Алюминиевые аккумуляторы своими руками

Замена электролита на масло защитила алюминий-воздушный аккумулятор от коррозии

Brandon Hopkins et al. / Science, 2018

Американские инженеры создали алюминий-воздушный аккумулятор, практически полностью защищенный от саморазряда. Для этого разработчики предложили после использования аккумулятора менять электролит в нем на полимерное масло с помощью помпы. Эксперименты с прототипом показали, что благодаря такой процедуре саморазряд снижается до 0,02 процента в месяц, рассказывают авторы статьи, опубликованной в Science.

Алюминий-воздушный аккумулятор представляет собой гальванический элемент, в котором электрический ток вырабатывается благодаря реакции алюминиевого анода с кислородом из воздуха и водой из электролита. С электрохимической точки зрения такие аккумуляторы одноразовые, однако в конструкции многих из них предусмотрена возможность замены анода для «перезарядки». Главное преимущество таких аккумуляторов перед самыми распространенными типами аккумуляторов, в том числе литий-ионными, заключается в их крайне высокой плотности энергии. Благодаря этому, к примеру, электромобили с такими аккумуляторами могут проезжать несколько тысяч километров на одном цикле работы алюминий-воздушного аккумулятора.

Но из-за не до конца решенных технологических недостатков пока аккумуляторы такого типа не получили широкого распространения. Один из таких недостатков заключается в их быстром саморазряде из-за коррозии алюминиевого анода, который может составлять несколько десятков процентов за месяц. Для решения этой проблемы инженеры предлагали множество решений, таких как легирование электродов или модификация состава электролита, но, как правило, эти методы снижают плотность энергии аккумулятора или другие важные параметры.

Группа инженеров из Массачусетского технологического института под руководством Дугласа Харта (Douglas Hart) предложила новую конструкцию алюминий-воздушного аккумулятора, позволяющую снизить коррозию анода почти до нуля и при этом сохранить высокие характеристики аккумулятора. Разработанный инженерами аккумулятор состоит из анода, сделанного из алюминиевой фольги с чистотой 99,999 процента, и катода, состоящего из углеродных и марганцевых частиц, никелевой сетки и полимерной мембраны, пропускающей кислород из атмосферы. Электроды разделены сепаратором из тефлона, специально обработанного для получения гидрофильных и олеофобных свойств. В качестве электролита используется вода и гидроксид натрия, а также антикоррозийная добавка в виде гексагидроксостанната натрия.

Схема обычного (A) и нового (B и C) алюминий-воздушного аккумулятора

Источник

Алюминиевая батарея — отличное дополнение для электромобиля

Компания Phinergy первой в мире сумела изготовить воздушно-алюминиевую батарею, пригодную для эксплуатации в автомобиле. 100-килограммовая батарея Al-Air содержит достаточно энергии, чтобы обеспечить 3000 км хода компактного легкового автомобиля. Phinergy провела демонстрацию технологии с Citroen C1 и упрощённой версией батареи (50 пластин по 500 г, в корпусе, наполненном водой). Машина проехала 1800 км на одном заряде, останавливаясь только для пополнения запасов воды — расходуемого электролита (видео).

Алюминий не заменит литий-ионные аккумуляторы (он не заряжается от розетки), но великолепно дополняет их. Ведь 95% поездок автомобиль совершает на короткие расстояния, где достаточно стандартных аккумуляторов. Дополнительная батарея обеспечивает бэкап на случай, если аккумулятор разрядился или если нужно далеко ехать.

Воздушно-алюминиевая батарея генерирует ток за счёт химической реакции металла с кислородом из окружающего воздуха. Алюминиевая пластина — анод. С двух сторон ячейка покрыта пористым материалом с серебряным катализатором, который фильтрует CO₂. Металлические элементы медленно деградируют до Al(OH)₃.

Химическая формула реакции выглядит так:

Это не какая-то сенсационная новинка, а хорошо известная технология. Её давно используют военные, поскольку такие элементы обеспечивают исключительно большую плотность энергии. Но раньше инженерам никак не удавалось решить проблему с фильтрацией CO₂ и сопутствующей карбонизацией. Компания Phinergy утверждает, что решила проблему и уже в 2017 году можно производить алюминиевые батареи для электромобилей (и не только для них).

Литий-ионные аккумуляторы Tesla Model S весят около 1000 кг и обеспечивают пробег 500 км (в идеальных условиях, в реальности 180-480 км). Скажем, если сократить их до 900 кг и добавить алюминиевую батарею, то масса машины не изменится. Дальность хода от аккумулятора снизится на 10-20%, зато максимальный пробег без зарядки увеличится аж до 3180-3480 км! Можно доехать от Москвы до Парижа, и ещё что-то останется.

