مقدمة موجزة عن بطارية الهواء-المنيوم المصنوعة من الألومنيوم
ترك رسالة
بطاريات الألمنيوم الهوائية(بطاريات الهواء) تنتج الكهرباء من تفاعل الأكسجين الموجود في الهواء مع الألومنيوم. تتمتع بواحدة من أعلى كثافة الطاقة بين جميع البطاريات، ولكنها لا تستخدم على نطاق واسع بسبب مشاكل تتعلق بتكلفة الأنود العالية وإزالة المنتجات الثانوية عند استخدام الإلكتروليتات التقليدية. وقد أدى هذا إلى قصر استخدامها على التطبيقات العسكرية بشكل أساسي. ومع ذلك، تتمتع السيارة الكهربائية المزودة ببطاريات الألومنيوم بقدرة تصل إلى ثمانية أضعاف نطاق بطارية أيون الليثيوم- مع وزن إجمالي أقل بشكل ملحوظ.
بطاريات الألومنيوم-الهواء هي خلايا أولية، أي غير -قابلة لإعادة الشحن. بمجرد استهلاك أنود الألومنيوم من خلال تفاعله مع الأكسجين الجوي عند كاثود مغمور في محلول كهربائي قائم على الماء- لتكوين أكسيد الألومنيوم المائي، لن تنتج البطارية الكهرباء بعد ذلك. ومع ذلك، من الممكن إعادة شحن البطارية ميكانيكيًا باستخدام أنودات ألومنيوم جديدة مصنوعة من إعادة تدوير أكسيد الألومنيوم المائي. إن إعادة التدوير هذه ستكون ضرورية إذا تم اعتماد بطاريات الألومنيوم الهوائية على نطاق واسع.
لقد كانت المركبات التي تعمل بالطاقة-الألومنيوم قيد المناقشة لعدة عقود. يخفف التهجين من التكاليف، وفي عام 1989 تم الإبلاغ عن اختبارات الطريق لبطارية الألومنيوم والهواء والرصاص والحمض المهجنة في السيارة الكهربائية. تم عرض -قابس يعمل بالألمنيوم-في شاحنة صغيرة هجينة في أونتاريو في عام 1990.
في مارس 2013، فينيرجي أصدروا عرضًا بالفيديو لسيارة كهربائية تستخدم خلايا الهواء والألمنيوم تسير لمسافة 330 كيلومترًا باستخدام كاثود خاص وهيدروكسيد البوتاسيوم. في 27 مايو 2013، أظهر البث الإخباري المسائي للقناة 10 الإسرائيلية سيارة مزودة ببطارية فينيرجي في الخلف، تبلغ مداها 2000 كيلومتر (1200 ميل) قبل أن يكون استبدال أنودات الألومنيوم ضروريًا.
الكيمياء الكهربائية
نصف تفاعل أكسدة الأنود- هو Al + 3OH− → آل (يا)3 + 3e− -2.31 V.
نصف تفاعل اختزال الكاثود-هو O2 + 2H2O + 4e−→ 4OH−
+0.40 V.
التفاعل الكلي هو 4Al + 3O2 + 6H2يا → 4Al(OH)3 +2.71 V.
يتم إنشاء حوالي 1.2 فولت من فرق الجهد عن طريق هذه التفاعلات ويمكن تحقيقه عمليًا عند استخدام هيدروكسيد البوتاسيوم كإلكتروليت. يحقق إلكتروليت المياه المالحة حوالي 0.7 فولت لكل خلية.
يمكن أن يختلف الجهد النوعي للخلية اعتمادًا على تركيبة المنحل بالكهرباء بالإضافة إلى بنية الكاثود ومواده.
