Eine Aluminiumbatterie ist eine großartige Ergänzung für ein Elektrofahrzeug. Das Auto wird mit Aluminium betankt Chemische Stromquellen mit einer Aluminiumanode

Verwendung: Luft-Metall-Batterien als autonome kleine wiederaufladbare Stromquelle. Das Wesen der Erfindung: eine galvanische Luft-Metall-Kastenzelle, bestehend aus einem Elektrolytbehälter mit einer Einfüllöffnung im oberen Teil, einem Deckel, einer in einem Elektrolytbehälter angeordneten flächigen verbrauchbaren Metallanode, einer angeordneten Gasdiffusionskathode in einiger Entfernung von der Arbeitsfläche der Anode und frei gewaschenem Außengas, beispielsweise Luft, Gassammelkammer. Im oberen Teil des Elektrolytbehälters um die Einfüllöffnung herum befindet sich ein durchgehender konischer Vorsprung, der als Labyrinthdichtung wirkt, im mittleren Teil der Seitenwände des Elektrolytbehälters und in seinem unteren Teil befinden sich zwei begrenzende Vorsprünge, in der unterer Teil des Elektrolytbehälters V eine Kammer zum Sammeln von Schlamm V sl das Volumenverhältnis V: V shl = 5-15, die Anodendicke beträgt 1-3 mm und beträgt 0,05-0,50 des Kathodenspaltes, das Volumen von der Elektrolytbehälter wird durch die Ausdrücke bestimmt: V = V el + V an; V el = q el QnK 1; V an = q ec + q cor QnK 2, V an ist das Volumen der Anode, cm 3;
n die Anzahl der Zyklen ist;
K 2 = (1,97-1.49) -konstruktiver Koeffizient,
und das Verhältnis von Länge a, Breite b und Höhe c beträgt: 1: 0,38: 2,7; 1: 0,35: 3,1; 1: 0,33: 3,9. Die Luft-Metall-Batterie enthält ein Gehäuse, einen Deckel mit Kommutierung, mindestens eine galvanische Luft-Metall-Zelle der vorgeschlagenen Bauart. Die Funktionsweise einer galvanischen Luft-Metall-Zelle und einer darauf basierenden Batterie umfasst das Entladen, den Austausch von Anoden und Elektrolyt durch frische sowie das Spülen der Zellen. Vor der Verwendung werden die Anoden in einer wässrigen Lösung von Natriumhydroxid mit einer Konzentration von (2-5) mol/l unter Zusatz von Natriummetastannat-Trihydrat mit einer Konzentration von (0,01-0,10) mol/l vorbehandelt. 3 s.p. f-Kristalle, 5 dwg., 2 tbl.

Die Erfindung betrifft die Elektrochemie, betrifft ein Verfahren zum Betreiben von Metall-Luft-Batterien und kann bei der Verwendung von Metall-Luft-Batterien als autarke wiederaufladbare kleine Stromquelle verwendet werden. Bekannte galvanische Zelle, beispielsweise vom Luft-Metall-Typ. Die Zelle enthält hauptsächlich einen Elektrolytbehälter, eine Abdeckung, eine flach geformte verbrauchbare Metallelektrode, die in einem Elektrolytbehälter angeordnet ist. In einiger Entfernung von der Arbeitsfläche der Elektrode befindet sich eine Gasdiffusionskathode, die von außen frei von Gas, insbesondere von Luft, umspült wird. Um die Zirkulation des Elektrolyten zu verbessern und dadurch die Effizienz der elektrochemischen Energieumwandlung zu erhöhen, wird der bei der elektrochemischen Reaktion entstehende Wasserstoff im Elektrolytbehälter gespeichert und der steigende Druck zur Bewegung des Elektrolyten genutzt. Dabei enthält der Elektrolytbehälter einen Gassammelraum, in dem Gasdruck auf den Elektrolyten wirken kann. Durch das Rohrsystem gelangt der verdrängte Elektrolyt vom oberen Teil des Elektrolytbehälters in den unteren (Europäisches Patent N 0071015 A2 vom 22.06.82 - Prototyp). Der Nachteil der bekannten galvanischen Zelle vom Luft-Metall-Typ ist die niedrige spezifische elektrische Leistung aufgrund des durch die komplizierte Konstruktion verursachten Übergewichts. Bekannte Primär-Luft-Metall-Batterie, die ein Gehäuse, einen Deckel mit Schaltfunktion, mindestens eine galvanische Luft-Metall-Zelle enthält (US-Patent N 4626482, H 01 M 6.12.1986 - Prototyp). Der Nachteil der bekannten primären Luft-Metall-Batterie sind niedrige spezifische elektrische Leistungseigenschaften. Ein bekanntes Verfahren zum Betreiben einer galvanischen Luft-Metall-Zelle und einer darauf basierenden Batterie durch Entladen, Ersetzen der Anoden und des Elektrolyten durch frische, Spülen der Zelle (UdSSR AS 621041, H 01 M 10/42, H 01 M 12/08 ). Der Nachteil dieser Methode ist die lange Zeit, in der der Akku den angegebenen Modus erreicht (10-20) Minuten. Ziel der Erfindung ist es, die spezifischen elektrischen Leistungseigenschaften von Luft-Metall-Zellen und darauf basierenden Batterien zu erhöhen, die Stabilität der Eigenschaften über die Zeit zu erhöhen sowie die Zeit bis zum Erreichen des Modus bis zu (1- 3 Minuten. Dieses Ziel wird dadurch erreicht, dass bei einer bekannten galvanischen Luft-Metall-Kastenzelle, bestehend aus einem Elektrolytbehälter mit einer Einfüllöffnung in seinem oberen Teil, einem Deckel, einer in einem Elektrolytbehälter angeordneten flächigen verbrauchbaren Metallanode, a Gasdiffusionskathode in einem gewissen Abstand von der Arbeitsfläche die Anode und die Gassammelkammer von außen frei von Gas, z Labyrinthdichtung, im mittleren Teil der Seitenwände des Elektrolytbehälters und in seinem unteren Teil befinden sich zwei begrenzende Vorsprünge, im unteren Teil des Elektrolytbehälters (V) ist eine Kammer zum Sammeln von Schlamm (V sl) mit einem Volumen gebildet Verhältnis V: V sl = 5 - 15, die Dicke der Anode innerhalb (1-3) mm beträgt 0,05-0,50 des Kathodenspalts, die Volumenelektrolytkapazität wird durch den Ausdruck bestimmt:
V = V el + V an;
V el = q el Qnk 1;
V an (q eh + q cor) Qnk 2;
wobei V das Volumen des Elektrolytbehälters ist, cm 3;
V el - Elektrolytvolumen, cm 3;
V an ist das Volumen der Anode, cm 3;
q el - spezifischer Wasserverbrauch aus dem Elektrolyten, cm 3 / Ah;
q ec - spezifischer Aluminiumverbrauch für die elektrochemische Reaktion, cm 3 / Ah;
Q - Zellenkapazität pro Zyklus, Ah;
n die Anzahl der Zyklen ist;
k 1 = (0,44-1,45) - Bemessungsfaktor;

