O baterie din aluminiu este un plus excelent pentru un vehicul electric. Mașina este alimentată cu surse de energie chimică din aluminiu cu un anod din aluminiu

Utilizare: baterii aer-metal ca sursă autonomă de curent reîncărcabilă de dimensiuni mici. Esența invenției: o celulă de tip cutie galvanică aer-metal, incluzând un recipient de electrolit cu un orificiu de umplere în partea sa superioară, un capac, un anod metalic consumabil în formă plată plasat într-un recipient de electrolit, un catod de difuzie a gazului situat la o anumită distanță de suprafața de lucru a anodului și spălat liber în exterior gaz, de exemplu aer, cameră de colectare a gazelor. În partea superioară a recipientului de electrolit în jurul orificiului de umplere există o proeminență conică continuă care acționează ca o etanșare labirint, în partea de mijloc a pereților laterali ai recipientului de electrolit și în partea inferioară sunt două proeminențe limitatoare, în partea inferioară a recipientului de electrolit V există o cameră pentru colectarea nămolului V sl raportul de volum V: V shl = 5-15, grosimea anodului este de 1-3 mm și este de 0,05-0,50 din spațiul catodului, volumul de recipientul cu electrolit este determinat de expresiile: V = V el + V an; V el = q el QnK 1; V an = q ec + q cor QnK 2, V an este volumul anodului, cm 3;
n este numărul de cicluri;
K 2 = (1,97-1,49) -coeficient constructiv,
iar raportul dintre lungimea a, lăţimea b şi înălţimea c este: 1: 0,38: 2,7; 1: 0,35: 3,1; 1: 0,33: 3,9. Bateria aer-metal conține o carcasă, un capac cu comutație, cel puțin o celulă galvanică aer-metal din designul propus. Metoda de funcționare a unei celule galvanice aer-metal și a unei baterii bazate pe aceasta include descărcarea, înlocuirea anozilor și electrolitului cu altele proaspete și spălarea celulelor. Înainte de utilizare, anozii sunt pretratați într-o soluție apoasă de hidroxid de sodiu cu o concentrație de (2-5) mol/l cu adăugarea de metastanat de sodiu trihidrat cu o concentrație de (0,01-0,10) mol/l. 3 s.p. f-cristale, 5 dwg., 2 tbl.

Invenția se referă la electrochimie, se referă la o metodă de operare a bateriilor metal-aer și poate fi utilizată la utilizarea bateriilor metal-aer ca sursă autonomă de curent reîncărcabilă de dimensiuni mici. Celulă galvanică cunoscută, de exemplu, de tip aer-metal. Celula conține în principal un recipient cu electrolit, un capac, un electrod metalic consumabil în formă plată plasat într-un recipient cu electrolit. La o anumită distanță de suprafața de lucru a electrodului, este amplasat un catod de difuzie a gazului, care este spălat liber din exterior cu gaz, în special cu aer. Pentru a îmbunătăți circulația electrolitului și, prin urmare, a crește eficiența conversiei energiei electrochimice, hidrogenul generat în timpul reacției electrochimice este acumulat în recipientul de electrolit și presiunea în creștere este utilizată pentru a muta electrolitul. În acest caz, recipientul de electrolit conține o cameră de colectare a gazului, presiunea gazului în care poate acționa asupra electrolitului. Prin sistemul de tuburi, electrolitul deplasat trece din partea superioară a recipientului de electrolit în cea inferioară (brevet european N 0071015 A2 din 22.06.82 - prototip). Dezavantajul celulei galvanice cunoscute de tip aer-metal este caracteristicile de putere electrică specifică scăzută din cauza greutății în exces cauzate de complicația proiectării. Baterie primară aer-metal cunoscută care conține o carcasă, un capac cu comutare, cel puțin o celulă galvanică aer-metal (brevet SUA N 4626482, H 01 M 12/6, 1986 - prototip). Dezavantajul bateriei primare aer-metal cunoscute este caracteristicile de putere electrică specifice scăzute. O metodă cunoscută de funcționare a unei celule galvanice aer-metal și a unei baterii pe baza acesteia prin descărcarea, înlocuirea anozilor și electrolitului cu altele proaspete, spălarea celulei (URSS AS 621041, H 01 M 10/42, H 01 M 12/08) ). Dezavantajul acestei metode este perioada lungă în care bateria ajunge la modul specificat (10-20) minute. Scopul invenției este de a crește caracteristicile specifice de putere electrică ale celulelor aer-metal și ale bateriilor pe baza acestora, de a crește stabilitatea caracteristicilor în timp, precum și de a reduce timpul de atingere a modului până la (1-1). 3 minute. Acest obiectiv este atins prin faptul că într-o celulă cunoscută de tip cutie galvanică aer-metal, inclusiv un recipient de electrolit cu o gaură de umplere în partea superioară, un capac, un anod metalic consumabil în formă plată plasat într-un recipient de electrolit, un catod de difuzie a gazului situat la o anumită distanță de suprafața de lucru anodul și camera de colectare a gazelor spălate liber în exterior cu gaz, de exemplu, aer, în partea superioară în jurul orificiului de umplere există o proeminență conică continuă care acționează ca o etanșare labirint , în partea de mijloc a pereților laterali ai recipientului de electrolit și în partea inferioară a acestuia sunt două proeminențe limitatoare, în partea inferioară rezervor de electrolit (V), se formează o cameră pentru colectarea nămolului (V sl) cu un raport de volum V : V sl = 5 - 15, grosimea anodului în (1-3) mm este de 0,05-0,50 din intervalul catodului, capacitatea electrolitului de volum este determinată de expresia:
V = V el + V an;
V el = q el Qnk 1;
V an (q eh + q cor) Qnk 2;
unde V este volumul recipientului de electrolit, cm 3;
V el - volumul electrolitului, cm 3;
V an este volumul anodului, cm 3;
q el - consumul specific de apă din electrolit, cm 3 / Ah;
q ec - consumul specific de aluminiu pentru reactia electrochimica, cm 3 / Ah;
Q - capacitatea celulei pe ciclu, Ah;
n este numărul de cicluri;
k 1 = (0,44-1,45) - factor de proiectare;

