Алюминий - воздушный аккумулятор. Алюминиевая батарея — отличное дополнение для электромобиля Автомобиль заправляется алюминием создание мощного источника тока
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»
Французская компания Renault предлагает использовать в будущих электромобилях алюминиево-воздушные батареи от Phinergy. Давайте взглянем на их перспективы.
Renault решило сделать ставку на новый тип аккумулятора, который может позволить увеличить дальность пробега от одной зарядки в семь раз. При сохранении габаритов и веса сегодняшних батарей. Алюминиево-воздушные (Al-air) элементы имеют феноменальную плотность энергии (8000 Вт/кг, против 1000 Вт/кг у традиционных батарей), вырабатывая её при реакции окисления алюминия в воздухе. Такая батарея содержит в себе позитивный катод и негативный анод, сделанный из алюминия, а между электродами содержится жидкий электролит на водяной основе.
Компания разработчик батарей Phinergy заявила, что достигла большого прогресса в развитии подобных батарей. Их предложение – использовать катализатор, изготовленный из серебра, который позволяет эффективно задействовать кислород, содержащийся в обычном воздухе. Этот кислород смешивается с жидким электролитом, и тем самым освобождает электрическую энергию, которая содержится в алюминиевом аноде. Главный нюанс заключается в «воздушном катоде», который действует как мембрана в вашей зимней куртке – пропускает только О2, а не углекислый газ.
В чем отличие от традиционных батарей? У последних полностью закрытые ячейки, в то время как Al-air элементам нужен внешний элемент, «запускающий» реакцию. Важным плюсом является тот факт, что Al-air батарея действует как дизель-генератор – она вырабатывает энергию только тогда, когда вы ее включили. А когда вы «перекрыли воздух» такой батарее, весь её заряд остается на месте и не исчезает со временем, как у обычных аккумуляторов.
В процессе работы Al-air батареи используется алюминиевый электрод, но его можно сделать заменяемым, как картридж в принтере. Зарядку нужно делать каждые 400 км, она будет заключаться в доливании нового электролита, что намного проще, чем ждать, пока зарядится обычная батарея.
Компания Phinergy уже создала электрический Citroen C1, который оборудован 25 кг батареей емкостью 100 кВтч. Она дает запас хода в 960 км. С мотором мощностью в 50 кВт (около 67 лошадиных сил), машина развивает скорость в 130 км/ч, разгоняется до сотни за 14 секунд. Подобная батарея также тестируется на Renault Zoe, но её емкость – 22 кВтч, максималка у машины – 135 км/ч, 13.5 сек до “сотни”, но только 210 км запаса хода.
Новые батареи легче, в два раза дешевле, чем литий-ионные и в перспективе проще в эксплуатации, нежели современные. И пока что, единственная их проблема – это алюминиевый электрод, который сложен в производстве и замене. Как только эта проблема решится – можно смело ожидать еще большей волны популярности электромобилей!
- , 20 Янв 2015
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.
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.
