Kev Taw Qhia luv luv ntawm Aluminium-air Battery
Tso lus
Aluminium-air roj teeb(Al-air roj teeb) tsim hluav taws xob los ntawm cov tshuaj tiv thaiv cov pa oxygen hauv cov huab cua nrog txhuas. Lawv muaj ib lub zog siab tshaj plaws ntawm txhua lub roj teeb, tab sis lawv tsis tau siv dav vim tias muaj teeb meem nrog cov nqi anode siab thiab cov khoom siv tshem tawm thaum siv cov tshuaj electrolytes. Qhov no tau txwv lawv txoj kev siv rau kev siv tub rog feem ntau. Txawm li cas los xij, lub tsheb fais fab nrog cov roj teeb txhuas muaj peev xwm txog li yim npaug ntawm lithium -ion roj teeb nrog qhov hnyav tag nrho.
Aluminium-air batteries yog thawj lub hlwb, piv txwv li, tsis yog -rechargeable. Thaum cov txhuas anode tau noj los ntawm nws cov tshuaj tiv thaiv nrog atmospheric oxygen ntawm lub cathode rau hauv dej -raws li electrolyte los ua hydrated aluminium oxide, lub roj teeb yuav tsis tsim hluav taws xob. Txawm li cas los xij, nws tuaj yeem hloov kho lub roj teeb nrog cov txhuas anodes tshiab ua los ntawm kev rov ua dua cov hydrated aluminium oxide. Xws li kev rov ua dua tshiab yuav yog qhov tseem ceeb yog tias cov roj teeb aluminium-air yuav tsum tau siv dav.
Aluminium{0}} lub tsheb muaj zog tau nyob rau hauv kev sib tham rau qee xyoo lawm. Hybridisation txo cov nqi, thiab nyob rau hauv 1989 txoj kev ntsuam xyuas ntawm ib tug hybridised txhuas-air/lead-acid roj teeb nyob rau hauv ib tug hluav taws xob tsheb tau tshaj tawm. Ib qho txhuas- fais fab ntsaws- hauv hybrid minivan tau tshwm sim hauv Ontario xyoo 1990.
Lub Peb Hlis 2013, Phinegy tso tawm cov yeeb yaj kiab ua qauv qhia ntawm lub tsheb hluav taws xob siv aluminium-cua hlwb uas tau tsav 330 km siv cov cathode tshwj xeeb thiab potassium hydroxide. Thaum Lub Tsib Hlis 27, 2013, Israeli channel 10 yav tsaus ntuj xov xwm tshaj tawm tau pom lub tsheb nrog Phinergy roj teeb nyob tom qab, thov 2,000 mais (1,200 mi) ntau yam ua ntej yuav hloov cov txhuas anodes yog tsim nyog.
Electrochemistry
Lub anode oxidation ib nrab -reaction yog Al + 3OH− → Al(OH)3 + 3e− -2.31 V.
Cov cathode txo ib nrab -reaction yog O2 + 2H2O + 4e−→ 4 OH−
+0.40 V.
Tag nrho cov tshuaj tiv thaiv yog 4Al + 3O2 + 6H2O → 4Al(OH)3 +2.71 V.
Txog 1.2 volts muaj peev xwm sib txawv yog tsim los ntawm cov tshuaj tiv thaiv no thiab ua tiav hauv kev xyaum thaum siv cov poov tshuaj hydroxide los ua cov electrolyte. Cov dej ntsev electrolyte ua tiav kwv yees li 0.7 volts ib lub xov tooj ntawm tes.
Qhov tshwj xeeb voltage ntawm lub xov tooj ntawm tes yuav txawv nyob ntawm seb muaj pes tsawg leeg ntawm cov electrolyte nrog rau cov qauv thiab cov ntaub ntawv ntawm cathode.