a: b: c = 1: 0,38: 2,7;
a: b: c = 1: 0,35: 3,1;
a: b: c = 1: 0,33: 3,9. în bateria principală aer-metal cunoscută care conţine o carcasă, un capac cu comutare, una sau mai multe celule galvanice aer-metal, celula propusă este utilizată ca o astfel de celulă; în metoda cunoscută de funcționare a unei celule aer-metal și a unei baterii pe baza acesteia prin descărcare, înlocuirea anozilor și electrolitului cu altele proaspete, spălarea celulei, anozii sunt pretratați într-o soluție apoasă de hidroxid de sodiu cu o concentrație de (2). -5) mol/l cu adăugarea de metastanat de sodiu trihidrat cu o concentrație de (0, 01-0,10) mol/l. O caracteristică comună este prezența într-o celulă galvanică aer-metal a unui recipient de electrolit tip cutie cu o gaură de umplere în partea superioară, un capac, un anod metalic consumabil în formă plată plasat într-un recipient de electrolit, un catod de difuzie a gazului situat la o oarecare distanță de suprafața de lucru a anodului și gaz exterior spălat liber, de exemplu aer, o cameră de colectare a gazelor, prezența în baterie a unei carcase, un capac cu comutație, unul sau mai multe elemente, funcționarea bateriei prin descărcare, înlocuire anozii și electrolitul cu alții proaspeți, spălând celula. O trăsătură distinctivă este că în partea superioară a recipientului de electrolit din jurul orificiului de umplere există o proeminență conică continuă care acționează ca o etanșare labirint, în partea de mijloc a pereților laterali ai recipientului de electrolit și în partea inferioară sunt două limitând proeminențele, în partea inferioară a recipientului de electrolit (V) se formează o cameră de colectare a nămolului (V sl) cu un raport de volum V: V sl = 5 - 15, grosimea anodului în (1 - 3) mm este de 0,05 -0,50 din spațiul catodic, volumul camerei de electrolit este determinat de expresia:
V = V el + V an;
V el = q el Qnk 1;
V an = (q eh + q cor) Qnk 2;
unde V este volumul recipientului de electrolit, cm 3;
V el - volumul electrolitului, cm 3;
V an este volumul anodului, cm 3;
q el - consumul specific de apă din electrolit, cm 3 / Ah;
q ec - consumul specific de aluminiu pentru reactia electrochimica, cm 3 / Ah;
q cor este consumul specific de aluminiu pentru coroziune, cm 3 / Ah;
Q - capacitatea celulei pe ciclu, Ah;
n este numărul de cicluri;
k 1 = (0,44-1,45) - factor de proiectare;
k 2 = (1,97-1,49) - factor de proiectare;
iar raportul dintre lungime (a), lățime (b) și înălțime (c) este:
a: b: c = 1: 0,38: 2,7;
a: b: c = 1: 0,35: 3,1;
a: b: c = 1: 0,33: 3,9. În baterie, celula propusă este folosită ca celulă galvanică aer-metal; în timpul funcționării unei celule galvanice aer-metal și a unei baterii pe baza acesteia, anozii sunt pretratați într-o soluție apoasă de hidroxid de sodiu cu o concentrație de (2-5) mol / l cu adăugarea de metastanat de sodiu trihidrat cu o concentrație de (0,01-0,10) mol/l. Setul revendicat și relația dintre trăsăturile distinctive din sursele cunoscute de brevet și literatura științifică și tehnică nu au fost găsite. Astfel, soluția tehnică propusă are o noutate și un nivel inventiv. Invenţia este aplicabilă industrial deoarece poate fi folosită ca sursă de energie autonomă ecologică ca parte a următoarelor sisteme:
- magnetofon portabil de tip „player” cu functii de inregistrare si redare printr-un sistem de difuzoare externe;
- receptor de televiziune portabil pe cristale lichide;
- lanterna portabila;
- ventilator electric;
- jocuri video pentru copii pe cristale lichide;
- vehicule electrice radiocomandate pentru copii;
- receptor radio portabil;
- încărcător de baterii;
- aparat portabil de masura. Sursa de curent propusă oferă caracteristici de putere electrică specifice ridicate, menținându-le stabile pe întreaga sa resursă și, de asemenea, permite reducerea timpului pentru a ajunge la modul de proiectare de la 10 - 20 la 1-3 minute. Starea indicatorilor ne permite să concluzionam că este recomandabil să folosim relațiile geometrice obținute în proiectarea bateriilor aer-aluminiu. Invenţia este ilustrată printr-un desen, în care FIG. 1 prezintă un element aer-aluminiu - vedere nr. 1, în fig. 2 - element aer-aluminiu - tip Nr.2, în Fig. 3 - element aer-aluminiu - vedere nr. 3. În FIG. 4 prezintă capacitatea de electrolit a unei celule de aer-aluminiu, iar FIG. 5 - baterie bazată pe celule aer-aluminiu. Celula galvanică aer-aluminiu este formată dintr-un recipient de electrolit 1, care are ferestre 3 pe pereții laterali exteriori 2, un orificiu de umplere 5 în partea superioară 4, înconjurat de o proeminență conică continuă 6, care acționează ca o etanșare labirint, pe partea interioară a recipientului de electrolit 1 pe partea de mijloc a pereților laterali 2 și în partea sa inferioară sunt două proeminențe limitatoare 7, în partea inferioară a recipientului de electrolit 1 este formată o cameră 8 pentru colectarea nămolului, care se acumulează în timpul Operațiune. Catozii de difuzie a gazului 9 sunt introduși ermetic în recipientul de electrolit 1 în ferestrele 3 ale cadrului 10. Etanșeitatea recipientului de electrolit 1 este realizată folosind un etanșant care este neutru în raport cu soluția apoasă de electrolit. Conexiunea electrică a catozilor 9 cu consumatorul atunci când se utilizează o celulă aer-aluminiu atât în ​​afara bateriei, cât și în compoziția acesteia, se realizează