a: b: c = 1: 0,38: 2,7;
a: b: c = 1: 0,35: 3,1;
a: b: c = 1: 0,33: 3,9. Bei der bekannten primären Luft-Metall-Batterie, die ein Gehäuse, einen Deckel mit Schaltfunktion, eine oder mehrere galvanische Luft-Metall-Zellen enthält, wird die vorgeschlagene Zelle als eine solche Zelle verwendet; bei dem bekannten Verfahren zum Betreiben einer Luft-Metall-Zelle und einer darauf basierenden Batterie durch Entladen, Ersetzen der Anoden und des Elektrolyten durch frische, Waschen der Zelle werden die Anoden in einer wässrigen Lösung von Natriumhydroxid mit einer Konzentration von (2 -5) mol / l unter Zusatz von Trihydrat Natriummetastannat mit einer Konzentration von (0, 01-0,10) mol / l. Ein gemeinsames Merkmal ist das Vorhandensein eines kastenförmigen Elektrolytbehälters mit einer Einfüllöffnung in seinem oberen Teil, eines Deckels, einer in einem Elektrolytbehälter angeordneten flach geformten verbrauchbaren Metallanode in einer galvanischen Luft-Metall-Zelle, einer Gasdiffusionskathode in einiger Entfernung von der Arbeitsfläche der Anode und frei gewaschenes Außengas, zum Beispiel Luft, eine Gassammelkammer, das Vorhandensein eines Gehäuses in der Batterie, eine Abdeckung mit Kommutierung, eine oder mehrere Zellen, Batteriebetrieb durch Entladung, Ersetzen von Anoden und Elektrolyt durch frische, Spülen der Zelle. Eine Besonderheit ist, dass sich im oberen Teil des Elektrolytbehälters um die Einfüllöffnung ein durchgehender konischer Vorsprung befindet, der als Labyrinthdichtung fungiert, im mittleren Teil der Seitenwände des Elektrolytbehälters und in seinem unteren Teil zwei Begrenzungsvorsprünge, im unteren Teil des Elektrolytbehälters (V) ist eine Kammer zum Sammeln von Schlamm (V sl) mit einem Volumenverhältnis V gebildet: V sl = 5 - 15, die Anodendicke innerhalb (1 - 3) mm beträgt 0,05 -0,50 des Kathodenspalts wird das Volumen der Elektrolytkammer durch den Ausdruck bestimmt:
V = V el + V an;
V el = q el Qnk 1;
V an = (q eh + q cor) Qnk 2;
wobei V das Volumen des Elektrolytbehälters ist, cm 3;
V el - Elektrolytvolumen, cm 3;
V an ist das Volumen der Anode, cm 3;
q el - spezifischer Wasserverbrauch aus dem Elektrolyten, cm 3 / Ah;
q ec - spezifischer Aluminiumverbrauch für die elektrochemische Reaktion, cm 3 / Ah;
q cor ist der spezifische Verbrauch von Aluminium für Korrosion, cm 3 / Ah;
Q - Zellenkapazität pro Zyklus, Ah;
n die Anzahl der Zyklen ist;
k 1 = (0,44-1,45) - Bemessungsfaktor;
k 2 = (1,97-1,49) - Bemessungsfaktor;
und das Verhältnis von Länge (a), Breite (b) und Höhe (c) ist:
a: b: c = 1: 0,38: 2,7;
a: b: c = 1: 0,35: 3,1;
a: b: c = 1: 0,33: 3,9. In der Batterie wird die vorgeschlagene Zelle als galvanische Luft-Metall-Zelle verwendet; Beim Betrieb einer galvanischen Luft-Metall-Zelle und einer darauf basierenden Batterie werden die Anoden in einer wässrigen Lösung von Natriumhydroxid mit einer Konzentration von (2-5) mol / l unter Zusatz von Trihydrat Natriummetastannat mit einer Konzentration von . vorbehandelt (0,01-0,10) mol/l. Die beanspruchte Menge und das Verhältnis der Unterscheidungsmerkmale in den bekannten Patentquellen und der wissenschaftlichen und technischen Literatur wurden nicht gefunden. Somit ist die vorgeschlagene technische Lösung neu und erfinderisch. Die Erfindung ist gewerblich anwendbar, weil kann als umweltfreundliche autonome Stromquelle als Teil der folgenden Systeme verwendet werden:
- tragbares tragbares Tonbandgerät vom Typ "Player" mit den Funktionen Aufnahme und Wiedergabe über ein externes Lautsprechersystem;
- tragbarer Fernsehempfänger auf Flüssigkristallen;
- tragbare Taschenlampe;
- Elektrolüfter;
- Videospiele für Kinder auf Flüssigkristallen;
- funkgesteuerte Elektrofahrzeuge für Kinder;
- tragbarer Funkempfänger;
- Akkuladegerät;
- tragbares Messgerät. Die vorgeschlagene Stromquelle bietet hohe spezifische elektrische Leistungseigenschaften, hält sie während ihrer gesamten Ressource stabil und ermöglicht es auch, die Zeit zum Erreichen des Entwurfsmodus von 10 - 20 auf 1-3 Minuten zu verkürzen. Der Zustand der Indikatoren lässt den Schluss zu, dass es ratsam ist, die erhaltenen geometrischen Beziehungen beim Design von Luft-Aluminium-Batterien zu verwenden. Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung erläutert. 1 zeigt ein Luft-Aluminium-Element - Ansicht Nr. 1 in FIG. 2 - Luft-Aluminium-Element - Typ Nr. 2, in Abb. 3 - Luft-Aluminium-Element - Ansicht Nr. 3. In FIG. 4 zeigt die Elektrolytkapazität einer Luft-Aluminium-Zelle und FIG. 5 - Batterie auf Basis von Luft-Aluminium-Zellen. Die galvanische Luft-Aluminium-Zelle besteht aus einem Elektrolytbehälter 1, der an den äußeren Seitenwänden 2 Fenster 3 aufweist, im Oberteil 4 eine Einfüllöffnung 5, umgeben von einem durchgehenden konischen Vorsprung 6, der als Labyrinthdichtung wirkt, an der Innenseite des Elektrolytbehälters 1 am mittleren Teil der Seitenwände 2 und in seinem unteren Teil befinden sich zwei Begrenzungsvorsprünge 7, im unteren Teil des Elektrolytbehälters 1 ist eine Kammer 8 zum Sammeln von Schlamm gebildet, der sich während Betrieb. In den Elektrolytbehälter 1 sind Gasdiffusionskathoden 9 hermetisch in die Fenster 3 des Rahmens 10 eingesetzt. Die Dichtigkeit des Elektrolytbehälters 1 wird durch eine gegenüber der wässrigen Elektrolytlösung neutrale Dichtungsmasse erreicht. Die elektrische Verbindung der Kathoden 9 mit dem Verbraucher bei Verwendung der Luft-Aluminium-Zelle sowohl außerhalb der Batterie, als auch in ihrer