Aluminium-Luft-Batterie - Aluminium–air battery

Zum Akku siehe Aluminium-Ionen-Akku .
Aluminium-Luft-Batterie
Spezifische Energie 1300 (praktisch), 6000/8000 (theoretisch) W·h /kg
Energiedichte N / A
Spezifische Leistung 200 W /kg
Zellnennspannung 1,2 V

Batterien Aluminium-Luft (Al-Luft - Batterien) erzeugt Strom aus der Reaktion von Sauerstoff in der Luft mit Aluminium . Sie haben eine der höchsten Energiedichten aller Batterien, werden jedoch wegen der Probleme mit den hohen Anodenkosten und der Entfernung von Nebenprodukten bei der Verwendung herkömmlicher Elektrolyte nicht weit verbreitet verwendet. Dies hat ihre Verwendung auf hauptsächlich militärische Anwendungen beschränkt. Allerdings hat ein Elektrofahrzeug mit Aluminiumbatterien das Potenzial für eine bis zu achtfache Reichweite einer Lithium-Ionen-Batterie bei deutlich geringerem Gesamtgewicht.

Aluminium-Luft-Batterien sind Primärzellen , dh nicht wiederaufladbar. Sobald die Aluminiumanode durch ihre Reaktion mit Luftsauerstoff an einer in einen wasserbasierten Elektrolyten getauchten Kathode zu hydratisiertem Aluminiumoxid verbraucht ist , produziert die Batterie keinen Strom mehr. Es ist jedoch möglich, die Batterie mit neuen Aluminiumanoden aus dem Recycling des Aluminiumoxidhydrats mechanisch aufzuladen. Ein solches Recycling wäre für eine breite Akzeptanz von Aluminium-Luft-Batterien unerlässlich.

Fahrzeuge mit Aluminiumantrieb werden seit einigen Jahrzehnten diskutiert. Die Hybridisierung senkt die Kosten, und 1989 wurde über Fahrversuche einer hybridisierten Aluminium-Luft- Blei-Säure-Batterie in einem Elektrofahrzeug berichtet. Ein aluminiumbetriebener Plug-in-Hybrid-Minivan wurde 1990 in Ontario demonstriert.

Im März 2013 veröffentlichte Phinergy eine Videodemonstration eines Elektroautos mit Aluminium-Luft-Zellen, das 330 km mit einer speziellen Kathode und Kaliumhydroxid gefahren wurde. Am 27. Mai 2013 zeigte die Abendnachrichtensendung des israelischen Kanals 10 ein Auto mit einer Phinergy-Batterie im Heck, das eine Reichweite von 2.000 Kilometern (1.200 Meilen) beanspruchte, bevor die Aluminiumanoden ausgetauscht werden müssen.

Elektrochemie

Die Anodenoxidationshalbreaktion ist Al + 3OH−
→ Al(OH)
3+ 3e − -2,31 V.

Die Kathoden- Reduktions-Halbreaktion ist O
2+ 2H
2O + 4e − → 4OH−
 +0,40 V.

Die Gesamtreaktion ist 4Al + 3O
2+ 6H
2O → 4Al(OH)
3 +2,71 V.

Etwa 1,2 Volt Potentialdifferenz werden durch diese Reaktionen erzeugt und sind in der Praxis erreichbar, wenn Kaliumhydroxid als Elektrolyt verwendet wird. Salzwasserelektrolyt erreicht ca. 0,7 Volt pro Zelle.

Die spezifische Spannung der Zelle kann je nach Zusammensetzung des Elektrolyten sowie Struktur und Materialien der Kathode variieren.

Andere Metalle können in ähnlicher Weise verwendet werden, wie Lithium-Luft , Zink-Luft , Mangan-Luft und Natrium-Luft, einige mit einer höheren Energiedichte. Allerdings ist Aluminium als stabilstes Metall attraktiv.