Lwm cov hlau tuaj yeem siv tau zoo ib yam, xws li lithium-air, zinc-air, manganese-air, thiab sodium-air, qee qhov muaj zog ntau dua. Txawm li cas los xij, aluminium yog qhov txaus nyiam raws li cov hlau ruaj khov tshaj plaws.
| Lub zog tshwj xeeb | 1300 (tswj), 6000/8000 (theoretical) W·h / kg |
|---|---|
| Zog ceev | N/A |
| Lub zog tshwj xeeb | 200 W / kg |
| Nominal cell voltage | 1.2 V |
Anode
Aluminium (Al) tau dav siv los ua cov khoom siv anode hauv cov hlau -cov roj teeb cua vim nws lub zog siab ceev, rov ua dua tshiab, thiab kev nplua nuj. Txawm li cas los xij, kev sib tw nrog Al anodes suav nrog corrosion thiab passivation. Impurities nyob rau hauv kev lag luam muaj txhuas ua rau tsim cov khaubncaws sab nraud povtseg uas cuam tshuam kev ua haujlwm. Cov tshuaj tiv thaiv corrosion tsim hydrogen thiab tsim aluminium hydroxides, thaum tsim cov oxide zaj duab xis thaum raug huab cua lossis dej ntxiv txwv kev ua haujlwm.
Kev txhim kho Al anode kev ua tau zoo cuam tshuam nrog kev ua kom zoo ntawm cov nplej loj thiab siv lead ua kev taw qhia, raws li cov qauv zoo tshaj plaws txhim kho corrosion kuj thiab electrochemical kev ua haujlwm. Txoj kev tshawb no ua los ntawm Ntxuam thiab Lu tshuaj xyuas qhov kev sib raug zoo ntawm cov nplej loj thiab qhov ua tau zoo anode. Nyob rau hauv txoj kev tshawb no, txhuas anodes nrog finer grain ntau thiab tsawg tau tsim siv ib txoj kev hu ua Equal Channel Angular Pressing (ECAP). Raws li tus naj npawb ntawm extrusion kis tau nce, cov nplej tau ua me me thiab ntau yam sib xws. Txawm li cas los xij, cov txheej txheem muaj kev txwv vim yog cua sov los ntawm deformation ua rau qee qhov kev loj hlob ntawm cov nplej. Cov txiaj ntsig tau pom tias kev ua kom zoo ntawm cov nplej loj tuaj yeem txhim kho lub anode txoj haujlwm electrochemical, txo cov corrosion, thiab nce polarization thiab them nqi-hloov tsis kam. Kev ntsuam xyuas tau lees paub tias cov anode nrog cov nplej zoo ua tau zoo dua li ib qho nrog cov nplej loj. Cov qauv zoo - cov nplej kuj tau muab cov khoom tiv thaiv zoo dua - corrosion thiab txhim khu kev ua haujlwm roj teeb hauv 4 mol / L NaOH kua. Tam sim no qhov ceev ntawm 10 mA / cm32, qhov nplua - nplej anode pom ib 41.5% nce nyob rau hauv lub peev xwm ceev thiab 55.5% nce nyob rau hauv lub zog ceev piv rau ntxhib- nplej anode. Dhau li ntawm microstructure optimization, kev ua ntawm cov anodes tuaj yeem cuam tshuam qhov kev ua tau zoo. Anodes fabricated siv laser sintering qhia tau tias muaj peev xwm ntau dua piv rau cov tsis yog -sintered qauv, uas qhia txog qhov tseem ceeb ntawm kev ua cov anode nyob rau hauv cov nqe lus ntawm cov anode kev ua tau zoo.
Ntxiv nrog rau kev kho kom zoo ntawm microstructure thiab txhim kho txoj kev ua kom zoo dua qub, alloying Al nrog cov ntsiab lus zoo li Ga, Zn, thiab Sn pab txo qis corrosion thiab hydrogen evolution. Zinc, tshwj xeeb tshaj yog, yog dav lees paub tias yog ib qho txiaj ntsig alloying hauv Al- roj teeb cua anodes vim tias nws pab txo tus kheej -corrosion tus nqi thiab ua rau cov nominal cell voltage. Txawm li cas los xij, txoj kev tshawb fawb ua los ntawm Park, Choi, thiab Kim hais txog qhov tsis zoo: qhov sib ntxiv ntawm Zn tuaj yeem txo qis kev ua haujlwm ntawm cov anode hauv cov tshuaj alkaline vim muaj kev cuam tshuam kev cuam tshuam thaum lub sij hawm anodic polarization. Tshwj xeeb, Zn txhawb kev tsim ntawm ob hom oxidation films. Thawj, Hom 1 zaj duab xis, yog txheej ntxeem tau ntawm Zn (OH)2thiab tsis zoo ZnO, uas tsim thaum yaj Zn (OH)42-precipitates los ntawm tej electrolyte. Qhov thib ob, Hom 2 zaj duab xis, yog ib qho compact, tiv thaiv txheej ntawm ZnO uas tsim ncaj qha los ntawm oxidation ntawm cov hlau nto thiab ruaj khov dua. Hom 2 zaj duab xis no tsim cov txheej txheem passivation uas cuam tshuam qhov kev tso tawm ntawm Al- roj teeb cua. Txawm li cas los xij, qhov sib ntxiv ntawm indium (In) pab rhuav tshem thiab ua kom tsis muaj zog ntawm Zn passive txheej. Cov Hauv ions pheej rov tsim cov teeb meem hauv hom 2 zaj duab xis los ntawm lub voj voog ntawm kev tawg thiab rov ua dua -passivation, ua kom tsis muaj zog tiv thaiv kev tiv thaiv thiab txhim kho lub roj teeb kev ua haujlwm. Raws li qhov tshwm sim, siv Al{10}}Zn-Nyob rau hauv ternary alloy anode, tsim los ntawm cov khoom lag luam muaj txhuas ntau dua li cov nqi siab siab - purity aluminium, nthuav tawm tus nqi{13}} kev daws teeb meem nrog kev ua tau zoo dua.