Zusammensetzung erfolgt über den Kathodenstromkollektor 11, der den Elektrolytbehälter 1 mit zwei horizontalen Klemmen 12 abdeckt. die mit zwei vertikalen Klemmen 13 elektrisch verbunden sind. In den Elektrolytbehälter 1 wird durch die Einfüllöffnung 5 eine flache Metallanode 14 mit einem Vorsprung 15 von rechteckiger Form eingeführt, der dazu bestimmt ist, Strom zu sammeln. Die Ebene des Vorsprungs 15 dient auch der Abdichtung entlang der Linie "Anode 14 - Deckel 16". Die Einfüllöffnung 5 ist durch einen Deckel 16 verschlossen und abgedichtet, der ein Loch 17 zum Hindurchführen der Anode 14 und ein oder mehrere Löcher 18 zum Entfernen von Wasserstoff aus dem Elektrolytbehälter 1 während des Betriebs der Luft-Aluminium-Zelle durch den Deckel 16' enthält , die gleichzeitig eine hydrophobe Membran ist. Das Vorhandensein des konischen Vorsprungs 6 im oberen Teil des Elektrolytbehälters 4 entlang des Umfangs um das Einfüllloch 5 herum ermöglicht es, die Dichteigenschaften des Deckels 16 zu verbessern. Die geometrischen Verhältnisse der Struktur, die eine Verbesserung der spezifischen elektrischen Leistungsparameter ermöglichen, sind wie folgt:
H1 / (H2 + H3 + H4) = 1,05-1,20
H3 / H2 = H3 / H4 = 5-15
H5 / H1 = 1,1-1,5
H6 / H3 = 1-1,1
L2 / LI = 1-1,1
L3 / LI = 1,1-1,5
L5 / L6 = 0,05-0,50
2xL4 / L6 = 0,95-0,75
Eine Batterie auf Basis von Aluminium-Luft-Zellen besteht aus einem Gehäuse 19 mit inneren vertikalen Schlitzen 20 zur Aufnahme von Aluminium-Luft-Zellen und Fenstern 21 zur Organisation eines freien Luftstroms von außen innerhalb der Batterie, Schlösser 22 zum Anbringen des Deckels mit Schalter 23 an der Gehäuse 19, einen oder mehrere Elektrolytbehälter 1 mit eingebauten Kathodenstromkollektoren 11, mit darin eingesetzten Anoden 14, die mit Deckeln 16 abgedeckt sind, eine stromführende doppelseitige Platine 24, die auf der den Luft-Aluminium-Elementen zugewandten Seite enthält, Leiterbahnen 25 zur elektrischen Verbindung von Kathoden 9 zu Elektrolyttanks 1 durch die Kathodenstromkollektoren 11 zur stromführenden doppelseitigen Platine 24, mehrere Löcher 26 von rechteckiger Form zum Durchführen des Vorsprungs 15 der Metallanode 14, um elektrische Verbindung zwischen Metallanode 14 und Anodenstromkollektor 27 herstellen, mehrere Löcher beliebiger Form 28 zum Ableiten von Wasserstoff aus dem Elektrolyten Gesamtkapazität 1 zur Atmosphäre durch den Deckel 23, mehrere Anschlüsse 29 auf der Oberseite der stromführenden doppelseitigen Platine 24 angeordnet, überbrückt durch eine elektrisch leitende Brücke 30 zur Auswahl der Betriebsspannung durch den Verbraucher und Kommunikation mit dem elektrisch Leiterbahnen 25 und 31 auf beiden Seiten, mehrere auf der Oberseite der stromverteilenden Doppelplatine 24 angeordnete Stecker 32, die dem Anschluss des Verbrauchers dienen, sowie der Deckel 23, der die Batterie von oben abdeckt und mehrere Löcher 33 für Anschlüsse 32, mehrere Löcher 34 für Anschlüsse 29, ein oder mehrere Löcher 35 für Wasserstoffableitung, zwei Längsnuten 36 für Schlösser 22, Aufkleber 37 mit Kurzanleitung. Das Funktionsprinzip und die Funktionsweise einer galvanischen Luft-Metall-Zelle und einer darauf basierenden Batterie, beispielsweise einer 3 VA-24-Batterie, sind wie folgt. Elektrische Energie in der Batterie wird durch die elektrochemische Reaktion von oxidierendem Aluminium an der Anode und reduzierendem Sauerstoff an der Kathode erzeugt. Als Elektrolyt werden wässrige Lösungen von Natronlauge (NaOH) oder Natriumchlorid (NaCl) oder eine Mischung dieser Lösungen mit hemmenden Zusätzen verwendet: Na 2 SnO 3 3H 2 O - in einem alkalischen Elektrolyten und NaHCO 3 - in Kochsalzlösung. Im Zuge der Reaktion wird neben dem Aluminiumverbrauch auch Sauerstoff aus der Luft und Wasser aus dem Elektrolyten verbraucht, daher werden beim Betrieb der Batterie, wie beim Entladevorgang verbraucht, Anode und Elektrolyt periodisch ersetzt durch frische. Die Reaktionsprodukte sind Aluminiumhydroxid Al (OH) 3 und Wärme. Der Akku arbeitet im Temperaturbereich von -10 o C bis +60 o C ohne zusätzliche Heizung beim Starten aus Minustemperaturen. Einer der negativen Faktoren einer Aluminium-Luft-Batterie ist Anodenkorrosion. Dies führt zu einer Verringerung der elektrischen Leistung der Batterie und zur Erzeugung einer geringen Menge Wasserstoff. In stärkerem Maße zeigt sich der Einfluss der Korrosion auf das Startverhalten, wodurch die Zeit bis zum Erreichen des angegebenen Modus (10-20) Minuten beträgt. Die vorgeschlagene Behandlung der Anoden, bei der ihre Oberfläche mit Zinn bedeckt ist, ermöglicht es, die Korrosionsstromdichte zu reduzieren und die Betriebsweise der Luft-Aluminium-Batterie erheblich zu verbessern, wodurch die elektrischen Eigenschaften und die Zeit zum Erreichen zunehmen der Modus wird auf (1-3) Minuten reduziert. Vor Aufnahme des Batteriebetriebs wird die Anode beschichtet. Die Anode wird vorläufig entfettet und dann in einer wässrigen Lösung von Natriumhydroxid mit einer Konzentration von (2-5) mol/l unter Zugabe von Natriummetastannat-Trihydrat mit einer Konzentration von (0,01-0,10) mol/l bei Raumtemperatur behandelt für 5-60 Minuten. Die Testergebnisse der vorgeschlagenen Luft-Aluminium-Batterie und des Prototyps sind in der Tabelle dargestellt. Wie aus den Tabellen ersichtlich ist, liefert die vorgeschlagene Luft-Aluminium-Batterie hohe spezifische und zeitlich stabile elektrische Leistungseigenschaften mit einer kurzen Zeit, um den Modus zu erreichen.

