Billy Hurley, Digital Editorial Manager
Baterie kov-vzduch jsou lehké, kompaktní zdroje energie s vysokou hustotou energie, ale měly jedno velké omezení:
Nová konstrukce z Massachusettského technologického institutu využívá olej ke snížení koroze a prodloužení životnosti jednorázových kovovzdušných baterií.
Klíč:
Aby výzkumníci z MIT zabránili poškození kovu, umístili mezi hliníkovou elektrodu a elektrolyt – tekutinu mezi dvěma elektrodami baterie, která při pohotovostním režimu rozežírá hliník – olejovou bariéru.
Olej je rychle odčerpán a nahrazen elektrolytem, jakmile je baterie použita.
V důsledku toho se ztráty energie sníží na pouhou nulu.02 procent měsíčně, což je podle týmu MIT více než tisícinásobné zlepšení.
O zjištěních informoval minulý týden v časopise Science bývalý postgraduální student MIT Brandon J. Hopkins ’18, W.M. Kecka Yang Shao-Horn a profesor strojního inženýrství Douglas P. Hart.
Jak přesně funguje baterie kov-vzduch?
Baterie kov-vzduch používá nějaký druh kovu (například hliník) jako anodu, vzduch jako katodu spolu s tekutým elektrolytem.
V případě hliníku se pak kyslík ze vzduchu spojí s kovem a vytvoří hydroxid hlinitý, který aktivuje proces elektrolýzy a vytvoří proud.
Protože hliník přitahuje vodu, zbývající elektrolyt často ulpívá na povrchu hliníkových elektrod, a to i poté, co je elektrolyt z článku vypuštěn.
„Baterie mají složitou strukturu, takže je zde mnoho zákoutí, ve kterých se elektrolyt může zachytit,“ řekl Hopkins .
Mnoho rohů vede k mnoha příležitostem ke korozi.
Hopkins a jeho tým však mezi elektrody baterie umístili tenkou membránovou bariéru; obě strany membrány jsou při používání baterie naplněny tekutým elektrolytem.
Když je baterie uvedena do pohotovostního režimu, je na stranu nejblíže hliníkové elektrodě napumpován olej, který chrání hliníkový povrch před elektrolytem na druhé straně membrány.
Hliník ponořený do vody odpuzuje olej z povrchu. Když se baterie znovu aktivuje a elektrolyt se napumpuje zpět do článku, elektrolyt snadno vytlačí olej z hliníkového povrchu, čímž se obnoví výkon baterie.
Výsledkem je prototyp hliníkovzdušné baterie s mnohem delší životností než u běžných hliníkovzdušných baterií. Když byla baterie opakovaně použita a poté uvedena do pohotovostního režimu na jeden až dva dny, vydržela konstrukce MIT 24 dní, zatímco konvenční konstrukce pouze tři dny.
I když je součástí zvětšených primárních hliníkovzdušných baterií olej a čerpací systém, jsou stále pětkrát lehčí a dvakrát kompaktnější než dobíjecí lithium-iontové baterie pro elektromobily, uvedli vědci.
V současné době se hliníkovzdušné baterie používají jako záložní zdroje energie. Profesor Hart hovořil s Tech Briefs o tom, proč věří, že nová konstrukce jednou najde uplatnění nejen ve výklenkových aplikacích, ale i v elektrických vozidlech.
Tech Briefs:
Douglas Hart, profesor strojního inženýrství: Jsou to baterie s extrémně vysokou energetickou hustotou. Jsou považovány za primární baterie, což znamená, že se nedají dobíjet. V tomto případě se spotřebovává hliník.
A hliník je na rozdíl od mnoha jiných kovů, které se pro výrobu baterií vyrábějí, extrémně hojný. Hliník je jedním z nejhojnějších materiálů na Zemi a je rozšířen po celém světě, takže ho nevlastní jedna země.
Tech Briefs:
Jedním z problémů záložních generátorů je, že jejich uvedení do provozu chvíli trvá a používají naftu, která se může zkazit. Proto má mnoho nemocnic jako záložní systémy hliníkovzdušné baterie; když vypadne proud, mohou se velmi rychle vrátit do provozu, přinejmenším na tak dlouho, než se spustí sekundární systém napájení.
Phinergy , společnost v Izraeli, vyrábí hliníkovzdušné baterie pro prodlužovače dojezdu u automobilů. Plánuje se jejich zařazení, takže pokud vám dojde elektrická energie z baterie v elektrickém vozidle, měla by se zapojit hliníkovzdušná baterie a ujet další kilometry, abyste se dostali k nabíjecí stanici. Jsou v podstatě bateriovým systémem, který lze vyměnit, právě proto, že mají mnohem vyšší energii než lithium-iontové baterie.
Tech Briefs:
Prof: Jaká jsou omezení baterií typu kov-vzduch? Jakmile je jednou zapnete, už je nemůžete vypnout. Jediný způsob, jak reakci zastavit, je vypustit elektrolyt ze systému. A když to uděláte, pokaždé zůstane trochu elektrolytu na kovovém povrchu baterie a způsobí její korozi. Po nějaké době můžete elektrolyt vrátit zpět a baterie se už nerozběhne; baterie zkoroduje a tento vedlejší produkt ji na povrchu ucpe. Někteří lidé zjistili, že ji můžete propláchnout vodou, ale voda se kontaminuje elektrolytem.
Tech Briefs: Proč je zmírnění korozního efektu tak důležité?
