فناوری باتری آلومینیوم هوا (Aluminium–air battery) و اساس عملکرد آن

باتری آلومینیوم هوا (Al–air) به دلیل تراکم بالای انرژی، ۸.۱ کیلووات ساعت در کیلوگرم که به طور قابل توجهی بزرگتر از باتری های یون-لیتیوم است که برای برنامه های ذخیره سازی انرژی در آینده بسیار امیدوار کننده خواهد بود.

بررسی اصول و شناخت چالش های مربوط به ساخت باتری آلومینیوم هوا از نظر اجزای تشکیل دهنده آن از جمله آندهای آلومینیوم، الکترولیت ها و کاتدهای هوا ضرورت دارد. در این مطلب به طور اجمالی به این نکات می پردازیم.

مقدمه ای بر باتری آلومینیوم هوا (Al–air)

تغییرات شرایط آب و هوایی به یک مشکل حاد محیط زیست تبدیل شده است و یکی از دلایل اصلی آن مقادیر عظیم گاز CO2 منتشر شده در محیط زیست در اثر رشد بی رویه جمعیت و فعالیت های انسانی است. یک روش برای مبارزه با تغییرات آب و هوایی، کاهش مصرف نفت به عنوان یک منبع انرژی است؛ این کار صرفاً می تواند از طریق توسعه منابع انرژی تجدید پذیر و پایدار برای وسایل نقلیه الکتریکی و سیستم های ذخیره انرژی الکتریکی دنبال شود.

توسعه باتری های کم هزینه با پتانسیل انرژی بالا یک موضوع جالب برای تحقیق و تولید  در آینده است. در حال حاضر، باتری یون- لیتیوم (LIB)، پیشرفته ترین و کاربردی ترین فناوری برای تولید، از باتری های ثانویه در مقیاس کوچک گرفته تا باتری های بزرگ، محصوب می شود. با این حال، هزینه های LIBs به عواملی همچون هزینه مواد اولیه شامل مواد فعال کاتد و آند، جداکننده ها و الکترولیت ها بستگی دارد.

علاوه بر این، استفاده گسترده از باتری های یون-لیتیوم در خودروهای الکترونیکی با اشکالاتی مانند ایمنی، محدوده رانندگی، زمان آهسته شارژ شدن و وزن سنگین بسته های باتری مواجه می شود.

به علاوه، چگالی انرژی کاتد در باتری های یون-لیتیومی از 140 تا 350 میلی آمپر در ساعت با کاتد اکسید و 370 تا بیش از 2000 میلی آمپر در ساعت برای آندها بسته به مواد (به عنوان مثال، گرافیت و سیلیکون)، است که منجر به ظرفیت متفاوت سل های LIB می شود. این مقادیر از 100 تا 250 کیلووات ساعت است که تقاضای انرژی و چگالی زیاد انرژی را نمی تواند پاسخگو باشد.

اگرچه تلاش های چشمگیری در جهت بهبود LIBs جهت تأمین ظرفیت بیشتر برای تأمین انرژی انجام شده است، استراتژی های جایگزینی نیز شامل طراحی و تولید باتری های قابل شارژ جدید با تراکم انرژی کافی برای کاربردهای آینده، ارائه شده است. باتری آلومینیوم – هوا یکی از این موارد است.

باتری های فلز – هوا طی دهه گذشته به دلیل چگالی و ظرفیت بالای انرژی و همچنین هزینه های نسبتاً کم آنها به شدت مورد بررسی قرار گرفته اند. چگالی انرژی در این باتری ها در مقایسه با باتری های فلزی – هوایی می تواند ۲ تا ۴۰ برابر بیشتر باشد.

از بین انواع مختلف باتری های فلز-هوا، باتری های هوا با فلزات Li ، Na ، K ، Zn ، Mg ، Fe ، Si و Al مورد مطالعه قرار گرفته اند. به طور کلی، باتری های فلزی – هوا از یک آند فلزی، یک کاتد هوا و یک الکترولیت مناسب تشکیل شده اند و دارای انرژی بالایی هستند.

لیتیوم در محیط های مرطوب، بی ثبات است و به راحتی در جو اکسید می شود. بر همین اساس تولید باتری های قابل شارژ، سخت تر است. از این جهت، فلزات روی (Zn) و آلومینیوم (Al)، از نظر اقتصادی و سازگاری با محیط زیست، نسبتاً ایمن هستند و با میزان فراوان در دسترس هستند. به ویژه، Al می تواند در جهان مدرن به مقدار زیاد بازیافت شود.

