Меню

Воздушно алюминиевый источник тока

Воздушно-алюминиевые источники тока.

Н. Коровин, Б. Клейменов

Введение

Химические источники тока со стабильными и высокими удельными характеристиками — одно из важнейших условий развития средств связи.

В настоящее время потребность пользователей электроэнергии для средств связи покрывается, в основном, за счет применения дорогостоящих гальванических элементов или аккумуляторов.

Аккумуляторы являются относительно автономными источниками электропитания, поскольку нуждаются в периодическом заряде от сети. Зарядные устройства, применяемые для этой цели, имеют высокую стоимость и не всегда способны обеспечить благоприятный режим заряда. Так, аккумулятор Sonnenschein, изготовленный по технологии dryfit и имеющий массу 0,7 кг, а емкость 5 А·ч, заряжается в течение 10 часов, причем при заряде необходимо соблюдать нормативные значения тока, напряжения и времени заряда. Заряд проводится сначала при постоянном токе, затем при постоянном напряжении. Для этого применяются дорогостоящие зарядные устройства с программным управлением.

Абсолютно автономными являются гальванические элементы, но они, как правило, имеют низкую мощность и ограниченную емкость. По исчерпании заложенной в них энергии они утилизируются, загрязняя окружающую среду. Альтернативой сухим источникам являются воздушно-металлические механически перезаряжаемые источники, некоторые энергетические характеристики которых приведены в таблице 1.

Таблица 1 — Параметры некоторых электрохимических систем

Практически реализуемые параметры

Удельная энергия, Вт·ч/кг

Удельная энергия, Вт·ч/кг

Как видно из таблицы, воздушно-металлические источники, в сравнении с другими широко применяемыми системами, обладают наибольшими теоретическими и практически реализуемыми энергетическими параметрами.

Воздушно-металлические системы были реализованы значительно позже, а их разработка до сих пор ведется менее интенсивно, чем источников тока других электрохимических систем. Однако испытания опытных образцов, созданных отечественными и иностранными фирмами, показали их достаточную конкурентоспособность.

Показано, что сплавы алюминия и цинк могут работать в щелочных и солевых электролитах. Магний — лишь в солевых электролитах, причем его интенсивное растворение идет как при генерировании тока, так и в паузах.

В отличие от магния алюминий в солевых электролитах растворяется лишь при генерировании тока. Для цинкового электрода наиболее перспективны щелочные электролиты.

Воздушно-алюминиевые источники тока (ВАИТ)

На основе алюминиевых сплавов созданы механически перезаряжаемые источники тока с электролитом на основе поваренной соли. Эти источники абсолютно автономны и могут использоваться для электропитания не только средств связи, но и для заряда аккумуляторов, питания различной бытовой аппаратуры: радиоприемников, телевизоров, кофемолок, электродрелей, светильников, электрофенов, паяльников, маломощных холодильников, центробежных насосов и пр. Абсолютная автономность источника позволяет использовать его в полевых условиях, в регионах, не имеющих централизованного электроснабжения, в местах катастроф и стихийных бедствий.

Заряд ВАИТ производится в течение считанных минут, которые необходимы для заливки электролита и/или замены алюминиевых электродов. Для заряда нужна лишь поваренная соль, вода и запас алюминиевых анодов. В качестве одного из активных материалов используется кислород воздуха, который восстанавливается на катодах из углерода и фторопласта. Катоды достаточно дешевы, обеспечивают работу источника в течение длительного времени и, поэтому оказывают незначительное влияние на стоимость генерируемой энергии.

Стоимость электроэнергии, получаемой в ВАИТ, определяется, в основном, лишь стоимостью периодически заменяемых анодов, в нее не включается стоимость окислителя, материалов и технологических процессов, обеспечивающих работоспособность традиционных гальванических элементов и, поэтому, она в 20 раз ниже стоимости энергии, получаемой от таких автономных источников как щелочные марганцево-цинковые элементы.

Таблица 2 — Параметры воздушно-алюминиевых источников тока

Масса электролита, кг

Емкость по запасу электролита, А·ч

Масса комплекта анодов, кг

Емкость по запасу анодов, А·ч

Масса батареи, кг

Длительность непрерывной работы определяется величиной потребляемого тока, объемом залитого в элемент электролита и составляет 70 — 100 А·ч/л. Нижний предел определяется вязкостью электролита, при которой возможен его свободный слив. Верхний предел соответствует снижению характеристик элемента на 10-15%, однако по его достижении для удаления электролитной массы необходимо применение механических устройств, которые могут повредить кислородный (воздушный) электрод.

