Аллюминий-ионные батареи могут заменить литий-ионные?

Недорогой алюминий может сыграть огромную роль в производстве батареек, поскольку он может дать фору литий-ионным элементам.
Небольшая алюминиевая пластинка имеет в себе больше энергии, чем аналогичные по весу метанол или этанол. Короче говоря, это и есть причина, по которой учёные пытаются сейчас сделать предпочтение производству батареек на такой химической основе, куда включен алюминий. Мало того, похоже алюминий-ионные батарейки могут вместить в своё нутро больше энергии, чем литий-ионные, которые в наше время ошибочно признаны наилучшим вариантом.

Алюминий вообще самый богатый элемент из металлов и третий по богатству из всех элементов Земли. Большинство стран, независимо от их уровня развития и местоположения, являются дружественными Соединённым Штатам, если там добывается алюминиевая руда. И химическое богатство её даёт надежду на переход к производству алюминий-ионных батареек, которые обойдутся значительно дешевле.
[box type=»info» style=»rounded» border=»full»]Ключевое преимущество алюминия в «батареечной» промышленности в том, что он трёхвалентный, то есть имеет три электрона в свое валентной схеме. Литий же имеет всего один электрон. То есть при зарядке и разрядке (на форму вещества) идёт передача трёх электронов от алюминия, тогда как от лития всего один. Так что и размер батареек на основе алюминия может быть меньше, чем литиевая батарейка с тем же количеством заряда. [/box]