В чём-то это похоже на концепцию гибридного автомобиля, но здесь не требуется дорогой и громоздкий двигатель внутреннего сгорания.

Недостаток технологии очевиден — воздушно-алюминиевую батарею придётся менять в сервисном центре. Наверное, раз в год или чаще. Впрочем, это вполне заурядная процедура. Компания Tesla Motors в прошлом году показывала, как аккумуляторы Model S меняют за 90 секунд (любительское видео ).

Другие недостатки — энергозатратность производства и, возможно, высокая цена. Изготовление и переработка алюминиевых батарей требует большого количества энергии. То есть с экологической точки зрения их использование только повышает общее потребление электроэнергии во всей экономике. Но зато потребление более оптимально распределяется — оно уходит из крупных городов в отдалённые районы с дешёвой энергией, там находятся ГЭС и металлургические заводы.

Неизвестно и то, сколько будут стоить такие элементы питания. Хотя сам алюминий — дешёвый металл, но катод содержит дорогое серебро. Phinergy не рассказывает, как именно изготовляет запатентованный катализатор. Возможно, это сложный техпроцесс.

Но при всех своих недостатках воздушно-алюминиевая батарея всё равно кажется очень удобным дополнением к электромобилю. По крайней мере, как временное решение на ближайшие годы (десятилетия?), пока не исчезнет проблема ёмкости аккумуляторов.

В Phinergy, тем временем, экспериментируют с «перезаряжаемой» воздушно-цинковой батареей. Она вообще работает тысячи часов без особой химической деградации, поскольку окисление цинка — обратимый процесс.

Похожие научные разработки ведутся и в России.

Источник

Инженеры совершили прорыв в изготовлении аккумуляторов на основе алюминия

Инженеры из Стэнфордского университета добились успеха в создании аккумуляторной батареи на основе алюминия. Она заряжается в течение нескольких минут, выдерживает тысячи циклов перезарядки без деградации, гибкая и недорогая в изготовлении.

Также такая батарея гораздо безопаснее популярных литий-ионных. После сверления алюминиевой батареи она не только не загорается и не взрывается, но и продолжает некоторое время работать. Также батареи на основе алюминия будут гораздо меньше вредить окружающей среде при утилизации.

Инженеры уже давно присматривались к алюминию как к недорогой и практичной замене лития, однако до сего момента им не удавалось сделать батарею, выдававшую приемлемое напряжение после множества циклов зарядки и разрядки. В отличие от предыдущих неудачных прототипов алюминиевых батарей, умиравших после сотни циклов зарядки, экспериментальная батарея выдержала в лаборатории 7500 циклов без какой бы то ни было деградации. Для сравнения, типичная литий-ионная батарея теряет 20% ёмкости после 600 циклов зарядки/разрядки.

Ознакомительный ролик, включающий процесс сверления алюминиевой батареи:

Для сравнения — что будет, если проткнуть гвоздём li-ion аккумулятор

… или просто ткнуть в него ножиком:

Батарея состоит из алюминиевого анода и графитового катода, погруженных в электролит и заключенных в гибкую полимерную оболочку. Такое сочетание было найдено в ходе экспериментов практически случайно. По словам исследователей, прототип выдаёт напряжение порядка 2 В и имеет удельную ёмкость порядка 70 мA-ч/г.

Удельная энергия типичной литий-ионной батареи составляет от 100 до 265 Вт-ч/кг. Для новой батареи этот показатель составил порядка 140 Вт-ч/кг. Плотность тока алюминиевого прототипа — 3000 Вт/кг, что более чем на порядок превосходит аналогичный показатель литий-ионных батарей.

Хонгжи Дай, профессор химии, участвовавший в разработке, рассказывает о своём изобретении: «Наша батарейка выдаёт примерно вдвое меньшее напряжение, чем типичная литиевая. Но, улучшив материал катода, можно добиться увеличения как напряжения, так и плотности энергии. Все остальные качества, о которых можно только мечтать, у неё уже есть: недорогие электроды, безопасность использования, высокоскоростная зарядка, гибкость и долгий жизненный цикл».

Алюминиевая батарея сможет найти применение не только в гаджетах (включая будущие гибкие устройства), но и, например, в энергосетях, в которых позарез нужны недорогие аккумуляторы, способные быстро накапливать и отдавать электрическую энергию.

Предыдущие варианты использования алюминия в аккумуляторных батареях не предполагали их перезарядки — у таких батарей необходимо было периодически менять алюминиевые пластины, которые вырабатывали свой энергетический ресурс.

Источник

Алюминий ионный аккумулятор своими руками

Источник тока из алюминия своими руками

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.