Вязкость электролита возрастает по мере его насыщения взвесью гидроксида алюминия. (Гидроксид алюминия встречается в природе в виде глины или глинозема, является прекрасным продуктом для производства алюминия и может быть возвращен в производство).

Замена электролита осуществляется в считанные минуты. С новыми порциями электролита ВАИТ может работать до исчерпания ресурса анода, который при толщине 3 мм составляет 2,5 А·ч/см 2 геометрической поверхности. Если аноды растворились, их в течение нескольких минут заменяют новыми.

Саморазряд ВАИТ очень мал, даже при хранении с электролитом. Но в силу того, что ВАИТ в перерыве между разрядами может храниться без электролита — его саморазряд ничтожен. Ресурс работы ВАИТ ограничен сроком службы пластмассы, из которой он изготовлен ВАИТ без электролита может храниться до 15 лет.

В зависимости от требований потребителя ВАИТ может быть модифицирован с учетом того, что 1 элемент имеет напряжение 1 В при плотности тока 20 мА/см 2 , а ток снимаемый с ВАИТ определяется площадью электродов.

Проведенные в МЭИ(ТУ) исследования процессов, протекающих на электродах и в электролите, позволили создать два типа воздушно-алюминиевых источников тока — заливаемые и погружаемые (табл. 2).

Заливаемые ВАИТ

Заливаемые ВАИТ состоят из 4-6 элементов. Элемент заливаемого ВАИТ (рис. 1) представляет собой прямоугольную емкость (1), в противоположных стенках которой установлен катод (2). Катод состоит из двух частей, электрически соединенных в один электрод шиной (3). Между катодами располагается анод (4), положение которого фиксируется направляющими (5). Конструкция элемента, запатентованного авторами /1/, позволяет уменьшить отрицательное влияние образующегося в качестве конечного продукта гидроксида алюминия, за счет организации внутренней циркуляции. С этой целью элемент в плоскости, перпендикулярной плоскости электродов, разделен перегородками на три секции. Перегородки выполняют также роль направляющих анод полозков (5). В средней секции располагаются электроды. Выделяющиеся при работе анода пузырьки газа поднимают вместе с потоком электролита взвесь гидроксида, который опускается на дно в двух других секциях элемента.

1 — корпус элемента, 4 — анод, 2 — катод, 5 — направляющие полозки, 3 — катодная шина

Рисунок 1 — Схема элемента

Подвод воздуха к катодам в ВАИТ (рис. 2) осуществляется через зазоры (1) между элементами (2). Крайние катоды защищены от внешних механических воздействий боковыми панелями (3). Непроливаемость конструкции обеспечивается применением быстро снимаемой крышки (4) с уплотнительной прокладкой (5) из пористой резины. Натяг резиновой прокладки достигается прижатием крышки к корпусу ВАИТ и фиксацией ее в этом состоянии с помощью пружинных фиксаторов (на рисунке не показаны). Сброс газа осуществляется через специально разработанные пористые гидрофобные клапаны (6). Элементы (1) в батарее соединены последовательно. Пластинчатые аноды (9), конструкция которых разработана в МЭИ [2], имеют гибкие токосъемы с элементом разъема на конце. Разъем, ответная часть которого соединена с блоком катодов, позволяет быстро отсоединять и присоединять анод при его замене. При подсоединении всех анодов элементы ВАИТ соединяются последовательно. Крайние электроды соединены с борнами (10) ВАИТ также посредством разъемов.

1- воздушный зазор, 2 — элемент, 3 — защитная панель, 4 — крышка, 5 — катодная шина, 6 — прокладка, 7- клапан, 8 — катод, 9 — анод, 10 — борн

Рисунок 2 — Заливаемый ВАИТ

Погружаемый ВАИТ

Погружаемый ВАИТ (рис. 3) представляет собой вывернутый на изнанку заливаемый ВАИТ. Катоды (2) развернуты активным слоем наружу. Емкость элемента, в которую заливался электролит, делится на две перегородкой и служит для раздельной подачи воздуха к каждому катоду. В зазоре, через который подавался к катодам воздух, установлен анод (1). ВАИТ же активируется не заливкой электролита, а погружением в электролит. Электролит предварительно заливается и хранится в перерыве между разрядами в баке (6), который разделен на 6 не связанных между собой секций. В качестве бака используется моноблок аккумулятора 6СТ-60ТМ.