Vermarktung

Themen

Aluminium als "Kraftstoff" für Fahrzeuge wurde von Yang und Knickle untersucht. 2002 kamen sie zu dem Schluss:

Das Al/Luft-Batteriesystem kann ähnlich wie bei benzinbetriebenen Autos genug Energie und Leistung für Reichweiten und Beschleunigungen erzeugen ... die Kosten für Aluminium als Anode können bis zu 1,1 US-Dollar/kg betragen, solange das Reaktionsprodukt recycelt wird . Die Gesamtkraftstoffeffizienz während des Zyklusprozesses in Al/Luft-Elektrofahrzeugen (EVs) kann 15% (aktuelles Stadium) oder 20% (projiziert) betragen, vergleichbar mit der von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor (ICEs) (13%). Die Energiedichte der Designbatterie beträgt 1300 Wh/kg (aktuell) bzw. 2000 Wh/kg (projiziert). Die Kosten des zur Bewertung ausgewählten Batteriesystems betragen 30 US$/kW (aktuell) bzw. 29 US$/kW (prognostiziert). Es wurde eine Lebenszyklusanalyse von Al/Luft-EVs durchgeführt und mit Blei/Säure- und Nickel-Metallhydrid-(NiMH)-EVs verglichen. Lediglich für Al/Air-EVs kann prognostiziert werden, dass sie eine Reichweite haben, die mit ICEs vergleichbar ist. Laut dieser Analyse sind Al/Air-EVs die vielversprechendsten Kandidaten im Vergleich zu ICEs in Bezug auf Reichweite, Kaufpreis, Kraftstoffkosten und Lebenszykluskosten.

Es bleiben technische Probleme zu lösen, um Al-Luft-Batterien für Elektrofahrzeuge geeignet zu machen. Anoden aus reinem Aluminium werden durch den Elektrolyten korrodiert, daher ist das Aluminium meist mit Zinn oder anderen Elementen legiert. Das durch die Zellreaktion entstehende hydratisierte Aluminiumoxid bildet an der Anode eine gelartige Substanz und reduziert die Stromabgabe. Dies ist ein Thema, das bei der Entwicklung von Al-Luft-Zellen aufgegriffen wird. Beispielsweise wurden Additive entwickelt, die das Aluminiumoxid eher als Pulver als als Gel bilden.

Moderne Luftkathoden bestehen aus einer reaktiven Schicht aus Kohlenstoff mit einem Nickel -Grid Stromkollektor, einen Katalysator (beispielsweise Kobalt ), und einen porösen hydrophoben PTFE - Film verhindert , daß Elektrolytaustritt. Der Sauerstoff in der Luft strömt durch das PTFE und reagiert dann mit dem Wasser, um Hydroxidionen zu erzeugen. Diese Kathoden funktionieren gut, können aber teuer sein.

Herkömmliche Al-Luft-Batterien hatten eine begrenzte Haltbarkeit, da das Aluminium mit dem Elektrolyten reagierte und Wasserstoff produzierte, wenn die Batterie nicht verwendet wurde – obwohl dies bei modernen Designs nicht mehr der Fall ist. Das Problem kann vermieden werden, indem der Elektrolyt in einem Tank außerhalb der Batterie gelagert und bei Bedarf in die Batterie überführt wird.

Diese Batterien können beispielsweise als Reservebatterien in Telefonzentralen und als Notstromquellen verwendet werden .

Aluminium-Luft-Batterien können aufgrund ihrer hohen Energiedichte, geringen Kosten und des Überflusses an Aluminium ohne Emissionen am Einsatzort (Boote und Schiffe) eine effektive Lösung für Schiffsanwendungen sein. Phinergy Marine , RiAlAiR und mehrere andere kommerzielle Unternehmen arbeiten an kommerziellen und militärischen Anwendungen in der Meeresumwelt.

Forschung und Entwicklung finden an alternativen sichereren und leistungsfähigeren Elektrolyten wie organischen Lösungsmitteln und ionischen Flüssigkeiten statt.

Siehe auch

Verweise

Externe Links