Alüminyum-Hava Pillerinin Çalışma Prensibi
Bir alüminyum-hava hücresi bir alüminyum anot, bir hava katotu ve genellikle potasyum hidroksit veya sodyum hidroksit olmak üzere sulu bir elektrolitten oluşur. Anotta alüminyum çözülür ve atom başına üç elektron salar; katotta ortam havasındaki oksijen azalır. 4Al + 3O2 + 6H2O'nun 4Al(OH)3'e genel reaksiyonu teoride 2,7 V civarında bir açık-devre voltajı verirken, pratik hücreler polarizasyon kayıpları nedeniyle yaklaşık 1,2 ila 1,6 V arasında çalışır. Katot aktif malzemesi olan oksijen, hücre içinde depolanmak yerine havadan serbest bir şekilde alındığından, pil, yalnızca alüminyum anota dayalı olarak 8,1 kWh/kg'a yakın teorik özgül enerjiye, 2,7 V'de kilogram alüminyum başına yaklaşık 2.980 Ah'a ulaşabilir; bu, lityum{18}}iyon kimyası rakamının birkaç katıdır.
Enerji Depolamada Alüminyum Neden Önemlidir?
Alüminyum, yerkabuğunda en çok bulunan metaldir ve dünya çapında endüstriyel ölçekte üretilmektedir; bu, anot maliyetini düşük ve tedarik zincirlerini istikrarlı tutar. Deşarj ürünü, izabe tesisine geri döndürülebilen ve Hall-Heroult işlemi aracılığıyla tekrar metale dönüştürülebilen zararsız bir bileşik olan alüminyum hidroksittir, böylece malzeme döngüsü kapalı ve geri dönüştürülebilir. Lityum-iyon paketleriyle karşılaştırıldığında alüminyum-hava sistemleri, su-bazlı,-yanıcı olmayan bir elektrolit kullanır; bu, termal kaçak riskini ortadan kaldırır ve termal yönetimi basitleştirir. Bu özellikler kimyayı, uzun menzil, düşük maliyet ve güvenliğin en yüksek güçten daha önemli olduğu uygulamalar için çekici kılmaktadır.
Malzemeler ve Hücre Bileşenleri
Anot genellikle %99,5 veya daha yüksek yüksek saflıkta alüminyumdan yapılır, plaka veya ağır folyo olarak sağlanır ve alkalin elektrolitte pasifleşmeyi ve parazitik hidrojen oluşumunu bastırmak için genellikle küçük miktarlarda galyum, indiyum, kalay veya magnezyum ile alaşımlanır. Hava katodu, manganez dioksit gibi bir katalizörle yüklenmiş, metalik bir akım toplayıcıyla desteklenen gözenekli bir karbon tabakasıdır ve alüminyum folyo genellikle iletken alt tabaka veya anot boşluğunun kendisi olarak görev yapar. Elektrolit sistemleri, yüksek-hızlı işlemler için konsantre KOH'tan, uzun-ömürlü düşük-hızlı hücreler için salin solüsyonlarına kadar çeşitlilik gösterir. Gaz difüzyon elektrotunun tasarımı ve karbonat çökelmesinin yönetimi, hücre gelişimindeki en kritik iki mühendislik görevidir.
Raporlanan Performans ve Gösteri Verileri
Laboratuvar hücreleri, hücre seviyesinde 400 ila 800 Wh/kg aralığında spesifik enerjiler rapor etmiştir ve sistem gösterimleri, mekanik olarak şarj edilebilir tasarımlara odaklanmıştır. 2013 yılında geniş çapta bildirilen bir yol gösterisinde, yaklaşık 50 kg alüminyum anot plakalarıyla donatılmış küçük bir şehir otomobilinin, elektroliti korumak için periyodik olarak su eklenerek yaklaşık 1.600 km yol kat ettiği iddia edildi. Alüminyum tüketimi temel olarak kapasiteyle bağlantılıdır: Her kilogram alüminyum yaklaşık 2.980 Ah teorik yük taşıdığından, ortalama 1,4 V'ta deşarj olan bir hücre, elektrolit ve sistem genel giderleri eklenmeden önce tüketilen anotun kilogramı başına yaklaşık 4,2 kWh elektrik enerjisi üretir. Bu, paket düzeyinde tipik lityum{15}}iyon hücrelerinin yaklaşık 0,25 ila 0,30 kWh/kg'lık değeriyle karşılaştırılır, ancak karşılaştırmanın tam alüminyum{16}}hava sisteminin ağırlığını da içermesi gerekir.