1 — анод, 4 — катодная камера, 2 — катод, 5 — верхняя панель, 3 — полозок, 6 — электролитный бак

Рисунок 3 — Погружаемый воздушно-алюминиевый элемент в панели модуля

Такая конструкция позволяет быстро разбирать батарею, удаляя модуль с электродами, и манипулировать при заливке и выгрузке электролита не с батареей, а с емкостью, масса которой с электролитом составляет 4,7 кг. Модуль объединяет 6 электрохимических элементов. Элементы крепятся на верхней панели (5) модуля. Масса модуля с комплектом анодов 2 кг. Последовательным соединением модулей набирались ВАИТ из 12, 18 и 24 элементов. К недостаткам воздушно-алюминиевого источника можно отнести довольно высокое внутреннее сопротивление, низкую удельную мощность, нестабильность напряжения во время разряда и провал напряжения при включении. Все указанные недостатки нивелируются при использовании комбинированного источника тока (КИТ), состоящего из ВАИТ и аккумулятора.

Читайте также:  Импульсный переменный ток высокой частоты это

Комбинированные источники тока

Разрядная кривая «заливаемого» источника 6ВАИТ50 (рис. 4) при заряде герметизированного свинцового аккумулятора 2СГ10 емкостью 10 А·ч характеризуется, как и при питании других нагрузок, провалом напряжения в первые секунды при подключении нагрузки. В течение 10 -15 минут напряжение возрастает до рабочего, которое остается постоянным в течение всего разряда ВАИТ. Глубина провала определяется состоянием поверхности алюминиевого анода и его поляризацией.

Рисунок 4 — Разрядная кривая 6ВАИТ50 при заряде 2СГ10

Как известно, процесс заряда аккумулятора протекает только в том случае, когда напряжение на источнике, отдающем энергию, выше, чем на аккумуляторе. Провал же начального напряжения ВАИТ приводит к тому, что аккумулятор начинает разряжаться на ВАИТ и, следовательно, на электродах ВАИТ начинают протекать обратные процессы, которые могут привести к пассивации анодов.

Для предотвращения нежелательных процессов в цепь между ВАИТ и аккумулятором устанавливается диод. В этом случае разрядное напряжение ВАИТ при заряде аккумулятора определяется не только напряжением аккумулятора, но и падением напряжения на диоде:

U ВАИТ = U АКК + ΔU ДИОД (1)

Введение в цепь диода приводит к увеличению напряжения как на ВАИТ, так и на аккумуляторе. Влияние наличия диода в цепи иллюстрирует рис. 5, на котором представлено изменение разности напряжений ВАИТ и аккумулятора при заряде аккумулятора попеременно с диодом в цепи и без него.

В процессе заряда аккумулятора в отсутствии диода разность напряжений имеет тенденцию к уменьшению, т.е. снижению эффективности работы ВАИТ, в то время как в присутствии диода разность, а, следовательно, и эффективность процесса имеет тенденцию к возрастанию.

Рисунок 5 — Разность напряжений 6ВАИТ125 и 2СГ10 при заряде с диодом и без него

Рисунок 6 — Изменение токов разряда 6ВАИТ125 и 3НКГК11 при электропитании потребителя

Рисунок 7 — Изменение удельной энергии КИТ (ВАИТ — свинцовый аккумулятор) с увеличением доли пиковой нагрузки

Для средств связи характерно потребление энергии в режиме переменных, в том числе пиковых, нагрузок. Такой характер потребления был смоделирован нами при электропитании потребителя c базовой нагрузкой 0,75 А и пиковой 1,8 А от КИТ, состоящего из 6ВАИТ125 и 3НКГК11. Характер изменения токов генерируемых (потребляемых) составляющими КИТ, представлен на рис. 6.

Из рисунка видно, что в базовом режиме ВАИТ обеспечивает генерацию тока, достаточную для питания базовой нагрузки и заряда аккумулятора. В случае пиковой нагрузки потребление обеспечивается током, генерируемым ВАИТ и аккумулятором.

Проведенный нами теоретический анализ показал, что удельная энергия КИТ является компромиссной между удельной энергией ВАИТ и аккумулятора и возрастает с уменьшением доли пиковой энергии (рис. 7). Удельная мощность КИТ выше удельной мощности ВАИТ и возрастает с увеличением доли пиковой нагрузки.

Выводы

Созданы новые источники тока на основе электрохимической системы «воздух-алюминий» с раствором поваренной соли в качестве электролита, энергоемкостью около 250 А·ч и с удельной энергией свыше 300 Вт·ч/кг.