folosind un colector de curent catodic 11, acoperind recipientul de electrolit 1 cu două cleme orizontale 12, care sunt conectate electric cu două cleme verticale 13. În recipientul de electrolit 1 prin orificiul de umplere 5 este introdus un anod metalic plat 14 cu o proeminenţă 15 de formă dreptunghiulară, destinat să realizeze colectarea curentului. Planul proeminenței 15 servește și la etanșarea de-a lungul liniei „anod 14 - capac 16”. Orificiul de umplere 5 este închis și etanșat de un capac 16 care conține o gaură 17 pentru trecerea anodului 14 prin acesta și una sau mai multe orificii 18 pentru îndepărtarea hidrogenului din recipientul de electrolit 1 în timpul funcționării celulei aer-aluminiu prin capacul 16. , care este în același timp o membrană hidrofobă. Prezența în partea superioară a recipientului de electrolit 4 de-a lungul perimetrului din jurul orificiului de umplere 5 a proeminenței conice 6 face posibilă îmbunătățirea proprietăților de etanșare ale capacului 16. Rapoartele geometrice ale structurii, care fac posibilă îmbunătățirea parametrilor specifici de putere electrică, sunt următoarele:
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
O baterie pe bază de celule aer-aluminiu constă dintr-o carcasă 19 cu caneluri verticale interne 20 pentru susținerea celulelor aer-aluminiu și ferestre 21 pentru organizarea unui flux exterior liber de aer în interiorul bateriei, încuietori 22 pentru atașarea capacului cu comutatorul 23 la carcasa 19, unul sau mai multe recipiente de electroliți 1 cu colectoare de curent catodic instalate 11, cu anozi 14 introduși în ele și acoperiți cu capace 16, o placă dublă 24 purtătoare de curent care conține, pe partea întoarsă către elementele aer-aluminiu , căi conductoare 25 pentru conectarea electrică de la catozii 9 la rezervoarele de electroliți 1 prin colectoarele de curent catodic 11 la placa cu două fețe 24 purtătoare de curent, mai multe orificii 26 de formă dreptunghiulară pentru trecerea proeminenței 15 a anodului metalic 14 în ordine pentru a realiza conexiunea electrică între anodul metalic 14 și colectorul de curent anodic 27, mai multe orificii de formă arbitrară 28 pentru drenarea hidrogenului din electrolit capacitate totală 1 către atmosferă prin capacul 23, mai mulți conectori 29 amplasați pe partea superioară a plăcii duble față purtătoare de curent 24, conectați printr-un jumper conductor electric 30 pentru selectarea tensiunii de funcționare de către consumator și comunicarea cu piste conductoare 25 și 31 pe ambele părți, mai mulți conectori 32 amplasați în partea superioară a plăcii cu două fețe de distribuție a curentului 24, care servesc la conectarea consumatorului, precum și capacul 23, care acoperă bateria de sus și conține mai multe orificii 33 pentru conectorii 32, mai multe orificii 34 pentru conectorii 29, una sau mai multe orificii 35 pentru drenarea hidrogenului, două caneluri longitudinale 36 pentru încuietori 22, eticheta 37 cu Instrucțiuni de operare scurte. Principiul de funcționare și metoda de funcționare a unei celule galvanice aer-metal și a unei baterii bazate pe aceasta, de exemplu, o baterie 3 VA-24, sunt următoarele. Energia electrică din baterie este generată de reacția electrochimică de oxidare a aluminiului la anod și reducerea oxigenului la catod. Electrolitul folosit este fie soluții apoase de sodiu caustic (NaOH), fie clorură de sodiu (NaCl), fie un amestec al acestor soluții cu aditivi inhibitori: Na 2 SnO 3 3H 2 O - într-un electrolit alcalin și NaHCO 3 - în soluție salină. În cursul reacției, împreună cu consumul de aluminiu, oxigenul este consumat din aer și apa din electrolit, prin urmare, la funcționarea bateriei, deoarece acestea sunt consumate în timpul procesului de descărcare, anodul și electrolitul sunt înlocuite periodic cu cele proaspete. Produșii de reacție sunt hidroxid de aluminiu Al (OH) 3 și căldură. Bateria funcționează în intervalul de temperatură de la -10 o C la +60 o C fără încălzire suplimentară atunci când pornește de la temperaturi sub zero. Unul dintre factorii negativi ai unei baterii aluminiu-aer este coroziunea anodului. Acest lucru duce la o scădere a performanței electrice a bateriei și la generarea unei cantități mici de hidrogen. Într-o măsură mai mare, efectul coroziunii se manifestă asupra caracteristicilor de pornire, drept urmare timpul pentru a ajunge la modul specificat este de (10-20) minute. Tratamentul propus al anozilor, în care suprafața lor este acoperită cu cositor, permite reducerea densității curentului de coroziune și îmbunătățirea semnificativă a modului de funcționare al bateriei aer-aluminiu, în urma căruia caracteristicile electrice cresc și timpul de atingere. modul este redus la (1-3) minute. Anodul este acoperit înainte de a începe funcționarea bateriei. Anodul este degresat preliminar și apoi tratat într-o soluție apoasă de hidroxid de sodiu cu o concentrație de (2-5) mol/l cu adăugarea de metastanat de sodiu trihidrat cu o concentrație de (0,01-0,10) mol/l la temperatura camerei. timp de 5-60 de minute. Rezultatele testelor ale bateriei aer-aluminiu propuse și ale prototipului sunt prezentate în tabel. 1 și 2. După cum se poate observa din tabele, bateria aer-aluminiu propusă oferă caracteristici de putere electrică specifice ridicate și stabile în timp cu un timp scurt pentru a ajunge în mod.