علاوه بر این، باتری آلومینیوم هوا دارای ولتاژ نظری بالا (۲.۷ ولت) و تراکم انرژی (۸.۱ کیلو وات ساعت در کیلوگرم) هستند که بعد از لیتیوم، در گروه باتری های مختلف فلز- هوا در رتبه دوم قرار دارند.

ساختار اصلی باطری آلومینیوم-هوا به طور کلی از یک آند آلومینیوم، یک کاتد هوا و یک الکترولیت مناسب تشکیل شده است. الکترولیت هایی که برای باتری های آلومینیوم- هوا استفاده می شود محلول های آبی هیدروکسید سدیم (NaOH)، هیدروکسید پتاسیم (KOH) یا کلرید سدیم (NaCl) است که در آنها واکنش های الکتروشیمیایی در الکترولیت های قلیایی در الکترودها را می توان به شرح زیر بیان کرد:

در مورد الکترولیت هایی با pH خنثی مانند کلرید سدیم، واکنش Al به دلیل وجود گونه های مخلوط روی سطح Al کاملاً روشن نیست.  این گونه ها معمولاً Al-Al2O3-Al(OH)3-H5AlO4 و سایر گونه های پیچیده هستند. با در نظر گرفتن مورد دوم، گسترده ترین واکنش به شرح زیر شرح داده می شود:

نگاهی به تاریخچه ابداع باطری آلومینیوم-هوا

باتری آلومینیوم هوا اولین بار در سال 1962توسط زارومب (Zaromb) و همکاران پیشنهاد شدند. به دنبال آن، تلاش شد تا آنها در انواع سیستم های ذخیره انرژی از جمله منابع انرژی EV، برنامه های کاربردی وسایل نقلیه هوایی (و تجهیزات زیر آب) بدون سرنشین و سیستم های ارتباطات نظامی استفاده شوند.

در سال 2016، محققان نشان دادند که یک EV (سیستم های نقلیه  الکتریکی) می تواند با استفاده از باتری آلومینیوم – هوا با وزن ۱۰۰ کیلوگرم، بیش از ۳۰۰۰ کیلومتر رانندگی کند. با این وجود، باتری آلومینیوم-هوا هنوز هم برای کاربرد عملی، چالش های بسیاری دارند؛ مشکلاتی نظیر مانند تجمع محصولات جانبی Al(OH)3 و Al2O3 که می توانند واکنش های الکتروشیمیایی باتری آلومینیوم – هوا را سرکوب کنند.

باتری آلومینیوم – هوا به دلیل ظرفیت بالای انرژی دارای پتانسیل بالا برای کاربردهای عملی است. به طور کلی، تمرکز توسعه آندهای ساخته شده از آلیاژ آلومینیوم و Al خالص، برای جلوگیری از خوردگی خود به خودی و تشکیل فرآورده های جانبی توصیه شده است.

در مورد الکترولیت ها، آنها اجزای حیاتی تعیین کننده قابلیت شارژ مجدد باتری های آلومینیوم-هوا هستند. مواد افزودنی الکترولیت نیز مسئله مهمی است زیرا می تواند باعث بهبود فرآیند خوردگی و تکامل هیدروژن برای بهبود خواص الکتروشیمیایی شود.

علاوه بر این، الکترولیت های جامد مختلف با وجود ظرفیت های انرژی ضعیف تر، در مقایسه با الکترولیت های مایع، به دلیل وجود امپدانس زیاد و رابط بین الکترودها و الکترولیت های جامد، مورد بررسی قرار گرفته اند.

مواد کاتد هوا نیز اجزای مهمی هستند که می توانند به طور قابل توجهی بر خصوصیات کلی این باتری ها تأثیر بگذارند. اگرچه کاتالیزورهای مبتنی بر پلاتین، فعلاً امیدوار کننده ترین ماده کاتالیزوری هستند اما هزینه بالای آنها و کمبود منابع، مانع کاربرد آنها می شود. تحقیقات به گونه ای دنبال می شود که بتوان موارد جایگزین را برای پلاتین استفاده کرد.

علاوه بر این، کاتالیزورهای اکسید فلز شامل پروسکیت ها (perovskites)، مواد بلوری اسپینل (spinel)، فلزات و نیتروژن و همچنین مواد کاتالیزوری کربن دار با دو اتم مختلف نیز نوید بخش هستند.

