Aluminiowa bateria to świetny dodatek do pojazdu elektrycznego. Samochód jest zasilany aluminium Chemiczne źródła prądu z anodą aluminiową

Zastosowanie: baterie powietrzno-metalowe jako autonomiczne, niewielkich rozmiarów, ładowalne źródło prądu. Istota wynalazku: ogniwo galwaniczne typu skrzynkowego powietrze-metal, w skład którego wchodzi zbiornik elektrolitu z otworem do napełniania w jego górnej części, pokrywa, płaska metalowa anoda zużywalna umieszczona w zbiorniku elektrolitu, katoda dyfuzji gazowej umieszczona w pewnej odległości od powierzchni roboczej anody i swobodnie wypłukiwany gaz z zewnątrz, np. powietrze, komora zbiorcza gazu. W górnej części zbiornika elektrolitu wokół otworu wlewowego znajduje się ciągły stożkowy występ pełniący funkcję uszczelnienia labiryntowego, w środkowej części ścian bocznych zbiornika elektrolitu oraz w jego dolnej części dwa występy ograniczające, w w dolnej części zbiornika elektrolitu V znajduje się komora do zbierania szlamu V sl stosunek objętości V:V shl = 5-15, grubość anody mieści się w granicach 1-3 mm i wynosi 0,05-0,50 szczeliny katodowej, objętość zbiornik elektrolitu jest określony przez wyrażenia: V = V el + V an; Vel = qel QnK 1; V an = q ec + q cor QnK 2, V an to objętość anody, cm 3;
n to liczba cykli;
K 2 = (1,97-1,49) -współczynnik konstrukcyjny,
a stosunek długości a, szerokości b i wysokości c wynosi 1:0,38:2,7; 1:0,35:3,1; 1: 0,33: 3,9. Powietrzno-metalowa bateria zawiera obudowę, pokrywę z komutacją, co najmniej jedno powietrzno-metalowe ogniwo galwaniczne proponowanej konstrukcji. Sposób działania ogniwa galwanicznego powietrze-metal i opartego na nim akumulatora obejmuje rozładowanie, wymianę anod i elektrolitu na świeże oraz płukanie ogniw. Przed użyciem anody poddaje się wstępnej obróbce w wodnym roztworze wodorotlenku sodu o stężeniu (2-5) mol/l z dodatkiem trihydratu metacynianu sodu o stężeniu (0,01-0,10) mol/l. 3 szt. f-kryształy, 5 dwg., 2 tbl.

Wynalazek dotyczy elektrochemii, dotyczy sposobu działania baterii metal-powietrze i może być stosowany przy stosowaniu baterii metal-powietrze jako autonomicznego, ładowalnego źródła prądu o niewielkich rozmiarach. Znane ogniwo galwaniczne, na przykład typu powietrze-metal. Ogniwo zawiera głównie zbiornik elektrolitu, pokrywę, płaską metalową elektrodę zużywalną umieszczoną w zbiorniku elektrolitu. W pewnej odległości od powierzchni roboczej elektrody znajduje się katoda z dyfuzją gazu, która jest swobodnie wypłukiwana z zewnątrz przez gaz, w szczególności powietrze. Aby poprawić cyrkulację elektrolitu, a tym samym zwiększyć wydajność konwersji energii elektrochemicznej, wodór wytworzony podczas reakcji elektrochemicznej jest gromadzony w zbiorniku elektrolitu, a rosnące ciśnienie jest wykorzystywane do przemieszczania elektrolitu. W tym przypadku zbiornik elektrolitu zawiera komorę zbiorczą gazu, w której ciśnienie gazu może oddziaływać na elektrolit. Poprzez system rurek wyparty elektrolit przechodzi z górnej części zbiornika elektrolitu do dolnej (patent europejski N 0071015 A2 z dnia 06.22.82 - prototyp). Wadą znanego ogniwa galwanicznego typu powietrze-metal jest niska specyficzna charakterystyka mocy elektrycznej spowodowana nadwagą spowodowaną komplikacją konstrukcji. Znany pierwotny powietrzno-metalowy akumulator zawierający obudowę, pokrywę z przełącznikiem, co najmniej jedno powietrzno-metalowe ogniwo galwaniczne (patent US N 4626482, H 01 M 12/6, 1986 - prototyp). Wadą znanej pierwotnej baterii metalowo-powietrznej jest niska właściwa charakterystyka mocy elektrycznej. Znany sposób działania ogniwa galwanicznego powietrze-metal i opartego na nim akumulatora poprzez rozładowanie, wymianę anod i elektrolitu na świeże, przepłukanie ogniwa (ZSRR AS 621041, H 01 M 10/42, H 01 M 12/08 ). Wadą tej metody jest długi czas dochodzenia baterii do określonego trybu (10-20) minut. Celem wynalazku jest zwiększenie specyficznych charakterystyk mocy elektrycznej ogniw powietrzno-metalowych i opartych na nich baterii, zwiększenie stabilności charakterystyk w czasie, a także skrócenie czasu dojścia do trybu do (1- 3 minuty. Cel ten osiąga się dzięki temu, że w znanym ogniwie galwanicznym powietrzno-metalowym typu skrzynkowego, zawierającym zbiornik elektrolitu z otworem wlewowym w jego górnej części, znajduje się pokrywa, płaska metalowa anoda zużywalna umieszczona w zbiorniku elektrolitu, katoda dyfuzyjna umieszczona w pewnej odległości od powierzchni roboczej anoda i komora zbiorcza gazu swobodnie wypłukiwana na zewnątrz gazem np. powietrzem w górnej części wokół otworu wlewowego występuje ciągły stożkowy występ pełniący funkcję uszczelnienia labiryntowego , w środkowej części ścian bocznych zbiornika elektrolitu oraz w jego dolnej części znajdują się dwa występy ograniczające, w dolnej części zbiornika elektrolitu (V) uformowana jest komora do gromadzenia szlamu (V sl) o stosunku objętości V : V sl = 5 - 15, grubość anody w granicach (1-3) mm wynosi 0,05-0,50 szczeliny katodowej, pojemność elektrolitu objętościowego określa wyrażenie:
V = Vel + Van;
Vel = qel Qnk 1;
V an (q eh + q cor) Qnk 2;
gdzie V jest objętością pojemnika elektrolitu, cm 3;
V el - objętość elektrolitu, cm 3;
V an jest objętością anody, cm 3;
q el - jednostkowe zużycie wody z elektrolitu, cm 3 / Ah;
q ec - jednostkowe zużycie aluminium do reakcji elektrochemicznej, cm 3 / Ah;
Q - pojemność ogniwa na cykl, Ah;
n to liczba cykli;
k 1 = (0,44-1,45) - współczynnik projektowy;

