al ma 50 razy (23,5 megawatogodzin m ^-3) gęstość energii Li i jest nawet wyższa niż węgiel.

Trójwartościowy nośnik ładunku Al ³⁺ jest zarówno zaletą, jak i wadą tej baterii. Podczas gdy przeniesienie 3 jednostek ładunku przez jeden jon znacznie zwiększa zdolność magazynowania energii, to interkalacja elektrostatyczna elektrod kationem trójwartościowym jest zbyt silna, aby można było dokładnie określić zachowanie elektrochemiczne.

Akumulatory na bazie aluminium oferują możliwości związane z niskim kosztem i niską palnością, a także dużą pojemnością. Obojętność aluminium i łatwość obsługi w otaczającym środowisku potencjalnie oferują znaczną poprawę bezpieczeństwa. W związku z tym akumulatory aluminiowe mogą być mniejsze. Akumulatory Al-ion mogą mieć również więcej cykli ładowania i rozładowania. Zatem akumulatory Al-ion mają potencjał, aby zastąpić akumulatory litowo-jonowe .

Projekt

Podobnie jak wszystkie inne akumulatory, akumulatory aluminiowo-jonowe zawierają dwie elektrody połączone elektrolitem . W przeciwieństwie do akumulatorów litowo-jonowych, w których ruchomym jonem jest Li ⁺ , aluminium tworzy kompleksy z chlorkami w większości elektrolitów i generuje anionowy mobilny nośnik ładunku, zwykle AlCl ₄⁻ lub Al ₂ Cl ₇⁻ .

Ilość energii lub mocy, jaką może uwolnić akumulator, zależy od takich czynników, jak napięcie, pojemność i skład chemiczny ogniwa akumulatora. Akumulator może zmaksymalizować poziom energii wyjściowej poprzez:

Zwiększenie chemicznej różnicy potencjałów między dwiema elektrodami
Zmniejszanie masy reagentów
Zapobieganie modyfikacji elektrolitu w wyniku reakcji chemicznych

Elektrochemia

Reakcja połówkowa anody:

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

Reakcja połówkowa katody:

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

Połączenie dwóch reakcji połówkowych daje następującą reakcję:

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

Porównanie litowo-jonowe

Akumulatory aluminiowo-jonowe są koncepcyjnie podobne do akumulatorów litowo-jonowych , ale mają aluminiowy nośnik ładunku zamiast litu. Chociaż teoretyczne napięcie akumulatorów aluminiowo-jonowych jest niższe niż akumulatorów litowo-jonowych, odpowiednio 2,65 V i 4 V, teoretyczny potencjał gęstości energii dla akumulatorów aluminiowo-jonowych wynosi 1060 Wh/kg w porównaniu z limitem litowo-jonowym wynoszącym 406 Wh/kg .

Dzisiejsze akumulatory litowo-jonowe mają dużą gęstość mocy (szybkie ładowanie/rozładowanie) i wysoką gęstość energii (duże ładowanie). Mogą również rozwijać dendryty , które mogą spowodować zwarcie i zapalić się. Aluminium przenosi również energię wydajniej ze względu na swoje 3 elektrony. Aluminium występuje w większej ilości/kosztuje mniej niż lit, co obniża koszty materiałów.

Wyzwania

Dotychczasowe akumulatory aluminiowo-jonowe mają stosunkowo krótki okres trwałości . Połączenie ciepła, szybkości ładowania i cykli może radykalnie wpłynąć na pojemność energetyczną. Jednym z powodów jest pęknięcie anody grafitowej. Jony Al są znacznie większe niż jony Li.

Elektrolity jonowe, poprawiając bezpieczeństwo i długoterminową stabilność urządzeń poprzez minimalizację korozji, są drogie i dlatego mogą być nieodpowiednie.

Badania

Różne zespoły badawcze eksperymentują z aluminium, aby wyprodukować lepsze baterie. Wymagania obejmują koszt, trwałość, pojemność, szybkość ładowania i bezpieczeństwo.

Anoda

Uniwersytet Cornella

W 2021 roku naukowcy ogłosili ogniwo wykorzystujące anodę o strukturze 3D, w której warstwy aluminium gromadzą się równomiernie na przeplatanej strukturze włókna węglowego poprzez wiązanie kowalencyjne podczas ładowania akumulatora. Grubsza anoda charakteryzuje się szybszą kinetyką, a prototyp pracował przez 10 tys. cykli bez oznak awarii.