علاوه بر این، مطالعات نشان داده است که مواد غیر اکسید مانند نیتریدهای فلزی، کاربیدها، نقاط کوانتومی پایه کربن و کاتالیزورهای تک اتمی نیز می توانند به عنوان مواد کاتالیزوری نسل بعدی در باتری آلومینیوم-هوا استفاده شوند.

به طور کلی از آنجا که ظرفیت این نوع باطری ها، بسیار بیشتر از باتری های یون-لیتیوم است، تولید باتری های قابل شارژ هوا از اهمیت بالایی برخوردار است و می تواند در طراحی سیستم های انرژی شبکه هوشمند استفاده شود؛ این باتری ها قابل شارژ همچنین می تواند به طور عملی در وسایل نقلیه برقی استفاده شود تا آینده ای سازگار با محیط زیست را تقویت نماید.

https://novasi.ir/%D9%81%D9%86%D8%A7%D9%88%D8%B1%DB%8C-%D8%A8%D8%A7%D8%AA%D8%B1%DB%8C-%D8%A2%D9%84%D9%88%D9%85%DB%8C%D9%86%DB%8C%D9%88%D9%85-%D9%87%D9%88%D8%A7-%D9%88-%D8%A7%D8%B3%D8%A7%D8%B3-%D8%B9%D9%85/

فناوری باتری آلومینیوم هوا (Aluminium–air battery) و اساس عملکرد آن

باتری آلومینیوم هوا (Al–air) به دلیل تراکم بالای انرژی، ۸.۱ کیلووات ساعت در کیلوگرم که به طور قابل توجهی بزرگتر از باتری های یون-لیتیوم است که برای برنامه های ذخیره سازی انرژی در آینده بسیار امیدوار کننده خواهد بود.

بررسی اصول و شناخت چالش های مربوط به ساخت باتری آلومینیوم هوا از نظر اجزای تشکیل دهنده آن از جمله آندهای آلومینیوم، الکترولیت ها و کاتدهای هوا ضرورت دارد. در این مطلب به طور اجمالی به این نکات می پردازیم.

مقدمه ای بر باتری آلومینیوم هوا (Al–air)

تغییرات شرایط آب و هوایی به یک مشکل حاد محیط زیست تبدیل شده است و یکی از دلایل اصلی آن مقادیر عظیم گاز CO2 منتشر شده در محیط زیست در اثر رشد بی رویه جمعیت و فعالیت های انسانی است. یک روش برای مبارزه با تغییرات آب و هوایی، کاهش مصرف نفت به عنوان یک منبع انرژی است؛ این کار صرفاً می تواند از طریق توسعه منابع انرژی تجدید پذیر و پایدار برای وسایل نقلیه الکتریکی و سیستم های ذخیره انرژی الکتریکی دنبال شود.

توسعه باتری های کم هزینه با پتانسیل انرژی بالا یک موضوع جالب برای تحقیق و تولید  در آینده است. در حال حاضر، باتری یون- لیتیوم (LIB)، پیشرفته ترین و کاربردی ترین فناوری برای تولید، از باتری های ثانویه در مقیاس کوچک گرفته تا باتری های بزرگ، محصوب می شود. با این حال، هزینه های LIBs به عواملی همچون هزینه مواد اولیه شامل مواد فعال کاتد و آند، جداکننده ها و الکترولیت ها بستگی دارد.

علاوه بر این، استفاده گسترده از باتری های یون-لیتیوم در خودروهای الکترونیکی با اشکالاتی مانند ایمنی، محدوده رانندگی، زمان آهسته شارژ شدن و وزن سنگین بسته های باتری مواجه می شود.

به علاوه، چگالی انرژی کاتد در باتری های یون-لیتیومی از 140 تا 350 میلی آمپر در ساعت با کاتد اکسید و 370 تا بیش از 2000 میلی آمپر در ساعت برای آندها بسته به مواد (به عنوان مثال، گرافیت و سیلیکون)، است که منجر به ظرفیت متفاوت سل های LIB می شود. این مقادیر از 100 تا 250 کیلووات ساعت است که تقاضای انرژی و چگالی زیاد انرژی را نمی تواند پاسخگو باشد.

اگرچه تلاش های چشمگیری در جهت بهبود LIBs جهت تأمین ظرفیت بیشتر برای تأمین انرژی انجام شده است، استراتژی های جایگزینی نیز شامل طراحی و تولید باتری های قابل شارژ جدید با تراکم انرژی کافی برای کاربردهای آینده، ارائه شده است. باتری آلومینیوم – هوا یکی از این موارد است.