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.

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.

Алюминиевые аккумуляторы

Почти тридцатилетний поиск путей совершенствования алюминий-ионного аккумулятора приближается к своему финалу. Первый аккумулятор с алюминиевым анодом, способный быстро заряжается, при этом недорогой и долговечный, разработали ученые из Стэнфордского университета.

Исследователи уверенно заявляют, что их детище вполне может стать безопасной альтернативой литий-ионным аккумуляторам, всюду применяющимся сегодня, а также щелочным батарейкам, которые экологически вредны.

Не лишним будет вспомнить, что литий-ионные аккумуляторы порой возгораются. Профессор химии Хонгжи Дай уверен, что его новая батарея не загорится, даже если просверлить её насквозь. Коллеги профессора Дайя охарактеризовали новые аккумуляторы как «сверхбыстро перезаряжаемые алюминий-ионные аккумуляторы».

В силу низкой стоимости, пожаробезопасности, и способности создавать значительную электроемкость, алюминий уже давно привлек внимание исследователей, однако многие годы ушли на создание коммерчески жизнеспособной алюминий-ионной батареи, которая могла бы производить достаточное напряжение даже после многих циклов заряда-разряда.

Ученым нужно было преодолеть многие препятствия, в числе которых: распад материала катода, низкое напряжение разряда ячейки (около 0,55 вольт), потеря емкости и недостаточный жизненный цикл (менее 100 циклов), быстрая потеря мощности (от 26 до 85 процентов спустя 100 циклов).

Теперь же ученые представили аккумуляторную батарею на основе алюминия с высокой стабильностью, в который они использовали металлический анод из алюминия в паре с катодом из трехмерной графитовой пены. До этого было перепробовано много разных материалов для катода, и решение в пользу графита было найдено совершенно случайно. Ученые из группы Хонгжи Дайя определили несколько типов графитового материала, которые показывают весьма высокую производительность.

В своих экспериментальных образцах, команда Стэнфордского университета поместила алюминиевый анод, графитовый катод, и безопасный жидкий ионный электролит, состоящий в основном из растворов солей, в гибкий полимерный пакет.

Профессор Дай и его группа записали видео, где показали, что даже если просверлить оболочку, их аккумуляторы все равно будут продолжать работать некоторое время и не загорятся.

Важным достоинством новых аккумуляторов является их ультрабыстрая зарядка. Обычно литий-ионные аккумуляторы смартфонов подзаряжаются в течение нескольких часов, в то время, как прототип новой технологии демонстрирует беспрецедентную скорость зарядки до одной минуты.

Долговечность новых батарей особенно поражает. Ресурс батареи составляет более 7500 циклов заряда-разряда, причем без потери мощности. Авторы сообщают, что это первая модель алюминий-ионных батарей, с ультрабыстрой зарядкой, и стабильностью в тысячи циклов. А типичный литий-ионный аккумулятор выдерживает лишь 1000 циклов.

Примечательной особенностью алюминиевой батареи является ее гибкость. Аккумулятор можно сгибать, что говорит о потенциальной возможности его применения в гибких гаджетах. Кроме всего прочего, алюминий значительно дешевле лития.

Перспективным видится использование таких батарей для хранения возобновляемой энергии с целью ее резервирования для последующего обеспечения электрических сетей, поскольку по последним данным ученых, алюминиевую батарею можно заряжать десятки тысяч раз.

Вопреки массово используемым элементам АА и ААА напряжением 1,5 вольт, алюминий-ионный аккумулятор генерирует напряжение порядка 2 вольт. Это наивысший из показателей, которых кто-либо добился с алюминием, причем в перспективе этот показатель будет улучшен, заявляют разработчики новых аккумуляторов.

Достигнута плотность хранения энергии 40 Вт-час на килограмм, а у литий-ионных батарей этот показатель достигает 206 Вт-час на килограмм. Однако улучшение катодного материала, уверен профессор Хонгжи Дай, в конце концов приведет как к увеличению напряжения, так и к повышению плотности хранения энергии в аккумуляторах алюминий-ионной технологии. В любом случае, ряд преимуществ перед литий-ионной технологией уже достигнут. Здесь и дешевизна, сочетающаяся с безопасностью, и высокоскоростная зарядка, и гибкость, и длительный срок службы.

Хлор-алюминиевый аккумулятор

Александр Пехов – разработчик газовых аккумуляторов и топливных элементов снял видео про изготовление хлор-алюминиевого аккумулятора. На идею такой батареи автор натолкнулся случайно ходе экспериментов со сменой различных электролитов. Мысль пришла к нему в процессе зарядки на основе поваренной соли. Образуется хлор и едкий натр. Предположительно, натрий является минусом. Если залить вместо поваренной соли раствор едкого натрия, с хлором. Да, возможно что-то получится.Так и был найден способ изготовления хлор алюминиевого аккумулятора.

