Автомобиль заправляется алюминием. Алюминиевые аккумуляторы Химические источники тока с алюминиевым анодом
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.
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.
Любители электромобилей давно мечтают об аккумуляторах, которые позволят их четырехколесным друзьям преодолевать более полутора тысяч километров на одном заряде. Руководство израильского стартапа Phinergy полагает, что разрабатываемая специалистами компании алюминий-воздушная батарея отлично справится с этой задачей.
Генеральный директор Phinergy, Авив Сидон, на днях сообщил о начале партнерских отношений с крупным автопроизводителем. Ожидается, что дополнительное финансирование позволит компании наладить массовое производство революционных батарей уже к 2017 году.
На видеоролике (в конце статьи ) репортер информагентства Bloomberg, Эллиот Готкин, разъезжает за рулем малолитражки , которая была преобразована в электромобиль. При этом в багажнике данной машины была установлена алюминий-воздушная батарея Phinergy.
Электромобиль Citroen C1 с литий-ионным аккумулятором может проехать не более 160 км на одном заряде, но алюминий-воздушная батарея Phinergy позволяет ему преодолевать дополнительные 1600 километров.
В видеоролике видно, что инженеры заполняют специальные резервуары внутри демонстрационного автомобиля дистиллированной водой. Прогнозируемый бортовым компьютером диапазон хода авто отображается на дисплее мобильного телефона гендиректора Phinergy.
Вода служит основой для электролита, через который проходят ионы, выделяя при этом энергию. Электричество идет на питание электродвигателей автомобиля. По словам инженеров стартапа, запас воды в резервуарах демонстрационного автомобиля необходимо пополнять «каждые несколько сотен километров».
В качестве анода в алюминий-воздушных батареях используются алюминиевые пластины, а наружный воздух выступает катодом. Алюминиевая составляющая системы медленно разрушается, так как молекулы металла соединяются с кислородом и выделяют энергию.
Если точнее: четыре атома алюминия, три молекулы кислорода и шесть молекул воды объединяются, чтобы создать четыре молекулы гидратированного оксида алюминия с выделением энергии.
Исторически сложилось так, что алюминий-воздушные батареи использовались лишь для нужд армии. Всему виной необходимость периодического удаления оксида алюминия и замены пластин алюминиевого анода.
Представители Phinergy говорят, что запатентованный катодный материал позволяет кислороду из наружного воздуха свободно попадать в аккумуляторную ячейку, при этом данный материал не позволяет диоксиду углерода, который также содержится в воздухе, загрязнять батарею. Именно это в большинстве случаев мешало нормальной эксплуатации алюминий-воздушных батарей в течение длительного периода. По крайней мере, до настоящего момента.
Специалисты компании также ведут разработку , которые можно подзаряжать с помощью электричества. В данном случае металлические электроды не разрушаются столь стремительно, как в случае алюминий-воздушных аналогов.
Сидон говорит, что энергия одной алюминиевой пластины помогает электромобилю преодолевать примерно 32 километра (это позволяет нам предположить, что удельная выработка электроэнергии на пластину составляет около 7 кВт*ч). Так вот в демонстрационной машине установлено 50 таких пластин.
Вся батарея, как отмечает топ-менеджер, весит всего 25 кг. Из этого следует, что ее плотность энергии более чем в 100 раз выше, чем у обычных литий-ионных аккумуляторов современного образца.
Вполне вероятно, что в случае серийной модели электромобиля батарея может стать значительно более тяжелой. К повышению ее массы приведет оснащение аккумулятора системой теплового кондиционирования и защитным кожухом, которых в прототипе не наблюдалось (судя по ролику).
В любом случае, появление аккумулятора с плотностью энергии, которая на порядок выше, чем у современных литий-ионных батарей, будет отличной новостью для автопроизводителей, которые сделали ставку на электрические машины — так как это, по существу, устраняет любые проблемы, вызванные ограниченной дальностью хода современных электрокаров.
Перед нами очень интересный прототип, но многие вопросы остаются без ответа. Как будет осуществляться эксплуатация алюминий-воздушных батарей в серийных электромобилях? Насколько сложной будет процедура замены алюминиевых пластин? Как часто придется их менять? (после 1500 км? после 5000 км? или реже?).
