Billy Hurley, Digital Editorial Manager
Akumulatory metalowo-powietrzne są lekkimi, kompaktowymi źródłami energii o dużej gęstości, ale mają jedno poważne ograniczenie: Korodują.
Nowy projekt z Massachusetts Institute of Technology wykorzystuje olej do zmniejszenia korozji i przedłużenia okresu przydatności jednorazowych baterii metalowo-powietrznych.
Klucz: Olej.
Aby zapobiec degradacji metalu, naukowcy z MIT umieścili barierę olejową pomiędzy elektrodą aluminiową a elektrolitem – płynem pomiędzy dwoma elektrodami baterii, który zżera aluminium, gdy bateria jest w stanie gotowości.
Olej jest szybko wypompowywany i zastępowany elektrolitem, gdy tylko bateria jest używana.
W rezultacie strata energii jest zmniejszona do zaledwie 0.02 procent miesięcznie – ponad tysiąckrotna poprawa, według zespołu MIT.
Znaleziska zostały zgłoszone w zeszłym tygodniu w czasopiśmie Science przez byłego absolwenta MIT Brandona J. Hopkinsa ’18, W.M. Keck Professor of Energy Yang Shao-Horn, oraz profesor inżynierii mechanicznej Douglas P. Hart.
Jak dokładnie działa bateria metal-powietrze?
Akumulator metal-powietrze wykorzystuje jakiś rodzaj metalu (jak aluminium) do anody, powietrze jako katodę, wraz z ciekłym elektrolitem.
W przypadku aluminium, tlen z powietrza łączy się z metalem tworząc wodorotlenek glinu, który aktywuje proces elektrolizy i wytwarza prąd.
Ponieważ aluminium przyciąga wodę, pozostały elektrolit często przywiera do powierzchni elektrody aluminiowej, nawet po spuszczeniu elektrolitu z ogniwa.
„Baterie mają złożone struktury, więc jest wiele zakamarków, w których elektrolit może się zaczepić”, powiedział Hopkins .
Wiele zakamarków prowadzi do wielu możliwości dla corrosion.
Hopkins i jego zespół, jednak, umieścił cienką barierę membranową między elektrodami baterii; obie strony membrany są wypełnione ciekłym elektrolitem, gdy bateria jest w użyciu.
Kiedy bateria jest w stanie gotowości, olej jest pompowany do strony najbliższej elektrodzie aluminiowej, która chroni powierzchnię aluminium przed elektrolitem po drugiej stronie membrany.
Aluminium, kiedy jest zanurzone w wodzie, odpycha olej od powierzchni. Kiedy bateria jest reaktywowana i elektrolit jest wpompowywany z powrotem do ogniwa, elektrolit łatwo wypiera olej z powierzchni aluminium, co przywraca moc baterii.
W rezultacie powstał prototyp aluminiowo-powietrzny o znacznie dłuższym okresie trwałości niż konwencjonalne baterie aluminiowo-powietrzne. Gdy bateria była wielokrotnie używana, a następnie umieszczona w stanie gotowości na jeden do dwóch dni, projekt MIT trwał 24 dni, podczas gdy konwencjonalny projekt trwał tylko trzy.
Nawet gdy olej i system pompowania są zawarte w skalowanych pakietach pierwotnych baterii aluminiowo-powietrznych, są one nadal pięć razy lżejsze i dwa razy bardziej kompaktowe niż pakiety akumulatorów litowo-jonowych dla pojazdów elektrycznych, donoszą naukowcy.
Obecnie baterie aluminiowo-powietrzne są używane jako zapasowe źródła energii. Profesor Hart rozmawiał z Tech Briefs o tym, dlaczego wierzy, że nowy projekt znajdzie kiedyś drogę poza niszowe zastosowania i do pojazdów elektrycznych.
Tech Briefs: Dlaczego baterie metalowo-powietrzne są cenne?
Douglas Hart, profesor inżynierii mechanicznej: Są to akumulatory o niezwykle wysokiej gęstości energii. Uważa się je za baterie pierwotne, co oznacza, że nie nadają się do ponownego naładowania. W tym przypadku aluminium zostaje zużyte.