a: b: c = 1: 0,38: 2,7;
a: b: c = 1: 0,35: 3,1;
a: b: c = 1: 0,33: 3,9. W znanym pierwotnym akumulatorze powietrzno-metalowym zawierającym obudowę, pokrywę z komutacją, jedno lub więcej ogniw galwanicznych powietrzno-metalowych, proponowane ogniwo stosuje się jako takie ogniwo; w znanym sposobie pracy ogniwa powietrzno-metalicznego i opartego na nim akumulatora poprzez rozładowanie, wymianę anod i elektrolitu na świeże, przemycie ogniwa, anody poddaje się wstępnej obróbce w wodnym roztworze wodorotlenku sodu o stężeniu (2 -5) mol/l z dodatkiem trihydratu metacynianu sodu o stężeniu (0,01-0,10) mol/l. Cechą wspólną jest obecność w ogniwie powietrzno-metalowym pojemnika elektrolitu typu skrzynkowego z otworem do napełniania w jego górnej części, pokrywą, płaską metalową anodą zużywalną umieszczoną w pojemniku elektrolitu, katodą dyfuzyjną w pewnej odległości od powierzchni roboczej anody i swobodnie wypłukany gaz z zewnątrz np. powietrze, komora zbiorcza gazu, obecność w akumulatorze obudowy, osłona z komutacją, jedno lub kilka ogniw, praca akumulatorowa przez rozładowanie, wymiana anod i elektrolitu na świeże, płukanie ogniwa. Cechą charakterystyczną jest to, że w górnej części zbiornika elektrolitu wokół otworu wlewowego znajduje się ciągły stożkowy występ pełniący funkcję uszczelnienia labiryntowego, w środkowej części ścian bocznych zbiornika elektrolitu oraz w jego dolnej części znajdują się dwa występy ograniczające, w dolnej części zbiornika elektrolitu (V) tworzy się komora do zbierania szlamu (V sl) o stosunku objętości V: V sl = 5 - 15, grubość anody w zakresie (1 - 3) mm wynosi 0,05 -0,50 szczeliny katodowej, objętość komory elektrolitu określa wyrażenie:
V = Vel + Van;
Vel = qel Qnk 1;
V an = (q eh + q cor) Qnk 2;
gdzie V jest objętością pojemnika elektrolitu, cm 3;
V el - objętość elektrolitu, cm 3;
V an jest objętością anody, cm 3;
q el - jednostkowe zużycie wody z elektrolitu, cm 3 / Ah;
q ec - jednostkowe zużycie aluminium do reakcji elektrochemicznej, cm 3 / Ah;
q cor jest jednostkowym zużyciem aluminium na korozję, cm 3 / Ah;
Q - pojemność ogniwa na cykl, Ah;
n to liczba cykli;
k 1 = (0,44-1,45) - współczynnik projektowy;
k 2 = (1,97-1,49) - współczynnik projektowy;
a stosunek długości (a), szerokości (b) i wysokości (c) wynosi:
a: b: c = 1: 0,38: 2,7;
a: b: c = 1: 0,35: 3,1;
a: b: c = 1: 0,33: 3,9. W akumulatorze proponowane ogniwo jest wykorzystywane jako ogniwo galwaniczne powietrze-metal; podczas pracy powietrzno-metalowego ogniwa galwanicznego i opartego na nim akumulatora anody poddaje się wstępnej obróbce w wodnym roztworze wodorotlenku sodu o stężeniu (2-5) mol/l z dodatkiem trihydratu metacynianu sodu o stężeniu (0,01-0,10) mol / l. Zastrzeżony zestaw i związek cech wyróżniających w znanych źródłach patentowych oraz w literaturze naukowej i technicznej nie zostały znalezione. Proponowane rozwiązanie techniczne ma więc nowość i poziom wynalazczy. Wynalazek ma zastosowanie przemysłowe, ponieważ: może być używany jako przyjazne dla środowiska autonomiczne źródło zasilania w ramach następujących systemów:
- przenośny przenośny magnetofon typu „player” z funkcjami nagrywania i odtwarzania przez zewnętrzny system głośników;
- przenośny odbiornik telewizyjny na ciekłych kryształach;
- latarka przenośna;
- wiatrak elektryczny;
- dziecięce gry wideo na ciekłych kryształach;
- pojazdy elektryczne sterowane radiowo dla dzieci;
- przenośny odbiornik radiowy;
- ładowarka;
- przenośne urządzenie pomiarowe. Proponowane źródło prądowe zapewnia wysokie właściwe charakterystyki mocy elektrycznej, utrzymując je na stałym poziomie w całym zasobach, a także pozwala skrócić czas przejścia w tryb projektowania z 10-20 do 1-3 minut. Stan wskaźników pozwala stwierdzić, że wskazane jest wykorzystanie uzyskanych zależności geometrycznych w projektowaniu akumulatorów powietrzno-aluminiowych. Wynalazek ilustruje rysunek, na którym FIG. 1 przedstawia element powietrzno-aluminiowy - widok nr 1 na FIG. 2 - element powietrzno-aluminiowy - typ nr 2, na ryc. 3 - element powietrzno-aluminiowy - widok nr 3. Na RYS. 4 przedstawia pojemność elektrolitu ogniwa powietrzno-aluminiowego, a FIG. 5 - bateria oparta na ogniwach powietrzno-aluminiowych. Powietrzno-aluminiowe ogniwo galwaniczne składa się ze zbiornika elektrolitu 1, który ma okna 3 na zewnętrznych ścianach bocznych 2, otwór wlewowy 5 w górnej części 4, otoczony ciągłym stożkowym występem 6, działającym jak uszczelnienie labiryntowe, na od wewnętrznej strony zbiornika elektrolitu 1 na środkowej części ścian bocznych 2 oraz w jego dolnej części znajdują się dwa występy ograniczające 7, w dolnej części zbiornika elektrolitu 1 utworzona jest komora 8 do zbierania szlamu, który gromadzi się podczas operacja. Katody 9 z dyfuzją gazu są hermetycznie umieszczone w zbiorniku elektrolitu 1 w oknach 3 ramy 10. Szczelność zbiornika elektrolitu 1 uzyskuje się za pomocą szczeliwa, które jest obojętne w stosunku do wodnego roztworu elektrolitu. Połączenie elektryczne katod 9 z konsumentem przy użyciu ogniwa powietrzno-aluminiowego