Алюминий ионные аккумуляторы: Алюминий ионный аккумулятор | Статьи

Алюминий ионный аккумулятор | Статьи

09.07.2015

Исследователи из Стэнфордского университета создали новый тип батареи, основанной на алюминии. Как сообщается, новый аккумулятор  по многим  параметрам превосходит литий-ионные аккумуляторы, свинцово-кислотные и щелочные АКБ. Основные преимущества – безопасность использования, быстрая зарядка, большее количество циклов заряд/разряд.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Прототип алюминий ионного аккумулятора оснащен анодом из алюминия и катодом из графита, помещенными в ионный электролит. Аккумулятор заключён в  гибкий корпус  из полимерного материала, что позволяет аккумулятору, в случае механического повреждения, работать еще некоторое время, прежде, чем отключиться, а не загореться, как это бывает с литий ионными аккумуляторами. Электролит представляет из себя раствор соли, абсолютно безопасный.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Конечно, безопасность важна, но для многих куда важнее показатель времени зарядки. Прототип алюминий ионной АКБ показывает беспрецедентное время перезарядки – всего 1 минуту. Долговечность новинки также поражает – исследователи утверждают, что их разработка выдержала 7500 циклов заряда/разряда без какой-либо потери мощности. Это как минимум в 7 раз дольше, чем выдерживает большинство литиевых батарей. Ученые предполагают, что их разработка на основе алюминия сможет выдержать десятки тысяч циклов.

Еще одним важным преимуществом экспериментального источника питания является его гибкость — возможность отойти от привычных форм-факторов открывает новые горизонты для использования элементов питания для электротранспорта. Кроме того, алюминий стоит гораздо дешевле лития, что повлияет, в случае выхода нового аккумулятора на рынок, на стоимость батареи. Помимо прочего,  это еще и экологически чистое решение для хранения энергии, в отличии от щелочных и кислотных батарей, загрязняющих почву.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Последняя проблема, над которой работают ученые – рабочее напряжение. В настоящее время, аккумулятор из алюминия дает 2 вольта, и хотя это выше, чем в других экспериментальных  разработках, все же этого недостаточно. Литиевые элементы дают напряжение вдвое выше- до 4.2v. Разработчики считают, что решить эту проблему может замена материала для катода. Такой ход, теоретически, позволит увеличить  и плотность заряда на единицу объема.

Исследования продолжаются, и, в случае успеха, мы увидим на рынке новый тип батарей с отличными характеристиками и по невысокой цене. Ну а пока работа над новинкой не закончена, TM Volta bikes предлагает своим клиентам проверенные и качественные литий полимерные батареи с хорошей плотностью заряда. Наши аккумуляторы безопасны и эффективны  для оснащения легкого электротранспорта.  

ЖУРНАЛ

НАУКА

Смартфон с таким аккумулятором заряжается полностью
менее чем за минуту

6 апреля 2015

На протяжении долгого времени литий-ионные аккумуляторы являлись единственной альтернативой более тяжёлым одноразовым щелочным батареям. Сегодня они используются повсюду, от наручных часов до самолетов. Однако и тот, и другой вид батарей не способен справиться со всё возрастающими энергетическими потребностями.

В прошлом году TechCrunch прогнозировал, что количество пользователей смартфонов в мире к 2020 году достигнет 6,1 миллиарда человек. А постоянное совершенствование смартфонов и развитие новых технологий приведёт к увеличению потребности в батареях с более длительным сроком эксплуатации.

На протяжении десятилетий ученые и исследователи работали над созданием конкурентоспособной алюминиево-ионной батареей, но по большей части их усилия не увенчались успехом. И вот, наконец, сотрудникам Стэндфордского университета (Stanford University) удалось создать опытный образец алюминиево-ионного аккумулятора. И что особенно важно, в отличие от одноразовых щелочных батареек, он является абсолютно экологически безопасным.

Исследователи утверждают, что новая технология предлагает реальную альтернативу остальным типам батарей, которые повсеместно используются сегодня. Алюминиево-ионная батарея обладает высокой эффективностью и качеством, более длительным сроком эксплуатации, а также повышенной емкостью. Время ее полной зарядки новой батареи — чуть больше одной минуты. Алюминиевые батареи гибкие и поэтому могут использоваться в электронных устройствах, которые складываются и сгибаются.