Заряд разработанных источников осуществляется в течение нескольких минут путем механической замены электролита и/или анодов. Саморазряд источников ничтожен и поэтому до активации они могут храниться в течение 15 лет. Разработаны варианты источников, отличающиеся способом активации.

Исследована работа воздушно-алюминиевых источников при заряде аккумулятора и в составе комбинированного источника. Показано, что удельная энергия и удельная мощность КИТ являются компромиссными величинами и зависят от доли пиковой нагрузки.

ВАИТ и КИТ на их основе абсолютно автономны и могут использоваться для электропитания не только средств связи, но и питания различной бытовой аппаратуры: электромашин, светильников, маломощных холодильников и пр. Абсолютная автономность источника позволяет использовать его в полевых условиях, в регионах, не имеющих централизованного электроснабжения, в местах катастроф и стихийных бедствий.

Источник

Посолил, поперчил – электричество получил!

Почему оказалась ненужной необычная батарейка, над созданием которой трудился советский космический НИИ ?

Посолил, поперчил – электричество получил! Аккумулятор, Электричество, Длиннопост

— Металло-воздушные АККУМУЛЯТОРЫ известны в мире уже не один десяток лет, рассказывает ученый НПО «Квант» Сергей Кириллович Бычковский.

— Наша же задача была сделать не металло-воздушный аккумулятор, а металло-воздушную БАТАРЕЮ — источник тока, который бы не требовал предварительной зарядки, а производил энергию сам!

При этом была поставлена цель не использовать химию, вроде щелочей и кислот — чтобы батарея была пригодна для использования в быту и обслуживания обычным человеком. Поэтому этого в качестве электролита мы решили использовать безопасный раствор заурядной поваренной соли.

КАК ЭТО РАБОТАЕТ?

В контейнер с жидким электролитом (раствором обычной пищевой соли) погружены две пластины-электроды. Анод – металлическая пластина, из алюминия или магния, и катод – сложная пористая углеродная нано-структура. При этом катод образует собой одну из стенок батареи, и обладает необычным свойством – пропускает внутрь необходимый для работы батареи воздух, но не выпускает наружу электролит! В процессе работы металл анода постепенно растворяется до полного исчезновения, превращаясь в гидрооксид и водород. Таким образом, в результате электрохимического растворения металлического анода в батарее генерируется электроэнергия.

Чтобы запустить батарею, нужно ее открыть, налить в нее солевой раствор и опустить аноды, закрепленные на крышке. Буквально через несколько секунд пойдет ток.

Посолил, поперчил – электричество получил! Аккумулятор, Электричество, Длиннопост

Источник тока работает, пока аноды полностью не растворятся. На одном комплекте анодов батарея, размером с автомобильный аккумулятор способна около суток непрерывно выдавать ток 10 ампер при напряжении 12 вольт. (При прерывистом потреблении – гораздо дольше)

Этого хватит для работы освещения, зарядки и питания разной аппаратуры и многого другого в каком-нибудь автономном лагере – военных, спасателей, рыбаков, егерей. После чего нужно просто установить новые аноды, вылить отработанный электролит и залить соленую воду снова. Причем, выливать электролит можно. прямо в реку или озеро – при использовании алюминиевых или магниевых анодов он экологически безвреден! Нечто подобное люди даже. употребляют внутрь – аналогичный состав у альмагеля, известного желудочного лекарства!

ПОЧЕМУ БАТАРЕЯ ОКАЗАЛАСЬ НИКОМУ НЕ НУЖНА?

В НИИ изготовили батарею, взяли большую четырехвесельную лодку, псковский лодочный электромотор (в советское время производился такой!), и всей лабораторией отправились кататься на водохранилище. Батарея показала себя, как нельзя лучше. После чего один из сотрудников лаборатории, заядлый рыбак, взял с собой несколько таких источников тока в многодневную поездку на озеро Селигер – для освещения лагеря, питания лодочного мотора и прочих целей. Это тестирование должно было подтвердить достигнутый успех, но все пошло не так, как ожидалось.

Рыбак вернулся из поездки злой и недовольный, с твердым убеждением. что такие источники тока обычным людям не нужны! Лабораторное конструирование и реальная, «полевая» эксплуатация, как выяснилось, две большие разницы.

