Billy Hurley, Digital Editorial Manager
A fém-levegő akkumulátorok könnyű, kompakt, nagy energiasűrűségű energiaforrások, de eddig volt egy jelentős korlátjuk: A Massachusetts Institute of Technology új konstrukciója olajat használ a korrózió csökkentésére és az egyszer használatos fém-levegő akkumulátorok élettartamának meghosszabbítására.
A kulcs: Olaj.
A fém károsodásának megakadályozására az MIT kutatói olajgátat helyeztek az alumínium elektróda és az elektrolit – az akkumulátor két elektródája közötti folyadék, amely az akkumulátor készenléti állapotában felemészti az alumíniumot.
Az olajat gyorsan kiszivattyúzzák és elektrolittal pótolják, amint az akkumulátort használják.
Az energiaveszteség így mindössze 0-ra csökken.02 százalékra csökken – az MIT csapata szerint ez több mint ezerszeres javulás.
Az eredményekről a múlt héten számolt be a Science folyóiratban Brandon J. Hopkins, az MIT egykori végzős hallgatója, Brandon J. Hopkins ’18, W.M. Keck professzor, Yang Shao-Horn és Douglas P. Hart, a gépészmérnöki kar professzora.
Hogyan működik pontosan egy fém-levegő akkumulátor?
A fém-levegő akkumulátor valamilyen fémet (például alumíniumot) használ anódként, a levegőt katódként, valamint egy folyékony elektrolitot.
Az alumínium esetében a levegő oxigénje ezután a fémmel egyesülve alumínium-hidroxidot hoz létre, ami aktiválja az elektrolízis folyamatát és áramot hoz létre.
Mivel az alumínium vonzza a vizet, a maradék elektrolit gyakran az alumínium elektródok felületéhez tapad, még azután is, hogy az elektrolitot kiürítették a cellából.
“Az akkumulátorok összetett szerkezetűek, így az elektrolit sok sarkon megakadhat” – mondta Hopkins .
A sok sarok sok korróziós lehetőséghez vezet.
Hopkins és csapata azonban egy vékony membrángátat helyezett az akkumulátor elektródái közé; a membrán mindkét oldala folyékony elektrolittal van töltve, amikor az akkumulátor használatban van.
Amikor az akkumulátort készenlétbe helyezik, az alumínium elektródához legközelebbi oldalra olajat pumpálnak, ami megvédi az alumínium felületét a membrán másik oldalán lévő elektrolittól.
Az alumínium, amikor vízbe merül, taszítja az olajat a felületéről. Amikor az akkumulátort újra aktiválják, és az elektrolitot visszapumpálják a cellába, az elektrolit könnyen kiszorítja az olajat az alumínium felületéről, ami helyreállítja az akkumulátor teljesítményét.
Az eredmény egy alumínium-levegő prototípus, amelynek élettartama sokkal hosszabb, mint a hagyományos alumínium-levegő akkumulátoroké. Amikor az akkumulátort többször használták, majd egy-két napra készenlétbe helyezték, az MIT konstrukciója 24 napig bírta, míg a hagyományos konstrukció csak három napig.
A kutatók szerint még akkor is ötször könnyebbek és kétszer olyan kompaktak, mint az elektromos járművek újratölthető lítiumion-akkumulátorai, ha az olaj és a szivattyúrendszer is benne van a méretezett elsődleges alumínium-levegő akkumulátorcsomagokban.
Az alumínium-levegő akkumulátorokat jelenleg tartalék áramforrásként használják. Hart professzor a Tech Briefsnek beszélt arról, miért hiszi, hogy az új konstrukció egy nap a hiánypótló alkalmazásokon túl az elektromos járművekbe is bekerülhet.
Tech Briefs: Douglas Hart, a gépészmérnöki kar professzora: Miért értékesek a fém-levegő akkumulátorok?
Douglas Hart, a gépészmérnöki kar professzora: Ezek rendkívül nagy energiasűrűségű akkumulátorok. Ezek elsődleges akkumulátoroknak számítanak, ami azt jelenti, hogy nem újratölthetőek. Ebben az esetben az alumíniumot fogyasztják el.