Первая экспериментальная модель собрана на скорую руку, но показала себя неплохо в работе. Фонарик светится уже в течении двух недель.

Что такое хлор алюминиевая батарея.
Изучая опыт других экспериментатор в интернете, мастер обнаружил разработку такой батареи, запатентованную в семидесятых годах в США.

Конструкция и работа устройства. Работает на простом домашнем отбеливателем, белизне. На таком электролите можно сделать замечательные аккумуляторы.
Алюминий в таком растворе не разрушается, за две недели образуется только кристаллики. При этом происходит заряд разряд.

Стакан, графитовый электрод, на него намотана обычная бумага. Спиралька из крученой проволоки. Блокинг-генератор в коробке из киндера. 1 элемента не потянет светодиод, поэтому нужен такой генератор.

Как собирается батарея. Заливаем белизну в стакан. Ждём, пока пропитается. Ждем, когда загорается светодиод. Это происходит практически сразу. Светодиод на 3 вольта. Какую вещь можно сделать с раствором поваренной соли. Но срок его работы будет не длительном. Отбеливатель кардинально превосходит по времени работы.

Посмотрим, сколько вольт выдает устройство. 1,5 вольта. Только 170 миллиампер.
Мастер создал аккумулятор внушительных размеров. На ночь оставляет его включенным, утром в течении 5 минут заряжают. После зарядки устройства как-бы набирает обороты. Увеличивается вольтаж. Светит и без просадки целую ночь.

Длительные эксперименты пока не проводились. Необходимо узнать, насколько только хватит зарядки, сколько нужно алюминия, раствора.

Рассмотрим, как собрана одна ячейка аккумулятора. Конечно, если взять алюминиевый и графитовые пластины большой площади, уменьшив при этом расстояние между ними, то есть поставить мембрану, залить электролитом, увеличился бы ток и получился бы замечательный мощный аккумулятор. Если алюминия расходуется, то это будет механический перезаряжаемые устройство. Если не расходуется, то это будет просто а к б.

Как собрал элементы на скорую руку?

В наличии пластмассовая трубка. Один конец запаял пробкой от пластиковой бутылки. Для герметизации силикон. На другой стороне обрезанная горлышко. Сердцевина представляет из себя графитовый стержень, на него намотана бумага. Проклеена, чтобы не размазывается. Завернуто, чтобы электролита шел только через бумагу. Сверху скручена алюминиевая пружинка. Можно одеть трубку. В идеале желательно собрать из пластин. Пока неизвестно, будет ли разрушаться алюминий. Но эксперименты, проведённых течение 5 дней показал, что алюминий сохранил свою целостную структуру. Проверка показала, что не было никаких окислившихся или разъеденных белизной мест.

Из нескольких таких пластмассовых трубок, начиненных графитом и алюминием, залитых раствором, собрана одна большая аккумуляторная батарейка. Выдает устройство в пределах 8 вольт, просадка на 3 вольта. Только небольшой. Соединение последовательное для увеличения вольтажа.

Мнение одного из подписчиков канала: это не аккумулятор, это просто, батарейка. Если тратится 0.2 ампера. 1 Ампер – это 1 кулон/секунду, 1 кулон – это – 1,6 х 10 ¹ ⁹ электронов. Т. о. За 1 секунду будет расходоваться 0.2*1,6 х 10 ¹ ⁹ = 3.2 х 10 ¹⁸ электронов. Алюминий трех валентный, т.е. в нем возможно окислить три электрона. Т.е. число атомов алюминия, окисляемые таким образом за 1 секунду = 3.2 х 10 ¹⁸/3 =1.1 х 10 ¹⁸ атомов алюминия. Вес 1 атома алюминия = 4.48 х 10 ⁻² ³ грамма. Перемножаем вес одного окисленного Аl на число окислений в секунду 1.1 х 10 ¹⁸ * 4.48 х 10 ⁻² ³ = 0.00005 грамма Al в секунду. Вывод – проволока весом 5 грамм (проволока 26 см 3 мм в диаметре) и таким током будет окисляться 5 / 0.00005 = 100000 секунд или 27 часов или около суток.

Вторая часть

Продолжение работы ведущего канала “Александр Пехов” над этим устройством. Осознан светильник, который выдает свет на хлорке, алюминии и отбеливателе. Три дня будет светить стабильно, потом нужно менять раствор, а алюминия хватит очень надолго при нагрузке одними светодиодами. В комментариях под видео автор указал, что раствор обновлять следует 1 раз в сутки.

Источник