Beanspruchen

1. Galvanische Luft-Metall-Kastenzelle, bestehend aus einem Elektrolytbehälter mit einer Einfüllöffnung in seinem oberen Teil, einer in einem Elektrolytbehälter angeordneten flachen Metallanode, einer Gasdiffusionskathode, die in einiger Entfernung von der Arbeitsfläche des der Anode und von außen durch Gas, beispielsweise Luft, frei umspült, eine Gassammelkammer, dadurch gekennzeichnet, dass im oberen Teil des Elektrolytbehälters um die Einfüllöffnung herum ein durchgehender konischer Vorsprung vorhanden ist, der als Labyrinthdichtung wirkt, in im mittleren Teil der Seitenwände des Elektrolytbehälters und in seinem unteren Teil befinden sich zwei begrenzende Vorsprünge, im unteren Teil des Elektrolytbehälters V ist eine Kammer V sl zum Sammeln von Schlamm mit einem Volumenverhältnis V gebildet: V sl = 5 - 15, die Anodendicke innerhalb von 1 - 3 mm beträgt 0,05 - 0,50 des Kathodenspalts, das Volumen des Elektrolytbehälters wird durch den Ausdruck bestimmt:
V = V el + V an;
V el = q el Q n k 1;
V an = (q eh + q cor) Q n k 2;
wobei V das Volumen des Elektrolytbehälters ist, cm 3;
V el - Elektrolytvolumen, cm 3;
V an ist das Volumen der Anode, cm 3;
q el - spezifischer Wasserverbrauch aus dem Elektrolyten, cm 3 / Ah;
q ec ist der spezifische Aluminiumverbrauch für die elektrochemische Reaktion cm 3 / Ah;
q cor ist der spezifische Verbrauch von Aluminium für Korrosion, cm 3 / A h;
Q - Zellenkapazität pro Zyklus, Ah;
n die Anzahl der Zyklen ist;
K 1 = (0,44 - 1,45) - Bemessungsfaktor;
K 2 = (1,97 - 1,49) - Bemessungsfaktor;
und das Verhältnis von Länge a, Breite b und Höhe c ist 1: 0,38: 2,7; 1: 0,35: 3,1; 1: 0,33: 3,9. 2. Primäre Luft-Metall-Batterie enthaltend ein Gehäuse, einen Deckel, mindestens eine galvanische Luft-Metall-Zelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Zelle nach Anspruch 1 als eine solche Zelle aufgefasst wird. 3. Verfahren zum Betreiben einer galvanischen Luft-Metall-Zelle und einer darauf basierenden Batterie durch Entladen, Ersetzen von Anoden und Elektrolyt durch frisches Natriummetastannat mit einer Konzentration von (0,01 - 0,10) mol/l.

Das französische Unternehmen Renault schlägt den Einsatz von Phinergy-Aluminium-Luft-Batterien in zukünftigen Elektrofahrzeugen vor. Werfen wir einen Blick auf ihre Perspektiven.