Az alumínium pedig rendkívül bőséges, ellentétben sok más fémmel, amelyből akkumulátorokat készítenek. Az alumínium az egyik legbőségesebb anyag a Földön, és az egész világon eloszlik, tehát nem egy ország birtokában van.
Tech Briefs:
A tartalék generátorok egyik problémája, hogy sokáig tart, amíg működésbe lépnek, és dízelüzemanyagot használnak, ami megromolhat. Ezért sok kórházban alumínium-levegő akkumulátorokat használnak tartalék rendszerként; amikor az áramszolgáltatás kiesik, ezek nagyon gyorsan újra működésbe léphetnek, legalábbis addig, amíg a másodlagos áramellátó rendszer működésbe lép.
A Phinergy , egy izraeli vállalat, alumínium-levegő akkumulátorokat gyárt az autók hatótávnövelő rendszereihez. Tervben van, hogy beépítik őket, így ha egy elektromos jármű akkumulátorából kifogy az elektromos energia, az alumínium-levegő akkumulátornak be kell lépnie, és át kell vinnie az extra mérföldeket, hogy eljusson egy töltőállomásig. Ezek alapvetően egy cserélhető akkumulátor-rendszer, éppen azért, mert sokkal nagyobb energiával rendelkeznek, mint egy lítium-ion akkumulátor.
Tech Briefs: Hart professzor: Milyen korlátai vannak a fém-levegő akkumulátoroknak?
Prof: Ha egyszer bekapcsolod őket, nem tudod kikapcsolni. A reakciót csak úgy lehet leállítani, ha az elektrolitot kivonjuk a rendszerből. És amikor ezt megteszed, minden alkalommal van egy kis elektrolit, ami az akkumulátor fémfelületén marad és korrodálja azt. Egy idő után visszatöltheti az elektrolitot, és az akkumulátor nem fog újra beindulni; az akkumulátor korrodálódik, és a felületen ez a melléktermék eltömíti azt. Néhányan azt találták, hogy vízzel át lehet öblíteni, de a víz elszennyeződik az elektrolitokkal.
Tech Briefs: Hart professzor: Szeretnénk, ha ezeket az akkumulátorokat például egy autóban használhatnánk; szeretnénk, ha leparkolhatnánk a kocsifelhajtónkban, otthagyhatnánk egy hétre, visszajönnénk, és elvárnánk, hogy újra beinduljon. Ezek az akkumulátorok lassan felemésztik magukat, így sok energiát veszítünk. Az energiasűrűség ekkor értelmetlenné válik, mert felemészti önmagát.
Az emberek már mindenféle módon próbálták mérsékelni ezt a korróziós folyamatot. Megvizsgálták az alumínium és az ötvözetek felületének jobb kémiai összetételét. Mi felfedeztünk egy nagyon egyszerű megközelítést: Ahelyett, hogy vízzel öblítenénk, egyszerűen olajjal helyettesítjük az elektrolitot.
Tech Briefs: Milyen reakciót váltott ki ez az ötlet?
Prof. Hart:
Prof: Az első reakció mindenki számára az volt: “Viccelsz velem? Az olaj mindent el fog tömíteni és tönkretesz”. Kiderült, hogy az elektrolit jelenlétében az alumínium inkább az elektrolittal működik együtt, mint az olajjal. Az olaj valójában nem szennyezi a dolgokat. Egyszerűen csak kiszorítja az elektrolitot, leállítja a reakciót (mivel nem vezetőképes), és amint visszatesszük az elektrolitot, a reakció azonnal újraindul. De ami még jobb, ugyanazzal az olajjal újra és újra átöblíthetjük, és soha nem szennyezzük a rendszert.
Tech Briefs: Könnyen beépíthető ez a tervezési funkció?
Prof. Hart: A membránt valójában nagyon könnyű beépíteni. Tulajdonképpen magára a katódra is rá lehet építeni, mielőtt beépítik. Ez egy nagyon egyszerű módosítás a meglévő akkumulátortechnológián. Ez egy vékony membrán a katód védelmére, mivel a katód nagy felületi érintkezésű anyag. A membrán hosszú távú élettartamot biztosít a katód anyagának. Olyan olajok használatát is lehetővé teszi, amelyek nem olyan stabilak, mint más olajok.