باتری های فلز – هوا طی دهه گذشته به دلیل چگالی و ظرفیت بالای انرژی و همچنین هزینه های نسبتاً کم آنها به شدت مورد بررسی قرار گرفته اند. چگالی انرژی در این باتری ها در مقایسه با باتری های فلزی – هوایی می تواند ۲ تا ۴۰ برابر بیشتر باشد.

از بین انواع مختلف باتری های فلز-هوا، باتری های هوا با فلزات Li ، Na ، K ، Zn ، Mg ، Fe ، Si و Al مورد مطالعه قرار گرفته اند. به طور کلی، باتری های فلزی – هوا از یک آند فلزی، یک کاتد هوا و یک الکترولیت مناسب تشکیل شده اند و دارای انرژی بالایی هستند.

لیتیوم در محیط های مرطوب، بی ثبات است و به راحتی در جو اکسید می شود. بر همین اساس تولید باتری های قابل شارژ، سخت تر است. از این جهت، فلزات روی (Zn) و آلومینیوم (Al)، از نظر اقتصادی و سازگاری با محیط زیست، نسبتاً ایمن هستند و با میزان فراوان در دسترس هستند. به ویژه، Al می تواند در جهان مدرن به مقدار زیاد بازیافت شود.

علاوه بر این، باتری آلومینیوم هوا دارای ولتاژ نظری بالا (۲.۷ ولت) و تراکم انرژی (۸.۱ کیلو وات ساعت در کیلوگرم) هستند که بعد از لیتیوم، در گروه باتری های مختلف فلز- هوا در رتبه دوم قرار دارند.

ساختار اصلی باطری آلومینیوم-هوا به طور کلی از یک آند آلومینیوم، یک کاتد هوا و یک الکترولیت مناسب تشکیل شده است. الکترولیت هایی که برای باتری های آلومینیوم- هوا استفاده می شود محلول های آبی هیدروکسید سدیم (NaOH)، هیدروکسید پتاسیم (KOH) یا کلرید سدیم (NaCl) است که در آنها واکنش های الکتروشیمیایی در الکترولیت های قلیایی در الکترودها را می توان به شرح زیر بیان کرد:

در مورد الکترولیت هایی با pH خنثی مانند کلرید سدیم، واکنش Al به دلیل وجود گونه های مخلوط روی سطح Al کاملاً روشن نیست.  این گونه ها معمولاً Al-Al2O3-Al(OH)3-H5AlO4 و سایر گونه های پیچیده هستند. با در نظر گرفتن مورد دوم، گسترده ترین واکنش به شرح زیر شرح داده می شود:

نگاهی به تاریخچه ابداع باطری آلومینیوم-هوا

باتری آلومینیوم هوا اولین بار در سال 1962توسط زارومب (Zaromb) و همکاران پیشنهاد شدند. به دنبال آن، تلاش شد تا آنها در انواع سیستم های ذخیره انرژی از جمله منابع انرژی EV، برنامه های کاربردی وسایل نقلیه هوایی (و تجهیزات زیر آب) بدون سرنشین و سیستم های ارتباطات نظامی استفاده شوند.

در سال 2016، محققان نشان دادند که یک EV (سیستم های نقلیه  الکتریکی) می تواند با استفاده از باتری آلومینیوم – هوا با وزن ۱۰۰ کیلوگرم، بیش از ۳۰۰۰ کیلومتر رانندگی کند. با این وجود، باتری آلومینیوم-هوا هنوز هم برای کاربرد عملی، چالش های بسیاری دارند؛ مشکلاتی نظیر مانند تجمع محصولات جانبی Al(OH)3 و Al2O3 که می توانند واکنش های الکتروشیمیایی باتری آلومینیوم – هوا را سرکوب کنند.

باتری آلومینیوم – هوا به دلیل ظرفیت بالای انرژی دارای پتانسیل بالا برای کاربردهای عملی است. به طور کلی، تمرکز توسعه آندهای ساخته شده از آلیاژ آلومینیوم و Al خالص، برای جلوگیری از خوردگی خود به خودی و تشکیل فرآورده های جانبی توصیه شده است.

در مورد الکترولیت ها، آنها اجزای حیاتی تعیین کننده قابلیت شارژ مجدد باتری های آلومینیوم-هوا هستند. مواد افزودنی الکترولیت نیز مسئله مهمی است زیرا می تواند باعث بهبود فرآیند خوردگی و تکامل هیدروژن برای بهبود خواص الکتروشیمیایی شود.

