اصل کار باتری های آلومینیومی-هوا
یک سلول هوای آلومینیومی از یک آند آلومینیوم، یک کاتد هوا و یک الکترولیت آبی، معمولاً هیدروکسید پتاسیم یا هیدروکسید سدیم تشکیل شده است. در آند، آلومینیوم در هر اتم سه الکترون حل و آزاد می کند. در کاتد، اکسیژن هوای محیط کاهش می یابد. واکنش کلی 4Al + 3O2 + 6H2O به 4Al(OH)3 یک ولتاژ مدار باز-در تئوری نزدیک به 2.7 ولت می‌دهد، در حالی که سلول‌های عملی به دلیل تلفات قطبش در حدود 1.2 تا 1.6 ولت کار می‌کنند. از آنجایی که ماده فعال کاتد، اکسیژن، به‌جای ذخیره‌سازی در داخل سلول، آزادانه از هوا گرفته می‌شود، باتری می‌تواند به انرژی ویژه نظری نزدیک به 8.1 کیلووات ساعت بر کیلوگرم بر اساس آند آلومینیوم، یعنی حدود 2980 Ah به ازای هر کیلوگرم آلومینیوم در ولتاژ 2.7 ولت، چند برابر رقم لیتیوم{18} برسد.
چرا آلومینیوم برای ذخیره انرژی اهمیت دارد؟
آلومینیوم فراوان ترین فلز در پوسته زمین است و در مقیاس صنعتی در سراسر جهان تولید می شود که هزینه آند را پایین نگه می دارد و زنجیره تامین را ثابت نگه می دارد. محصول تخلیه هیدروکسید آلومینیوم است، یک ترکیب بی ضرر که می تواند به کارخانه ذوب بازگردانده شود و از طریق فرآیند هال{1}}هروولت دوباره به فلز تبدیل شود، بنابراین حلقه مواد بسته و قابل بازیافت است. در مقایسه با بسته‌های یونی{3} لیتیوم، سیستم‌های هوای آلومینیومی از یک الکترولیت غیرقابل اشتعال مبتنی بر آب-استفاده می‌کنند که خطر فرار حرارتی را از بین می‌برد و مدیریت حرارتی را ساده می‌کند. این ویژگی ها شیمی را برای کاربردهایی جذاب می کند که برد طولانی، هزینه کم و ایمنی بیشتر از اوج قدرت اهمیت دارد.
مواد و اجزای سلولی
آند معمولاً آلومینیومی با خلوص بالا{{0}% 99.5 یا بالاتر است که به صورت صفحه یا فویل سنگین عرضه می‌شود، اغلب با مقادیر کمی گالیم، ایندیم، قلع یا منیزیم آلیاژ می‌شود تا انفعال و تکامل هیدروژن انگلی در الکترولیت قلیایی را سرکوب کند. کاتد هوا یک لایه کربن متخلخل است که با یک کاتالیزور مانند دی اکسید منگنز بارگذاری شده است که توسط یک جمع کننده جریان فلزی پشتیبانی می شود و فویل آلومینیومی معمولاً به عنوان بستر رسانا یا خود آند خالی عمل می کند. سیستم‌های الکترولیت از KOH غلیظ برای عملکرد با سرعت بالا تا محلول‌های نمکی برای سلول‌های کم سرعت-طولانی-متغیر هستند. طراحی الکترود انتشار گاز و مدیریت رسوب کربناته، دو مهم ترین وظیفه مهندسی در توسعه سلولی هستند.
داده های عملکرد و نمایش گزارش شده
سلول‌های آزمایشگاهی انرژی‌های خاصی را در محدوده 400 تا 800 Wh/kg در سطح سلول گزارش کرده‌اند و نمایش‌های سیستم بر طرح‌های قابل شارژ مکانیکی متمرکز شده‌اند. در یک نمایش گسترده جاده ای در سال 2013، یک خودروی کوچک شهری مجهز به حدود 50 کیلوگرم صفحات آند آلومینیومی، ادعا شد که تقریباً 1600 کیلومتر را طی می کند و به طور دوره ای برای حفظ الکترولیت آب به آن اضافه می شود. مصرف آلومینیوم اساساً با ظرفیت مرتبط است: از آنجایی که هر کیلوگرم آلومینیوم دارای بار نظری حدود 2980 Ah است، سلولی که به طور متوسط 1.4 ولت تخلیه می شود، تقریباً 4.2 کیلووات ساعت انرژی الکتریکی به ازای هر کیلوگرم آند مصرفی، قبل از اضافه شدن الکترولیت و سربار سیستم، تولید می کند. این در مقایسه با 0.25 تا 0.30 کیلووات ساعت/کیلوگرم سلول‌های یونی لیتیومی در سطح بسته است، اگرچه مقایسه باید وزن سیستم هوای کامل آلومینیومی را در بر بگیرد.