A aluminium jest niezwykle obfite, w przeciwieństwie do wielu innych metali, które są wytwarzane do produkcji baterii. Aluminium jest jednym z najbardziej obfitych materiałów na Ziemi, i jest rozprowadzane po całym świecie, więc nie jest to coś, co posiada jeden kraj.
Tech Briefs: Gdzie obecnie stosowane są baterie metalowo-powietrzne?
Jednym z problemów z zapasowymi generatorami jest to, że ich uruchomienie zajmuje trochę czasu i że używają one oleju napędowego, który może się zepsuć. Tak więc, wiele szpitali ma baterie aluminiowo-powietrzne jako systemy zapasowe; kiedy zabraknie prądu, mogą one bardzo szybko powrócić do sieci, przynajmniej na tyle długo, aby drugorzędny system zasilania został uruchomiony.
Phinergy , firma z Izraela, produkuje baterie aluminiowo-powietrzne do przedłużaczy zasięgu w samochodach. Istnieje plan dla nich być zawarte, więc jeśli zabraknie energii elektrycznej z baterii w pojeździe elektrycznym, aluminium-powietrze bateria powinna kopać w i dostać cię przez dodatkowe mile, aby dostać się do stacji ładowania. Są one w zasadzie systemem baterii, które można wymienić, tylko dlatego, że mają o wiele wyższą energię niż baterie litowo-jonowe.
Tech Briefs: Jakie są ograniczenia akumulatorów metalowo-powietrznych?
Prof. Hart: Kiedy już je włączysz, nie możesz ich wyłączyć. Jedynym sposobem na zatrzymanie reakcji jest spuszczenie elektrolitu z systemu. A kiedy to zrobisz, za każdym razem jest trochę elektrolitu, który pozostaje na metalowej powierzchni baterii i powoduje jej korozję. Po pewnym czasie, możesz wlać elektrolit z powrotem, i nie uruchomi się ponownie; bateria staje się skorodowana, a na powierzchni ten produkt uboczny zatyka ją. Niektórzy ludzie odkryli, że można ją przepłukać wodą, ale woda zostaje zanieczyszczona elektrolitami.
Tech Briefs: Dlaczego złagodzenie efektu korozji jest tak ważne?
Prof. Hart: Chciałbyś móc używać tych baterii w czymś takim jak samochód; chciałbyś zaparkować go na podjeździe, zostawić na tydzień, wrócić i oczekiwać, że znowu ruszy. Te baterie powoli zjadają same siebie, więc tracisz dużo energii. Gęstość energii staje się wtedy bezcelowa, ponieważ zużywa się sama.
Ludzie przyjrzeli się wszystkim rodzajom sposobów na złagodzenie tego procesu korozji. Szukali lepszych chemikaliów dla powierzchni aluminium i jego stopów. My odkryliśmy bardzo proste podejście: Zamiast spłukiwać je wodą, po prostu wypieramy elektrolit olejem.
Tech Briefs: Jaka była reakcja na ten pomysł?
Prof. Hart: Pierwszą reakcją wszystkich było: „Żartujesz sobie? Ropa wszystko zatka i zniszczy”. Okazuje się, że w obecności elektrolitu aluminium woli pracować z elektrolitem niż z olejem. Olej w rzeczywistości nie zanieczyszcza rzeczy. Po prostu wypiera elektrolit, wyłącza reakcję (ponieważ jest nieprzewodząca), a gdy tylko wlejemy elektrolit z powrotem, reakcja zaczyna się od nowa. Ale nawet lepiej, możemy przepłukiwać go tym samym olejem w kółko i nigdy nie zanieczyścimy systemu.
Tech Briefs: Czy taka cecha konstrukcyjna jest łatwa do wprowadzenia?
Prof. Hart: W rzeczywistości membrana jest bardzo łatwa do zainstalowania. Można ją zbudować na samej katodzie, zanim zostanie zainstalowana. To bardzo prosta modyfikacja istniejącej technologii akumulatorów. Jest to cienka membrana chroniąca katodę, ponieważ katoda jest materiałem o dużym kontakcie powierzchniowym. Membrana zapewnia długotrwałą żywotność materiału katody. Pozwala ona również na stosowanie olejów, które nie są tak stabilne jak inne oleje.
