Графитовые батарейки. Хлор-алюминиевый аккумулятор
|
|||||||||
В современных литий-ионных аккумуляторах катоды, обеспечивающие передачу электронов от топливной ячейки до внешней цепи, обычно изготавливаются из алюминиевой или никелевой фольги порядка 20 – 30 мкм толщиной. Но, несмотря на высокую производительность, алюминиевая фольга не может эффективно собирать электроны из-за своей плоской структуры, ограничивающей плотность мощности всей батареи, построенной на основе этого материала. Данная проблема еще больше усугубляется для толстых катодов, которые порой применяются для увеличения плотности энергии аккумулятора. Кроме того, алюминий коррозирует во многих растворах электролитов, что приводит к медленной саморазрядке и общему «старению» аккумулятора.
Как утверждают американские ученые, альтернативой алюминию и никелю может стать сверхтонкий графит в виде графитовой пены. В своей последней работе группа ученых из University of Texas (США) исследовала взаимодействие ультратонкого графита и фосфата лития железа (LFP) в рамках процесса, во многом напоминающего процесс производства литий-ионных аккумуляторов.
В ходе экспериментов ученые обнаружили, что ультратонкий графит не страдает от большинства недостатков алюминиевой или никелевой фольги. Этот материал представляет собой взаимосвязанную сеть хорошо проводящих перемычек из графита (плотность которых 1,3*10 5 см -1 при комнатной температуре), в значительной степени содействующих передаче электронов проводимости внутри катода и, соответственно, повышению плотности мощности аккумулятора.
Сверхлегкая пена может выдержать большую плотность энергии и мощности, чем обычные электронные материалы, такие как алюминий и никелевая фольга. Поскольку отношение площади поверхности к объему ультратонкого графита является крайне высоким по сравнению с его массой (вещество имеет плотность порядка 9,5 мг/см 3), для производства катодов требуется гораздо меньше материала, по сравнению с эквивалентной массой необходимой алюминиевой фольги. Плотность энергии, таким образом, также увеличивается. Подсчеты показали, что максимальная удельная мощность ультратонкого графита на 23% выше аналогичного показателя для алюминия и на 170% - того же параметра для никеля.
Но и это не все особенности графитовой пены. Исследования показали, что ультратонкий графит является крайне стабильным в таких электролитах, как LiPF 6 , при потенциалах до 5В. Это означает, что батареи, созданные с помощью этого материала, не будут подвержены коррозии и, следовательно, процессу саморазряда. Это особенно хорошая новость для пользователей устройств, работающих при высоких напряжениях, в частности, электрических и гибридных автомобилей. По мнению исследователей, разработанные ими катоды из графитовой пены могут быть использованы именно в таких приложениях.
В ближайшем будущем команда планирует провести оптимизацию размера пор и толщины стенок ультратонкого графита для еще большего повышения мощности и плотности энергии. Если процесс усовершенствования закончится успехом (в чем сами ученые не сомневаются), ультратонкий графит найдет свое применение и в других приложениях, например, в топливных элементах и суперконденсаторах.
Ученые из Стэнфордского университета изобрели первый высокопроизводительный алюминиевый аккумулятор, который быстро заряжается, долговечен и недорог. Исследователи говорят, что новая технология является безопасной альтернативой многих массово-производимых батарей сегодня.
«Мы разработали алюминиевый аккумулятор, который может заменить существующие устройства хранения энергии, такие как щелочные батареи, которые вредны для окружающей среды, а также литий-ионные батареи, которые иногда возгораются», - сказал Хонгжие Дай, профессор химии в Стэнфордском университете. «Наша новая батарея не загорится, даже если вы просверлите её насквозь.»
Профессор Дай и его коллеги описывают новые аккумуляторы в журнале Nature как: «сверх-быстро-перезаряжаемые алюминиево-ионные аккумуляторы».
Алюминий уже давно стал привлекательным материалом для батарей, в основном из-за его низкой стоимости, низкой горючести и высокой емкости заряда. В течение многих десятилетий исследователи безуспешно пытались разработать коммерчески жизнеспособную алюминий-ионную батарею. Основной задачей было найти материалы, способные производить достаточное напряжение после нескольких циклов заряда-разряда.
Графитовый катод
Алюминий-ионный аккумулятор состоит из двух электродов: отрицательно заряженный анод из алюминия и положительно заряженный катод.
«Люди пробовали различные виды материалов для катода,» сказал Дай. «Мы случайно обнаружили, что простое решение заключается в использовании графита, который состоит в основном из углерода. В нашем исследовании мы определили несколько типов графитового материала, которые дают нам очень хорошую производительность.»
В экспериментальных батареях, команда Стэнфордского университета помещала в алюминиевый анод и графитовый катод в ионный жидкий электролит, в гибкий полимерный пакет с покрытием.
Исследователи Стэндфордского университета за работой над алюминиево-ионным аккуумлятором
«Электролит в основном состоит из растворов солей, а это жидкость при комнатной температуре, поэтому это очень безопасно,» - сказал аспирант Стэнфорда Мин Гун. «Алюминиевые батареи безопаснее, чем обычные литий-ионные батареи, используемые в миллионах портативных компьютеров и мобильных телефонов на сегодняшний день, добавил профессор Дай. «Литий-ионные батареи могут стать причиной возникновения пожара», сказал он. В качестве примера он указал на недавнее решение авиакомпании Юнайтед энд Дельта, запрещающее перевозить литиевые батареи на пассажирских самолетах.