چالش‌های کلیدی برای {0}برنامه‌های وسایل نقلیه الکتریکی
چهار مانع بین سلول های آزمایشگاهی و وسایل نقلیه الکتریکی تجاری وجود دارد. اولاً، چگالی توان توسط سینتیک کاهش اکسیژن در کاتد هوا محدود می‌شود، بنابراین باتری‌های آلومینیومی{1}}هوا بهتر از شتاب‌گیری سریع برای تخلیه ثابت مناسب هستند. دوم، آلومینیوم در الکترولیت قلیایی خورده می‌شود و هیدروژن و مواد هدر می‌رود که بهینه‌سازی آلیاژ و افزودنی‌های الکترولیت را می‌طلبد. سوم، باتری به معنای متعارف قابل شارژ الکتریکی نیست. سوخت‌گیری به معنای جایگزینی کارتریج آند و بازیافت هیدروکسید است که به زیرساخت خدمات جدید نیاز دارد. چهارم، کاتد هوا در طول زمان از طریق تشکیل کربنات و غیرفعال شدن کاتالیزور تخریب می‌شود و عمر مفید آن کاهش می‌یابد. به این دلایل، تحقیقات کنونی پیکربندی‌های ترکیبی را هدف قرار می‌دهد که در آن یک بافر کوچک لیتیوم-یونی حداکثر توان را کنترل می‌کند در حالی که واحد هوای آلومینیومی انرژی سفر را تامین می‌کند، و برنامه‌های کاربردی مانند قدرت پشتیبان و حمل و نقل سنگین برد بلند{{8}.
سوالات متداول
س: باتری هوا{0} آلومینیومی چگونه کار می کند؟
A:آند آلومینیوم را با اکسیژنی که از هوای محیط در یک الکترولیت آبی گرفته می‌شود اکسید می‌کند و الکترون‌ها را از طریق مدار خارجی آزاد می‌کند و هیدروکسید آلومینیوم را به عنوان محصول تخلیه تولید می‌کند.
س: چگالی انرژی نظری آلومینیوم-هوا چیست؟
A:بر اساس آند آلومینیوم به تنهایی به حدود 8.1 کیلووات ساعت بر کیلوگرم، تقریباً 2980 Ah/kg در 2.7 ولت می رسد که چندین برابر یون لیتیوم{4}}; سلول های عملی به مقادیر کمتر اما همچنان رقابتی دست می یابند.
س: سلول چقدر آلومینیوم مصرف می کند؟
A:هر کیلوگرم آلومینیوم حدود 2980 Ah شارژ دارد، بنابراین در یک ولتاژ تخلیه متوسط 1.4 ولت سلول آن را قبل از سربار شدن سیستم به تقریباً 4.2 کیلووات ساعت برق تبدیل می کند.
س: آیا باتری‌های آلومینیومی{0}}هوا را می‌توان مجدداً شارژ کرد؟
A:نه به معنای متعارف؛ آند مصرف می شود و باید به صورت مکانیکی جایگزین شود، در حالی که هیدروکسید آلومینیوم توسط محصول-از طریق فرآیند هال{1}}هروولت به فلز بازیافت می شود.
س: چرا آنها هنوز در وسایل نقلیه الکتریکی رایج نیستند؟
A:چگالی توان محدود، خوردگی آند در الکترولیت قلیایی، تخریب{0} کاتد هوا و فقدان زیرساخت سوخت‌گیری در حال حاضر آنها را محدود به برنامه‌های تحقیقاتی، طرح‌های هیبریدی و کاربردهای ثابت می‌کند.
س: فویل آلومینیومی در این باتری ها چه نقشی دارد؟
A:فویل آلومینیومی با خلوص بالا-و ورق نازک برای صفحات آند و کلکتورهای جریان استفاده می‌شود، به همین دلیل است که تولیدکنندگان فویل و ورق توسعه این فناوری را از نزدیک دنبال می‌کنند.