يمكن استخدام معادن أخرى بطريقة مماثلة، مثل الليثيوم-الهواء، والزنك-الهواء، والمنغنيز-الهواء، والصوديوم-الهواء، وبعضها ذو كثافة طاقة أعلى. ومع ذلك، فإن الألومنيوم جذاب باعتباره المعدن الأكثر استقرارًا.
| طاقة محددة | 1300 (عملي)، 6000/8000 (نظري) واط·ساعة/كجم |
|---|---|
| كثافة الطاقة | N/A |
| قوة محددة | 200 واط/كجم |
| جهد الخلية الاسمي | 1.2 V |
الأنود
لقد تم استخدام الألومنيوم (Al) على نطاق واسع كمادة أنودية في بطاريات الهواء المعدنية-نظرًا لكثافة الطاقة العالية وقابلية إعادة التدوير ووفرتها. ومع ذلك، فإن التحديات التي تواجه الأنودات تشمل التآكل والتخميل. تؤدي الشوائب الموجودة في الألومنيوم المتوفر تجاريًا إلى تكوين طبقات تضعف الأداء. تنتج تفاعلات التآكل الهيدروجين وتشكل هيدروكسيدات الألومنيوم، في حين أن تكوين طبقة الأكسيد عند التعرض للهواء أو الماء يحد من الأداء الوظيفي.
يتضمن تحسين أداء الأنود تحسين حجم الحبوب واتجاه البلورة، حيث تعمل هياكل الحبوب الدقيقة على تعزيز مقاومة التآكل والنشاط الكهروكيميائي. تناولت الدراسة التي أجراها فان ولو العلاقة بين حجم الحبوب وأداء الأنود. في هذه الدراسة، تم إنشاء أنودات الألومنيوم ذات أحجام الحبوب الدقيقة باستخدام طريقة تسمى الضغط الزاوي المتساوي للقناة (ECAP). مع زيادة عدد تمريرات البثق، أصبحت الحبوب أصغر حجما وأكثر تجانسا. ومع ذلك، كانت العملية محدودة بسبب الحرارة الناتجة عن التشوه مما تسبب في نمو بعض الحبوب. أظهرت النتائج أن تحسين حجم الحبيبات أدى إلى تحسين النشاط الكهروكيميائي للأنود، وتقليل التآكل، وزيادة الاستقطاب ومقاومة نقل الشحنة-. أكدت الاختبارات أن أداء الأنود ذو الحبيبات الدقيقة أفضل من الأنود ذو الحبيبات الأكبر. يوفر هيكل الحبيبات الدقيقة- أيضًا خصائص أفضل مضادة للتآكل-أداءً محسنًا للبطارية في محلول NaOH يبلغ 4 مول/لتر. بكثافة تيار 10 مللي أمبير / سم2، أظهر أنود الحبوب الدقيقة- زيادة بنسبة 41.5% في كثافة السعة وزيادة بنسبة 55.5% في كثافة الطاقة مقارنةً بأنود الحبوب الخشنة-. إلى جانب تحسين البنية المجهرية، يمكن أن تؤثر معالجة الأنودات أيضًا على الأداء. تُظهر الأنودات المصنعة باستخدام التلبيد بالليزر قدرة متزايدة مقارنة بالعينات غير الملبدة-، مما يسلط الضوء على أهمية معالجة الأنود من حيث أداء الأنود.
بالإضافة إلى تحسين البنية المجهرية وتطوير طرق معالجة أفضل، فإن خلط Al مع عناصر مثل Ga وZn وSn يساعد في تخفيف التآكل وتطور الهيدروجين. الزنك، على وجه الخصوص، معروف على نطاق واسع كعنصر صناعة سبائك مفيد في أنودات بطارية الهواء -لأنه يساعد في تقليل معدل التآكل الذاتي-ويزيد من جهد الخلية الاسمي. ومع ذلك، فإن الدراسة التي أجراها بارك وتشوي وكيم تسلط الضوء على عيب: إضافة الزنك يمكن أن يؤدي في الواقع إلى تقليل أداء تفريغ الأنود في المحاليل القلوية بسبب تأثيرات التخميل أثناء الاستقطاب الأنودي. وعلى وجه التحديد، يعزز الزنك تكوين نوعين من أفلام الأكسدة. الأول، النوع الأول، عبارة عن طبقة مسامية مكونة من Zn(OH)2وأكسيد الزنك المعيب، والذي يتشكل عند إذابة Zn(OH)42-يترسب من المنحل بالكهرباء السائبة. أما النوع الثاني، وهو الفيلم من النوع 2، فهو عبارة عن طبقة واقية مدمجة من أكسيد الزنك تتشكل مباشرة من أكسدة سطح المعدن وهي أكثر استقرارًا. يقوم هذا الفيلم من النوع 2 بإنشاء طبقة تخميل تعمل على إضعاف أداء التفريغ لبطارية الهواء-. ومع ذلك، فإن إضافة الإنديوم (In) يساعد على تحطيم وزعزعة استقرار هذه الطبقة السلبية من الزنك. تتسبب الأيونات بشكل متكرر في حدوث عيوب داخل الطبقة من النوع 2 من خلال دورة الانهيار وإعادة التعطيل، مما يؤدي إلى إضعاف الحاجز الواقي بشكل فعال وتحسين كفاءة تفريغ البطارية. ونتيجة لذلك، فإن استخدام Al-Zn-في أنود السبائك الثلاثية، الذي يتم إنتاجه من الألومنيوم المتوفر تجاريًا بدلاً من الألومنيوم عالي النقاء-باهظ الثمن، يقدم حلاً فعالاً من حيث التكلفة-مع أداء محسن.