Tech Briefs: Milyen alkalmazásokban látják ezt az új kialakítást felhasználni?
Prof. Hart: A gépkocsik hatótávnövelői mindenképpen egy jó lehetőség. Az egyik ok, amiért az emberek félnek elektromos autót venni, az az, hogy halálra rémülnek attól, hogy kifogynak az áramból. És , ezt leginkább tartalék rendszerként használnák, hogy túllépjenek azon a félelmen, hogy nem lesz elég a következő töltőrendszerig.
Tech Briefs: Hart prof: Jelenleg sok embernek van kis generátora a házában, de ezek szén-monoxidot termelnek, ezért nagyon veszélyes a használatuk. Az alumínium-levegő akkumulátorok sokkal biztonságosabb eszköznek számítanak a pincében, mint egy tartalék generátor. Ha elmegy az áram, akkor is bekapcsolhatja. Ha visszajön az áram, ki lehet kapcsolni. És egy alumínium-levegő akkumulátor biztosan nagyszerű kórházi használatra, valamint az adatkiszolgálók tartalék áramellátó rendszereihez.
Tech Briefs:
Prof. Hart: A fém-levegő akkumulátorok ma már életképes opciót jelentenek mondjuk a lítium-ion akkumulátorhoz képest?
Prof: Az emberek most a lítium-ion akkumulátorokra mutattak rá; természetesen a Tesla is lítium-ion akkumulátorokat használ. De a lítium-ion akkumulátorokhoz lítiumra van szükség, ami a világ országainak egy részhalmaza tulajdonában van. Ez politikailag nehéz helyzetet teremt.
A legrosszabb az, hogy egyszerűen nincs elég kobalt ahhoz, hogy a világ összes autójához elegendő akkumulátor készüljön. Alternatívát kell találniuk a kobalt helyett. Egyes szakértők szerint a kobaltot nikkelre fogják tudni cserélni. Alternatív akkumulátorrendszert kell találnunk, hogy az olyan dolgok, mint a tárolórendszerek életképesek legyenek, mert egyszerűen nincs elég kobaltunk és nikkelünk.
Az alumínium nagyszerű energiaforrás bármilyen típusú közlekedési rendszerhez. El tudnám képzelni a repülőgépekben és más helyeken, ahol a hagyományos akkumulátorokat használnák. Ismétlem, ezeket nem lehet újratölteni. Inkább üzemanyag, mint tiszta energiatároló eszköz.
Tech Briefs: Hart professzor: Remélem, hogy az egyik kereskedelmi akkumulátorgyártó felveszi ezt a kutatást. Szerintem nagy lehetőségek rejlenek benne, és szeretném, ha hasznosítani tudnák. A laboratóriumi kutatások terén nagyjából mindent megmutattunk, amit kellett, és úgy gondolom, hogy most már egy valós rendszerben kell megvalósítani, és bizonyítani kell a kereskedelmi alkalmazást.
Tech Briefs: Mit mutattak az eredmények? Mennyire jól teljesít az akkumulátor?
Prof. Hart: Az akkumulátorok teljesítménye és az akkumulátorok teljesítménye is jól teljesít: Fenomenálisan. Brandon meg tudta mutatni, hogy az akkumulátor teljes élettartama alatt be- és kikapcsolható, és a korábbi rendszerekkel ellentétben szinte egyáltalán nincs degradáció. Lényegében ez a munka lehetővé tette, hogy kikapcsoljon, mint egy normál akkumulátor, tehát nem ül ott, és nem korrodálódik, miközben a kocsifelhajtón áll, ha úgy tetszik.
Ez azt jelenti, hogy például egy kórházban, amikor elment az áram, valóban be lehet kapcsolni ezt a dolgot, és ha nem használjuk fel az akkumulátorban lévő összes energiát, akkor le lehet kapcsolni az akkumulátort, és legközelebb újra használni. Normális esetben előfordulhat, hogy az áramkimaradás néhány percig tart, majd az áram újra bekapcsol. Elhasználta ezt a nagyon drága akkumulátort, mert amíg ott ül, elkorrodál. Most pedig tetszés szerint be- és kikapcsolhatod.