Renault hat sich entschieden, sich auf einen neuen Batterietyp zu konzentrieren, der die Reichweite mit einer einzigen Ladung um das Siebenfache erhöhen kann. Unter Beibehaltung der Größe und des Gewichts heutiger Batterien. Aluminium-Luft-Zellen (Al-Luft) haben eine phänomenale Energiedichte (8000 W / kg gegenüber 1000 W / kg für herkömmliche Batterien), die während der Oxidationsreaktion von Aluminium in Luft erzeugt wird. Eine solche Batterie enthält eine positive Kathode und eine negative Anode aus Aluminium, und zwischen den Elektroden ist ein flüssiger Elektrolyt auf Wasserbasis enthalten.

Das Batterieunternehmen Phinergy sagte, es habe große Fortschritte bei der Entwicklung solcher Batterien gemacht. Ihr Vorschlag besteht darin, einen Katalysator aus Silber zu verwenden, der den Sauerstoff der normalen Luft effektiv nutzt. Dieser Sauerstoff vermischt sich mit dem flüssigen Elektrolyten und setzt dabei die in der Aluminiumanode enthaltene elektrische Energie frei. Die Hauptnuance ist die "Luftkathode", die wie eine Membran in Ihrer Winterjacke wirkt - nur O2, kein Kohlendioxid, geht durch.

Was ist der Unterschied zu herkömmlichen Batterien? Letztere haben vollständig geschlossene Zellen, während die Al-Luft-Elemente ein externes Element benötigen, um die Reaktion „auszulösen“. Ein wichtiger Pluspunkt ist die Tatsache, dass die Al-Air-Batterie wie ein Dieselgenerator funktioniert – sie erzeugt nur beim Einschalten Energie. Und wenn Sie einer solchen Batterie „die Luft abschneiden“, bleibt ihre gesamte Ladung an Ort und Stelle und verschwindet nicht wie bei herkömmlichen Batterien mit der Zeit.

Die Al-Air-Batterie verwendet eine Aluminiumelektrode, kann jedoch wie eine Patrone in einem Drucker austauschbar gemacht werden. Das Aufladen muss alle 400 km durchgeführt werden, es besteht darin, neuen Elektrolyten hinzuzufügen, was viel einfacher ist, als auf das Aufladen einer normalen Batterie zu warten.

Phinergy hat bereits einen elektrischen Citroen C1 geschaffen, der mit einer 25 kg schweren 100-kWh-Batterie ausgestattet ist. Die Reichweite beträgt 960 km. Mit einem 50-kW-Motor (ca. 67 PS) entwickelt das Auto eine Geschwindigkeit von 130 km / h, beschleunigt in 14 Sekunden auf Hundert. Ein ähnlicher Akku wird auch beim Renault Zoe getestet, seine Kapazität beträgt jedoch 22 kWh, die Höchstgeschwindigkeit des Autos beträgt 135 km / h, 13,5 Sekunden bis "Hunderte", aber nur 210 km Gangreserve.

Die neuen Akkus sind leichter, halb so teuer wie Lithium-Ionen-Akkus und auf Dauer einfacher zu handhaben als moderne. Und bisher ist ihr einziges Problem die Aluminiumelektrode, die schwer herzustellen und zu ersetzen ist. Sobald dieses Problem gelöst ist, können wir mit Sicherheit eine noch größere Popularität von Elektrofahrzeugen erwarten!

• , 20.01.2015

Fuji-Pigment zeigte eine innovative Art von Aluminium-Luft-Batterie, die mit Salzwasser aufgeladen werden kann. Der Akku wurde modifiziert, um eine längere Akkulaufzeit zu bieten, jetzt mindestens 14 Tage.

In die Struktur der Aluminium-Luft-Batterie wurden als innere Schicht Keramik- und Kohlenstoffmaterialien eingearbeitet. Die Auswirkungen von Anodenkorrosion und Ansammlung von Nebenverunreinigungen wurden unterdrückt. Dadurch wurde eine längere Betriebszeit erreicht.

Eine Luft-Aluminium-Batterie mit einer Betriebsspannung von 0,7 - 0,8 V, die 400 - 800 mA Strom pro Zelle erzeugt, hat ein theoretisches Energieniveau pro Volumeneinheit in der Größenordnung von 8100 W * h / kg. Dies ist der zweite Indikator für das Maximum für Akkumulatoren verschiedener Typen. Das theoretische Energieniveau pro Volumeneinheit in Lithium-Ionen-Batterien beträgt 120-200 W * h / kg. Dies bedeutet, dass die Kapazität von Aluminium-Luft-Batterien theoretisch diesen Indikator von Lithium-Ionen-Pendants um mehr als das 40-fache überschreiten kann.

Obwohl kommerzielle wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien heute weit verbreitet in Mobiltelefonen, Laptops und anderen elektronischen Geräten verwendet werden, reicht ihre Energiedichte für den industriellen Einsatz in Elektrofahrzeugen noch nicht aus. Wissenschaftler haben bisher eine Technologie für Luft-Metall-Batterien mit maximaler Energiekapazität entwickelt. Die Forscher untersuchten Luft-Metall-Batterien auf Basis von Lithium, Eisen, Aluminium, Magnesium und Zink. Unter den Metallen ist Aluminium als Anode aufgrund seiner hohen spezifischen Kapazität und des hohen Standardelektrodenpotentials von Interesse. Darüber hinaus ist Aluminium das billigste und am besten recycelbare Metall der Welt.

Ein innovativer Batterietyp soll das Haupthindernis für die Kommerzialisierung solcher Lösungen umgehen, nämlich die hohe Korrosion von Aluminium bei elektrochemischen Reaktionen. Außerdem reichern sich Nebenmaterialien Al2O3 und Al(OH)3 an den Elektroden an, die den Reaktionsablauf beeinträchtigen.

Fuji-Pigment gaben an, dass die neuartigen Aluminium-Luft-Batterien unter normalen Umweltbedingungen hergestellt und betrieben werden können, da die Zellen widerstandsfähig sind, im Gegensatz zu Lithium-Ionen-Batterien, die sich entzünden und explodieren können. Alle zum Aufbau der Batteriestruktur verwendeten Materialien (Elektrode, Elektrolyt) sind sicher und kostengünstig herzustellen.