Потенциально алюминиевая батарейка может иметь удельную энергоёмкость в количестве 1060 W-час/кг в сравнении с 406 W-час/кг у литий-ионных элементов.
Но есть однако множество препятствий, могущих усложнить процесс развития «алюминиево-батарейной» химии. С одной стороны, элементы на основе алюминия обычно имеют водный электролит и во время рабочего цикла потребляют воду, да ещё и выделяют водород. Такое поведение элемента не даёт возможности заключить его в твёрдую оболочку.
Другая проблема — алюминий, который используется в аноде элемента, как правило, подвергается коррозии или формирует оксидную плёнку. Эти два печальных фактора снижают эффективность химической реакции в единицу времени.
К сожалению, эти действия могут происходить так быстро, что в бытовом плане элементы на основе алюминия будут непрактичные во многих областях применения.
Но есть пути преодоления таких трудностей. Исследователи уже разрабатывают одну стратегию, представляющую собой замену водного электролита на ионный, наполненный ионами и ионными парами. Ионные электролиты быстро не испаряются, и при отсутствии воды не возникает проблемы выделения водорода, как в случае с элементами на основе алюминия.
Сделано много работы в Национальной Лаборатории Oak Ridge, глубоко исследовались ионные электролиты и алюминий. Группа учёных, которую возглавили Паранс Парантаман и Жильбер Браун, подошла к созданию ионного электролита, в котором 1-этил-3-метилимидазолия хлорида содержит трихлорид алюминия. Учёные утверждают, что оба этих химиката предотвращают выделение водорода и появление оксидов на алюминиевом аноде.
Лишь одна сложность с этим вариантом: ионные электролиты имеют меньшую проводимость, чем их алюминиевые собратья. Именно поэтому для успеха имеются пока некоторые помехи: литий-ионные элементы, в электролитах которых используются разные вещества.
Вот пример. Алюминий-ионные батареи, вероятно, будут выполнять те же функции, что и их литий-ионные аналоги. Вот как говорит старший научный сотрудник лаборатории Жильбер Браун: «Продуктивные батареи с высоким вольтажом имеют неводные электролиты, у которых проводимость на пару порядков меньше, чем в водной серной кислоте, которая имеется в свинцово-кислотных элементах. Можно сузить проблему — укоротить путь прохождения тока, и литий-ионные элементы не будут набиты как мешки. Но при спешной их разрядке через такой стойкий электролит будет снова происходить перегревание».
Если создать более совершенный специальный катод
Учёные из лаборатории разработали небольшой плоский круглый алюминий-ионный элемент, в котором в виде анода используется алюминий, а в виде катода — оксидо-марганцевая шпинель, которая с алюминием имеет обратную реакцию. Ещё одна исследовательская группа университета Корнелл разработала аналогичную алюминий-ионную батарейку, но с другим материалом для катода.
Группа эта, возглавляемая профессором химии и биомолекулярной инженерии Линденом Арчером, использовала тот же ионный электролит, что и учёные из Национальной Лаборатории Oak Ridge, но в виде катода применила ванадий-оксидный нанопровод. Алюминий пропитывает поры катода из оксида металла. Команда говорит, что у таких батарей хорошая электрохимическая стабильность с относительно широким диапазоном вольтажа и силой тока.
«Ванадий оксид и есть главный рабочий материал с открытой кристаллической структурой», говорит Арчер, «есть идея, что в эту структуру можно вместить относительно много алюминия. Нанопровод даёт высокую удельную поверхность и значительно сокращает расстояние для прохождения электронов».
Команда Корнелла говорит, что круглый плоский элемент повторяет вольтамметрический и гальваностатический циклы. Результаты исследований вполне многообещающие, говорит Арчер. Тесты на вольтметре показали, что повторяющиеся электрохимические процессы подобны процессам в батарейках, так как напряжение то возрастает, то падает.
Гальваностатические опыты с силой тока батарейки показали, что элемент постоянно освобождает свои электроны и они сохраняют свою ёмкость и после многочисленных зарядок и разрядок. Однако, проект алюминий-ионных элементов Корнелла ещё не пригоден для использования. С одной стороны, его кулоновский КПД недостаточен для долгосрочной работы как вспомогательного элемента. Батарейка с совершенным КПД может сберегать все свои ионы при зарядках и разрядках. Если кулоновый КПД не стопроцентный, активный материал элемента будет постоянно исчерпываться, что приведёт к кончине батарейки.
«Мы не хотим сейчас создавать много шума, потому что мы пока активно исследуем данную область», заявляет Арчер. «Наши алюминий-ионные элементы уже производят энергию, чья плотность превышает плотность энергии литий-ионных элементов, используемых современниками. Это конечно здорово, но не так, как того хотелось бы. Наша цель — создание элемента, который мог бы конкурировать с двигателем внутреннего сгорания, чья плотность энергии была бы приблизительно 5000 W-час/кг.”
Если задуманное будет развиваться как планируется, группа университета Корнелл сможет получить более интересные результаты примерно через один год. «Обычно если хотят получить более мощную батарейку, тратят для её получения больше материала», говорит Арчер, «и очень приятно, когда получаешь отлично работающую вещь маленького размера. Мы активно изучаем разные химические элементы, и уже есть успех. Примерно через год мы будем иметь карманные батарейки с мощностью, позволяющей работать лэптопу.
Однако, процесс создания алюминий-ионных элементов с достаточной мощью для электронных гаджетов выходит за пределы практической деятельности университета. Корнелл не имеет технических возможностей для создания таких макроэлементов. Так что если наша группа найдёт область применения макроэлементов, университет будет искать коммерческих партнёров для воплощения изобретения в жизнь».
Как бы заманчиво ни звучала идея создания алюминий-ионных элементов, остаётся ещё много работы. «Похоже мы будем иметь огромное количество проблем с алюминиевыми анодами для батареек. Мы ещё не знаем, на какие проблемы натолкнёмся», говорит старший научный сотрудник Oak Ridge Жильбер Браун.
Одна из них — дороговизна ионного электролита, хотя он и многоразовый. Также полностью не решён вопрос и с материалом для алюминий-ионного анода. «В алюминий-ионных элементах на электродах появляются дендритные образования, такие самые, которые создают проблемы в литий-ионных элементах», заявил член отборочной команды Oak Ridge и её лидер Паранс Парантаман. «Есть вещи, за которыми нужно следить, чтобы не нарушилось взаимодействие между электродами и электролитами».
Но переход от литий-ионной к алюминий-ионной химии не решит проблем с разрядкой батареек. Эта трудность стала главной, когда оказалось, что у нескольких владельцев родстеров Tesla стодолларовые батарейки разрядились до нуля, и все они заплатили за их замену кругленькую сумму.
«Мы не понимаем: разве полностью истощённую батарейку нельзя перезарядить?», удивляется господин Жильбер Браун. «Ещё рано говорить, что алюминий-ионные элементы решат все проблемы. Два типа батареек имеют совершенно разную анодную структуру.
Литиевый анод — это графит с прослойками лития. А алюминиевая батарейка имеет алюминиевый анод, на который алюминий нанесён гальваническим способом. Определённо можно сказать лишь, что алюминий-ионные элементы будут иметь абсолютно другие проблемы с разрядкой, чем их имеют литий-ионные элементы».
Кроме того, повреждение алюминий-ионных батареек при аварии может привести к таким же опасным последствиям, как и от повреждения, смятия литий-ионных элементов. Один из самых известных случаев, когда блок батареек Chevy Volt загорелся через три недели после серьёзного удара их на опытном стенде. Но первоначально нет никаких намёков на то, что последствия от удара алюминий-ионных элементов будут хуже, чем у их литий-ионных собратьев, хотя точных сведений нет.
«И литий и алюминий реагируют с кислородом и водой», говорит лидер отборочной команды Oak Ridge Паранс Парантаман. «В батарейном отсеке алюминий имеет преимущество в этом вопросе, так как оксид алюминия формируется на поверхности анода и погашает химическую реакцию. Но батарейка при этом конечно повреждается».
И наконец, возможно более преимущественно питать гаджеты обычными не перезаряжающимися алюминий-ионными батарейками, чем изобретать элементы, способные продлить жизнь автомобиля. Этот вариант Национальная Лаборатория не будет игнорировать.
«В поисках батареек можно проехать добрых 500 миль до ближайшей сервисной станции», снова говорит Жильбер Браун. «Автомобилисты захотят делать регулярную перезагрузку элементов при разумных расходах. Алюминий стоит примерно 2,5 доллара за килограмм. Покупка батарейки на алюминиевой основе равносильна покупке горючего по цене 5 долларов за галлон (примерно 3,8 литра). Было бы более заманчиво научиться производить металлический алюминий низкотемпературным способом».