Revendicare

1. Celulă de tip cutie galvanică aer-metal, inclusiv un recipient de electrolit cu un orificiu de umplere în partea sa superioară, un anod metalic consumabil de formă plată plasat într-un recipient de electrolit, un catod de difuzie a gazului situat la o anumită distanță de suprafața de lucru anodului și spălată liber din exterior cu gaz, de exemplu aer, o cameră de colectare a gazelor, caracterizată prin aceea că în partea superioară a recipientului de electrolit în jurul orificiului de umplere există o proeminență conică continuă care acționează ca o etanșare labirint, în partea de mijloc a pereților laterali ai recipientului de electrolit și în partea inferioară a acestuia sunt două proeminențe limitatoare, în partea inferioară a recipientului de electrolit V se formează o cameră V sl pentru colectarea nămolului cu un raport de volum V: V sl = 5 - 15, grosimea anodului în intervalul 1 - 3 mm este de 0,05 - 0,50 din spațiul catodic, volumul recipientului de electrolit este determinat de expresia:
V = V el + V an;
V el = q el Q n k 1;
V an = (q eh + q cor) Q n k 2;
unde V este volumul recipientului de electrolit, cm 3;
V el - volumul electrolitului, cm 3;
V an este volumul anodului, cm 3;
q el - consumul specific de apă din electrolit, cm 3 / Ah;
q ec este consumul specific de aluminiu pentru reacția electrochimică cm 3 / Ah;
q cor este consumul specific de aluminiu pentru coroziune, cm 3 / A h;
Q - capacitatea celulei pe ciclu, Ah;
n este numărul de cicluri;
K 1 = (0,44 - 1,45) - factor de proiectare;
K 2 = (1,97 - 1,49) - factor de proiectare;
iar raportul dintre lungimea a, lățimea b și înălțimea c este 1: 0,38: 2,7; 1: 0,35: 3,1; 1: 0,33: 3,9. 2. Baterie primară aer-metal care conţine o carcasă, un capac, cel puţin o celulă galvanică aer-metal, caracterizată prin aceea că celula conform revendicării 1 este luată ca o astfel de celulă. 3. O metodă de funcționare a unei celule galvanice aer-metal și a unei baterii pe baza acesteia prin descărcare, înlocuirea anozilor și electrolitului cu metastanat de sodiu proaspăt cu o concentrație de (0,01 - 0,10) mol/l.

Compania franceză Renault propune utilizarea bateriilor Phinergy aluminiu-aer în viitoarele vehicule electrice. Să aruncăm o privire asupra perspectivelor lor.

Renault a decis să se concentreze pe un nou tip de baterie care poate crește autonomia la o singură încărcare de șapte ori. Păstrând în același timp dimensiunea și greutatea bateriilor de astăzi. Celulele aluminiu-aer (Al-air) au o densitate energetică fenomenală (8000 W/kg față de 1000 W/kg pentru bateriile tradiționale), producând-o în timpul reacției de oxidare a aluminiului în aer. O astfel de baterie conține un catod pozitiv și un anod negativ din aluminiu, iar între electrozi este conținut un electrolit lichid pe bază de apă.