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Chemische Stromquellen mit stabilen und hohen spezifischen Eigenschaften sind eine der wichtigsten Voraussetzungen für die Entwicklung von Kommunikationseinrichtungen.

Gegenwärtig wird der Bedarf der Elektrizitätsverbraucher für die Kommunikation hauptsächlich durch den Einsatz von teuren galvanischen Zellen oder Batterien gedeckt.

Batterien sind relativ unabhängige Stromversorgungen, da sie regelmäßig vom Netz aufgeladen werden müssen. Hierfür verwendete Ladegeräte sind teuer und nicht immer in der Lage, ein günstiges Laderegime bereitzustellen. So lädt die Sonnenschein-Batterie mit Dryfit-Technologie mit einer Masse von 0,7 kg und einer Kapazität von 5 Ah innerhalb von 10 Stunden, und beim Laden müssen die Standardwerte für Strom, Spannung und Ladung eingehalten werden Zeit. Die Ladung erfolgt zuerst mit konstantem Strom, dann mit konstanter Spannung. Dafür werden teure programmierbare Ladegeräte verwendet.

Galvanische Zellen sind vollständig in sich geschlossen, haben jedoch normalerweise eine geringe Leistung und eine begrenzte Kapazität. Bei Erschöpfung der darin gespeicherten Energie werden sie verwertet und belasten die Umwelt. Eine Alternative zu trockenen Quellen sind mechanisch wiederaufladbare Luft-Metall-Quellen, von denen einige der Energieeigenschaften in Tabelle 1 aufgeführt sind.

Tabelle 1- Parameter einiger elektrochemischer Systeme

Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, haben Luft-Metall-Quellen im Vergleich zu anderen weit verbreiteten Systemen die höchsten theoretisch und praktisch realisierbaren Energieparameter.

Luft-Metall-Systeme wurden viel später implementiert, und ihre Entwicklung wird immer noch weniger intensiv betrieben als aktuelle Quellen anderer elektrochemischer Systeme. Tests von Prototypen, die von in- und ausländischen Firmen erstellt wurden, haben jedoch ihre ausreichende Wettbewerbsfähigkeit gezeigt.

Es wird gezeigt, dass Legierungen aus Aluminium und Zink in alkalischen und Salzelektrolyten funktionieren können. Magnesium kommt nur in Salzelektrolyten vor und seine intensive Auflösung erfolgt sowohl während der Stromerzeugung als auch in Pausen.

Im Gegensatz zu Magnesium löst sich Aluminium in Salzelektrolyten nur, wenn Strom erzeugt wird. Alkalische Elektrolyte sind am vielversprechendsten für eine Zinkelektrode.

Luft-Aluminium-Stromquellen (VAIT)

Auf Basis von Aluminiumlegierungen sind mechanisch wiederaufladbare Stromquellen mit einem Elektrolyten auf Basis von Natriumchlorid entstanden. Diese Quellen sind völlig autonom und können nicht nur zur Stromversorgung von Kommunikationsgeräten, sondern auch zum Aufladen von Batterien und zur Stromversorgung verschiedener Haushaltsgeräte verwendet werden: Radios, Fernseher, Kaffeemühlen, elektrische Bohrmaschinen, Lampen, elektrische Haartrockner, Lötkolben, Kühlschränke mit geringer Leistung , Kreiselpumpen usw. ermöglicht den Einsatz im Feld, in Regionen ohne zentrale Stromversorgung, an Orten von Katastrophen und Naturkatastrophen.

Das Aufladen des VAIT erfolgt innerhalb weniger Minuten, die zum Befüllen des Elektrolyten und/oder zum Austauschen der Aluminiumelektroden notwendig sind. Zum Aufladen benötigen Sie lediglich Kochsalz, Wasser und einen Vorrat an Aluminiumanoden. Als Aktivmaterial wird Luftsauerstoff verwendet, der auf Kohlenstoff- und Fluorkunststoffkathoden reduziert wird. Kathoden sind recht günstig, sichern den Betrieb der Quelle für lange Zeit und haben daher einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Kosten der erzeugten Energie.

Die Stromkosten in VAIT werden hauptsächlich durch die Kosten der periodisch ausgetauschten Anoden bestimmt, sie beinhalten nicht die Kosten für Oxidationsmittel, Materialien und technologische Prozesse, die die Funktionsfähigkeit traditioneller galvanischer Zellen gewährleisten, und sind daher 20-mal niedriger als die Energiekosten aus autonomen Quellen wie alkalischen Mangan-Zink-Elementen.

Tabelle 2- Parameter von Luft-Aluminium-Stromquellen

Die Dauer des Dauerbetriebs wird durch die verbrauchte Strommenge, das in die Zelle eingefüllte Elektrolytvolumen bestimmt und beträgt 70 - 100 A · h / l. Die untere Grenze wird durch die Viskosität des Elektrolyten bestimmt, bei der sein freies Abfließen möglich ist. Die obere Grenze entspricht einer Abnahme der Eigenschaften der Zelle um 10-15%, jedoch müssen bei Erreichen der Elektrolytmasse mechanische Vorrichtungen verwendet werden, die die Sauerstoff-(Luft-)Elektrode beschädigen können.

Die Viskosität des Elektrolyten steigt, wenn er mit einer Suspension von Aluminiumhydroxid gesättigt wird. (Aluminiumhydroxid kommt natürlicherweise in Form von Ton oder Aluminiumoxid vor, ist ein hervorragendes Produkt für die Aluminiumherstellung und kann in die Produktion zurückgeführt werden.)

Der Elektrolytaustausch ist in wenigen Minuten erledigt. Mit neuen Elektrolytportionen kann VAIT arbeiten, bis die Ressource der Anode erschöpft ist, die bei einer Dicke von 3 mm 2,5 Ah / cm 2 der geometrischen Oberfläche beträgt. Haben sich die Anoden aufgelöst, werden sie innerhalb weniger Minuten durch neue ersetzt.