Как он выразился, владельца такой батареи видно издалека – по перепачканным белым цветов штанам и красным от ожогов рукам! Перезарядка батареи, с заменой анодов и сливом отработанного электролита – адское дело. Электролит в процессе работы становится щелочью — хотя и очень слабой, но все же щелочью, которая раздражает кожу рук, заставляя ее краснеть. Менять его – непременно перепачкаться, как не осторожничай, но самое главное – отработанный электролит некуда девать! Несмотря на его экологичность и возможность сливать жидкость фактически прямо в водоем, делать это нереально. Огромное пятно белой жижи выглядит жутко, и соседям-рыбакам не докажешь, что это безвредно для воды — наверняка настучат по голове за такие проделки!

Читайте также:  Какого назначение генератора переменного тока

Как ни странно, на сегодняшний день эти необычные батарейки оказались практически никому не нужны. Великолепно работающая система хотя и производится периодически по заказу военных и прочих структур, которые нуждаются в аварийных автономных источниках энергии, но в мирной жизни спроса не нашла. И это несмотря на то, что на сегодняшний день квантовцами даже решена проблема утилизации электролита — продукты распада анодов скапливаются и выбрасываются в удобных одноразовых мешках, как это сделано в пылесосах, после чего электролит сливается не в виде мерзкой густой белой субстанции, а почти что чистый.

Дубликаты не найдены

Источник тока работает, пока аноды полностью не растворятся

солевые батарейки уже неактуальны

не расшатывай скрепы! кому не катуально, а роиссе — самый прогресс!

По сути же вопроса — помню было несколько сюжетов по телевизору, где эта поделка была показана как пиздец какое новаторство. Авторы хотели бабла бюджетного под это распилить.

Но болгенОС не прошел.

Это гавно даже продавалось в виде фонарей СВЭЛ. Причем фонари-то продавались, а вот расходники к ним — электроды — нет. Позиционировать при этом подобное изделие как «доступное в тайге электричество» — просто издёвка.

Да и расходовать металл на производство электричества, в то время как сам металл был получен электролизом — это пи3дец как умнО. Примерно как баксами топить печку.

Иллюстрация к комментарию

Алюминий или магний — совсем-совсем-совсем не КРАЗ и не чугунная труба, если вы понимаете, о чём речь.

Ты говоришь про чермет, а в статье алюминий и магний.

Посмотреть ТТХ, цену и эксплуатацию и вся «перспективность» идёт в лес.

Помню был фонарь на такой схеме, толку от него никакого. Жутко не удобно. Тяжелый пластин не достать.. одноразовое овно одним словом. Не надо мертвые разработки выдавать за что то сверх выдающееся.

Во всех этих популистских статьях нет самого главного , технических характеристик, которые бы всё расставили на свои места.

Автор, какой-то вы странный, описали каждодневный геморрой с довольно устаревшей технологией, а потом удивляетесь, почему они не получили распространения.

. ага попил, налил — засолил. (с) из той же серии.

Тем временем алюминиевый металлолом принимают по 100 р за кг

Остается найти цену для катода из нано материалов и вперед.

Если убрать вставленные в нужных местах модные слова «нано»и «экологичность»,то будет видно,что никакого изобретения нет. Любой человек,который учился в школе знает,что если взять достаточно активный металл и поместить его либо в кислотный,либо в щелочной раствор,то получится электрический ток. Напряжение и сила тока будут зависеть от активности металла и насыщенности раствора.

«бададским батарейкам» более 2000 лет..

Иллюстрация к комментарию

Почитайте пост.Разговор идет именно о батареях.

О ней знают все, кто учил физику в школе.

Познавательно — ЧТО? То что некая компашка ученых попыталась запустить в государственный карман руку? На производство х..ни, о которой в школьных учебниках физики и химии рассказано?

Разрыв клеммы аккумулятора при измерении оммического сопротивления силового трансформатора

Советская царь батарейка

Была найдена на секретном объекте МО.

Советская царь батарейка Сделано в СССР, Аккумулятор, Электричество, Длиннопост

Советская царь батарейка Сделано в СССР, Аккумулятор, Электричество, Длиннопост

Советская царь батарейка Сделано в СССР, Аккумулятор, Электричество, Длиннопост

ElonMuskSpaceX

Фольксваген открыл завод по глубокой переработке литий-ионных аккумуляторов

В 2019 году сообщалась, что немецкий автомобильный концерн Фольксваген (Volkswagen, VW) начал строить завод по глубокой переработке литий-ионных аккумуляторов в Зальцгиттер (Salzgitter), ФРГ.

В пятницу автопроизводитель сообщил о запуске этой пилотной площадки.

По заявлению компании, она использует процесс замкнутого цикла для восстановления ценного сырья, такого как литий, никель, марганец и кобальт, из литий-ионных аккумуляторов. Цель состоит в том, чтобы обеспечить 90-процентную степень переработки этих материалов, а также алюминия, меди и пластика, которые затем можно снова использовать для производства новых батарей.

