Billy Hurley, Digital Editorial Manager
Baterii metal-aer sunt surse de energie ușoare și compacte, cu o densitate energetică ridicată, dar au avut o limitare majoră: Ele se corodează.
Un nou proiect al Institutului de Tehnologie din Massachusetts folosește uleiul pentru a reduce coroziunea și a prelungi durata de viață a bateriilor metal-aer de unică folosință.
Cheia: Uleiul.
Pentru a preveni deteriorarea metalului, cercetătorii de la MIT au plasat o barieră de ulei între electrodul de aluminiu și electrolit – lichidul dintre cei doi electrozi ai bateriei, care roade aluminiul atunci când bateria este în așteptare.
Uleiul este pompat rapid și înlocuit cu electrolit imediat ce bateria este folosită.
Ca rezultat, pierderea de energie este redusă la doar 0,5 %.02 la sută pe lună – o îmbunătățire de peste o mie de ori, potrivit echipei MIT.
Constatările au fost raportate săptămâna trecută în revista Science de către fostul student absolvent MIT Brandon J. Hopkins ’18, W.M. Keck Professor of Energy Yang Shao-Horn, și profesorul de inginerie mecanică Douglas P. Hart.
Cum funcționează mai exact o baterie metal-aer?
O baterie metal-aer utilizează un anumit tip de metal (cum ar fi aluminiul) pentru anod, aerul ca și catod, împreună cu un electrolit lichid.
În cazul aluminiului, oxigenul din aer se combină apoi cu metalul pentru a crea hidroxid de aluminiu, care activează procesul de electroliză și creează un curent.
Pentru că aluminiul atrage apa, electrolitul rămas se agață adesea de suprafețele electrozilor de aluminiu, chiar și după ce electrolitul este drenat din celulă.
„Bateriile au structuri complexe, așa că există multe colțuri în care se poate prinde electrolitul”, a spus Hopkins .
Aceste multe colțuri duc la multe oportunități de coroziune.
Hopkins și echipa sa au plasat însă o barieră subțire de membrană între electrozii bateriei; ambele părți ale membranei sunt umplute cu un electrolit lichid atunci când bateria este în uz.
Când bateria este pusă în standby, uleiul este pompat în partea cea mai apropiată de electrodul de aluminiu, care protejează suprafața de aluminiu de electrolitul de pe cealaltă parte a membranei.
Aluminiul, atunci când este scufundat în apă, respinge uleiul de la suprafață. Când bateria este reactivată și electrolitul este pompat înapoi în celulă, electrolitul deplasează cu ușurință uleiul de pe suprafața de aluminiu, ceea ce restabilește puterea bateriei.
Rezultatul este un prototip aluminiu-aer cu o durată de viață mult mai mare decât cea a bateriilor convenționale aluminiu-aer. Atunci când bateria a fost folosită în mod repetat și apoi pusă în stand-by timp de una sau două zile, modelul MIT a rezistat 24 de zile, în timp ce modelul convențional a rezistat doar trei.
Inclusiv atunci când uleiul și un sistem de pompare sunt incluse în pachetele de baterii primare aluminiu-aer la scară mai mare, acestea sunt încă de cinci ori mai ușoare și de două ori mai compacte decât pachetele de baterii reîncărcabile litiu-ion pentru vehiculele electrice, au raportat cercetătorii.
În prezent, bateriile aluminiu-aer sunt folosite ca surse de energie de rezervă. Profesorul Hart a vorbit cu Tech Briefs despre motivul pentru care crede că noul design își va găsi într-o zi drumul dincolo de aplicațiile de nișă și va ajunge în vehiculele electrice.
Tech Briefs: De ce sunt valoroase bateriile metal-aer?
Douglas Hart, profesor de inginerie mecanică: Sunt baterii cu o densitate energetică extrem de mare. Acestea sunt considerate baterii primare, ceea ce înseamnă că nu sunt reîncărcabile. În acest caz, aluminiul este consumat.