أظهرت سبائك النحاس-المترسبة أيضًا نتائج واعدة باعتبارها مادة أنودية، مما يشكل طبقات واقية تقلل من تطور الهيدروجين وتعزز أداء التفريغ. أظهرت دراسة أجراها Mutlu وYazıcı أن الترسيب الكهربي للنحاس يساعد في تقليل مقاومة نقل الشحنة-لأنودات الألومنيوم. وذلك لأن بعض المركبات (مثل Al(OH)2+، آل7(أوه)174+، آل2(أوه)24+، و آل13(أوه)345+) تتراكم على السطح وتخلق مقاومة. في المقابل، آل(OH)3يذوب في المحاليل القلوية مكونا Al(OH)4-، الذي لديه معدل ذوبان أقل ويحافظ على التوازن بين Al(OH) وAl(OH)4-. يساعد النحاس على إزالة هذه المركبات من السطح، مما يقلل المقاومة ويحسن أداء التفريغ. بالإضافة إلى ذلك، فإن مقاومة أكسيد الألومنيوم أعلى من مقاومة مزيج الألومنيوم النحاسي-، لذلك يقلل النحاس من مقاومة الفيلم ويجعله أكثر متانة. بشكل عام، يعد التقدم في تركيب السبائك وطرق التصنيع أمرًا بالغ الأهمية لزيادة كفاءة وفعالية تكلفة-أنودات آل.
التسويق
تمت دراسة الألومنيوم باعتباره "وقودًا" للمركبات بواسطة يانغ ونيكل. وفي عام 2002 توصلوا إلى ما يلي:
يمكن لنظام بطارية Al/air توليد ما يكفي من الطاقة والطاقة لنطاقات القيادة والتسارع على غرار السيارات التي تعمل بالبنزين... يمكن أن تكون تكلفة الألومنيوم كأنود منخفضة تصل إلى 1.1 دولار أمريكي/كجم طالما يتم إعادة تدوير منتج التفاعل. يمكن أن يصل إجمالي كفاءة استهلاك الوقود أثناء عملية الدورة في مركبات الهواء الكهربائية (EVs) إلى 15% (المرحلة الحالية) أو 20% (المتوقعة)، مقارنة بتلك الخاصة بالمركبات ذات محركات الاحتراق الداخلي (ICEs) (13%). تبلغ كثافة طاقة البطارية التصميمية 1300 واط ساعة/كجم (حاليًا) أو 2000 واط ساعة/كجم (متوقع). تبلغ تكلفة نظام البطارية الذي تم اختياره للتقييم 30 دولارًا أمريكيًا/كيلووات (حاليًا) أو 29 دولارًا أمريكيًا/كيلووات (متوقعًا). تم إجراء تحليل دورة حياة -المركبات الكهربائية Al/air ومقارنتها بالمركبات الكهربائية التي تحتوي على الرصاص/الحمض وهيدريد معدن النيكل (NiMH). يمكن توقع أن تتمتع سيارات Al/air EV فقط بنطاق سفر مماثل لمركبات ICE. من هذا التحليل، تعتبر مركبات Al/air EV هي أكثر المركبات المرشحة الواعدة مقارنة بمركبات ICE من حيث نطاق السفر، وسعر الشراء، وتكلفة الوقود، وتكلفة دورة الحياة-.
