Cyflwyniad Byr i Batri Aer Alwminiwm
Gadewch neges
Alwminiwm - batris aer(batris Al-aer) yn cynhyrchu trydan o adwaith ocsigen yn yr aer ag alwminiwm. Mae ganddynt un o'r dwyseddau ynni uchaf o'r holl fatris, ond ni chânt eu defnyddio'n helaeth oherwydd problemau gyda chost anod uchel a thynnu sgil-gynnyrch wrth ddefnyddio electrolytau traddodiadol. Mae hyn wedi cyfyngu eu defnydd i gymwysiadau milwrol yn bennaf. Fodd bynnag, mae gan gerbyd trydan â batris alwminiwm y potensial am hyd at wyth gwaith ystod batri ïon lithiwm gyda chyfanswm pwysau sylweddol is.
Mae batris alwminiwm-aer yn gelloedd cynradd, hy, ni ellir eu hailwefru. Unwaith y bydd yr anod alwminiwm yn cael ei fwyta gan ei adwaith ag ocsigen atmosfferig mewn catod wedi'i drochi mewn electrolyt sy'n seiliedig ar ddŵr i ffurfio alwminiwm ocsid hydradol, ni fydd y batri yn cynhyrchu trydan mwyach. Fodd bynnag, mae'n bosibl ailwefru'r batri yn fecanyddol ag anodau alwminiwm newydd a wneir o ailgylchu'r alwminiwm ocsid hydradol. Byddai ailgylchu o'r fath yn hanfodol pe bai batris alwminiwm-aer yn cael eu mabwysiadu'n eang.
Mae -cerbydau wedi'u pweru gan alwminiwm wedi bod yn cael eu trafod ers rhai degawdau. Mae hybrideiddio yn lliniaru’r costau, ac ym 1989 adroddwyd am brofion ffordd o fatri alwminiwm-aer/plwm-asid hybrid mewn cerbyd trydan. Dangoswyd plwg alwminiwm-wedi'i bweru-mewn minivan hybrid yn Ontario ym 1990.
Ym mis Mawrth 2013, Phinergy rhyddhau arddangosiad fideo o gar trydan yn defnyddio celloedd alwminiwm-aer a yrrir 330 km gan ddefnyddio catod arbennig a photasiwm hydrocsid. Ar Fai 27, 2013, dangosodd darllediad newyddion gyda'r nos sianel Israel 10 car gyda batri Phinergy yn y cefn, gan hawlio ystod 2,000 cilomedr (1,200 milltir) cyn bod angen ailosod yr anodau alwminiwm.
Electrocemeg
Hanner ocsidiad anod-adwaith yw Al + 3OH− → Al(OH)3 + 3e− -2.31 V.
Yr hanner{0}}adwaith lleihau catod yw O2 + 2H2O + 4e−→ 4OH−
+0.40 V.
Cyfanswm yr adwaith yw 4Al + 3O2 + 6H2O → 4Al(OH)3 +2.71 V.
Mae gwahaniaeth potensial tua 1.2 folt yn cael ei greu gan yr adweithiau hyn ac mae'n gyraeddadwy yn ymarferol pan ddefnyddir potasiwm hydrocsid fel yr electrolyt. Mae electrolyt dŵr halen yn cyflawni tua 0.7 folt y gell.
Gall foltedd penodol y gell amrywio yn dibynnu ar gyfansoddiad yr electrolyte yn ogystal â strwythur a deunyddiau'r catod.