Compania de baterii Phinergy a declarat că a făcut progrese mari în dezvoltarea unor astfel de baterii. Propunerea lor este de a folosi un catalizator din argint care utilizează eficient oxigenul din aerul normal. Acest oxigen se amestecă cu electrolitul lichid și astfel eliberează energia electrică care este conținută în anodul de aluminiu. Principala avertizare este „catodul de aer”, care acționează ca o membrană în jacheta de iarnă - trece doar O2, nu dioxid de carbon.

Care este diferența față de bateriile tradiționale? Acestea din urmă au celule complet închise, în timp ce elementele Al-air au nevoie de un element extern pentru a „declanșa” reacția. Un plus important este faptul că bateria Al-air acționează ca un generator diesel - generează energie doar atunci când o pornești. Și atunci când „închideți aerul” unei astfel de baterii, toată încărcarea acesteia rămâne pe loc și nu dispare în timp, ca în cazul bateriilor convenționale.

Bateria Al-air folosește un electrod de aluminiu, dar poate fi înlocuită ca un cartuş dintr-o imprimantă. Încărcarea trebuie făcută la fiecare 400 km, va consta în adăugarea de electrolit nou, ceea ce este mult mai ușor decât așteptarea încărcării unei baterii obișnuite.

Phinergy a creat deja un Citroen C1 electric, care este echipat cu o baterie de 25 kg 100 kWh. Oferă o autonomie de croazieră de 960 km. Cu un motor de 50 kW (aproximativ 67 de cai putere), mașina dezvoltă o viteză de 130 km/h, accelerează la o sută în 14 secunde. O baterie similară este testată și pe Renault Zoe, dar capacitatea sa este de 22 kWh, viteza maximă a mașinii este de 135 km/h, 13,5 secunde până la „sute”, dar doar 210 km de rezervă de putere.

Noile baterii sunt mai ușoare, la jumătate din prețul bateriilor litiu-ion, iar pe termen lung sunt mai ușor de utilizat decât cele moderne. Și până acum, singura lor problemă este electrodul de aluminiu, care este greu de fabricat și înlocuit. De îndată ce această problemă este rezolvată, ne putem aștepta cu siguranță la un val și mai mare de popularitate a vehiculelor electrice!

• , 20 ianuarie 2015

Pigmentul Fuji a prezentat un tip inovator de baterie aluminiu-aer care poate fi încărcată cu apă sărată. Bateria a fost modificată pentru a oferi o durată de viață mai lungă, acum cel puțin 14 zile.

Materialele ceramice și carbon au fost încorporate în structura bateriei aluminiu-aer ca strat interior. Efectele coroziunii anodului și acumulării de impurități secundare au fost suprimate. Ca rezultat, s-a obținut un timp de funcționare mai lung.

O baterie aer-aluminiu cu o tensiune de funcționare de 0,7 - 0,8 V, producând 400 - 800 mA de curent per celulă, are un nivel teoretic de energie pe unitate de volum de ordinul a 8100 W * h / kg. Acesta este al doilea indicator al maximului pentru bateriile de stocare de diferite tipuri. Nivelul teoretic de energie pe unitate de volum în bateriile litiu-ion este de 120-200 W * h / kg. Aceasta înseamnă că, în teorie, capacitatea bateriilor aluminiu-aer poate depăși acest indicator al omologilor litiu-ion de peste 40 de ori.

Deși bateriile comerciale reîncărcabile cu ioni de litiu sunt utilizate pe scară largă astăzi în telefoanele mobile, laptop-uri și alte dispozitive electronice, densitatea lor de energie este încă insuficientă pentru utilizarea industrială în vehiculele electrice. Până în prezent, oamenii de știință au dezvoltat o tehnologie pentru bateriile aer-metal cu o capacitate maximă de energie. Cercetătorii au studiat bateriile aer-metal pe bază de litiu, fier, aluminiu, magneziu și zinc. Dintre metale, aluminiul ca anod este de interes datorită capacității sale specifice ridicate și potențialului standard ridicat al electrodului. În plus, aluminiul este cel mai ieftin și mai reciclabil metal din lume.

Un tip inovator de baterie ar trebui să ocolească principalul obstacol în calea comercializării unor astfel de soluții, și anume nivelul ridicat de coroziune a aluminiului în timpul reacțiilor electrochimice. În plus, materialele secundare Al2O3 și Al (OH) 3 se acumulează pe electrozi, afectând cursul reacțiilor.

Pigmentul Fuji a declarat că noul tip de baterii aluminiu-aer pot fi produse și pot fi funcționate în condiții normale de mediu, deoarece celulele sunt rezistente, spre deosebire de bateriile litiu-ion, care se pot aprinde și exploda. Toate materialele utilizate pentru asamblarea structurii bateriei (electrod, electrolit) sunt sigure și ieftine de fabricat.