zarówno na zewnątrz akumulatora, jak i w jego składzie, odbywa się za pomocą katodowego kolektora prądu 11, przykrywającego pojemnik elektrolitu 1 dwoma poziomymi zaciskami 12, które są połączone elektrycznie za pomocą dwóch pionowych zacisków 13. W zbiorniku elektrolitu 1 przez otwór do napełniania 5 jest włożona płaska metalowa anoda 14 z występem 15 o kształcie prostokąta, przeznaczona do odbioru prądu. Płaszczyzna występu 15 służy również do uszczelnienia wzdłuż linii "anoda 14 - pokrywa 16". Otwór do napełniania 5 jest zamknięty i uszczelniony pokrywą 16 zawierającą jeden otwór 17 do przepuszczania przez niego anody 14 i jeden lub więcej otworów 18 do usuwania wodoru z pojemnika elektrolitu 1 podczas pracy ogniwa powietrzno-aluminiowego przez pokrywę 16 , która jest jednocześnie membraną hydrofobową. Obecność w górnej części pojemnika elektrolitu 4 wzdłuż obwodu wokół otworu do napełniania 5 stożkowego występu 6 umożliwia poprawę właściwości uszczelniających pokrywy 16. Przełożenia geometryczne konstrukcji, które pozwalają na poprawę określonych parametrów elektroenergetycznych, przedstawiają się następująco:
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
Bateria oparta na ogniwach aluminiowo-powietrznych składa się z obudowy 19 z wewnętrznymi pionowymi szczelinami 20 do przechowywania ogniw aluminiowo-powietrznych i okienek 21 do organizowania zewnętrznego swobodnego przepływu powietrza wewnątrz baterii, zamków 22 do mocowania pokrywy z wyłącznikiem 23 do obudowa 19, jeden lub więcej zbiorników elektrolitu 1 z zainstalowanymi katodowymi kolektorami prądu 11, z włożonymi w nie anodami 14 i przykrytymi pokrywami 16, przewodzącą prąd dwustronną płytę 24 zawierającą zwrócone do strony powietrze-aluminiowe elementy, ścieżki przewodzące 25 do połączenia elektrycznego od katod 9 do zbiorników elektrolitu 1 przez katodowe kolektory prądu 11 do przewodzącej prąd płyty dwustronnej 24, kilka otworów 26 o kształcie prostokątnym do przejścia występu 15 metalowej anody 14 w celu wykonać połączenie elektryczne między metalową anodą 14 a kolektorem prądu anodowego 27, kilka otworów o dowolnym kształcie 28 do odprowadzania wodoru z elektrolitu całkowita przepustowość 1 do atmosfery przez pokrywę 23, kilka złączy 29 umieszczonych na górnej stronie przewodzącej prąd dwustronnej płytki 24, zmostkowane przez elektrycznie przewodzący mostek 30 do wyboru napięcia roboczego przez konsumenta i komunikacji z elektrycznie tory przewodzące 25 i 31 po obu stronach, kilka złączy 32 umieszczonych w górnej części dwustronnej płytki rozprowadzającej prąd 24, służącej do podłączenia odbiornika, a także osłona 23, która zakrywa akumulator od góry i zawiera kilka otworów 33 na złącza 32, kilka otworów 34 na złącza 29, jeden lub więcej otworów 35 do odprowadzania wodoru, dwa podłużne rowki 36 na zamki 22, etykieta 37 ze skróconą instrukcją obsługi. Zasada działania i sposób działania ogniwa galwanicznego powietrze-metal i opartego na nim akumulatora, na przykład baterii 3 VA-24, są następujące. Energia elektryczna w akumulatorze jest wytwarzana w wyniku elektrochemicznej reakcji utleniania aluminium na anodzie i redukcji tlenu na katodzie. Stosowanym elektrolitem są wodne roztwory kaustycznego sodu (NaOH) lub chlorku sodu (NaCl) lub mieszanina tych roztworów z dodatkami hamującymi: Na 2 SnO 3 3H 2 O - w elektrolicie alkalicznym i NaHCO 3 - w soli fizjologicznej. W trakcie reakcji wraz ze zużyciem aluminium zużywany jest tlen z powietrza i woda z elektrolitu, dlatego podczas pracy akumulatora, ponieważ są one zużywane w procesie rozładowania, okresowo ulegają zużyciu anoda i elektrolit. zastąpione świeżymi. Produktami reakcji są wodorotlenek glinu Al (OH) 3 i ciepło. Akumulator pracuje w zakresie temperatur od -10 o C do +60 o C bez dogrzewania przy rozruchu od ujemnych temperatur. Jednym z negatywnych czynników baterii aluminiowo-powietrznej jest korozja anodowa. Prowadzi to do spadku wydajności elektrycznej akumulatora i wytwarzania niewielkiej ilości wodoru. W większym stopniu wpływ korozji przejawia się na charakterystykach rozruchowych, w wyniku czego czas dojścia do określonego trybu wynosi (10-20) minut. Zaproponowana obróbka anod, w których ich powierzchnia pokryta jest cyną, pozwala na zmniejszenie gęstości prądu korozyjnego oraz znaczne polepszenie trybu pracy baterii powietrzno-aluminiowej, w wyniku czego wzrastają charakterystyki elektryczne i czas dotarcia tryb jest skrócony do (1-3) minut. Anoda jest powlekana przed rozpoczęciem pracy na baterii. Anoda jest wstępnie odtłuszczana, a następnie poddawana obróbce w wodnym roztworze wodorotlenku sodu o stężeniu (2-5) mol/l z dodatkiem trihydratu metacynianu sodu o stężeniu (0,01-0,10) mol/l w temperaturze pokojowej przez 5-60 minut. Wyniki badań proponowanego akumulatora powietrzno-aluminiowego oraz prototypu przedstawiono w tabeli. 1 i 2. Jak widać z tabel, proponowana bateria powietrzno-aluminiowa zapewnia wysoką właściwą i stabilną w czasie charakterystykę mocy elektrycznej przy krótkim czasie dojścia do trybu.