На построенном экспериментальном заводе перерабатываются только такие батареи, которые больше не могут использоваться для каких-либо других целей. То есть перед переработкой проводится анализ, подходят ли аккумуляторы для повторного использования в мобильных системах хранения, гибких станциях быстрой зарядки или мобильных зарядных роботах.

Большие объёмы батарей, которые совсем ни на что не годны, достигли конца своего жизненного цикла, появится не раньше конца десятилетия, говорится в сообщении VW. Поэтому пилотная установка в Зальцгиттер может ежегодно перерабатывать до 3600 аккумуляторных блоков. Это соответствует примерно 1500 тоннам. В дальнейшем возможно масштабирование.

Разработанный процесс переработки не требует энергоемкой плавки. Согласно заявлению Volkswagen, поставляемые аккумуляторные системы сначала глубоко разряжаются и разбираются. Затем отдельные части измельчают в гранулы, которые после этого сушат. Помимо алюминия, меди и пластмасс, в первую очередь получается ценный «черный порошок», который содержит важное сырье для аккумуляторов — литий, никель, марганец и кобальт, а также графит. Разделение и обработка отдельных веществ с помощью гидрометаллургических процессов — с использованием воды и химических реагентов — осуществляется специализированными партнерами.

Затем восстановленные вещества могут использоваться для производства новых батарей. «Таким образом, основные компоненты старых аккумуляторных элементов могут быть использованы при производстве нового катодного материала», — объясняет Марк Мёллер, руководитель отдела технических разработок и электронной мобильности Фольксваген. Исследования показали, что батареи, изготовленные из переработанных материалов, столь же эффективны, как и новые. Таким образом, Volkswagen поддержит собственное производство элементов восстановленным сырьем. «Поскольку спрос на батареи и, следовательно, на электронное сырье резко возрастет, мы сможем эффективно использовать каждый грамм восстановленного материала», — говорит Мёллер.

Новое производство также обеспечит сокращение выбросов парниковых газов и улучшит углеродный баланс электромобилей. По оценкам Volkswagen, сокращение выбросов CO2 составит около 1,3 тонны на одну батарею мощностью 62 киловатт-часа, которая производится с использованием катодов из переработанных материалов и на 100% экологически чистой электроэнергии.

«Мы внедряем экологически безопасный цикл вторичной переработки и, таким образом, являемся пионерами в отрасли в области защиты климата и поставок сырья», — сказал Томас Шмалл, член правления Volkswagen AG.

Прошлый год стал рекордным по продажам электромобилей в мире, но особенно бурный рост зафиксирован в Европе. Германия впервые опередила США. С ростом парка этих машин, будут расти и объемы отработанных аккумуляторов. Важно, что автопроизводители и специалисты по управлению отходами решают задачи переработки батарей уже на нынешней, начальной стадии развития рынка.

Источник

Воздушно-алюминиевая батарея — что это, и почему она — перспективна?

Воздушно-алюминиевые батареи вырабатывают электричество посредством реакции кислорода в воздухе с алюминием. У них – одно из самых высоких значений плотности энергии среди батарей всех типов, но они все еще не получили широкого распространения из-за сложностей с высокой стоимостью анода и удаления побочных продуктов при использовании традиционных электролитов. Это ограничивает их использование, в основном, до военных отраслей. Однако, у электромобиля с алюминиевыми батареями есть потенциал, восьмикратно превышающий возможности ионно-литиевые аналоги, при этом у них – гораздо меньший вес.

Воздушно-алюминиевые батареи относятся к первичным (неперезаряжаемым) элементам. Как только алюминиевый анод истрачивается в ходе реакции с атмосферным кислородом и катодом в водном электролите для формирования гидратного оксида алюминия, батарея больше не может вырабатывать электричество. Однако, есть возможность механической перезарядки батареи с помощью новых алюминиевых анодов, сделанных из переработанного гидратного оксида алюминия. Подобная переработка может стать важной, если воздушно-алюминиевые батареи будут широко применяться.

Электромобили с питанием от алюминиевых батарей последние несколько десятилетий находятся на стадии обсуждения. Гибридизация уменьшит расходы, а в 1989 году было сообщено о проведении дорожных испытаний электромобилей с гибридной воздушно-алюминиевой/свинцово-кислой батареей. В 1990 году в Онтарио была проведена демонстрация гибридного электромобиля класса «минивэн» с питанием от алюминиевой батареи.