Die Selbstentladung von VAIT ist auch bei Elektrolytlagerung sehr gering. Da VAIT jedoch in der Pause zwischen den Entladungen ohne Elektrolyt gelagert werden kann, ist seine Selbstentladung vernachlässigbar. Die Lebensdauer von VAIT ist begrenzt durch die Lebensdauer des Kunststoffs, aus dem es hergestellt ist VAIT ohne Elektrolyt ist bis zu 15 Jahre lagerfähig.

Abhängig von den Anforderungen des Verbrauchers kann VAIT unter Berücksichtigung der Tatsache modifiziert werden, dass 1 Zelle eine Spannung von 1 V bei einer Stromdichte von 20 mA / cm 2 hat und der aus VAIT entnommene Strom durch die Fläche von ​ . bestimmt wird die Elektroden.

Die am MPEI (TU) durchgeführten Untersuchungen der an den Elektroden und im Elektrolyten ablaufenden Prozesse ermöglichten es, zwei Arten von Luft-Aluminium-Stromquellen zu schaffen - geflutet und untergetaucht (Tabelle 2).

Überflutetes VAIT

Gegossene VAIT bestehen aus 4-6 Elementen. Das Element des gefluteten VAIT (Abb. 1) ist ein rechteckiger Behälter (1), in dessen gegenüberliegenden Wänden die Kathode (2) eingebaut ist. Die Kathode besteht aus zwei Teilen, die über einen Bus (3) mit einer Elektrode elektrisch verbunden sind. Zwischen den Kathoden befindet sich die Anode (4), deren Position durch Führungen (5) fixiert ist. Die von den Autoren / 1 / patentierte Konstruktion des Elements ermöglicht es, die negativen Auswirkungen des als Endprodukt gebildeten Aluminiumhydroxids aufgrund der Organisation des internen Kreislaufs zu reduzieren. Zu diesem Zweck wird das Element in einer Ebene senkrecht zur Ebene der Elektroden durch Trennwände in drei Abschnitte unterteilt. Die Trennwände dienen auch als Führungsschienen für die Anode (5). Der mittlere Abschnitt enthält Elektroden. Die beim Betrieb der Anode freigesetzten Gasblasen heben zusammen mit dem Elektrolytstrom die Hydroxidsuspension an, die in den anderen beiden Abschnitten der Zelle zu Boden sinkt.

Bild 1- Elementdiagramm

Die Luftzufuhr zu den Kathoden in VAIT (Abb. 2) erfolgt durch die Lücken (1) zwischen den Elementen (2). Die äußersten Kathoden sind durch Seitenwände (3) vor äußeren mechanischen Einflüssen geschützt. Das Auslaufen der Struktur wird durch die Verwendung einer schnell abnehmbaren Abdeckung (4) mit einer Dichtung (5) aus porösem Gummi gewährleistet. Die Spannung der Gummidichtung wird erreicht, indem der Deckel gegen den VAIT-Körper gedrückt und in diesem Zustand mit Federklammern (in der Abbildung nicht dargestellt) fixiert wird. Das Gas wird durch speziell konstruierte poröse hydrophobe Ventile (6) abgeführt. Zellen (1) der Batterie sind in Reihe geschaltet. Plattenanoden (9), deren Design am MPEI entwickelt wurde, haben flexible Stromabnehmer mit einem Anschlusselement am Ende. Der Stecker, dessen Gegenstück mit dem Kathodenblock verbunden ist, ermöglicht es Ihnen, die Anode beim Austausch schnell zu trennen und anzuschließen. Wenn alle Anoden angeschlossen sind, werden VAIT-Elemente in Reihe geschaltet. Die Extremelektroden sind ebenfalls über Konnektoren mit dem VAITborne (10) verbunden.

1- Luftspalt, 2 - Element, 3 - Schutzblech, 4 - Abdeckung, 5 - Kathodenbus, 6 - Dichtung, 7- Ventil, 8 - Kathode, 9 - Anode, 10 - getragen

Bild 2- Gefülltes WAIT

Tauchboot VAIT

Submersed VAIT (Abb. 3) ist ein umgestülptes gegossenes VAIT. Die Kathoden (2) werden durch die aktive Schicht nach außen gedreht. Die Zellenkapazität, in die der Elektrolyt eingefüllt wurde, ist durch eine Trennwand zweigeteilt und dient der separaten Luftversorgung jeder Kathode. In dem Spalt, durch den den Kathoden Luft zugeführt wurde, ist eine Anode (1) eingebaut. VAIT hingegen wird nicht durch Eingießen von Elektrolyt aktiviert, sondern durch Eintauchen in den Elektrolyten. Der Elektrolyt wird vorgegossen und zwischen den Entladungen im Tank (6) gelagert, der in 6 nicht verbundene Abschnitte unterteilt ist. Als Tank wird ein 6ST-60TM Batterie-Monoblock verwendet.

1 - Anode, 4 - Kathodenkammer, 2 - Kathode, 5 - Deckplatte, 3 - Skid, 6 - Elektrolyttank

Figur 3- Luft-Aluminium-Tauchelement in der Modulplatte

Diese Konstruktion ermöglicht es, die Batterie schnell zu demontieren, das Modul mit Elektroden zu entfernen und den Elektrolyten beim Befüllen und Entladen nicht mit der Batterie, sondern mit dem Behälter zu manipulieren, dessen Masse mit dem Elektrolyten 4,7 kg beträgt. Das Modul kombiniert 6 elektrochemische Zellen. Die Elemente werden auf der Oberseite (5) des Moduls montiert. Die Masse des Moduls mit Anodensatz beträgt 2 kg. Durch die Reihenschaltung der Module wurde VAIT aus 12, 18 und 24 Elementen rekrutiert. Zu den Nachteilen einer Luft-Aluminium-Quelle gehören ein ziemlich hoher Innenwiderstand, eine geringe spezifische Leistung, eine Spannungsinstabilität während der Entladung und ein Spannungseinbruch beim Einschalten. All diese Nachteile werden durch die Verwendung einer kombinierten Stromquelle (KIT), bestehend aus VAIT und einer Batterie, ausgeglichen.