Gellir defnyddio metelau eraill mewn ffordd debyg, megis aer lithiwm-aer, sinc-aer, aer manganîs, ac aer sodiwm, rhai â dwysedd egni uwch. Fodd bynnag, mae alwminiwm yn ddeniadol fel y metel mwyaf sefydlog.
| Egni penodol | 1300 (ymarferol), 6000/8000 (damcaniaethol) W·h/kg |
|---|---|
| Dwysedd ynni | N/A |
| Pwer penodol | 200 W/kg |
| Foltedd cell enwol | 1.2 V |
Anod
Mae alwminiwm (Al) wedi'i ddefnyddio'n helaeth fel deunydd anod mewn batris aer metel oherwydd ei ddwysedd ynni uchel, y gallu i'w ailgylchu, a'i helaethrwydd. Fodd bynnag, mae heriau gydag anodau Al yn cynnwys cyrydiad a goddefiad. Mae amhureddau mewn alwminiwm sydd ar gael yn fasnachol yn arwain at ffurfio haenau sy'n amharu ar berfformiad. Mae adweithiau cyrydiad yn cynhyrchu hydrogen ac yn ffurfio hydrocsidau alwminiwm, tra bod ffurfio ffilm ocsid wrth ddod i gysylltiad ag aer neu ddŵr yn cyfyngu ymhellach ar ymarferoldeb.
Mae gwella perfformiad anod Al yn golygu optimeiddio maint grawn a chyfeiriadedd grisial, gan fod strwythurau grawn mwy manwl yn gwella ymwrthedd cyrydiad a gweithgaredd electrocemegol. Archwiliodd yr astudiaeth a wnaed gan Fan a Lu y berthynas rhwng maint y grawn a pherfformiad yr anod. Yn yr astudiaeth hon, crëwyd anodau alwminiwm â meintiau grawn mwy manwl gan ddefnyddio dull o'r enw Equal Channel Angular Pressing (ECAP). Wrth i nifer y pasiau allwthio gynyddu, daeth y grawn yn llai ac yn fwy unffurf. Fodd bynnag, roedd gan y broses gyfyngiadau oherwydd gwres o anffurfiad a achosodd rywfaint o dyfiant grawn. Dangosodd y canlyniadau fod mireinio maint y grawn wedi gwella gweithgaredd electrocemegol yr anod, lleihau cyrydiad, a mwy o bolareiddio a gwrthiant trosglwyddo gwefr. Cadarnhaodd profion fod yr anod â grawn mân yn perfformio'n well nag un â grawn mwy. Roedd y strwythur grawn mân hefyd wedi darparu gwell priodweddau gwrth-cyrydu a pherfformiad batri gwell mewn datrysiad NaOH 4 mol/L. Ar ddwysedd cerrynt o 10 mA/cm2, dangosodd yr anod grawn mân gynnydd o 41.5% mewn dwysedd cynhwysedd a chynnydd o 55.5% mewn dwysedd egni o'i gymharu â'r anod grawn bras. Ar wahân i optimeiddio microstrwythur, gall prosesu'r anodau hefyd effeithio ar y perfformiad. Mae anodau a luniwyd gan ddefnyddio sintro laser yn dangos cynhwysedd uwch o gymharu â samplau nad ydynt wedi'u sintro, sy'n amlygu pwysigrwydd prosesu'r anod o ran perfformiad yr anod.
Yn ogystal â mireinio'r microstrwythur a datblygu gwell dulliau prosesu, mae aloi Al ag elfennau fel Ga, Zn, a Sn yn helpu i liniaru cyrydiad ac esblygiad hydrogen. Mae sinc, yn benodol, yn cael ei gydnabod yn eang fel elfen aloi fuddiol mewn anodau batri aer Al oherwydd ei fod yn helpu i leihau'r gyfradd hunan-cyrydu ac yn cynyddu'r foltedd cell enwol. Fodd bynnag, mae astudiaeth a wnaed gan Park, Choi, a Kim yn tynnu sylw at anfantais: gall ychwanegu Zn mewn gwirionedd leihau perfformiad gollwng yr anod mewn datrysiadau alcalïaidd oherwydd effeithiau goddefol yn ystod polareiddio anodig. Yn benodol, mae Zn yn hyrwyddo ffurfio dau fath o ffilmiau ocsideiddio. Mae'r ffilm gyntaf, Math 1, yn haen fandyllog sy'n cynnwys Zn(OH)2a ZnO diffygiol, sy'n ffurfio pan gaiff ei ddiddymu Zn(OH)42-gwaddodi o'r electrolyt swmp. Mae'r ail, ffilm Math 2, yn haen amddiffynnol gryno o ZnO sy'n ffurfio'n uniongyrchol o ocsidiad yr arwyneb metel ac sy'n fwy sefydlog. Mae'r ffilm Math 2 hon yn creu haen goddefol sy'n amharu ar berfformiad rhyddhau batri aer Al. Fodd bynnag, mae ychwanegu indium (In) yn helpu i dorri i lawr ac ansefydlogi'r haen goddefol Zn hon. Mae'r ïonau In dro ar ôl tro yn creu diffygion o fewn y ffilm Math 2 trwy gylch o ddadelfennu ac ail-oddefiad, gan wanhau'r rhwystr amddiffynnol i bob pwrpas a gwella effeithlonrwydd rhyddhau'r batri. O ganlyniad, mae defnyddio Al-Zn-Mewn anod aloi teiran, a gynhyrchwyd o alwminiwm sydd ar gael yn fasnachol yn hytrach nag alwminiwm purdeb uchel drud, yn cyflwyno datrysiad cost effeithiol gyda pherfformiad gwell.