علاوه بر این، الکترولیت های جامد مختلف با وجود ظرفیت های انرژی ضعیف تر، در مقایسه با الکترولیت های مایع، به دلیل وجود امپدانس زیاد و رابط بین الکترودها و الکترولیت های جامد، مورد بررسی قرار گرفته اند.

مواد کاتد هوا نیز اجزای مهمی هستند که می توانند به طور قابل توجهی بر خصوصیات کلی این باتری ها تأثیر بگذارند. اگرچه کاتالیزورهای مبتنی بر پلاتین، فعلاً امیدوار کننده ترین ماده کاتالیزوری هستند اما هزینه بالای آنها و کمبود منابع، مانع کاربرد آنها می شود. تحقیقات به گونه ای دنبال می شود که بتوان موارد جایگزین را برای پلاتین استفاده کرد.

علاوه بر این، کاتالیزورهای اکسید فلز شامل پروسکیت ها (perovskites)، مواد بلوری اسپینل (spinel)، فلزات و نیتروژن و همچنین مواد کاتالیزوری کربن دار با دو اتم مختلف نیز نوید بخش هستند.

علاوه بر این، مطالعات نشان داده است که مواد غیر اکسید مانند نیتریدهای فلزی، کاربیدها، نقاط کوانتومی پایه کربن و کاتالیزورهای تک اتمی نیز می توانند به عنوان مواد کاتالیزوری نسل بعدی در باتری آلومینیوم-هوا استفاده شوند.

به طور کلی از آنجا که ظرفیت این نوع باطری ها، بسیار بیشتر از باتری های یون-لیتیوم است، تولید باتری های قابل شارژ هوا از اهمیت بالایی برخوردار است و می تواند در طراحی سیستم های انرژی شبکه هوشمند استفاده شود؛ این باتری ها قابل شارژ همچنین می تواند به طور عملی در وسایل نقلیه برقی استفاده شود تا آینده ای سازگار با محیط زیست را تقویت نماید.

این مقاله از اینجا اقتباس شده است.

اشتراک این مطلب

۲پاسخ

تعقیب

1. باتری فلز هوا (Metal–air) چیست و چه کاربردهایی دارد؟ » نواسیگفت:

   ۲۶ اردیبهشت ۱۴۰۰ در ۱۲:۴۵ ق.ظ

   […] روی- هوا (Zinc–Air Batteries)، باتری آلومینیوم -هوا (Aluminum–Air Batteries) و باتری لیتیوم- هوا (Lithium–Air Batteries)، سه […]

   پاسخ

2. باتری فلز هوا (Metal–air) چیست و چه کاربردهایی دارد؟ » نواسی | توسعه تولید خلاق و فناورگفت:

   ۲۶ اردیبهشت ۱۴۰۰ در ۱۲:۴۱ ق.ظ

   […] روی- هوا (Zinc–Air Batteries)، باتری آلومینیوم -هوا (Aluminum–Air Batteries) و باتری لیتیوم- هوا (Lithium–Air Batteries)، سه […]

   پاسخ

باتری آلمینیوم هوا (هوا آلمینیوم) چگونه کار می کنند (به علاوهDIY)

 گروه فنی مهندسی ماه صنعت انرژیژانویه 5, 2020

0314 خواندن این مطلب 4 دقیقه زمان میبرد

باتری آلمینیوم هوا (هوا آلمینیوم) چگونه کار می کنند (به علاوهDIY)

یک باتری آلمینیوم هوا بر این مسئله غلبه می کند.

از هوا به عنوان کاتد استفاده می کند و وزن آن را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد.

باتری ها می توانند بسیار سنگین باشند.

این عیب از وجود باتری ها در بسیاری از کاربردها و جاهایی که سبک بودن مهم میباشد جلوگیر می کند.

درباتری آلمینیوم هوا از آلومینیوم به عنوان آند استفاده می شود و از هوا (اکسیژن موجود در هوا) به عنوان کاتد استفاده می شود. این منجر به چگالی انرژی بسیار زیاد – یعنی انرژی تولید شده در واحد وزن باتری – در مقایسه با سایر باتری های معمولی می شود.

با وجود این ، باتری هوا آلومینیومی بصورت تجاری تولید نمی شود ، عمدتا به دلیل هزینه بالای تولید آند و همچنین مشکلات مربوط به خوردگی آند آلومینیوم به دلیل دی اکسید کربن موجود در هوا، استفاده از این باتری فقط به کاربردهای نظامی محدود می شود.