Kombinierte Stromquellen

Die Entladekurve der „überfluteten“ Quelle 6VAIT50 (Abb. 4) beim Laden eines verschlossenen Bleiakkumulators 2SG10 mit einer Kapazität von 10 Ah ist wie bei anderen Verbrauchern durch einen Spannungsabfall in den ersten Sekunden beim Zuschalten der Last gekennzeichnet. Innerhalb von 10-15 Minuten steigt die Spannung auf die Betriebsspannung, die während der gesamten VAIT-Entladung konstant bleibt. Die Eintauchtiefe wird durch den Oberflächenzustand der Aluminiumanode und deren Polarisation bestimmt.

Figur 4- Entladekurve 6WAIT50 bei 2SG10 Ladung

Wie Sie wissen, erfolgt der Ladevorgang einer Batterie nur, wenn die Spannung an der Energie abgebenden Quelle höher ist als an der Batterie. Der Ausfall der Anfangsspannung von VAIT führt dazu, dass sich die Batterie bei VAIT zu entladen beginnt und somit an den VAIT-Elektroden Rückvorgänge ablaufen, die zu einer Passivierung der Anoden führen können.

Um unerwünschte Prozesse zu verhindern, wird im Stromkreis zwischen VAIT und der Batterie eine Diode eingebaut. In diesem Fall wird die VAIT-Entladespannung beim Laden der Batterie nicht nur durch die Batteriespannung, sondern auch durch den Spannungsabfall an der Diode bestimmt:

U VAIT = U ACC + ΔU DIODE (1)

Das Einbringen einer Diode in den Stromkreis führt zu einer Spannungserhöhung sowohl am VAIT als auch an der Batterie. Der Einfluss des Vorhandenseins einer Diode in der Schaltung ist in Abb. 5, die die Änderung der Spannungsdifferenz zwischen VAIT und Batterie beim abwechselnden Laden der Batterie mit und ohne Diode im Stromkreis zeigt.

Beim Laden der Batterie ohne Diode neigt die Spannungsdifferenz dazu, abzunehmen, d.h. Abnahme der Effizienz von VAIT, während bei Vorhandensein einer Diode die Differenz und folglich die Effizienz des Prozesses dazu neigt, zuzunehmen.

Abbildung 5- Spannungsdifferenz 6VAIT125 und 2SG10 beim Laden mit und ohne Diode

Abbildung 6- Änderung der Entladeströme 6WAIT125 und 3NKGK11 bei Einspeisung des Verbrauchers

Abbildung 7- Änderung der spezifischen Energie des KIT (VAIT - Blei-Säure-Batterie) mit Erhöhung des Spitzenlastanteils

Kommunikationseinrichtungen zeichnen sich durch einen Energieverbrauch im Modus variabler Lasten einschließlich Spitzenlasten aus. Wir haben ein solches Verbrauchsverhalten für einen Verbraucher mit einer Grundlast von 0,75 A und einer Spitzenlast von 1,8 A aus einem KIT bestehend aus 6WAIT125 und 3NKGK11 simuliert. Die Art der Änderung der von den Komponenten des KIT erzeugten (verbrauchten) Ströme ist in Abb. 6.

Die Abbildung zeigt, dass VAIT im Basismodus eine ausreichende Stromerzeugung bereitstellt, um die Grundlast zu versorgen und die Batterie zu laden. Bei Spitzenlast wird der Verbrauch aus dem von VAIT und der Batterie erzeugten Strom gedeckt.

Unsere theoretische Analyse ergab, dass die spezifische Energie des KIT ein Kompromiss zwischen der spezifischen Energie des VAIT und der Batterie ist und mit abnehmendem Anteil der Spitzenenergie ansteigt (Abb. 7). Die spezifische Leistung des KIT ist höher als die spezifische Leistung des VAIT und nimmt mit steigendem Anteil der Spitzenlast zu.

Schlussfolgerungen

Auf Basis des elektrochemischen Systems „Luft-Aluminium“ mit einer Lösung von Natriumchlorid als Elektrolyt wurden neue Stromquellen mit einer Energiekapazität von ca. 250 Ah und mit einer spezifischen Energie von über 300 Wh/kg geschaffen.

Die entwickelten Quellen werden innerhalb weniger Minuten durch mechanischen Austausch des Elektrolyten und/oder der Anoden aufgeladen. Die Selbstentladung der Quellen ist vernachlässigbar und daher vor Aktivierung 15 Jahre lagerfähig. Es wurden Varianten von Quellen entwickelt, die sich in der Aktivierungsmethode unterscheiden.

Die Arbeit von Luft-Aluminium-Quellen wurde beim Laden einer Batterie und als Teil einer kombinierten Quelle untersucht. Es zeigt sich, dass die spezifische Energie und spezifische Leistung des KIT Kompromisswerte sind und vom Anteil der Spitzenlast abhängen.

VAIT und KIT sind auf ihrer Basis absolut autonom und können nicht nur zur Stromversorgung von Kommunikationsgeräten, sondern auch zur Stromversorgung verschiedener Haushaltsgeräte verwendet werden: elektrische Maschinen, Lampen, Kühlschränke mit geringer Leistung usw. Stromversorgung an Orten von Katastrophen und Naturkatastrophen .

REFERENZLISTE

1. RF-Patent Nr. 2118014. Metall-Luft-Element. / Dyachkov E.V., Kleimenov B.V., Korovin N.V., // IPC 6 H 01 M 12/06. 2/38. prog. 17.06.97 Veröffentlichung 20.08.98
2. Korovin N.V., Kleimenov B.V., Voligova I.A. & Voligov I.A. // Abstr. Zweiter Symp. auf Neue Mater. für Brennstoffzellen- und moderne Batteriesysteme. 6.-10. Juli. 1997. Montreal. Kanada. v 97-7.
3. Korovin N.V., Kleimenov B.V. MEI-Bulletin (im Druck).

Die Arbeiten wurden im Rahmen des Programms "Wissenschaftliche Hochschulforschung in naturwissenschaftlich-technischen Schwerpunktbereichen" durchgeführt.