Și aluminiul este extrem de abundent, spre deosebire de o mulțime de alte metale care sunt fabricate pentru a face baterii. Aluminiul este unul dintre cele mai abundente materiale de pe Pământ și este distribuit în întreaga lume, deci nu este ceva ce deține o singură țară.
București de tehnologie: Unde sunt folosite în prezent bateriile metal-aer?
Una dintre problemele generatoarelor de rezervă este că durează ceva timp până când acestea devin funcționale și folosesc motorină, care se poate strica. Astfel, multe spitale au baterii de aluminiu-aer ca sisteme de rezervă; atunci când se întrerupe curentul, acestea pot reveni foarte repede online, cel puțin suficient timp pentru ca un sistem de alimentare secundar să fie online.
Phinergy , o companie din Israel, produce baterii de aluminiu-aer pentru prelungirea autonomiei pe mașini. Există un plan pentru ca acestea să fie incluse, astfel încât, dacă rămâi fără energie electrică de la o baterie dintr-un vehicul electric, bateria aluminiu-aer ar trebui să intre în funcțiune și să parcurgă kilometri în plus pentru a ajunge la o stație de încărcare. Practic, sunt un sistem de baterii care pot fi înlocuite, doar pentru că au o energie mult mai mare decât o baterie litiu-ion.
București tehnice: Care sunt limitările unei baterii metal-aer?
Prof. Hart: Odată ce le pornești, nu le mai poți opri. Singura modalitate de a opri reacția este de a scurge electrolitul din sistem. Și când faci asta, de fiecare dată există o mică cantitate de electrolit care rămâne pe suprafața metalică a bateriei și o corodează. După un timp, puteți pune din nou electrolitul înăuntru, dar nu va porni din nou; bateria se corodează, iar la suprafață acest produs secundar o blochează. Unii oameni au descoperit că o poți spăla cu apă, dar apa se contaminează cu electroliți.
București tehnice: De ce este atât de importantă atenuarea efectului de coroziune?
Prof. Hart: Ați dori să puteți utiliza aceste baterii în ceva de genul unui automobil; doriți să o parcați pe alee, să o lăsați acolo timp de o săptămână, să vă întoarceți și să vă așteptați ca aceasta să pornească din nou. Aceste baterii se autodepășesc încet, astfel încât pierdeți o mare parte din energie. Densitatea de energie devine inutilă atunci, pentru că se consumă singură.
Oamenii au căutat tot felul de modalități de a atenua acest proces de coroziune. S-au uitat la chimicale mai bune pentru suprafața aluminiului și a aliajelor. Noi am descoperit o abordare foarte simplă: În loc să o spălăm cu apă, pur și simplu înlocuim electrolitul cu ulei.
București tehnice: Care a fost reacția la această idee?
Prof. Hart: Prima reacție pe care a avut-o toată lumea a fost: „Îți bați joc de mine? Petrolul va astupa totul și va distruge totul”. S-a dovedit că, în prezența electrolitului, aluminiul preferă să lucreze cu electrolitul decât cu uleiul. Uleiul, de fapt, nu murdărește lucrurile. Pur și simplu deplasează electrolitul, oprește reacția (pentru că nu este conductiv) și, de îndată ce puneți din nou electrolitul, pornește din nou. Dar și mai bine, îl putem spăla cu același ulei la nesfârșit și nu vom contamina niciodată sistemul.
București tehnice: Este aceasta o caracteristică de proiectare ușor de încorporat?
Prof. Hart: Membrana este, de fapt, un lucru foarte ușor de pus în funcțiune. De fapt, ea poate fi construită chiar pe catod înainte de a fi instalată. Este o modificare foarte simplă a tehnologiei bateriei existente. Este o membrană subțire pentru a proteja catodul, deoarece catodul este un material cu o suprafață de contact mare. Membrana asigură o longevitate pe termen lung a materialului catodic. De asemenea, permite utilizarea uleiurilor care nu sunt la fel de stabile ca alte uleiuri.
