Billy Hurley, Digitaalinen toimituspäällikkö
Metalli-ilma-akut ovat kevyitä, kompakteja voimanlähteitä, joilla on suuri energiatiheys, mutta niillä on ollut merkittävä rajoitus:
Massachusetts Institute of Technologyn uusi malli käyttää öljyä vähentääkseen korroosiota ja pidentääkseen kertakäyttöisten metalli-ilma-akkujen käyttöikää.
Avain: Öljy.
Metallin rappeutumisen estämiseksi MIT:n tutkijat asettivat öljysulun alumiinielektrodin ja elektrolyytin väliin – nesteen, joka on akun elektrodien välissä ja joka syö alumiinia, kun akku on valmiustilassa.
Öljy pumpataan nopeasti pois ja korvataan elektrolyytillä heti kun akkua käytetään.
Tuloksena energiahäviö laskee vain 0:aan.02 prosenttia kuukaudessa – MIT:n tiimin mukaan yli tuhatkertainen parannus.
Havainnot raportoi viime viikolla Science-lehdessä MIT:n entinen jatko-opiskelija Brandon J. Hopkins ’18, W.M. Keckin energia-alan professori Yang Shao-Horn ja konetekniikan professori Douglas P. Hart.
Miten metalli-ilma-akku tarkalleen ottaen toimii?
Metalli-ilma-akussa käytetään jonkinlaista metallia (kuten alumiinia) anodina, ilmaa katodina sekä nestemäistä elektrolyyttiä.
Alumiinin tapauksessa ilman happi yhdistyy sitten metallin kanssa muodostaen alumiinihydroksidia, joka aktivoi elektrolyysiprosessin ja synnyttää virran.
Koska alumiini vetää puoleensa vettä, jäljelle jäävä elektrolyytti tarttuu usein alumiinielektrodin pintoihin, jopa sen jälkeen, kun elektrolyytti on tyhjennetty pois kennosta.
”Akuissa on monimutkaiset rakenteet, joten elektrolyytti voi jäädä kiinni moniin nurkkiin”, Hopkins sanoi .
Monet nurkat johtavat moniin korroosiomahdollisuuksiin.
Hopkins ja hänen työryhmänsä asettivat kuitenkin ohuen kalvosulun akun elektrodien väliin; kalvon molemmat puolet täytetään nestemäisellä elektrolyytillä, kun akku on käytössä.
Kun akku laitetaan valmiustilaan, alumiinielektrodia lähinnä olevalle puolelle pumpataan öljyä, joka suojaa alumiinipintaa kalvon toisella puolella olevalta elektrolyytiltä.
Veteen upotettuna alumiini hylkii öljyä pinnalta. Kun akku aktivoidaan uudelleen ja elektrolyytti pumpataan takaisin kennoon, elektrolyytti syrjäyttää öljyn helposti alumiinipinnalta, mikä palauttaa akun tehon.
Tuloksena on alumiiniilma-prototyyppi, jonka säilyvyysaika on paljon pidempi kuin tavanomaisten alumiiniilma-akkujen. Kun akkua käytettiin toistuvasti ja laitettiin sitten valmiustilaan yhdeksi tai kahdeksi päiväksi, MIT:n malli kesti 24 päivää, kun taas perinteinen malli kesti vain kolme päivää.
Jopa silloin, kun öljy ja pumppujärjestelmä sisällytetään skaalattuihin ensisijaisiin alumiiniilma-akkuihin, ne ovat silti viisi kertaa kevyempiä ja kaksi kertaa pienempikokoisia kuin sähköajoneuvoissa käytettävät ladattavat litium-ioniakkujen akkupaketit, tutkijat raportoivat.
Nykyisin alumiiniilma-akkujen akkuja käytetään varavoimanlähteinä. Professori Hart puhui Tech Briefsin kanssa siitä, miksi hän uskoo uuden rakenteen löytävän jonain päivänä tiensä kapeista sovelluksista sähköajoneuvoihin.
Tech Briefs: Douglas Hart, konetekniikan professori: Ne ovat erittäin suuren energiatiheyden omaavia akkuja. Niitä pidetään primääriakkuina, eli ne eivät ole ladattavia. Tällöin alumiini kuluu.