چگالی انرژی بالای باتری هوا آلومینیوم بدین معنی است که از پتانسیل بالایی برای استفاده در وسایل نقلیه الکتریکی برخوردار هستند.

ساخت باتری هوا آلومینیومی بسیار ساده است.

– و می توان با استفاده از وسایل خانگی ساده این کار را انجام داد.

آزمایش باتری هوا آلومینیومی

برای ایجاد این آزمایش به صورت تجربی به وسایل زیر نیاز داریم ،

1. فویل آلومینیوم.
2. محلول اشباع شده از آب و نمک
3. کاغذهای اسفنجی
4. گرد و غبار ذغال سنگ.
5. دو قطعه کوچک سیم برق
6. یک دیود ساطع کننده نور.

واکنش‌های الکتروشیمیایی[ویرایش]

• نیم واکنش آندی:

Al + 3OH⁻ → Al(OH)₃ + 3e⁻ −1.677 V.

• نیم واکنش کاتدی:

O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻ +0.40 V.

باتری های آلومینیوم - هوا (باتری های آل هوا) از واکنش اکسیژن هوا با آلومینیوم برق تولید می کنند. آنها یکی از بالاترین چگالی انرژی را در بین تمام باتری ها دارند، اما به دلیل مشکلات در هزینه بالای آن و حذف محصول جانبی هنگام استفاده از الکترولیت های سنتی، از آنها زیاد استفاده نمی شود. این امر استفاده از آنها را فقط به کاربردهای نظامی محدود کرده است. با این حال، یک وسیله نقلیه الکتریکی با باتری های آلومینیوم تا هشت برابر باتری یون‌لیتیم با وزن کلی قابل توجهی پتانسیل دارد. باتری های آلومینیوم و هوا سلول های اصلی هستند، به عنوان مثال، غیر قابل شارژ هستند. هنگامی که آند آلومینیوم در اثر واکنش با اکسیژن اتمسفر در یک کاتد غوطه ور در الکترولیت پایه آب مصرف شد و اکسید آلومینیوم هیدراته را ایجاد کرد، باتری دیگر برق تولید نمی کند. با این حال، می توان باتری را با آندهای آلومینیوم جدید ساخته شده از بازیافت اکسید آلومینیوم هیدراته، به صورت مکانیکی شارژ کرد. در صورت استفاده گسترده از باتری های آلومینیوم و هوا، چنین بازیافتی ضروری است. چند دهه است که وسایل نقلیه مجهز به آلومینیوم مورد بحث و بررسی قرار گرفته اند. هیبریدیزاسیون هزینه ها را کاهش می دهد و در سال 1989 آزمایش های جاده ای باتری آلومینیوم هوا / سرب اسید هیبریدی در یک وسیله نقلیه الکتریکی گزارش شد. یک مینی ون پلاگین هیبریدی پلاگین آلومینیومی در سال 1990 در انتاریو به نمایش درآمد. در مارس 2013 ، Phinergy نمایش تصویری اتومبیل الکتریکی را با استفاده از سلولهای آلومینیوم هوا با استفاده از کاتد مخصوص و هیدروکسید پتاسیم در 330 کیلومتر رانندگی کرد. در تاریخ 27 مه 2013 ، شبکه خبری اسرائیلی 10 شب اخباری را نشان داد که یک ماشین با باتری Phinergy در عقب قرار دارد و ادعا می کند که برد 2000 کیلومتر (1200 مایل) قبل از جایگزینی آندهای آلومینیومی لازم است.

الکتروشیمی نیمه واکنش اکسیداسیون آند Al + 3OH−→ Al(OH) 3 + 3e− −2.31 V.

نیمه واکنش کاهش کاتد O2+ 2H2O + 4e− → 4OH−+0.40 V.

واکنش کل 4Al + 3O2 + 6H2O → 4Al(OH) 3 +2.71 V.

اختلاف پتانسیل حدود 1.2 ولت با این واکنش ها ایجاد می شود و در صورت دستیابی به هیدروکسید پتاسیم به عنوان الکترولیت در عمل امکان پذیر است. الکترولیت آب شور تقریباً 0.7 ولت در هر سلول را بدست می آورد. ولتاژ خاص سلول می تواند در وابستگی به ترکیب الکترولیت و همچنین ساختار و مواد کاتد متفاوت باشد.