Citeste si:

Sursele de energie chimică cu caracteristici specifice stabile și ridicate sunt una dintre cele mai importante condiții pentru dezvoltarea facilităților de comunicații.

În prezent, nevoile utilizatorilor de energie electrică pentru comunicații sunt acoperite în principal prin utilizarea unor baterii sau baterii galvanice scumpe.

Bateriile sunt surse de alimentare relativ independente, deoarece au nevoie de încărcare periodică din rețea. Încărcătoarele folosite în acest scop sunt scumpe și nu sunt întotdeauna capabile să ofere un regim de încărcare favorabil. Deci, bateria Sonnenschein, realizată folosind tehnologia dryfit și având o masă de 0,7 kg și o capacitate de 5 Ah, se încarcă în 10 ore, iar la încărcare, este necesar să se respecte valorile standard de curent, tensiune și încărcare. timp. Încărcarea se realizează mai întâi la curent constant, apoi la tensiune constantă. Pentru aceasta, se folosesc încărcătoare programabile scumpe.

Celulele galvanice sunt complet autonome, dar de obicei au o putere redusă și o capacitate limitată. La epuizarea energiei stocate în ele, acestea sunt utilizate, poluând mediul. O alternativă la sursele uscate sunt sursele reîncărcabile mecanic aer-metal, unele dintre caracteristicile energetice ale cărora sunt prezentate în tabelul 1.

tabelul 1- Parametrii unor sisteme electrochimice

După cum se poate observa din tabel, sursele aer-metal, în comparație cu alte sisteme utilizate pe scară largă, au cei mai înalți parametri de energie teoretic și realizabili practic.

Sistemele aer-metal au fost implementate mult mai târziu, iar dezvoltarea lor este încă realizată mai puțin intens decât sursele actuale ale altor sisteme electrochimice. Cu toate acestea, testele prototipurilor create de firme interne și străine au demonstrat competitivitatea lor suficientă.

Este demonstrat că aliajele de aluminiu și zinc pot funcționa în electroliți alcalini și sări. Magneziul se găsește doar în electroliții săriți, iar dizolvarea sa intensă are loc atât în ​​timpul generarii curentului, cât și în pauze.

Spre deosebire de magneziu, aluminiul se dizolvă în electroliții săriți numai atunci când este generat curent. Electroliții alcalini sunt cei mai promițători pentru un electrod de zinc.

Surse de energie aer-aluminiu (VAIT)

Pe baza aliajelor de aluminiu au fost create surse de energie reîncărcabile mecanic cu un electrolit pe bază de clorură de sodiu. Aceste surse sunt complet autonome și pot fi folosite nu numai pentru alimentarea echipamentelor de comunicații, ci și pentru a încărca bateriile, a alimenta diverse echipamente casnice: radiouri, televizoare, râșnițe de cafea, mașini de găurit electrice, lămpi, uscătoare de păr electrice, fiare de lipit, frigidere cu putere redusă. , pompe centrifuge etc iti permite sa-l folosesti pe teren, in regiunile care nu au alimentare centralizata, in locuri de dezastre si dezastre naturale.

VAIT se încarcă în câteva minute, care sunt necesare pentru umplerea electrolitului și/sau înlocuirea electrozilor de aluminiu. Pentru a încărca aveți nevoie doar de sare de masă, apă și o sursă de anozi de aluminiu. Oxigenul aerului este utilizat ca unul dintre materialele active, care este redus pe catozii de carbon și fluoroplastici. Catozii sunt destul de ieftini, asigură funcționarea sursei pentru o perioadă lungă de timp și, prin urmare, au un efect neglijabil asupra costului energiei generate.

Costul energiei electrice primite în VAIT este determinat în principal doar de costul anozilor înlocuiți periodic, nu include costul oxidantului, materialelor și proceselor tehnologice care asigură operabilitatea celulelor galvanice tradiționale și, prin urmare, este de 20 de ori mai mic. decât costul energiei primite din surse autonome precum elementele alcaline mangan-zinc.

masa 2- Parametrii surselor de energie aer-aluminiu

Durata de funcționare continuă este determinată de cantitatea de curent consumată, volumul de electrolit turnat în celulă și este de 70 - 100 A · h / l. Limita inferioară este determinată de vâscozitatea electrolitului, la care este posibilă scurgerea liberă a acestuia. Limita superioară corespunde unei scăderi a caracteristicilor celulei cu 10-15%, totuși, la atingerea acesteia, pentru îndepărtarea masei electrolitului, este necesar să se utilizeze dispozitive mecanice care pot deteriora electrodul de oxigen (aer).

Vâscozitatea electrolitului crește pe măsură ce este saturat cu o suspensie de hidroxid de aluminiu. (Hidroxidul de aluminiu se găsește în mod natural sub formă de argilă sau alumină, este un produs excelent pentru producția de aluminiu și poate fi returnat în producție.)

Înlocuirea electroliților se realizează în câteva minute. Cu porțiuni noi de electrolit, VAIT poate funcționa până la epuizarea resursei anodului care, cu o grosime de 3 mm, este de 2,5 Ah/cm 2 din suprafața geometrică. Dacă anozii s-au dizolvat, aceștia sunt înlocuiți cu alții noi în câteva minute.