لا تزال هناك مشاكل فنية بحاجة إلى حل لجعل بطاريات الهواء مناسبة للسيارات الكهربائية. الأنودات المصنوعة من الألومنيوم النقي تتآكل بسبب الإلكتروليت، لذلك عادة ما يتم خلط الألومنيوم مع القصدير أو عناصر أخرى. تشكل الألومينا المائية الناتجة عن تفاعل الخلية مادة تشبه الهلام-عند القطب الموجب وتقلل من خرج الكهرباء. هذه مشكلة يتم تناولها في أعمال التطوير على خلايا الهواء. على سبيل المثال، تم تطوير المواد المضافة التي تشكل الألومينا على شكل مسحوق وليس على شكل هلام.
تتكون كاثودات الهواء الحديثة من طبقة تفاعلية من الكربون مع مجمع تيار شبكي-من النيكل، ومحفز (على سبيل المثال، الكوبالت)، وطبقة مسامية من متعدد رباعي فلورو إيثيلين مقاومة للماء تمنع تسرب الإلكتروليت. يمر الأكسجين الموجود في الهواء عبر متعدد رباعي فلورو إيثيلين ثم يتفاعل مع الماء لتكوين أيونات الهيدروكسيد. تعمل هذه الكاثودات بشكل جيد، لكنها قد تكون باهظة الثمن.
تتمتع بطاريات الهواء التقليدية بفترة صلاحية محدودة، لأن الألومنيوم تفاعل مع الإلكتروليت وأنتج الهيدروجين عندما لم تكن البطارية قيد الاستخدام؛ ولم يعد هذا هو الحال مع التصاميم الحديثة. يمكن تجنب المشكلة عن طريق تخزين الإلكتروليت في خزان خارج البطارية ونقله إلى البطارية عندما يكون ذلك مطلوبًا للاستخدام.
يمكن استخدام هذه البطاريات كبطاريات احتياطية في بدالات الهاتف وكمصادر طاقة احتياطية.
مشكلة أخرى هي تكلفة المواد التي يجب إضافتها إلى البطارية لتجنب انخفاض الطاقة. لا يزال الألمنيوم رخيصًا جدًا مقارنة بالعناصر الأخرى المستخدمة في صناعة البطاريات. تبلغ تكلفة الألومنيوم 2.51 دولارًا للكيلوغرام الواحد، في حين تبلغ تكلفة الليثيوم والنيكل 12.59 دولارًا و17.12 دولارًا للكيلوغرام الواحد على التوالي. ومع ذلك، هناك عنصر آخر يستخدم عادة في هواء الألومنيوم كمحفز في الكاثود وهو الفضة، والتي تكلف حوالي 922 دولارًا للكيلوغرام الواحد (أسعار 2024).
قد تصبح بطاريات الألومنيوم الهوائية حلاً فعالاً للتطبيقات البحرية بسبب كثافة الطاقة العالية، والتكلفة المنخفضة، ووفرة الألومنيوم، مع عدم وجود انبعاثات عند نقطة الاستخدام في القوارب والسفن. ألوما باور, فينيرجي مارين, سجل 9 المواد، RiAlAiR والعديد من الشركات التجارية الأخرى تعمل على تطبيقات تجارية وعسكرية في البيئة البحرية.
يتم إجراء البحث والتطوير على إلكتروليتات بديلة وأكثر أمانًا وعالية الأداء مثل المذيبات العضوية والسوائل الأيونية. ويركز آخرون مثل AlumaPower على الأساليب الميكانيكية للتخفيف من العديد من المشكلات التاريخية المتعلقة ببطاريات الهواء-. توضح براءة اختراع AlumaPower (US10978758B2) طريقة تقوم بتدوير الأنود مما يزيل أنماط التآكل والتآكل في الأنود. تدعي براءة الاختراع أيضًا أن التصميم يمكن أن يستخدم أي خردة من الألومنيوم، بما في ذلك علب الصودا المعاد صهرها وكتل المحرك.