تجاری سازی

آلومینیوم به عنوان "سوخت" وسایل نقلیه توسط یانگ و کنیکل مورد مطالعه قرار گرفته است. در سال 2002 آنها نتیجه گرفتند: سیستم باتری Al / air می تواند انرژی و انرژی کافی برای دامنه های رانندگی و شتاب مشابه اتومبیل های دارای بنزین تولید کند ... هزینه آلومینیوم به عنوان آند تا زمانی که محصول واکنش بازیافت شود می تواند به 1.1 دلار در هر کیلوگرم آمریکا برسد . کل بازده سوخت در طی فرایند چرخه در وسایل نقلیه الکتریکی آلومینیوم / هوا (EVs) می تواند 15% (مرحله فعلی) یا 20% (پیش بینی شده) باشد، قابل مقایسه با وسایل نقلیه موتور احتراق داخلی (ICE13%). چگالی انرژی باتری طراحی شده 1300 Wh / kg (موجود) یا 2000 Wh / kg (پیش بینی شده) است. هزینه سیستم باتری انتخاب شده برای ارزیابی 30 دلار / کیلووات (مرحله فعلی) یا 29 دلار / کیلووات آمریکا (پیش بینی شده) است.

برای ایجاد باتریهای هوای مناسب برای وسایل نقلیه الکتریکی هنوز مشکلات فنی حل شده است. آندهای ساخته شده از آلومینیوم خالص توسط الکترولیت خورده می شوند ، بنابراین آلومینیوم معمولاً با قلع یا عناصر دیگر آلیاژ می شود. آلومینای هیدراته شده که در اثر واکنش سلول ایجاد می شود ماده ای ژل مانند را در آند تشکیل می دهد و میزان تولید برق را کاهش می دهد. این مسئله ای است که در کار توسعه سلولهای هوای هوایی مورد توجه قرار گرفته است. به عنوان مثال ، افزودنیهایی که آلومینا را بعنوان پودر و نه ژل تشکیل می دهند ، تولید شده اند. کاتدهای هوای مدرن از یک لایه واکنشی از کربن با یک جمع کننده جریان شبکه نیکل ، یک کاتالیزور (به عنوان مثال کبالت) و یک فیلم PTFE آبگریز متخلخل تشکیل شده است که از نشت الکترولیت جلوگیری می کند. اکسیژن موجود در هوا از طریق PTFE عبور کرده و سپس با آب واکنش داده و یون های هیدروکسید ایجاد می کند. این کاتدها به خوبی کار می کنند اما گران هستند. ماندگاری باتری های سنتی بادی سنتی محدود بود زیرا آلومینیوم در زمان استفاده از باتری با الکترولیت واکنش نشان داد و هیدروژن تولید کرد - اگرچه این امر در طراحی های مدرن دیگر وجود ندارد. با ذخیره الکترولیت در مخزن خارج از باتری و انتقال آن به باتری در صورت نیاز به استفاده، می توان از این مشکل جلوگیری کرد.

از این باتری ها می توان به عنوان مثال، به عنوان باتری ذخیره در مراکز تلفن و به عنوان منبع تغذیه پشتیبان استفاده کرد. باتری های آلومینیوم - هوا ممکن است به دلیل داشتن تراکم انرژی بالا ، هزینه کم و فراوانی آلومینیوم، بدون انتشار در محل استفاده (قایق ها و کشتی ها) به یک راه حل موثر برای کاربردهای دریایی تبدیل شوند. Phinergy Marine ، RiAlAiRو چندین شرکت تجاری دیگر در حال کار بر روی برنامه های تجاری و نظامی در محیط دریایی هستند.

منابع

طرز تهیه باتری هوای آلومینیومی ساده

فقط کافی است یک تکه فویل آلومینیومی را برداشته و آن را روی یک میز پخش کنید.

در ظرب یک محلول اشباع شده از آب و نمک درست کنید.

یک تکه کاغذ اسفنجی به را با محلول نمکی اشباع خیس کنید.

سپس قسمت خیس شده از کاغذ اسفنجی را روی فویل آلومینیوم پخش کنید. حالا مقداری غبار ریز ذغال را روی کاغذ اسفنجی قرار دهید. پس از نگه داشتن سیم غیر عایق در گرد و غبار ذغال سنگ ، آن را با یک قطعه دیگر از محلول نمکی آغشته به کاغذ اسفنجی شده به همان اندازه بپوشانید. حالا کل شی را محکم گردد به گونه ای که هیچ غبار ذغال نمی تواند مستقیماً فویل آلومینیوم را لمس کند و قسمت عایق سیم سرب از یک انتهای رول خارج شود.