В марте 2013 года израильская компания «Phinergy» опубликовала видео демонстрации электромобиля с использованием воздушно-алюминиевых элементов, проехавшего 330 км при помощи специального катода и гидроксида калия. 27 мая 2013 года 10 канал Израиля в выпуске вечерних новостей показал автомобиль с батареей от «Phinergy» в багажнике. Было заявлено, что он может проехать более 2 000 километров (1 200 миль), прежде чем потребуется замена алюминиевых анодов.

  1. Электрохимия
  2. Коммерциализация
  3. Проблемы
  4. Батареи с алюминием в основе
Читайте также:  Ток 100 ампер сколько это киловатт

Электрохимия

Полуреакция окисления анода выглядит так: Al + 3OH — Al(OH)3 + 3e — + 2.31 В.

Полуреакция восстановления катода выглядит так: O2 + 2H2O + 4e

Общая схема реакции выглядит так: 4Al + 3O2 + 6H2O 4Al(OH)3 + 2.71 В.

За счет этих реакций становится возможной выработка 1,2 В напряжения, что на практике достижимо за счет использования в качестве электролита гидроксида калия. Соленая вода в качестве электролита помогает достичь напряжение в 0,7 В на элемент.

Коммерциализация

Проблемы

Алюминий в качестве «топлива» для автомобилей был изучен Шаохуа Иеном и Гарольдом Найклом. Они пришли к следующим выводам:

«Система воздушно-алюминиевых батарей может вырабатывать достаточно энергии и мощности для дальности пробега и ускорения, аналогичного машинам с ДВС… стоимость алюминия в качестве анода может составлять ниже 1,1 доллара за килограмм, пока продукт реакции подлежит переработке. Общий КПД в ходе циклического процесса в электромобилях с воздушно-алюминиевыми батареями может составить 15 % (нынешний этап) или 20 % (проект), сравнимый с КПД автомобилей с ДВС (13 %). Плотность энергии концепта батареи составляет 1 300 Вт*ч/кг (нынешнее время) или 2 000 Вт*ч/кг (проектный образец). Был проведен анализ цикла долговечности электромобилей с воздушно-алюминиевыми батареями по сравнению с аналогами со свинцово-кислыми и никелевыми гибридными (никелево-марганцовых) батареями. Только электромобили с воздушно-алюминиевыми батареями могут получить диапазон перемещений, сравнимый с аналогами с ДВС. Согласно результатам анализа, данный тип электромобилей является наиболее перспективной по сравнению с автомобилями с ДВС в плане диапазона перемещений, цены покупки, расходов на топливо и срок службы».

Остается решить ряд технических проблем для того, чтобы сделать воздушно-алюминиевые батареи более пригодными для электромобилей. Аноды из чистого алюминия подвержены коррозии со стороны электролита, поэтому алюминий обычно сплавляют с оловом или другими элементами. Гидратная окись алюминия, появляющаяся в результате реакции элемента, формирует гелеобразную субстанцию на аноде и уменьшает выработку электричества. К этой проблеме обращаются на стадии разработки воздушно-алюминиевых элементов. К примеру, были разработаны добавки, формирующий оксид алюминия в виде порошка, а не геля.

Современные воздушные катоды состоят из реактивного слоя углерода с токосъемника с никелевой решеткой, катализатора (к примеру, кобальта) и пористой гидрофобной тефлоновой пленки, предотвращающей утечку электролита. Кислород в воздухе проходит через тефлон, затем – реагирует с водой для создания ионов гидроокиси. Эти катоды работают хорошо, но могут стоить очень дорого.

Стандартные воздушно-алюминиевые батареи имеют ограниченный срок хранения, так как алюминий реагирует с электролитом и производит водород, когда батарея протаивает, хотя этого уже нет в современных образцах. Данной проблемы можно избежать за счет хранения электролита в цистерне вне батареи и перемещения его в батарею при необходимости использования.

Данные батареи, к примеру, можно использовать в качестве резервных батарей в АТС или источников резервного питания. Воздушно-алюминиевые батареи можно использовать для питания ноутбуков и сотовых телефонов, уже сейчас разрабатываются модели для подобного вида работы.