Elektrolit

Narodowe Laboratorium Oak Ridge

Około 2010 roku Oak Ridge National Laboratory (ORNL) opracowało i opatentowało urządzenie o wysokiej gęstości energii , wytwarzające 1060 watogodzin na kilogram (Wh/kg). ORNL zastosował elektrolit jonowy zamiast typowego elektrolitu wodnego, który może wytwarzać gazowy wodór i powodować korozję anody. Elektrolit sporządzono z chlorku 3-etylo-1-metyloimidazoliowego z nadmiarem trichlorku glinu . Jednak elektrolity jonowe są mniej przewodzące, co zmniejsza gęstość mocy. Zmniejszenie separacji anoda/katoda może zrekompensować ograniczoną przewodność, ale powoduje nagrzewanie. ORNL opracował katodę składającą się z tlenku manganu spinelu , który jeszcze bardziej ograniczył korozję.

Katoda

Uniwersytet Cornella

W 2011 roku zespół badawczy użył tego samego elektrolitu co ORNL, ale do katody użył nanodrutów z tlenku wanadu . Tlenek wanadu ma otwartą strukturę krystaliczną o większej powierzchni i zmniejszonej ścieżce między katodą a anodą. Urządzenie wytwarzało duże napięcie wyjściowe. Jednak bateria miała niską sprawność kulombowską .

Uniwersytet Stanford

W kwietniu 2015 roku naukowcy z Uniwersytetu Stanforda twierdzili, że opracowali akumulator aluminiowo-jonowy o czasie ładowania około jednej minuty (dla nieokreślonej pojemności akumulatora). Ich ogniwo zapewnia około 2 woltów, 4 wolty, jeśli są połączone szeregowo po dwa ogniwa. Prototyp wytrzymał ponad 7500 cykli ładowania i rozładowania bez utraty pojemności.

Bateria została wykonana z aluminiowej anody, ciekłego elektrolitu, pianki izolacyjnej oraz grafitowej katody. Podczas procesu ładowania AlCl ₄⁻ interkalują między ułożonymi warstwami grafenu. Podczas rozładowywania jony AlCl ₄⁻ szybko ulegają deinterkalacji przez grafit. Ogniwo wykazało się dużą wytrzymałością, wytrzymując ponad 10 000 cykli bez utraty pojemności. Ogniwo było stabilne, nietoksyczne, podatne na zginanie i niepalne.

W 2016 roku laboratorium przetestowało te ogniwa we współpracy z tajwańskim Instytutem Badań nad Technologią Przemysłową (ITRI) w celu zasilania motocykla przy użyciu drogiego elektrolitu. W 2017 roku elektrolit na bazie mocznika , który stanowił około 1% kosztu modelu z 2015 roku. Bateria wykazuje sprawność kulombowską ~ 99,7% i zdolność szybkości ${\ displaystyle {\ ce {100 mA / g}}}$ przy pojemności katody ${\ displaystyle {\ ce {73 mAh / g}}}$ (1,4 C).

Projekt ALION

W czerwcu 2015 r. konsorcjum producentów materiałów i komponentów oraz monterów akumulatorów uruchomiło projekt ALION (Aluminiowo-jonowe akumulatory o wysokiej energii właściwej do zdecentralizowanych źródeł wytwarzania energii) jako europejski projekt Horyzont 2020 prowadzony przez instytut badawczy LEITAT . Celem projektu jest opracowanie prototypu akumulatora Al-ion, który mógłby być używany do przechowywania na dużą skalę ze zdecentralizowanych źródeł. W projekcie starano się osiągnąć gęstość energii 400 Wh/kg, napięcie 48 woltów i żywotność ładowania i rozładowania 3000 cykli. Drukowanie 3D akumulatorów umożliwiło opracowanie dużych ogniw Al-ion o napięciu w zakresie od 6 do 72 woltów.

Uniwersytet Marylandu

W 2016 roku zespół z University of Maryland zgłosił akumulator aluminiowo-siarkowy, w którym jako katodę zastosowano kompozyt siarkowo-węglowy. Skład chemiczny zapewnia teoretyczną gęstość energii 1340 Wh/kg. Prototypowe ogniwo wykazało gęstość energii 800 Wh/kg przez ponad 20 cykli.