Mae aloion Al copr sydd wedi'u hadneuo hefyd wedi dangos addewid fel deunydd anod, gan ffurfio haenau amddiffynnol sy'n lleihau esblygiad hydrogen ac yn gwella perfformiad gollwng. Mae astudiaeth a wnaed gan Mutlu a Yazıcı yn dangos bod electrodeposition copr yn helpu i ostwng y tâl-trosglwyddo ymwrthedd anodau alwminiwm. Mae hyn oherwydd bod rhai cyfansoddion (fel Al(OH)2+, Al7(OH)174+, Al2(OH)24+, ac Al13(OH)345+) cronni ar yr wyneb a chreu gwrthiant. Mewn cyferbyniad, Al(OH)3yn hydoddi mewn hydoddiannau alcalïaidd, gan ffurfio Al(OH)4-, sydd â chyfradd diddymu is ac sy'n cynnal cydbwysedd rhwng Al(OH) ac Al(OH)4-. Mae copr yn helpu i gael gwared ar y cyfansoddion hyn o'r wyneb, gan leihau ymwrthedd a gwella perfformiad rhyddhau. Yn ogystal, mae gwrthiant alwminiwm ocsid yn uwch na gwrthiant y cyfuniad alwminiwm copr, felly mae copr yn lleihau ymwrthedd y ffilm ac yn ei gwneud yn fwy gwydn. Ar y cyfan, mae datblygiadau mewn cyfansoddiad aloi a dulliau saernïo yn hanfodol ar gyfer gwneud y mwyaf o effeithlonrwydd a chost-anodau Al.
Masnacheiddio
Mae alwminiwm fel "tanwydd" ar gyfer cerbydau wedi'i astudio gan Yang a Knickle. Yn 2002, daethant i’r casgliad:
Gall y system batri Al/aer gynhyrchu digon o ynni a phŵer ar gyfer ystodau gyrru a chyflymiad tebyg i geir wedi'u pweru gan gasoline... gall cost alwminiwm fel anod fod mor isel â US$ 1.1/kg cyn belled â bod y cynnyrch adwaith yn cael ei ailgylchu. Gall cyfanswm yr effeithlonrwydd tanwydd yn ystod y broses feicio mewn cerbydau trydan Al/aer (EVs) fod yn 15% (cam presennol) neu 20% (rhagamcenir), sy'n debyg i gerbydau injan hylosgi mewnol (ICEs) (13%). Dwysedd ynni'r batri dylunio yw 1300 Wh/kg (presennol) neu 2000 Wh/kg (rhagamcenir). Cost y system batri a ddewiswyd i'w gwerthuso yw US$ 30/kW (presennol) neu US$ 29/kW (rhagamcenir). Cynhaliwyd dadansoddiad cylch bywyd al/air EVs a'i gymharu â EVs hydrid metel plwm/asid a nicel (NiMH). Dim ond y EVs Al/aer y gellir rhagamcanu y bydd ganddynt amrediad teithio tebyg i ICEs. O'r dadansoddiad hwn, EVs Al/aer yw'r ymgeiswyr mwyaf addawol o gymharu ag ICEs o ran ystod teithio, pris prynu, cost tanwydd, a chost cylch bywyd.