حالا سیم دیگری را بگیرید و قسمت غیر عایق سیم را به فویل آلومینیوم وصل کنید. حال اگر یک دیود LED)) را با این دو سیم وصل کنیم (یکی از ذغال و دیگری از فویل آلومینیوم) و رول را با انگشتان خود فشار می دهیم ، LED روشن می شوند. اینگونه است که می توان یک باتری هوای آلومینیومی در خانه ایجاد کرد.

اصول کارباتری آلمینیوم هوا

عملکرد باتری هوا آلومینیومی

همانطور که در شکل مشخص است ، یک باتری هوای آلومینیومی دارای کاتدی از  هوا است که می تواند از کاتالیزور مبتنی بر نقره ساخته شود و به انسداد CO₂ برای ورود به باتری کمک می کند اما اجازه می دهد تا O₂ وارد الکترولیت شود. سپس این اکسیژن با H₂O در محلول الکترولیت KOH واکنش نشان می دهد و الکترونها را از محلول گرفته و یونهای -OH را ایجاد می کند. این یونها سپس با Al  آند در ارتباط هستند و آلومنیوم (OH) ₃ ایجاد می کنند و الکترون ها را آزاد می کنند. سپس این الکترونها به دلیل جبران کمبود الکترون ها در محلول الکترولیت به دلیل واکنش کاهش کاتد ، از کاتد آلومینیوم به آند هوا منتقل می شوند.

واکنش شیمیایی باتری هوای آلومینیوم

چهار اتم آلومینیوم با ۳ مولکول اکسیژن و ۶ مولکول آب واکنش نشان داده و ۴ هیدروکسید آلومینیوم تولید می کنند

معادله بباتری آلمینوم هوا

اکسیداسیون آند (نیمه واکنش) ،

کاهش کاتد (نیمه واکنش) ،

واکنش کامل ،

Phinergy ، یک شرکت توسعه دهنده مشهور ، بر استفاده از باتری هوای فلزی مانند باتری هوای آلومینیوم و باتری هوای روی متمرکز شده است. ویژگی باتری فلز هوا این است که اکسیژن را از هوای محیط می گیرند. باتری هوای آلومینیومی از چگالی انرژی بسیار بالایی برخوردار است ، به ازای هر واسطه آلومینیوم ۳۰۰ وات است. چگالی توان آن نیز بسیار زیاد است ، در حدود ۳۰ وات بر پوند.

این نوع باتری قابل شارژ شدن نیست. در اصل این یک باتری اولیه است. اما مشکل شارژ مجدد با فرایند شارژ مکانیکی قابل غلبه است. شارژ مکانیکی سلول هوایی آلومینیوم با تعویض الکترود آلومینیومی انجام می شود. در این فرآیند ، باتری را می توان به حالت کاملاً شارژ شده خود از پشت سلول باتری تخلیه شده تبدیل کرد.

باتری هوا از جنس آلومینیوم به دلیل داشتن انرژی و چگالی بالا ، امکان شارژ مکانیکی در آینده نزدیک مناسب ترین گزینه برای سوخت نفتی برای خودروها می باشد. این باتری ها همچنین تأثیرات محیطی بسیار کمی دارند.

ضرر اصلی این فناوری ، واکنش CO₂ با آلومینیوم است. آلومینیوم به دلیل وجود CO₂ در هوا به راحتی در برابر خوردگی تحت تأثیر قرار می گیرد. با معرفی الکترود مخصوص هوا که می تواند مانع از رسیدن CO₂ به ورق آلومینیوم شود ، این مشکل برطرف می شود. Phynergy الكترود هوايي را با كاتاليزگر مبتني بر نقره ايجاد كرده است و اين ساختار به O₂ اجازه مي دهد تا وارد ورق آلومينيوم شود و از ورود CO₂ جلوگيري كند.

مقالات مرتبط :

کاربردهای الکترولیز، آبکاری الکتریکی، الکتروفورمینگ، پالایش الکترولیتی

ساختار باتری های قلیایی (آلکالاین) / عملکرد باتری های قلیایی

انواع مختلف پیل و باتری و کاربردهای آنها

تفاوت بین یک باتری و یک خازن

انواع باتری

لینک زبان اصلی مقاله :

https://www.electrical4u.com/aluminum-air-batter