Prawo

1. Ogniwo galwaniczne typu skrzynkowego powietrzno-metalowe, zawierające zbiornik elektrolitu z otworem wlewowym w górnej części, płaską metalową anodę zużywalną umieszczoną w zbiorniku elektrolitu, katodę dyfuzyjną gazową umieszczoną w pewnej odległości od powierzchni roboczej anody i swobodnie wymytej z zewnątrz gazem np. powietrzem komora zbiorcza gazu charakteryzująca się tym, że w górnej części zbiornika elektrolitu wokół otworu wlewowego znajduje się ciągły stożkowy występ pełniący funkcję uszczelnienia labiryntowego, w w środkowej części ścian bocznych zbiornika elektrolitu oraz w jego dolnej części znajdują się dwa występy ograniczające, w dolnej części zbiornika elektrolitu V utworzona jest komora V sl do zbierania osadu o stosunku objętości V: V sl = 5 - 15, grubość anody w granicach 1 - 3 mm wynosi 0,05 - 0,50 szczeliny katodowej, objętość pojemnika elektrolitu określa wyrażenie:
V = Vel + Van;
Vel = qel Q n k 1;
V an = (q eh + q cor) Q n k 2;
gdzie V jest objętością pojemnika elektrolitu, cm 3;
V el - objętość elektrolitu, cm 3;
V an jest objętością anody, cm 3;
q el - jednostkowe zużycie wody z elektrolitu, cm 3 / Ah;
q ec jest jednostkowym zużyciem aluminium w reakcji elektrochemicznej cm 3 / Ah;
q cor to jednostkowe zużycie aluminium na korozję, cm 3 / A h;
Q - pojemność ogniwa na cykl, Ah;
n to liczba cykli;
K 1 = (0,44 - 1,45) - współczynnik projektowy;
K 2 = (1,97 - 1,49) - współczynnik projektowy;
a stosunek długości a, szerokości b i wysokości c wynosi 1:0,38:2,7; 1:0,35:3,1; 1: 0,33: 3,9. 2. Pierwotna powietrzno-metalowa bateria zawierająca obudowę, pokrywę, co najmniej jedno powietrzno-metalowe ogniwo galwaniczne, znamienna tym, że ogniwo według zastrzeżenia 1 jest traktowane jako takie ogniwo. 3. Sposób działania ogniwa galwanicznego powietrze-metal i opartego na nim akumulatora poprzez rozładowanie, zastąpienie anod i elektrolitu świeżym metacynianem sodu o stężeniu (0,01 – 0,10) mol/l.

Francuska firma Renault proponuje zastosowanie akumulatorów aluminiowo-powietrznych Phinergy w przyszłych pojazdach elektrycznych. Przyjrzyjmy się ich perspektywom.

Renault zdecydowało się skupić na nowym typie akumulatora, który może zwiększyć zasięg siedmiokrotnie na jednym ładowaniu. Zachowując rozmiar i wagę dzisiejszych akumulatorów. Ogniwa aluminium-powietrze (Al-powietrze) mają fenomenalną gęstość energii (8000 W/kg w porównaniu do 1000 W/kg w przypadku tradycyjnych akumulatorów), wytwarzając ją podczas reakcji utleniania aluminium w powietrzu. Taka bateria zawiera dodatnią katodę i ujemną anodę wykonaną z aluminium, a pomiędzy elektrodami zawarty jest ciekły elektrolit na bazie wody.