Erys problemau technegol i'w datrys i wneud batris Al-aer yn addas ar gyfer cerbydau trydan. Mae anodau wedi'u gwneud o alwminiwm pur yn cael eu cyrydu gan yr electrolyte, felly mae'r alwminiwm fel arfer yn cael ei aloi â thun neu elfennau eraill. Mae'r alwmina hydradol sy'n cael ei greu gan yr adwaith cell yn ffurfio sylwedd tebyg i gel yn yr anod ac yn lleihau'r allbwn trydan. Mae hwn yn fater sy'n cael sylw yn y gwaith datblygu ar gelloedd Al-air. Er enghraifft, mae ychwanegion sy'n ffurfio'r alwmina fel powdr yn hytrach na gel wedi'u datblygu.
Mae cathodau aer modern yn cynnwys haen adweithiol o garbon gyda chasglwr cerrynt grid nicel, catalydd (ee, cobalt), a ffilm polytetrafluoroethylene hydroffobig hydraidd sy'n atal gollyngiadau electrolyte. Mae'r ocsigen yn yr aer yn mynd trwy'r polytetrafluoroethylene ac yna'n adweithio â'r dŵr i greu ïonau hydrocsid. Mae'r catodau hyn yn gweithio'n dda, ond gallant fod yn ddrud.
Roedd gan fatris Al-aer traddodiadol oes silff gyfyngedig, oherwydd bod yr alwminiwm yn adweithio â'r electrolyte ac yn cynhyrchu hydrogen pan nad oedd y batri yn cael ei ddefnyddio; nid yw hyn yn wir bellach gyda chynlluniau modern. Gellir osgoi'r broblem trwy storio'r electrolyte mewn tanc y tu allan i'r batri a'i drosglwyddo i'r batri pan fo angen ei ddefnyddio.
Gellir defnyddio'r batris hyn fel batris wrth gefn mewn cyfnewidfeydd ffôn ac fel ffynonellau pŵer wrth gefn.
Problem arall yw cost deunyddiau y mae angen eu hychwanegu at y batri er mwyn osgoi gollwng pŵer. Mae alwminiwm yn dal i fod yn rhad iawn o'i gymharu ag elfennau eraill a ddefnyddir i adeiladu batris. Mae alwminiwm yn costio $2.51 y cilogram tra bod lithiwm a nicel yn costio $12.59 a $17.12 y cilogram yn y drefn honno. Fodd bynnag, un elfen arall a ddefnyddir yn nodweddiadol mewn aer alwminiwm fel catod yn y catod yw arian, sy'n costio tua $922 y cilogram (prisiau 2024).
Gall batris alwminiwm-aer ddod yn ateb effeithiol ar gyfer cymwysiadau morol oherwydd eu dwysedd ynni uchel, cost isel, a digonedd o alwminiwm, heb unrhyw allyriadau ar y pwynt defnyddio mewn cychod a llongau. Aluma Power, Phinergy Marine, Log 9 Defnyddiau, RiAlAiR ac mae sawl cwmni masnachol arall yn gweithio ar gymwysiadau masnachol a milwrol yn yr amgylchedd morol.
Mae ymchwil a datblygiad yn digwydd ar electrolytau amgen, mwy diogel ac uwch perfformiad megis toddyddion organig a hylifau ïonig. Mae eraill fel AlumaPower yn canolbwyntio ar ddulliau mecanyddol i liniaru llawer o'r problemau hanesyddol gyda batris aer Al-. Mae patent AlumaPower (US US10978758B2) yn dangos dull sy'n cylchdroi'r anod sy'n dileu patrymau gwisgo a chorydiad yr anod. Mae'r patent yn honni ymhellach y gall y dyluniad ddefnyddio unrhyw alwminiwm sgrap, gan gynnwys caniau soda wedi'u hail-doddi a blociau injan.