Ja alumiinia on erittäin runsaasti, toisin kuin monia muita metalleja, joita käytetään akkujen valmistukseen. Alumiini on yksi maapallon runsaimmista materiaaleista, ja se on levinnyt kaikkialle maailmaan, joten se ei ole jotain, jota yksi maa omistaa.
Tech Briefs: Missä metalli-ilma-akkuja käytetään tällä hetkellä?
Yksi varageneraattoreiden ongelmista on se, että niiden käyttöönotto kestää jonkin aikaa ja niissä käytetään dieselpolttoainetta, joka voi pilaantua. Niinpä monissa sairaaloissa on alumiini-ilma-akkuja varajärjestelminä; kun sähköt katkeavat, ne voivat mennä hyvin nopeasti takaisin verkkoon, ainakin niin kauan, että varavoimajärjestelmä ehtii kytkeytyä verkkoon.
Israelilaisyritys Phinergy valmistaa alumiini-ilma-akkuja autojen toimintasäteen pidentäjiksi. Niitä on tarkoitus ottaa mukaan, joten jos sähköauton akusta loppuu sähkövirta, alumiini-ilma-akun pitäisi potkaista käyntiin ja saada sinut lisäkilometreille, jotta pääset latausasemalle. Ne ovat periaatteessa akkujärjestelmä, joka voidaan vaihtaa, koska niissä on niin paljon enemmän energiaa kuin litiumioniakussa.
Tech Briefs:
Prof. Hart: Kun ne on kerran kytketty päälle, niitä ei voi kytkeä pois päältä. Ainoa tapa pysäyttää reaktio on valuttaa elektrolyytti pois järjestelmästä. Ja kun niin tehdään, joka kerta jää vähän elektrolyyttiä akun metallipinnalle ja syövyttää sitä. Jonkin ajan kuluttua voit laittaa elektrolyytin takaisin, mutta se ei käynnisty uudelleen; akku syöpyy, ja pinnalla oleva sivutuote tukkii sen. Jotkut ovat keksineet, että sen voi huuhdella vedellä, mutta vesi saastuu elektrolyytillä.
Tech Briefs: Miksi korroosiovaikutuksen lieventäminen on niin tärkeää?
Prof. Hart: Näitä akkuja haluttaisiin käyttää esimerkiksi autossa; ne halutaan pysäköidä pihatielle, jättää sinne viikoksi, palata takaisin ja odottaa sen käynnistyvän uudelleen. Nämä akut syövät hitaasti itseään, joten menetät paljon energiaa. Energiatiheydestä tulee silloin hyödytön, koska se kuluttaa itseään.
Ihmiset ovat miettineet kaikenlaisia keinoja tämän korroosioprosessin lieventämiseksi. He ovat etsineet parempia kemiaa alumiinin ja seosten pinnalle. Me löysimme hyvin yksinkertaisen lähestymistavan: Sen sijaan, että huuhtelisimme sen vedellä, korvaamme elektrolyytin yksinkertaisesti öljyllä.
Tech Briefs: Mikä oli reaktio tähän ideaan?
Prof. Hart: Kaikkien ensimmäinen reaktio oli: ”Oletko tosissasi? Öljy tukkii kaiken ja tuhoaa sen.” Kävi ilmi, että elektrolyytin läsnä ollessa alumiini toimii mieluummin elektrolyytin kuin öljyn kanssa. Öljy ei itse asiassa likaa asioita. Se vain syrjäyttää elektrolyytin, pysäyttää reaktion (koska se ei johda), ja heti kun elektrolyytti laitetaan takaisin, se käynnistyy uudelleen. Mutta vielä parempaa on se, että voimme huuhdella sitä samalla öljyllä yhä uudestaan ja uudestaan, eikä järjestelmä saastu koskaan.
Tech Briefs: Onko tämä helppo suunnittelutekijä sisällyttää?
Prof. Hart: Kalvo on itse asiassa hyvin helppo asentaa. Se voidaan itse asiassa rakentaa itse katodiin ennen asennusta. Se on hyvin yksinkertainen muutos nykyiseen akkutekniikkaan. Se on ohut kalvo, joka suojaa katodia, koska katodi on materiaalia, jolla on suuri pintakosketus. Kalvo takaa katodimateriaalille pitkäaikaisen pitkäikäisyyden. Se mahdollistaa myös sellaisten öljyjen käytön, jotka eivät ole yhtä vakaita kuin muut öljyt.