Firma akumulatorowa Phinergy powiedziała, że ​​poczyniła ogromne postępy w opracowywaniu takich akumulatorów. Ich propozycja to zastosowanie katalizatora wykonanego ze srebra, który efektywnie wykorzystuje tlen w normalnym powietrzu. Tlen ten miesza się z ciekłym elektrolitem, uwalniając w ten sposób energię elektryczną zawartą w anodzie aluminiowej. Głównym zastrzeżeniem jest „katoda powietrzna”, która działa jak membrana w kurtce zimowej – przez nią przechodzi tylko O2, a nie dwutlenek węgla.

Jaka jest różnica w porównaniu z tradycyjnymi bateriami? Te ostatnie mają całkowicie zamknięte komórki, podczas gdy elementy Al-powietrze potrzebują elementu zewnętrznego do „wyzwolenia” reakcji. Ważnym plusem jest fakt, że akumulator Al-air działa jak generator diesla – generuje energię tylko wtedy, gdy go włączysz. A kiedy „odetniesz powietrze” takiej baterii, cały jej ładunek pozostaje na swoim miejscu i nie znika z czasem, jak w przypadku konwencjonalnych baterii.

Bateria Al-air wykorzystuje elektrodę aluminiową, ale można ją wymienić jak wkład w drukarce. Ładowanie należy wykonywać co 400 km, będzie polegało na dosypywaniu nowego elektrolitu, co jest o wiele łatwiejsze niż czekanie na naładowanie zwykłego akumulatora.

Phinergy stworzyło już elektrycznego Citroena C1, który jest wyposażony w akumulator 25 kg o mocy 100 kWh. Daje zasięg 960 km. Z silnikiem o mocy 50 kW (około 67 koni mechanicznych) samochód rozwija prędkość 130 km/h, przyspiesza do setki w 14 sekund. Podobny akumulator testowany jest również w Renault Zoe, ale jego pojemność to 22 kWh, maksymalna prędkość auta to 135 km/h, 13,5 sekundy do „setek”, ale tylko 210 km rezerwy chodu.

Nowe akumulatory są lżejsze, o połowę tańsze od akumulatorów litowo-jonowych, a na dłuższą metę są łatwiejsze w obsłudze niż nowoczesne. I jak na razie ich jedynym problemem jest trudna w produkcji i wymianie elektroda aluminiowa. Gdy tylko ten problem zostanie rozwiązany, możemy śmiało spodziewać się jeszcze większej fali popularności pojazdów elektrycznych!

• , 20.01.2015

Pigment Fuji pokazali innowacyjny typ akumulatora aluminiowo-powietrznego, który można ładować słoną wodą. Bateria została zmodyfikowana, aby zapewnić dłuższą żywotność baterii, teraz co najmniej 14 dni.

W strukturę aluminiowo-powietrznego akumulatora włączono materiały ceramiczne i węglowe jako warstwę wewnętrzną. Skutki korozji anodowej i akumulacji zanieczyszczeń ubocznych zostały stłumione. W rezultacie osiągnięto dłuższy czas pracy.

Akumulator powietrzno-aluminiowy o napięciu roboczym 0,7 - 0,8 V, wytwarzający 400 - 800 mA prądu na ogniwo, ma teoretyczny poziom energii na jednostkę objętości rzędu 8100 W*h/kg. Jest to drugi wskaźnik maksimum dla akumulatorów różnych typów. Teoretyczny poziom energii na jednostkę objętości w akumulatorach litowo-jonowych wynosi 120-200 W*h/kg. Oznacza to, że teoretycznie pojemność akumulatorów aluminiowo-powietrznych może przewyższać ten wskaźnik odpowiedników litowo-jonowych ponad 40-krotnie.

Chociaż komercyjne akumulatory litowo-jonowe są obecnie szeroko stosowane w telefonach komórkowych, laptopach i innych urządzeniach elektronicznych, ich gęstość energii jest nadal niewystarczająca do zastosowań przemysłowych w pojazdach elektrycznych. Do tej pory naukowcy opracowali technologię akumulatorów powietrzno-metalowych o maksymalnej pojemności energetycznej. Naukowcy zbadali baterie powietrzno-metalowe na bazie litu, żelaza, aluminium, magnezu i cynku. Wśród metali interesujące jest aluminium jako anoda ze względu na jego wysoką pojemność właściwą i wysoki potencjał elektrody standardowej. Ponadto aluminium jest najtańszym i najbardziej nadającym się do recyklingu metalem na świecie.

Innowacyjny typ akumulatora powinien ominąć główną przeszkodę w komercjalizacji tego typu rozwiązań, a mianowicie wysoki poziom korozji aluminium podczas reakcji elektrochemicznych. Ponadto na elektrodach gromadzą się materiały boczne Al2O3 i Al(OH) 3, zaburzając przebieg reakcji.

Pigment Fuji stwierdził, że nowy typ akumulatorów aluminiowo-powietrznych można produkować i eksploatować w normalnych warunkach środowiskowych, ponieważ ogniwa są odporne, w przeciwieństwie do akumulatorów litowo-jonowych, które mogą się zapalić i eksplodować. Wszystkie materiały użyte do montażu konstrukcji akumulatora (elektroda, elektrolit) są bezpieczne i tanie w produkcji.