Copper- tso nyiaj Al alloys kuj tau pom cov lus cog tseg raws li cov khoom siv anode, tsim cov txheej tiv thaiv uas txo cov hydrogen evolution thiab txhim kho kev ua haujlwm tawm. Ib txoj kev tshawb fawb ua los ntawm Mutlu thiab Yazıcı qhia tau hais tias tooj liab electrodeposition pab txo tus nqi - hloov tsis kam ntawm txhuas anodes. Qhov no yog vim qee qhov sib txuas (xws li Al (OH)2+, Al7(OH)174+, Al2(OH)24+, thiab Al13(OH)345+) tsim nyob rau saum npoo thiab tsim kev tiv thaiv. Hauv qhov sib piv, Al (OH)3dissolves nyob rau hauv alkaline daws, tsim Al (OH)4-, uas muaj tus nqi qis dua thiab tswj qhov sib npaug ntawm Al (OH) thiab Al (OH)4-. Tooj liab pab tshem tawm cov khoom sib txuas ntawm qhov chaw, txo qhov kev tiv thaiv thiab txhim kho kev ua haujlwm tawm. Tsis tas li ntawd, qhov kev tiv thaiv ntawm aluminium oxide yog siab dua li ntawm cov tooj liab -aluminium ua ke, yog li tooj liab txo cov zaj duab xis tsis kam thiab ua rau nws ruaj khov dua. Zuag qhia tag nrho, kev nce qib hauv kev sib xyaw ua ke thiab cov txheej txheem tsim khoom yog qhov tseem ceeb rau kev ua kom zoo tshaj plaws thiab tus nqi -kev ua tau zoo ntawm Al anodes.
Kev lag luam
Aluminium ua "roj" rau tsheb tau kawm los ntawm Yang thiab Knickle. Hauv xyoo 2002, lawv xaus lus:
Lub Al / huab cua roj teeb system tuaj yeem tsim kom muaj zog txaus thiab lub zog rau kev tsav tsheb thiab kev nrawm zoo ib yam li roj av siv tsheb ... tus nqi ntawm txhuas raws li anode tuaj yeem qis li US $ 1.1 / kg ntev npaum li cov khoom siv rov ua dua tshiab. Tag nrho cov roj efficiency thaum lub sij hawm lub voj voog nyob rau hauv Al / huab cua hluav taws xob tsheb (EVs) yuav yog 15% (tam sim no theem) los yog 20% (tseem ceeb), piv rau cov combustion engine tsheb (ICEs) (13%). Tus tsim roj teeb lub zog ceev yog 1300 Wh / kg (tam sim no) lossis 2000 Wh / kg (kwv yees). Tus nqi ntawm cov roj teeb uas tau xaiv los ntsuas yog US $ 30 / kW (tam sim no) lossis US $ 29 / kW (kwv yees). Al/air EVs life-kev tshuaj xyuas lub voj voog tau ua thiab muab piv rau cov hlau lead/acid thiab npib tsib xee hlau hydride (NiMH) EVs. Tsuas yog Al/air EVs tuaj yeem kwv yees kom muaj kev mus txawv tebchaws piv rau ICEs. Los ntawm qhov kev tshuaj ntsuam no, Al/air EVs yog cov neeg sib tw zoo tshaj plaws piv rau ICEs nyob rau hauv cov nqe lus ntawm kev mus ncig, nqi yuav, nqi roj, thiab lub neej- nqi mus ncig.