Autodescărcarea VAIT este foarte mică, chiar și atunci când este depozitată cu electrolit. Dar datorită faptului că VAIT poate fi stocat fără electrolit în timpul pauzei dintre descărcări, autodescărcarea sa este neglijabilă. Durata de viață a VAIT este limitată de durata de viață a plasticului din care este fabricat. VAIT fără electrolit poate fi depozitat până la 15 ani.

În funcție de cerințele consumatorului, VAIT poate fi modificat ținând cont de faptul că 1 celulă are o tensiune de 1 V la o densitate de curent de 20 mA/cm2, iar curentul preluat de la VAIT este determinat de aria de ​electrozii.

Studiile proceselor care au loc pe electrozi și în electrolit, efectuate la MPEI (TU), au făcut posibilă crearea a două tipuri de surse de curent aer-aluminiu - inundate și scufundate (Tabelul 2).

VAIT inundat

VAIT turnat este format din 4-6 elemente. Elementul VAIT-ului inundat (Fig. 1) este un recipient dreptunghiular (1), în pereții opuși căruia este instalat catodul (2). Catodul este format din două părți, conectate electric la un electrod printr-o magistrală (3). Anodul (4) este situat între catozi, a căror poziție este fixată prin ghidaje (5). Designul elementului, patentat de autori / 1 /, face posibilă reducerea efectului negativ al hidroxidului de aluminiu format ca produs final, datorită organizării circulației interne. În acest scop, elementul într-un plan perpendicular pe planul electrozilor este împărțit prin partiții în trei secțiuni. Pereții despărțitori acționează și ca șine de ghidare pentru anodul (5). Secțiunea din mijloc conține electrozi. Bulele de gaz eliberate în timpul funcționării anodului ridică suspensia de hidroxid împreună cu fluxul de electrolit, care se scufundă în fund în celelalte două secțiuni ale celulei.

Poza 1- Diagrama elementelor

Alimentarea cu aer a catozilor din VAIT (Fig. 2) se realizează prin golurile (1) dintre elementele (2). Catozii cei mai exteriori sunt protejați de influențele mecanice externe prin panouri laterale (3). Nevărsarea structurii este asigurată prin utilizarea unui capac detașabil rapid (4) cu o garnitură de etanșare (5) din cauciuc poros. Tensiunea garniturii de cauciuc se realizează prin apăsarea capacului pe corpul VAIT și fixarea acestuia în această stare cu ajutorul clemelor cu arc (neprezentate în figură). Gazul este evacuat prin supape hidrofobe poroase special concepute (6). Celulele (1) din baterie sunt conectate în serie. Anozii cu plăci (9), al căror design a fost dezvoltat la MPEI, au colectoare de curent flexibile cu un element conector la capăt. Conectorul, a cărui parte de împerechere este conectată la blocul catodic, vă permite să deconectați și să conectați rapid anodul atunci când îl înlocuiți. Când toți anozii sunt conectați, elementele VAIT sunt conectate în serie. Electrozii extremi sunt conectați la suportul VAIT (10) și prin intermediul unor conectori.

1- spațiu de aer, 2 - element, 3 - panou de protecție, 4 - capac, 5 - bus catod, 6 - garnitură, 7 - supapă, 8 - catod, 9 - anod, 10 - suportat

Poza 2- Așteptați plin

Submersibil VAIT

VAIT scufundat (Fig. 3) este un VAIT turnat întors pe dos. Catozii (2) sunt îndreptați spre exterior de către stratul activ. Capacitatea celulei, în care a fost turnat electrolitul, este împărțită în două printr-o partiție și servește pentru alimentarea cu aer separată a fiecărui catod. Un anod (1) este instalat în golul prin care a fost furnizat aer la catozi. VAIT, pe de altă parte, este activat nu prin turnarea electrolitului, ci prin imersarea în electrolit. Electrolitul este pre-turnat și depozitat între descărcări în rezervorul (6), care este împărțit în 6 secțiuni neconectate. Un monobloc baterie 6ST-60TM este folosit ca rezervor.

1 - anod, 4 - camera catodică, 2 - catod, 5 - panou superior, 3 - skid, 6 - rezervor de electrolit

Figura 3- Element imersat aer-aluminiu în panoul modulului

Acest design face posibilă dezasamblarea rapidă a bateriei, îndepărtarea modulului cu electrozi și manipularea la umplerea și descărcarea electrolitului nu cu bateria, ci cu recipientul, a cărui masă cu electrolit este de 4,7 kg. Modulul combină 6 celule electrochimice. Elementele sunt montate pe panoul superior (5) al modulului. Masa modulului cu un set de anozi este de 2 kg. Prin conectarea modulelor în serie, VAIT a fost recrutat din 12, 18 și 24 de elemente. Dezavantajele unei surse de aer-aluminiu includ o rezistență internă destul de mare, putere specifică scăzută, instabilitatea tensiunii în timpul descărcării și scăderea tensiunii atunci când este pornită. Toate aceste dezavantaje sunt nivelate prin utilizarea unei surse de curent combinat (KIT), constând din VAIT și o baterie.