Przeczytaj także:

Chemiczne źródła energii o stabilnych i wysokich charakterystykach specyficznych są jednym z najważniejszych warunków rozwoju obiektów komunikacyjnych.

Obecnie potrzeby użytkowników energii elektrycznej do komunikacji pokrywane są głównie przez stosowanie drogich ogniw lub baterii galwanicznych.

Baterie są stosunkowo niezależnymi źródłami zasilania, ponieważ wymagają okresowego ładowania z sieci. Ładowarki używane do tego celu są drogie i nie zawsze są w stanie zapewnić korzystny reżim ładowania. Tak więc akumulator Sonnenschein, wykonany w technologii dryfit i mający masę 0,7 kg i pojemność 5 Ah, ładuje się w ciągu 10 godzin, a podczas ładowania należy przestrzegać standardowych wartości prądu, napięcia i ładowania czas. Ładowanie odbywa się najpierw przy stałym prądzie, a następnie przy stałym napięciu. W tym celu stosuje się drogie programowalne ładowarki.

Ogniwa galwaniczne są całkowicie samowystarczalne, ale zwykle mają małą moc i ograniczoną pojemność. Po wyczerpaniu zmagazynowanej w nich energii są one wykorzystywane, zanieczyszczając środowisko. Alternatywą dla źródeł suchych są źródła ładowalne mechanicznie powietrze-metal, których niektóre charakterystyki energetyczne podano w Tabeli 1.

Tabela 1- Parametry niektórych układów elektrochemicznych

Jak widać z tabeli źródła powietrzno-metalowe w porównaniu z innymi szeroko stosowanymi systemami charakteryzują się najwyższymi teoretycznymi i praktycznie możliwymi do zrealizowania parametrami energetycznymi.

Układy powietrzno-metalowe zostały wdrożone znacznie później, a ich rozwój jest nadal prowadzony mniej intensywnie niż obecne źródła innych układów elektrochemicznych. Jednak testy prototypów stworzonych przez firmy krajowe i zagraniczne wykazały ich wystarczającą konkurencyjność.

Wykazano, że stopy aluminium i cynku mogą pracować w elektrolitach alkalicznych i solnych. Magnez występuje tylko w elektrolitach solnych, a jego intensywne rozpuszczanie następuje zarówno podczas generowania prądu, jak i w przerwach.

W przeciwieństwie do magnezu, aluminium rozpuszcza się w elektrolitach soli tylko wtedy, gdy generowany jest prąd. Elektrolity alkaliczne są najbardziej obiecujące dla elektrody cynkowej.

Źródła zasilania powietrze-aluminium (VAIT)

Na bazie stopów aluminium powstały mechanicznie doładowywane źródła prądu z elektrolitem na bazie chlorku sodu. Źródła te są całkowicie autonomiczne i mogą służyć do zasilania nie tylko urządzeń komunikacyjnych, ale również do ładowania akumulatorów, zasilania różnego rodzaju sprzętu gospodarstwa domowego: radia, telewizory, młynki do kawy, wiertarki elektryczne, lampy, elektryczne suszarki do włosów, lutownice, lodówki małej mocy , pompy odśrodkowe itp. pozwalają na zastosowanie go w terenie, w regionach nie posiadających scentralizowanego zasilania, w miejscach katastrof i klęsk żywiołowych.

VAIT jest ładowany w ciągu kilku minut, które są niezbędne do napełnienia elektrolitu i/lub wymiany elektrod aluminiowych. Do ładowania wystarczy sól kuchenna, woda i zapas anod aluminiowych. Jako jeden z materiałów aktywnych stosuje się tlen z powietrza, który jest redukowany na katodach węglowych i fluoroplastycznych. Katody są dość tanie, zapewniają długotrwałą pracę źródła, przez co mają znikomy wpływ na koszt wytwarzanej energii.

Koszt energii elektrycznej odebranej w VAIT determinowany jest głównie tylko kosztem okresowo wymienianych anod, nie obejmuje kosztu utleniacza, materiałów i procesów technologicznych zapewniających sprawność tradycyjnych ogniw galwanicznych, a zatem jest 20-krotnie niższy niż koszt energii otrzymywanej z takich autonomicznych źródeł jak alkaliczne pierwiastki manganowo-cynkowe.

Tabela 2- Parametry powietrzno-aluminiowych źródeł zasilania

Czas ciągłej pracy zależy od ilości pobieranego prądu, objętości elektrolitu wlanego do ogniwa i wynosi 70 - 100 A · h / l. Dolna granica jest określona przez lepkość elektrolitu, przy której możliwy jest jego swobodny drenaż. Górna granica odpowiada obniżeniu charakterystyki ogniwa o 10-15%, jednak po jej osiągnięciu do usunięcia masy elektrolitu konieczne jest zastosowanie urządzeń mechanicznych, które mogą uszkodzić elektrodę tlenową (powietrzną).

Lepkość elektrolitu wzrasta w miarę nasycania go zawiesiną wodorotlenku glinu. (Wodorotlenek glinu występuje naturalnie w postaci gliny lub tlenku glinu, jest doskonałym produktem do produkcji aluminium i można go zawrócić do produkcji.)

Wymiana elektrolitu odbywa się w ciągu kilku minut. Dzięki nowym porcjom elektrolitu VAIT może pracować do wyczerpania zasobu anody, który przy grubości 3 mm wynosi 2,5 Ah / cm 2 powierzchni geometrycznej. Jeśli anody się rozpuszczą, w ciągu kilku minut zostaną wymienione na nowe.