Tech Briefs: W jakich rodzajach zastosowań widzimy wykorzystanie tej nowej konstrukcji?
Prof. Hart: Przedłużacze zasięgu dla samochodów to z pewnością dobry pomysł. Jednym z powodów, dla których ludzie boją się kupować samochody elektryczne jest to, że boją się, że zabraknie im mocy. A to byłoby używane głównie jako system zapasowy, aby pokonać ten strach, że nie ma wystarczająco dużo, aby dostać się do następnego systemu ładowania.
Tech Briefs: Czy nadal będą one używane jako zapasowe źródła zasilania?
Prof. Hart: W tej chwili wiele osób ma w domach małe generatory, ale te wytwarzają tlenek węgla, więc ich używanie jest bardzo niebezpieczne. Baterie aluminiowo-powietrzne są o wiele bezpieczniejszym urządzeniem niż zapasowy generator, który można trzymać w piwnicy. Jeśli zabraknie prądu, możesz go włączyć. Jeśli zasilanie wróci, możesz je wyłączyć. A bateria aluminiowo-powietrzna jest z pewnością świetna do użytku szpitalnego i systemów zasilania awaryjnego dla serwerów danych.
Tech Briefs: Czy baterie metalowo-powietrzne są teraz realną opcją w porównaniu z, powiedzmy, baterią litowo-jonową?
Prof. Hart: W tej chwili, gdybyś chciał stworzyć nasz system transportowy i przekształcić go w pojazdy elektryczne, ludzie wskazali na baterie litowo-jonowe; z pewnością Tesla używa baterii litowo-jonowych. Ale baterie litowo-jonowe wymagają litu, który jest w posiadaniu podzbioru krajów na świecie. To sprawia, że jest to politycznie trudna sytuacja.
Najgorsze jest to, że po prostu nie ma wystarczająco dużo kobaltu, aby wystarczająco dużo baterii dla wszystkich samochodów na świecie. Muszą znaleźć alternatywę dla kobaltu. Niektórzy eksperci twierdzą, że będą w stanie zastąpić kobalt z niklu. Musimy znaleźć alternatywny system baterii, aby takie rzeczy jak systemy przechowywania opłacalne, bo po prostu nie mamy wystarczająco dużo kobaltu i niklu.
Aluminium jest doskonałym źródłem energii dla każdego rodzaju systemu transportowego. Mógłbym to zobaczyć w samolotach i innych miejscach, gdzie standardowe baterie mogą być używane. Ponownie, nie można ich naładować. Są one bardziej paliwem niż czystym urządzeniem do przechowywania energii.
Tech Briefs: Co czeka Pana zespół w związku z tymi badaniami?
Prof. Hart: Mam nadzieję, że zajmie się tym jeden z komercyjnych producentów baterii. Myślę, że ma on wielki potencjał i bardzo chciałbym zobaczyć, jak jest wykorzystywany. Pokazaliśmy już wszystko, co trzeba, jeśli chodzi o badania w laboratorium, i myślę, że teraz trzeba to wdrożyć w prawdziwym systemie i sprawdzić w zastosowaniu komercyjnym.
Tech Briefs: Co pokazały wyniki badań? Jak dobrze radzi sobie bateria?
Prof. Hart: Fenomenalnie. Brandonowi udało się wykazać, że można ją włączać i wyłączać przez cały czas życia baterii i nie ma prawie żadnej degradacji, w przeciwieństwie do poprzednich systemów. Zasadniczo ta praca dała mu zdolność do wyłączania się jak normalna bateria, więc nie siedzi tam i nie koroduje, gdy siedzi na twoim podjeździe, jeśli tak można powiedzieć.
Oznacza to, że dla czegoś takiego jak szpital, gdy zabraknie prądu, możesz naprawdę włączyć tę rzecz, a jeśli nie wykorzystasz całej energii, która jest w baterii, możesz ją wyłączyć i użyć jej ponownie następnym razem. Normalnie, możesz mieć awarię zasilania, która trwa kilka minut, a potem zasilanie wraca. Zużyłeś tę bardzo drogą baterię, ponieważ, gdy tam siedzi, koroduje. Teraz możesz ją włączać i wyłączać do woli.