Elektrikli-Araç Uygulamalarındaki Temel Zorluklar
Laboratuvar hücreleri ile ticari elektrikli araçlar arasında dört engel bulunmaktadır. Birincisi, güç yoğunluğu hava katotundaki oksijen azaltma kinetiği ile sınırlıdır, bu nedenle alüminyum-hava pilleri hızlı hızlanmaya göre sabit deşarja daha uygundur. İkincisi, alüminyum alkalin elektrolitte korozyona uğrayarak hidrojen açığa çıkarır ve malzeme israfına neden olur, bu da alaşım optimizasyonu ve elektrolit katkı maddeleri gerektirir. Üçüncüsü, pil geleneksel anlamda elektriksel olarak şarj edilebilir değildir; yakıt ikmali, anot kartuşunun değiştirilmesi ve hidroksitin geri dönüştürülmesi anlamına gelir ve bu da yeni bir servis altyapısı gerektirir. Dördüncüsü, hava katodu, karbonat oluşumu ve katalizörün devre dışı bırakılması yoluyla zamanla bozularak hizmet ömrünü kısaltır. Bu nedenlerden dolayı, mevcut araştırmalar, küçük bir lityum-iyon tamponunun en yüksek gücü idare ettiği, alüminyum-hava ünitesinin ise seyir enerjisini sağladığı hibrit yapılandırmaları ve yedek güç ve uzun-menzilli ağır taşıma gibi niş uygulamaları hedeflemektedir.
SSS
S: Alüminyum-hava pili nasıl çalışır?
A:Bir alüminyum anotu, sulu bir elektrolit içinde ortam havasından alınan oksijenle oksitler, harici bir devre yoluyla elektronları serbest bırakır ve deşarj ürünü olarak alüminyum hidroksit üretir.
S: Alüminyum-havanın teorik enerji yoğunluğu nedir?
A:Yalnızca alüminyum anot baz alındığında, 2,7 V'de yaklaşık 8,1 kWh/kg'a, kabaca 2,980 Ah/kg'a ulaşır; bu, lityum-iyonun birkaç katıdır; pratik hücreler daha düşük ancak yine de rekabetçi değerlere ulaşır.
S: Hücre ne kadar alüminyum tüketiyor?
A:Her kilogram alüminyum yaklaşık 2.980 Ah yük taşır; dolayısıyla, 1,4 V'luk ortalama deşarj voltajında hücre, sistem masraflarından önce bunu yaklaşık 4,2 kWh elektriğe dönüştürür.
S: Alüminyum-hava pilleri elektrikle şarj edilebilir mi?
A:Geleneksel anlamda değil; anot tüketilir ve mekanik olarak değiştirilmesi gerekir; bu sırada alüminyum hidroksit yan ürünü-Hall-Heroult işlemi aracılığıyla tekrar metale dönüştürülür.
S: Elektrikli araçlarda neden henüz yaygın değiller?
A:Sınırlı güç yoğunluğu, alkalin elektrolitte anot korozyonu, hava{0}}katot bozulması ve yakıt ikmali altyapısının olmayışı şu anda bunları araştırma programları, hibrit tasarımlar ve sabit uygulamalarla sınırlamaktadır.
S: Bu pillerde alüminyum folyonun rolü nedir?
A:Anot boşlukları ve mevcut toplayıcılar için yüksek-saflıkta alüminyum folyo ve ince levha kullanılıyor; bu nedenle folyo ve levha üreticileri bu teknolojinin gelişimini yakından takip ediyor.