Samorozładowanie VAIT jest bardzo małe, nawet w przypadku przechowywania z elektrolitem. Jednak ze względu na fakt, że VAIT można przechowywać bez elektrolitu podczas przerwy między wyładowaniami, jego samorozładowanie jest znikome. Żywotność VAIT jest ograniczona przez żywotność tworzywa sztucznego, z którego jest wykonany VAIT bez elektrolitu może być przechowywany do 15 lat.

W zależności od wymagań odbiorcy VAIT można modyfikować biorąc pod uwagę fakt, że 1 ogniwo ma napięcie 1 V przy gęstości prądu 20 mA/cm2, a prąd pobierany z VAIT jest określony przez powierzchnię ​elektrody.

Przeprowadzone w MPEI (TU) badania procesów zachodzących na elektrodach iw elektrolicie pozwoliły na stworzenie dwóch typów powietrzno-aluminiowych źródeł prądu - zalewanych i zanurzonych (tab. 2).

Zalany VAIT

Wylewany VAIT składa się z 4-6 elementów. Elementem zalanego VAIT (rys. 1) jest prostokątny pojemnik (1), w przeciwległych ścianach, w którym zamontowana jest katoda (2). Katoda składa się z dwóch części, połączonych elektrycznie z jedną elektrodą za pomocą szyny (3). Anoda (4) znajduje się pomiędzy katodami, których położenie ustalają prowadnice (5). Konstrukcja elementu, opatentowana przez autorów /1/, umożliwia ograniczenie negatywnego działania wodorotlenku glinu powstającego jako produkt końcowy, dzięki organizacji obiegu wewnętrznego. W tym celu element w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny elektrod podzielony jest przegrodami na trzy sekcje. Przegrody pełnią również rolę prowadnic dla anody (5). Środkowa część zawiera elektrody. Pęcherzyki gazu uwalniane podczas pracy anody podnoszą zawiesinę wodorotlenkową wraz z przepływem elektrolitu, który opada na dno w pozostałych dwóch sekcjach ogniwa.

Obrazek 1- Schemat elementów

Doprowadzenie powietrza do katod w VAIT (rys. 2) odbywa się przez szczeliny (1) pomiędzy elementami (2). Najbardziej zewnętrzne katody są chronione przed zewnętrznymi wpływami mechanicznymi przez boczne panele (3). Nierozlewanie konstrukcji zapewnia zastosowanie szybko zdejmowanej pokrywy (4) z uszczelką (5) z porowatej gumy. Naprężenie gumowej uszczelki uzyskuje się poprzez dociśnięcie pokrywy do korpusu VAIT i zamocowanie jej w tym stanie za pomocą zacisków sprężynowych (nie pokazano na rysunku). Gaz jest odprowadzany przez specjalnie zaprojektowane porowate zawory hydrofobowe (6). Ogniwa (1) w akumulatorze są połączone szeregowo. Anody płytowe (9), których konstrukcja została opracowana w MPEI, posiadają elastyczne odbieraki prądu z elementem łączącym na końcu. Złącze, którego część współpracująca jest połączona z blokiem katodowym, umożliwia szybkie odłączenie i podłączenie anody podczas jej wymiany. Gdy wszystkie anody są połączone, elementy VAIT są połączone szeregowo. Skrajne elektrody są połączone z VAIT borne (10) również za pomocą złączy.

1- szczelina powietrzna, 2 - element, 3 - panel ochronny, 4 - pokrywa, 5 - szyna katodowa, 6 - uszczelka, 7- zawór, 8 - katoda, 9 - anoda, 10 - membrana

Zdjęcie 2- Wypełniono CZEKAJ

Zatapialny VAIT

VAIT zanurzony (rys. 3) to VAIT nalewany odwrócony na lewą stronę. Katody (2) są odwrócone na zewnątrz przez warstwę aktywną. Pojemność ogniwa, do którego wlano elektrolit, jest podzielona na dwie przegrody i służy do oddzielnego doprowadzenia powietrza do każdej katody. W szczelinie, przez którą powietrze było doprowadzane do katod, zamontowana jest anoda (1). Z drugiej strony VAIT jest aktywowany nie przez wlanie elektrolitu, ale przez zanurzenie w elektrolicie. Elektrolit jest wstępnie wlewany i magazynowany pomiędzy zrzutami w zbiorniku (6), który jest podzielony na 6 niepołączonych sekcji. Jako zbiornik używany jest monoblok akumulatorowy 6ST-60TM.

1 - anoda, 4 - komora katodowa, 2 - katoda, 5 - panel górny, 3 - płoza, 6 - zbiornik elektrolitu

Rysunek 3- Zanurzony element powietrzno-aluminiowy w panelu modułu

Taka konstrukcja umożliwia szybki demontaż akumulatora, wyjęcie modułu z elektrodami oraz manipulację przy napełnianiu i rozładowywaniu elektrolitu nie z akumulatorem, ale z pojemnikiem, którego masa z elektrolitem wynosi 4,7 kg. Moduł łączy w sobie 6 ogniw elektrochemicznych. Elementy montowane są na panelu górnym (5) modułu. Masa modułu z kompletem anod wynosi 2 kg. Łącząc moduły szeregowo, firma VAIT została zrekrutowana z 12, 18 i 24 elementów. Wady źródła powietrzno-aluminiowego obejmują dość wysoką rezystancję wewnętrzną, niską moc właściwą, niestabilność napięcia podczas rozładowania i spadek napięcia po włączeniu. Wszystkie te wady są niwelowane przez zastosowanie połączonego źródła prądu (KIT), składającego się z VAIT i baterii.