«В нашем исследовании на видео мы показываем, что вы можете просверлить аккумуляторную оболочку, но они будут продолжать работу некоторое время и не загорятся», - сказал Дай.
Одним из достоинств аккумуляторов является их является ультра-быстрая зарядка. Владельцы смартфонов знают, что это может занять несколько часов, при зарядке литий-ионных аккумуляторов. Разработчики новых аккумуляторов заявили «беспрецедентную скорость», до одной минуты у прототипа аккумулятора.
Долговечность является еще одним важным фактором. Алюминиевые батареи, разработанные в других лабораториях обычно теряют емкость уже всего после 100 циклов заряда-разряда. Батарея Стэнфордского университета в состоянии выдержать более 7500 циклов без какой-либо потери мощности. «Это первая модель алюминиево-ионных батарей, с ультра-быстрой зарядкой, со стабильностью в тысячи циклов», - пишут авторы. Для сравнения: типичный литий-ионный аккумулятор выдерживает около 1000 циклов.
«Другой особенностью алюминиевой батареи является гибкость,» - сказал Гонг. «Вы можете согнуть его и сложить, поэтому у аккумулятора есть потенциал для применения в гибких электронных устройствах. Алюминий также более дешевый металл, чем литий.»
Применение
В дополнение к использованию в портативных электронных устройствах, алюминиевые батареи могут быть использованы для хранения возобновляемой энергии в электросетях.
«Сетям нужна батарея с длительным жизненным циклом, которые могут быстро накапливать и выделять энергию», - объяснил Дай. «Наши последние неопубликованные данные свидетельствуют о том, что алюминиевую батарею можно заряжать десятки тысяч раз. Трудно представить себе строительство огромного литий-ионного хранилища для сетевого резервирования.»
«Алюминий-ионная технология также предлагает экологически чистую альтернативу одноразовым щелочным батареям», - сказал Дай. «Миллионы потребителей используют элементы типа АА и ААА напряжением 1,5 вольт. Наш аккумулятор генерирует около двух вольт электричества. Это выше, чем кто-либо добился с алюминием, но дальнейшее улучшение аккумулятора позволит достичь напряжения литий-ионных батарей » - добавил он.
«Пока плотность хранения алюминиево-ионных аккумуляторов составляет около 40 Вт*час/кг, в то время как у литий-ионных 100-206 Вт*час/кг. Но улучшение катодного материала, в конечном итоге, может увеличить напряжение и плотность энергии. В противном случае, наша батарея уже имеет все, что вы хотели иметь в батарее: недорогие электроды, хорошую безопасность, высокоскоростная зарядка, гибкость и длительный срок службы » - сообщил профессор Хонгжие Дай.
Исследовательская группа Максима Коваленко базируется в ETH Zurich и в Лаборатории тонких пленок и фотоэлектрических систем Empa. Амбициозная цель команды - создать батарею из наиболее распространенных элементов земной коры, таких как магний или алюминий, что позволило бы быстро увеличить производство аккумуляторов простым и недорогим способом. К тому же эти материалы безопасны в использовании, даже если анод изготовлен из чистого металла.
В традиционных батареях электрический ток возникает за счет катионов металлов, перемещающихся между анодом и катодом и обратно. В качестве альтернативы можно использовать большие, но легкие органические анионы. Однако это порождает ряд вопросов: в какой среде должны перемещаться эти легкие анионы и какой материал подойдет для изготовления катода? В литий-ионных батареях катод изготовлен из оксида металла, который может легко поглощать небольшие катионы лития во время зарядки. Однако большие органические ионы слишком велики и имеют заряд, противоположный заряду катионов лития.
Чтобы решить эту проблему, команда Коваленко поставила принцип литий-ионной батареи с ног на голову. В обычных литий-ионных батареях анод выполнен из графита, слои которого в заряженном состоянии содержат ионы лития. Напротив, в батарее Коваленко графит используется как катод, а крупные анионы осаждаются между слоями графена. Анод, в свою очередь, сделан из металла.
Empa / ETH Zürich
Сотрудник лаборатории Константин Кравчик обнаружил, что в качестве доступного материала для катодов может использоваться отработанный в ходе производства стали графит, так называемая графитовая спель. Так же хорошо подходит естественный графит, поставляемый в виде хлопьев и имеющий открытую молекулярную структуру, куда могут легче проникать крупные анионы. В то же время мелкозернистый графит, обычно используемый в литий-ионных батареях, не подходит для батареи Коваленко: в таком графите слои смяты, и внутрь способны проникать лишь небольшие литиевые катионы.
Батарея с катодом, изготовленным из графитовой спели или необработанных графитовых хлопьев, может стать очень рентабельной. И, как показали первые эксперименты, долговечной: лабораторный прототип в течение нескольких месяцев пережил тысячи циклов зарядки и разрядки. По словам членов команды, аккумулятор на основе хлорида алюминия и графита может эксплуатироваться в течение десятилетий в повседневном бытовом использовании. В настоящее время исследовательская группа работает над увеличением напряжения батареи и плотности энергии.
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. 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.
Загрузка...