Prof. Hart: Chtěli byste mít možnost používat tyto baterie v něčem, jako je automobil; chcete ho zaparkovat na příjezdové cestě, nechat ho tam týden, vrátit se a očekávat, že opět nastartuje. Tyto baterie se pomalu požírají, takže přicházíte o velkou část energie. Hustota energie pak ztrácí smysl, protože se spotřebovává sama.
Lidé hledali nejrůznější způsoby, jak tento proces koroze zmírnit. Hledali lepší chemické látky pro povrch hliníku a slitin. My jsme objevili velmi jednoduchý přístup: Místo proplachování vodou jednoduše vytěsníme elektrolyt olejem.
Tech Briefs:
Prof. Hart: První reakce, kterou všichni měli, byla: „Děláte si legraci? Ta ropa všechno ucpe a zničí“. Ukázalo se, že v přítomnosti elektrolytu hliník raději pracuje s elektrolytem než s olejem. Olej ve skutečnosti věci nezanáší. Jednoduše vytěsní elektrolyt, zastaví reakci (protože je nevodivý), a jakmile se elektrolyt vrátí, reakce se znovu rozběhne. Ale ještě lepší je, že to můžeme proplachovat stejným olejem znovu a znovu a nikdy se systém neznečistí.
Tech Briefs: Je snadné tuto konstrukční vlastnost začlenit?
Prof. Hart: Zavedení membrány je ve skutečnosti velmi snadné. Vlastně ji lze zabudovat do samotné katody ještě před instalací. Je to velmi jednoduchá úprava stávající technologie baterií. Je to tenká membrána, která chrání katodu, protože katoda je materiál s vysokým kontaktním povrchem. Membrána zajišťuje dlouhodobou životnost materiálu katody. Umožňuje také použití olejů, které nejsou tak stabilní jako jiné oleje.
Tech Briefs: V jakých aplikacích se tato nová konstrukce používá?
Prof. Hart: Určitě se hodí prodloužení dojezdu pro automobily. Jedním z důvodů, proč se lidé bojí kupovat elektromobily, je to, že se k smrti bojí, že jim dojde energie. A , tohle by se používalo hlavně jako záložní systém, aby se překonal tento strach z toho, že se nestačí dostat k dalšímu nabíjecímu systému.
Tech Briefs:
Prof. Hart: Budou se stále používat jako záložní zdroje energie? V současné době má mnoho lidí ve svých domech malé generátory, ale ty produkují oxid uhelnatý, takže jejich používání je velmi nebezpečné. Hliníkovzdušné baterie jsou mnohem bezpečnějším zařízením, které může ležet ve sklepě, než záložní generátor. Pokud vypadne proud, můžete jej zapnout. Pokud se napájení obnoví, můžete jej vypnout. A hliníkovzdušná baterie je jistě skvělá pro použití v nemocnicích a v záložních napájecích systémech pro datové servery.
Tech Briefs:
Prof. Hart: Jsou dnes kovovo-vzduchové baterie vhodnou volbou ve srovnání například s lithium-iontovými bateriemi? V současné době, pokud byste chtěli vytvořit náš dopravní systém a převést jej celý na elektrická vozidla, lidé poukazují na lithium-iontové baterie; Tesla jistě používá lithium-iontové baterie. Ale lithium-iontové baterie vyžadují lithium, které vlastní podmnožina zemí na světě. To z ní dělá politicky obtížnou situaci.
Nejhorší je, že kobaltu prostě není dost na to, aby se z něj dalo vyrobit dost baterií pro všechna auta na světě. Musí se najít alternativa ke kobaltu. Někteří odborníci tvrdí, že se jim podaří nahradit kobalt niklem. Musíme najít alternativní systém baterií, aby byly věci jako skladovací systémy životaschopné, protože prostě nemáme dostatek kobaltu a niklu.
Hliník je skvělý zdroj energie pro jakýkoli typ dopravního systému. Dokážu si představit jeho využití v letadlech a na dalších místech, kde by se mohly používat standardní baterie. Opět platí, že je nelze dobíjet. Jsou spíše palivem než čistým zařízením pro ukládání energie.
Tech Briefs:
Prof. Hart: Doufám, že se toho ujme některý z komerčních výrobců baterií. Myslím, že to má velký potenciál, a byl bych rád, kdyby se to začalo používat. Z hlediska výzkumu v laboratoři jsme ukázali asi všechno, co jsme potřebovali, a myslím, že teď je třeba to implementovat do skutečného systému a ověřit to pro komerční použití.
Tech Briefs: Co ukázaly výsledky?
Prof. Hart: Jak dobře funguje baterie? Fenomenálně. Brandonovi se podařilo prokázat, že jej můžete zapínat a vypínat po celou dobu životnosti baterie a na rozdíl od předchozích systémů nedochází téměř k žádné degradaci. V podstatě tato práce tomu dala schopnost vypnout se jako normální baterie, takže to tam neleží a nekoroduje, zatímco to stojí na příjezdové cestě, chcete-li.
To znamená, že pro něco, jako je nemocnice, když vypadne proud, můžete tu věc skutečně zapnout, a pokud nespotřebujete veškerou energii, která je v baterii, můžete baterii vypnout a použít ji znovu příště. Za normálních okolností může dojít k výpadku napájení, který trvá několik minut, a pak se napájení obnoví. Tuto velmi drahou baterii jste vyčerpali, protože zatímco tam leží, koroduje. Nyní ji můžete zapínat a vypínat podle libosti.