Tech Briefs: Millaisissa sovelluksissa tätä uutta mallia nähdään käytettävän?
Prof. Hart: Autojen kantaman pidentäjät on varmasti hyvä vaihtoehto. Yksi syy siihen, että ihmiset pelkäävät ostaa sähköautoja, on se, että he pelkäävät kuollakseen virran loppumista. Ja , tätä käytettäisiin lähinnä varajärjestelmänä, jotta päästäisiin yli tuosta pelosta, ettei riitä seuraavaan latausjärjestelmään.
Tech Briefs:
Prof. Hart: Tällä hetkellä monilla ihmisillä on taloissaan pieniä generaattoreita, mutta ne tuottavat hiilimonoksidia, joten niiden käyttö on hyvin vaarallista. Alumiini-ilma-akut ovat paljon turvallisempi laite kellarissa kuin varageneraattori. Jos sähköt katkeavat, voit kytkeä sen päälle. Jos sähköt palaavat, voit sammuttaa sen. Ja alumiini-ilma-akku sopii varmasti erinomaisesti sairaalakäyttöön ja datapalvelimien varavoimajärjestelmiin.
Tech Briefs:
Prof. Hart: Juuri nyt, jos haluttaisiin tehdä liikennejärjestelmämme ja muuttaa se kokonaan sähköajoneuvoiksi, ihmiset ovat viitanneet litium-ioniakkuihin; Tesla käyttää varmasti litium-ioniakkuja. Mutta litiumioniakut vaativat litiumia, jonka omistaa osa maailman maista. Se tekee tilanteesta poliittisesti vaikean.
Pahinta on se, että kobolttia ei yksinkertaisesti ole tarpeeksi, jotta siitä voitaisiin valmistaa riittävästi akkuja kaikkiin maailman autoihin. Heidän on löydettävä vaihtoehto koboltille. Jotkut asiantuntijat sanovat, että koboltti voidaan korvata nikkelillä. Meidän on löydettävä vaihtoehtoinen akkujärjestelmä, jotta sellaiset asiat kuin varastointijärjestelmät olisivat toteuttamiskelpoisia, koska meillä ei yksinkertaisesti ole tarpeeksi kobolttia ja nikkeliä.
Alumiini on loistava energianlähde kaikenlaisiin liikennejärjestelmiin. Voisin nähdä sitä käytettävän lentokoneissa ja muissa paikoissa, joissa tavallisia akkuja saatetaan käyttää. Näitäkään ei voi ladata. Ne ovat pikemminkin polttoaine kuin puhdas energianvarastointilaite.
Tech Briefs:
Prof. Hart: Toivon, että joku kaupallinen akkuvalmistaja ottaa sen käyttöönsä. Mielestäni siinä on paljon potentiaalia, ja näkisin mielelläni, että se otetaan käyttöön. Olemme osoittaneet laboratoriotutkimuksen osalta suunnilleen kaiken tarvittavan, ja mielestäni se on nyt pantava täytäntöön oikeassa järjestelmässä ja testattava kaupallista käyttöä varten.
Tech Briefs: Mitä tulokset ovat osoittaneet? Kuinka hyvin akku toimii?
Prof. Hart: Ilmiömäisesti. Brandon on pystynyt osoittamaan, että sen voi kytkeä päälle ja pois päältä koko akun käyttöiän ajan, eikä hajoamista tapahdu juuri lainkaan, toisin kuin aiemmissa järjestelmissä. Pohjimmiltaan tämä työ on antanut sille kyvyn sammua normaalin akun tavoin, joten se ei istu siinä ja syöpyä pois, kun se seisoo ajotielläsi, jos niin halutaan.
Tämä tarkoittaa esimerkiksi sairaalassa, että kun sähköt menevät poikki, voit todella kytkeä tämän laitteen päälle, ja jos et käytä kaikkea akussa olevaa energiaa, voit kytkeä akun pois päältä ja käyttää sitä uudelleen seuraavalla kerralla. Normaalisti sähkökatkos saattaa kestää muutaman minuutin, minkä jälkeen virta palaa. Olet käyttänyt tämän erittäin kalliin akun loppuun, koska se syöpyy, kun se istuu siinä. Nyt voit kytkeä sen päälle ja pois halutessasi.