București tehnice: În ce tipuri de aplicații vedeți că este utilizat acest nou design?
Prof. Hart: Extinderi de autonomie pentru mașini este cu siguranță una bună. Unul dintre motivele pentru care oamenii se tem să cumpere mașini electrice este pentru că sunt speriați de moarte că vor rămâne fără energie. Și , acesta ar fi folosit mai ales ca un sistem de rezervă pentru a trece peste această teamă de a nu avea destulă energie pentru a ajunge la următorul sistem de încărcare.
București tehnice: Vor mai fi folosite ca surse de alimentare de rezervă?
Prof. Hart: În momentul de față, mulți oameni au generatoare mici în casele lor, dar acestea produc monoxid de carbon, așa că este foarte periculos să le folosești. Bateriile aluminiu-aer sunt un dispozitiv mult mai sigur de avut în subsol decât un generator de rezervă. Dacă se întrerupe curentul, îl puteți porni. Dacă revine curentul, îl puteți opri. Iar o baterie aluminiu-aer este cu siguranță excelentă pentru utilizarea în spitale și pentru sistemele de alimentare de rezervă pentru serverele de date.
Brezme tehnice: Sunt bateriile metal-aer o opțiune viabilă acum în comparație cu, să zicem, bateria litiu-ion?
Prof. Hart: În momentul de față, dacă ați dori să faceți sistemul nostru de transport și să îl convertiți în totalitate la vehicule electrice, oamenii au indicat bateriile litiu-ion; cu siguranță, Tesla folosește baterii litiu-ion. Dar bateriile litiu-ion necesită litiu, care este deținut de un subset de țări din lume. Acest lucru face ca situația să fie dificilă din punct de vedere politic.
Cea mai gravă parte este că pur și simplu nu există suficient cobalt pentru a produce suficiente baterii pentru toate mașinile din lume. Ei trebuie să găsească o alternativă la cobalt. Unii experți spun că vor reuși să înlocuiască cobaltul cu nichel. Trebuie să găsim un sistem alternativ de baterii pentru a face viabile lucruri precum sistemele de stocare, pentru că pur și simplu nu avem suficient cobalt și nichel.
Aluminiul este o sursă de energie excelentă pentru orice tip de sistem de transport. L-aș putea vedea folosit în avioane și în alte locuri unde ar putea fi folosite baterii standard. Din nou, nu le poți reîncărca. Ele sunt mai mult un combustibil decât un dispozitiv pur de stocare a energiei.
București de tehnologie: Ce urmează pentru echipa dvs. în ceea ce privește această cercetare?
Prof. Hart: Sper că va fi preluată de unul dintre producătorii de baterii comerciale. Cred că are un mare potențial și mi-ar plăcea să văd că este pus în aplicare. Am arătat cam tot ceea ce trebuie să arătăm în ceea ce privește cercetarea în laborator și cred că acum trebuie să fie implementat într-un sistem real și dovedit pentru aplicații comerciale.
București tehnice: Ce au arătat rezultatele? Cât de bine funcționează bateria?
Prof. Hart: Fenomenal. Brandon a reușit să demonstreze că poți să o pornești și să o oprești pe toată durata de viață a bateriei și aproape că nu există nicio degradare, spre deosebire de sistemele anterioare. În esență, această lucrare i-a dat capacitatea de a se opri ca o baterie normală, astfel încât să nu stea acolo și să se corodeze în timp ce stă pe aleea dumneavoastră, dacă vreți.
Aceasta înseamnă că, pentru ceva de genul unui spital, atunci când se întrerupe curentul, puteți cu adevărat să porniți acest lucru și, dacă nu folosiți toată energia care se află în baterie, puteți opri bateria și o puteți folosi din nou data viitoare. În mod normal, s-ar putea să aveți o pană de curent care să dureze câteva minute, apoi curentul revine. Ați consumat această baterie foarte scumpă pentru că, în timp ce stă acolo, se corodează. Acum, puteți să o porniți și să o opriți după bunul plac.