Połączone źródła prądowe

Krzywa rozładowania źródła „zalanego” 6VAIT50 (rys. 4) przy ładowaniu szczelnego akumulatora ołowiowego 2SG10 o pojemności 10 Ah charakteryzuje się podobnie jak w przypadku innych obciążeń spadkiem napięcia w pierwszych sekundach podłączenia obciążenia. W ciągu 10-15 minut napięcie wzrasta do napięcia roboczego, które pozostaje stałe podczas całego rozładowania VAIT. Głębokość zanurzenia jest określona przez stan powierzchni anody aluminiowej i jej polaryzację.

Rysunek 4- Krzywa rozładowania 6WAIT50 przy ładowaniu 2SG10

Jak wiadomo, proces ładowania akumulatora następuje tylko wtedy, gdy napięcie w źródle wydzielającym energię jest wyższe niż na akumulatorze. Awaria początkowego napięcia VAIT prowadzi do tego, że bateria zaczyna się rozładowywać przy VAIT, a zatem na elektrodach VAIT zaczynają zachodzić procesy odwrotne, co może prowadzić do pasywacji anod.

Aby zapobiec niepożądanym procesom, w obwodzie między VAIT a akumulatorem zainstalowana jest dioda. W takim przypadku o napięciu rozładowania VAIT podczas ładowania akumulatora decyduje nie tylko napięcie akumulatora, ale także spadek napięcia na diodzie:

U VAIT = U ACC + ΔU DIODA (1)

Wprowadzenie diody do obwodu prowadzi do wzrostu napięcia zarówno na VAIT, jak i na akumulatorze. Wpływ obecności diody w obwodzie ilustruje rys. 5, który pokazuje zmianę różnicy napięć między VAIT a akumulatorem, gdy akumulator jest ładowany naprzemiennie z diodą w obwodzie i bez niej.

W procesie ładowania akumulatora przy braku diody różnica napięć ma tendencję do zmniejszania się, tj. spadek wydajności VAIT, podczas gdy w obecności diody różnica, a co za tym idzie, wydajność procesu ma tendencję do wzrostu.

Rysunek 5- Różnica napięć 6VAIT125 i 2SG10 przy ładowaniu z diodą i bez niej

Rysunek 6- Zmiana prądów rozładowania 6WAIT125 i 3NKGK11 przy zasilaniu odbiornika

Rysunek 7- Zmiana energii właściwej KIT (VAIT - akumulator kwasowo-ołowiowy) przy wzroście udziału obciążenia szczytowego

Obiekty komunikacyjne charakteryzują się zużyciem energii w trybie obciążeń zmiennych, w tym szczytowych. Zasymulowaliśmy taki wzorzec zużycia dla konsumenta o obciążeniu podstawowym 0,75 A i obciążeniu szczytowym 1,8 A z zestawu składającego się z 6WAIT125 i 3NKGK11. Charakter zmiany prądów generowanych (pobieranych) przez elementy zestawu pokazano na rys. 6.

Rysunek pokazuje, że w trybie podstawowym VAIT zapewnia generację prądu wystarczającą do zasilania obciążenia podstawowego i ładowania akumulatora. W przypadku obciążenia szczytowego zużycie zapewnia prąd generowany przez VAIT i akumulator.

Nasza analiza teoretyczna wykazała, że ​​energia właściwa KIT jest kompromisem między energią właściwą VAIT a akumulatorem i rośnie wraz ze spadkiem udziału energii szczytowej (rys. 7). Moc właściwa KIT jest wyższa niż moc właściwa VAIT i wzrasta wraz ze wzrostem udziału obciążenia szczytowego.

wnioski

Nowe źródła zasilania powstały w oparciu o układ elektrochemiczny „powietrze-aluminium” z roztworem chlorku sodu jako elektrolitem, o pojemności energetycznej ok. 250 Ah i energii właściwej ponad 300 Wh/kg.

Opracowane źródła są ładowane w ciągu kilku minut poprzez mechaniczną wymianę elektrolitu i/lub anod. Samorozładowanie źródeł jest znikome, dlatego przed aktywacją można je przechowywać przez 15 lat. Opracowano warianty źródeł różniące się sposobem aktywacji.

Badano pracę źródeł powietrzno-aluminiowych podczas ładowania akumulatora oraz jako część źródła kombinowanego. Wykazano, że energia właściwa i moc właściwa zestawu są wartościami kompromisowymi i zależą od udziału obciążenia szczytowego.

VAIT i KIT na ich podstawie są całkowicie autonomiczne i mogą służyć do zasilania nie tylko urządzeń komunikacyjnych, ale także różnego rodzaju sprzętu gospodarstwa domowego: maszyn elektrycznych, lamp, lodówek małej mocy, itp. zasilania, w miejscach katastrof i klęsk żywiołowych .

BIBLIOGRAFIA

1. Patent RF nr 2118014 Element metalowo-powietrzny / Dyachkov E.V., Kleimenov B.V., Korovin N.V., // IPC 6 H 01 M 12/06. 2/38. wałówka. 17.06.2017 wyd. 20.08.98
2. Korovin N.V., Kleimenov B.V., Voligova I.A. & Voligov IA // Abstr. Drugi Symp. na New Mater. dla ogniw paliwowych i nowoczesnych systemów akumulatorowych. 6-10 lipca. 1997. Montreal. Kanada. w 97-7.
3. Korovin N.V., Kleimenov B.V. Biuletyn MEI (w druku).

Prace zrealizowano w ramach programu „Badania naukowe szkolnictwa wyższego w priorytetowych obszarach nauki i techniki”