Surse de curent combinate

Curba de descărcare a sursei „inundată” 6VAIT50 (Fig. 4) la încărcarea unui acumulator de plumb etanș 2SG10 cu o capacitate de 10 Ah se caracterizează, ca și în cazul altor sarcini, printr-o cădere de tensiune în primele secunde când sarcina este conectată. În 10-15 minute, tensiunea crește la tensiunea de funcționare, care rămâne constantă pe toată durata descărcării VAIT. Adâncimea adâncirii este determinată de starea suprafeței anodului de aluminiu și de polarizarea acestuia.

Figura 4- Curba de descărcare 6WAIT50 la încărcare 2SG10

După cum știți, procesul de încărcare a bateriei are loc numai atunci când tensiunea la sursa care emite energie este mai mare decât la baterie. Defectarea tensiunii inițiale a VAIT duce la faptul că bateria începe să se descarce la VAIT și, prin urmare, procesele inverse încep să apară pe electrozii VAIT, ceea ce poate duce la pasivarea anozilor.

Pentru a preveni procesele nedorite, o diodă este instalată în circuitul dintre VAIT și baterie. În acest caz, tensiunea de descărcare VAIT în timpul încărcării bateriei este determinată nu numai de tensiunea bateriei, ci și de căderea de tensiune pe diodă:

U VAIT = U ACC + ΔU DIODA (1)

Introducerea unei diode în circuit duce la o creștere a tensiunii atât pe VAIT, cât și pe baterie. Influența prezenței unei diode în circuit este ilustrată în Fig. 5, care arată modificarea diferenței de tensiune dintre VAIT și baterie atunci când bateria este încărcată alternativ cu și fără o diodă în circuit.

În procesul de încărcare a bateriei în absența unei diode, diferența de tensiune tinde să scadă, adică. scăderea eficienței VAIT, în timp ce în prezența unei diode diferența și, în consecință, eficiența procesului tinde să crească.

Figura 5- Diferența de tensiune 6VAIT125 și 2SG10 la încărcare cu și fără diodă

Figura 6- Modificarea curenților de descărcare 6WAIT125 și 3NKGK11 cu alimentarea cu energie către consumator

Figura 7- Modificarea energiei specifice a KIT (VAIT - baterie plumb-acid) cu o creștere a ponderii sarcinii de vârf

Facilitățile de comunicație se caracterizează prin consumul de energie în modul de sarcină variabilă, inclusiv de vârf. Am simulat un astfel de model de consum cu o sursă de alimentare de consum cu o sarcină de bază de 0,75 A și o sarcină de vârf de 1,8 A dintr-un KIT format din 6WAIT125 și 3NKGK11. Natura modificării curenților generați (consumați) de componentele KIT-ului este prezentată în Fig. 6.

Figura arată că, în modul de bază, VAIT oferă o generare de curent suficientă pentru a alimenta sarcina de bază și a încărca bateria. În caz de sarcină de vârf, consumul este asigurat de curentul generat de VAIT și baterie.

Analiza noastră teoretică a arătat că energia specifică a KIT-ului este un compromis între energia specifică a VAIT și a bateriei și crește odată cu scăderea ponderii energiei de vârf (Fig. 7). Puterea specifică a KIT-ului este mai mare decât puterea specifică a VAIT și crește odată cu creșterea ponderii sarcinii de vârf.

concluzii

Au fost create noi surse de energie pe baza sistemului electrochimic „aer-aluminiu” cu o soluție de clorură de sodiu ca electrolit, cu o capacitate energetică de aproximativ 250 Ah și cu o energie specifică de peste 300 Wh/kg.

Sursele dezvoltate se incarca in cateva minute prin inlocuirea mecanica a electrolitului si/sau anozilor. Autodescărcarea surselor este neglijabilă și de aceea, înainte de activare, acestea pot fi stocate timp de 15 ani. Au fost dezvoltate variante de surse care diferă prin metoda de activare.

Lucrarea surselor de aer-aluminiu a fost investigată la încărcarea unei baterii și ca parte a unei surse combinate. Se arată că energia specifică și puterea specifică a KIT-ului sunt valori de compromis și depind de ponderea sarcinii de vârf.

VAIT și KIT pe baza lor sunt absolut autonome și pot fi folosite pentru alimentarea nu numai a echipamentelor de comunicații, ci și pentru alimentarea diverselor echipamente de uz casnic: mașini electrice, lămpi, frigidere de putere redusă, etc. alimentare, în locuri de dezastre și dezastre naturale .

BIBLIOGRAFIE

1. Brevet RF nr. 2118014. Element metal-aer / Dyachkov E.V., Kleimenov B.V., Korovin N.V., // IPC 6 H 01 M 12/06. 2/38. prog. 17/06/97 publ. 20/08/98
2. Korovin N.V., Kleimenov B.V., Voligova I.A. & Voligov I.A. // Abstr. Al doilea simptom. pe New Mater. pentru pile de combustie și sisteme moderne de baterii. 6-10 iulie. 1997. Montreal. Canada. v 97-7.
3. Korovin N.V., Kleimenov B.V. Buletinul MEI (în presă).

Lucrarea a fost realizată în cadrul programului „Cercetarea științifică a învățământului superior în domenii prioritare ale științei și tehnologiei”