В доступных на данном этапе маркетинговых материалах не описано, каким будет совокупный углеродный след металл-воздушных батарей (с момента добычи сырья до монтажа аккумулятора в авто) по сравнению с современными литий-ионными аналогами.
Этот момент, вероятно, заслуживает детального изучения. И исследовательскую работу необходимо завершить до начала массового внедрения новой технологии, поскольку извлечение и переработка алюминиевых руд и создание пригодного к использованию металла — это очень энергоемкий процесс.
Тем не менее, не исключен еще один сценарий развития событий. Дополнительные металл-воздушные батареи могут быть добавлены к литий-ионным, но использоваться они будут лишь в случае поездок на дальние дистанции. Такой вариант может быть весьма привлекательным для производителей электромобилей, даже если батареи нового типа будут иметь более высокий углеродный след, чем .
По материалам
Батареи это устройства, преобразующее химическую энергию в электрическую энергию. Они имеют 2 электрода, между ними идет химическая реакция, которую используют или производят электроны. Электроды связаны между собой раствором называемым электролитом, с помощью которого ионы могут перемещаться, совершая электрическую цепь. Электроны образуются на аноде и могут проходить через внешнюю цепь на катод, это движение электронов электрического тока, которые могут быть использованы для совершения работы простых устройств.
В нашем случае батарея может быть сформирована с помощью двух реакций: (1) реакции с алюминием, который генерирует электроны на один электрод, и (2) реакции с кислородом, что использует электроны на другом электроде. Чтобы помочь электронам в батарее, получить доступ к кислороду в воздухе, вы можете сделать вторым электродом материал, который может проводить электричество, но не является активным, например уголь, который состоит в основном из углерода. Активированный уголь очень пористый и это порой приводит к большой площади поверхности, которая подводится воздействию атмосфер. Один грамм активированного угля может быть большей площади, чем целое футбольное поле.
В этом опыте вы можете построить аккумулятор , который использует эти две реакции и самое удивительное, что эти батареи могут питать небольшой мотор или лампочку. Для этого вам понадобится: алюминиевая фольга, ножницы, активированный уголь, металлические ложки, бумажные полотенца, соль, маленькая чашечка, вода, 2 электрических провода с зажимами на концах и небольшое электрическое устройство, такое как двигатель или светодиод. Отрежьте кусочек алюминиевой фольги размером, что составит примерно 15Х15см. , подготовьте насыщенный раствор, смесь соли в небольшой чашке с водой пока соль не перестанет растворяться, сложите бумажное полотенце на четверть и пропитайте его рассолом. Положите это полотенце на фольгу, добавьте около ложки активированного угля на вершину бумажного полотенца, налейте рассол на уголь, чтобы смочить его. Будьте уверены, что уголь является мокрым повсюду. Чтобы не прикасаться к воде напрямую вы должны меть 3 слоя как в бутерброде. Подготовьте свои электрические устройства для использования, один конец электрического провода прикрепите к загрузке, а другой конец провода подключим к алюминиевой фольге. Плотно прижмем второй провод к куче угля и смотрим, что происходит, если аккумулятор работает нормально, то вполне вероятно, что вам понадобится еще один элемент для включения вашего устройства. Попробуйте увеличить площадь контакта между вашим проводом и древесным углем, сложив батарею и сильно сдавив. Если вы используете двигатель, вы также можете ему помочь стартонуть крутанув вал пальцами.
Первая современная электрическая батарея была сделана из ряда электрохимических ячеек и называется вольтовым столбом. Повторите шаг первый и третий, чтобы построить дополнительный алюминиево-воздушный элемент , соединив 2 или 3 воздушно-алюминиевых элемента друг с другом вы получите более мощный аккумулятор. Используйте мультиметр для измерения напряжения и тока полученного с вашей батареи.
Как нужно изменить вашу батарею, чтобы она стала давать большее напряжение или больший ток – рассчитайте выходную мощность от вашего аккумулятора путем произведения его напряжения и тока. Попробуйте подключить и другие устройства к вашему аккумулятору.