MIT

W 2022 roku badacze MIT zgłosili projekt, w którym zastosowano tanie i niepalne składniki, w tym anodę aluminiową i katodę siarkową, oddzielone stopionym elektrolitem z soli chloroglinianowej. Prototyp wytrzymał setki cykli ładowania i ładował się szybko. Mogą pracować w temperaturach do 200°C (392°F). W temperaturze 110°C (230°F) akumulatory ładowały się 25 razy szybciej niż w temperaturze 25°C (77°F). Temperaturę tę można utrzymać w cyklu ładowania/rozładowania. Sól ma niską temperaturę topnienia i zapobiega tworzeniu się dendrytów. Jednym z potencjalnych zastosowań są stacje ładowania, gdzie wstępnie naładowany akumulator mógłby umożliwić stacji jednoczesne ładowanie większej liczby pojazdów bez kosztownej modernizacji linii energetycznej. Spółka spinoff Avanti, której współzałożycielem jest jeden z badaczy, próbuje skomercjalizować pracę.

Chalmers University of Technology i Narodowy Instytut Chemii w Słowenii

W 2019 roku naukowcy zaproponowali zastosowanie antrachinonu jako katody w aluminiowej baterii jonowej.

Politechnika Queensland

W 2019 roku naukowcy z Queensland University of Technology opracowali elektrody oparte na kryptomelanie jako katodę do aluminiowej baterii jonowej z wodnym elektrolitem.

Uniwersytet Clemsona

W 2017 roku naukowcy z Clemson Nanomaterials Institute wykorzystali elektrodę grafenową do interkalacji tetrachloroglinianu ( AlCl
^-₄ ). Zespół skonstruował akumulatory z aluminiowymi anodami, nieskazitelnymi lub zmodyfikowanymi kilkuwarstwowymi katodami grafenowymi oraz cieczą jonową z solą AlCl3 jako elektrolitem. Twierdzili, że bateria może pracować ponad 10 000 cykli przy gęstości energii 200 Wh/kg.

Uniwersytet Zhejiang

W grudniu 2017 roku zespół Uniwersytetu Zhejiang ogłosił baterię wykorzystującą folie grafenowe jako katodę i metaliczne aluminium jako anodę.

Konstrukcja 3H3C (Trihigh Tricontinuous) zapewnia katodę z folii grafenowej o doskonałych właściwościach elektrochemicznych. Ciekłokrystaliczny grafen tworzył wysoce zorientowaną strukturę. Wyżarzanie w wysokiej temperaturze pod ciśnieniem dało wysokiej jakości strukturę grafenu o wysokim poziomie kanałów. Zgłoszone właściwości:

Zachował 91,7 procent pierwotnej pojemności po 250 000 cykli.
Czas ładowania 1,1 sekundy.
Zakres temperatur: -40 do 120 C.
Pojemność prądowa: 111 mAh/g, 400 A/g
Giętki i niepalny.
Niska gęstość energii

Bateria redoks

Innym podejściem do akumulatora aluminiowego jest wykorzystanie reakcji redoks do ładowania i rozładowywania. Proces ładowania przekształca tlenek glinu lub wodorotlenek glinu w jonowe aluminium za pomocą elektrolizy , zazwyczaj w piecu do wytapiania aluminium . Wymaga to temperatury 800 ° C (1470 ° F). W jednym raporcie oszacowano możliwą wydajność na około 65%. Chociaż jonowe aluminium utlenia się w obecności powietrza, kosztuje to mniej niż 1% pojemności magazynowania energii.

Rozładowanie akumulatora obejmuje utlenianie aluminium, zazwyczaj wodą o temperaturze poniżej 100°C. Daje to wodorotlenek glinu i jonowy wodór. Te ostatnie mogą wytwarzać energię elektryczną za pomocą ogniwa paliwowego . Utlenianie w ogniwie paliwowym generuje ciepło, które może wspomagać ogrzewanie przestrzeni lub wody.

Proces w wyższej temperaturze może wspierać zastosowania przemysłowe. Działa w temperaturze ponad 200 ° C, reagując aluminium z parą wodną, aby wytworzyć tlenek glinu, wodór i dodatkowe ciepło.

Jonowe aluminium można przechowywać w hucie Jedno podejście ładuje akumulator w hucie i rozładowuje go wszędzie tam, gdzie potrzebna jest energia i ciepło. Alternatywnie, energia elektryczna mogłaby być wprowadzana do sieci w hucie, bez potrzeby transportu, chociaż dla maksymalnej wydajności w obie strony ciepło musiałoby być wykorzystywane na terenie huty.

Zobacz też

Linki zewnętrzne