Cov teeb meem kev lag luam tseem yuav raug daws kom ua Al-air roj teeb haum rau lub tsheb hluav taws xob. Anodes ua los ntawm ntshiab txhuas yog corroded los ntawm electrolyte, yog li cov txhuas feem ntau yog alloyed nrog tin los yog lwm yam khoom. Cov hydrated alumina uas yog tsim los ntawm cov tshuaj tiv thaiv ntawm tes tsim ib gel -zoo li cov khoom ntawm lub anode thiab txo cov hluav taws xob tso zis. Qhov no yog ib qho teeb meem uas tau hais txog hauv kev txhim kho kev ua haujlwm ntawm Al-air cells. Piv txwv li, cov khoom siv ntxiv uas tsim cov alumina ua hmoov es tsis yog gel tau tsim.
Niaj hnub nimno cua cathodes muaj ib txheej reactive ntawm carbon nrog ib tug npib tsib xee -grid tam sim no collector, ib tug catalyst (xws li, cobalt), thiab ib tug ntxeem tau hydrophobic polytetrafluoroethylene zaj duab xis uas tiv thaiv electrolyte to. Cov pa oxygen hauv huab cua dhau los ntawm polytetrafluoroethylene ces reacts nrog dej los tsim hydroxide ions. Cov cathodes no ua haujlwm zoo, tab sis lawv tuaj yeem kim.
Traditional Al-air roj teeb muaj lub neej txee, vim tias cov txhuas reacted nrog cov electrolyte thiab tsim hydrogen thaum lub roj teeb tsis siv; qhov no tsis yog qhov teeb meem nrog cov qauv tsim niaj hnub. Qhov teeb meem tuaj yeem zam tau los ntawm kev khaws cov electrolyte hauv lub tank sab nraum lub roj teeb thiab xa mus rau lub roj teeb thaum nws yuav tsum tau siv.
Cov roj teeb no tuaj yeem siv los ua cov roj teeb cia hauv kev sib pauv xov tooj thiab ua cov khoom siv hluav taws xob.
Lwm qhov teeb meem yog cov nqi ntawm cov ntaub ntawv uas yuav tsum tau ntxiv rau lub roj teeb kom tsis txhob muaj hluav taws xob poob. Aluminium tseem pheej yig heev piv rau lwm cov khoom siv los tsim cov roj teeb. Aluminium raug nqi $ 2.51 ib kilogram thaum lithium thiab nickel raug nqi $ 12.59 thiab $ 17.12 ib kilogram feem. Txawm li cas los xij, ib qho tseem ceeb feem ntau siv nyob rau hauv txhuas cua ua ib qho catalyst hauv cathode yog nyiaj, uas raug nqi txog $ 922 ib kilogram (2024 tus nqi).
Aluminium-air batteries tej zaum yuav dhau los ua ib qho kev daws teeb meem zoo rau kev siv dej hiav txwv vim lawv lub zog siab ceev, tus nqi qis, thiab kev nplua nuj ntawm txhuas, tsis muaj emissions thaum lub sij hawm siv hauv nkoj thiab nkoj. AlumaPower, Phinergy Marine, Log 9 Khoom, RiAlAiR thiab ob peb lwm lub tuam txhab lag luam ua haujlwm rau kev lag luam thiab kev siv tub rog nyob rau hauv ib puag ncig marine.
Kev tshawb fawb thiab kev loj hlob yog ua nyob rau hauv lwm txoj kev, muaj kev nyab xeeb, thiab ua tau zoo dua electrolytes xws li organic solvents thiab ionic kua. Lwm tus xws li AlumaPower tab tom tsom mus rau kev siv tshuab los txo ntau qhov teeb meem keeb kwm nrog Al- roj teeb cua. AlumaPower's patent (US US10978758B2) qhia txog ib txoj hauv kev uas tig cov anode uas tshem tawm cov qauv hnav thiab corrosion ntawm lub anode. Daim ntawv pov thawj ntxiv hais tias tus qauv tsim tuaj yeem siv cov khoom seem txhuas, suav nrog cov kaus poom dej qab zib thiab cov cav cav.