Батареи с алюминием в основе

Были исследованы следующие типы алюминиевых батарей:

1. Хлорно-алюминиевая батарея была запатентована ВВС США в 1970-х годах и разработана, в основном, для использования в военных целях. Они используют алюминиевые аноды и хлор на катодах из графитовой подложки. Для работы им требуются повышенные температуры.
2. Алюминиево-серная батарея крайне заинтересовала американских исследователей, хотя очевидно то, что они все еще далеки от массового производства. В 2016 году в Мэрилендском университете была впервые проведена демонстрация перезаряжаемой алюминиево-серной батареи.
3. Алюминиево-железно-оксидные, алюминиево-медно-оксидные, алюминиево-железно-гидроксидная батареи были предложены некоторыми исследователями для военных ГТС. Их плотность энергии составляет 455, 440 и 380 Вт*ч/кг соответственно.
4. Батарея с алюминием и двуокись марганца использует кислотный электролит. Вырабатываемое напряжение составляет 1,9 В. Другая вариация использует основание (гидроксид калия) в качестве анолита и серную кислоту – в качестве католита. Две части отделены тонкой непроницаемой пленкой во избежание смешения электролита в каждом из элементов в половинах батареи. Эта конфигурация дает напряжение в 2,6-2,85 В.
5. Алюминиево-стеклянная система. Как было сообщено в итальянском патенте от Байокки, в области взаимодействия между силикатным стеклом и алюминиевой фольгой (нет потребности в других компонентах) при температуре, близкой к точке плавления металла, вырабатывается электрическое напряжение вместе с проходящим током, когда система замкнута на активной нагрузке. Феномен впервые был замечен Байокки, а затем – А. Дэлль’Эра и другие коллеги начали исследование и составление характеристики данной электромеханической системы.

Источник



Источник тока из алюминия своими руками

Перезарядка алюминиевых батарей отличается от зарядки аккумуляторов на основе лития. Но тем не менее в ней нет ничего сложного, просто нужно вставить новый алюминий, вылить электролит и налить новый электролит, все — по сути, то же самое, что и бензиновый автомобиль, только это уже электромобиль, и нет никаких нагрузок на электросети. К тому же не нужно плодить огромное количество розеток с проводами с огромным сечением, чтобы все эти электромобили зарядить.

Но тут не все так гладко. Достать электричество из алюминия оказывается совсем не так просто, как хотелось бы. Сперва давайте разберемся в чем заключается принцип алюминий-воздушной батареи.

Чтобы такая батарея начала работать понадобятся 2 электрода: один естественно из алюминия, а второй — из графита. Оба эти электрода находятся в растворе электролита.

В качестве электролита можно использовать поваренную соль (NaCl), но с ней можно поднять напряжение примерно до 0,7В. Щелочным электролитом (NaOH) напряжение можно поднять уже больше, примерно до 1В.

В ходе химической реакции алюминий покрывается слоем гидроксида алюминия (Al(OH)3), который плавно опускается на дно емкости. А на поверхности электрода из графита образуются пузырьки водорода, которые в свою очередь приводят к повышению сопротивления и падению напряжения, этот процесс называется поляризацией.

Для запуска реакции щёлочи нам понадобится совсем чуть-чуть, будет достаточно 1г щёлочи на 0,5л воды.

Первым делом давайте проверим действительно ли в данной батареи нужно использовать графитовый электрод. Для опыта возьмем вот такой вот электрод из нержавеющей стали.

С данным электродом получилось напряжение 1,3В, ток короткого замыкания остановился в районе 17мА. На первый взгляд кажется, что электрод из нержавеющей стали более эффективен, но площадь поверхности нержавеющего электрода больше, так что пока неизвестно что лучше графит или нержавейка.

Так как графит имеет достаточно большое сопротивление, нужно с ним как-то бороться. Необходимо изготовить электроды из хорошо проводящего ток материала, а графит должен быть только на его поверхности. Было решено просверлить графит насквозь, и в получившихся отверстиях нарезать резьбу под болты м6.

В итоге получился стальной электрод с графитовой оболочкой.


На лицо уменьшение сопротивления, а, следовательно — эффективность конструкции возрастет. В дальнейших экспериментах будем использовать дистиллированную воду.

Первый эксперимент с электролитом, в котором 4г щелочи на 1л воды.



Даже несмотря на то, что у такая простая батарея обладает не большой отдачей по току, но зато такая батарея может работать очень долго, а в качестве электродов можно использовать любой алюминий, который легко переплавить в электроды любой формы, например, алюминиевые банки из-под различных алкогольных и безалкогольных напитков, фольга от шоколада и т.п.

В итоге, после всех проделанных экспериментах с различной концентрацией электролита, становится понятно, что при такой конструкции батареи не имеет смысла добавлять более 12г щелочи на 1 литр воды, то есть у нас получается примерно 1% раствор.

Источник