В алюминиевой батарее используется графитовая пена, которая значительно ускоряет передвижение ионов и делает возможным удивительно быструю скорость зарядки аккумулятора. Фото: Nature.com

В соответствии с результатами, полученными в Стэндфордском университете, алюминиево-ионная батарея состоит из двух электродов: отрицательно заряженный алюминиевый анод и положительно заряженный катод. В результате случайного открытия ученых было обнаружено, что самым простым решением является использование графита в качестве катода. При создании экспериментальной батареи исследовательская группа в Стэнфорде поместила алюминиевый анод, графитовый катод и электролит из ионной жидкости в гибкую емкость с полимерным покрытием. «Электролит представляет собой соль в жидком состоянии при комнатной температуре, поэтому он совершенно безопасен», – рассказывает студент магистратуры Минг Гонг.

Алюминиево-ионные батареи со временем смогут заменить большинство литий-ионных и щелочных батарей, которые сегодня используются в смартфонах. Они способны выдержать 7 500 циклов перезарядки без потери мощности, в то время как количество циклов перезарядки литий-ионных батарей не превышает 1 000 раз. В будущем алюминиевые батареи смогут быть использованы для накопления возобновляемой энергии в электросетях, где требуются батареи с длительным циклом аккумулирования и высвобождения энергии.

Благодаря своей огнеупорности, новая алюминиево-ионная батарея является более безопасной альтернативой остальным типам аккумуляторов. «Мы создали алюминиевую перезаряжаемую аккумуляторную батарею, которая сможет заменить наносящие вред окружающей среде щелочные батареи и литий-ионные аккумуляторы, которые могут периодически возгораться», – говорит ведущий научный сотрудник проекта, профессор химии Стэндфордского университета Хонжи Дай.

EV Прорыв с новой алюминиево-ионной батареей

Graphene Manufacturing Group (GMG), расположенная в Брисбене, Австралия, разработала графеновые алюминиево-ионные аккумуляторные элементы, которые, по утверждению компании, заряжаются в 60 раз быстрее, чем лучшие литий-ионные элементы, и могут удерживают в три раза больше энергии, чем лучшие элементы на основе алюминия.

Графеновые алюминий-ионные элементы были созданы с использованием прорывной нанотехнологии Австралийского института биоинженерии и нанотехнологий Университета Квинсленда (UQ). В элементах батареи используются нанотехнологии для вставки атомов алюминия внутрь крошечных отверстий в графеновых плоскостях. Конкретный состав алюминий-ионной батареи состоит из анода из алюминиевой фольги, графенового катода и электролита из хлорида алюминия. В конструкции не используются литий, медь, марганец или кобальт.

Если исследования GMG окажутся плодотворными, графеновые алюминиево-ионные аккумуляторы могут дать ответ на многие проблемы, связанные с автомобильными аккумуляторами для электромобилей. Они обеспечат большую дальность и зарядку намного быстрее. Они также были бы более устойчивым решением, поскольку батареи легче перерабатывать из-за их стабильных основных материалов. Новые графеновые алюминиевые батареи также более безопасны, поскольку у них нет верхнего предела силы тока, который мог бы вызвать спонтанный перегрев.

Рецензируемое издание , Advanced Functional Materials, пришел к выводу, что элементы обладают «выдающимися высокопроизводительными характеристиками (149 мАч·г-1 при 5 А·г-1), превосходя все ранее заявленные катодные материалы AIB». Тестирование также показало, что проверочные батареи типа «таблетка» служат в три раза дольше, чем литий-ионные версии.

Хотя аккумуляторы GMG — не единственные разрабатываемые графеновые алюминий-ионные аккумуляторы, по словам управляющего директора GMG Крейга Никола, они были самыми прочными, надежными и быстро заряжающимися. «Он заряжается так быстро, что по сути является суперконденсатором», — сказал Никол. «Он заряжает аккумулятор менее чем за 10 секунд».

Никол также говорит, что новые аккумуляторные элементы обеспечивают гораздо большую удельную мощность, чем современные литий-ионные батареи, без проблем с охлаждением, нагревом или редкоземельными элементами, с которыми обычно сталкиваются литиевые батареи. «Пока проблем с температурой нет. Двадцать процентов [пространства, занимаемого] литий-ионным аккумулятором [в электромобиле] приходится на их охлаждение», — сказал Никол. «Существует очень высокая вероятность того, что нам вообще не понадобится это охлаждение или обогрев. Он не перегревается и прекрасно работает при отрицательных температурах в тестах».

Новая технология элементов также может быть промышленно адаптирована для размещения внутри существующих литий-ионных корпусов, таких как архитектура MEB Volkswagen Group, что позволит избежать проблем с архитектурами автомобильной промышленности, которые, как правило, используются до 20 лет. В настоящее время основное внимание уделяется батарейкам типа «таблетка», потому что у GMG есть готовая производственная система и спецификация конечного продукта, которые можно продавать в качестве сменных батарей для существующих литиевых батарей. После производства «плоских монет» компания планирует сосредоточиться на пакетных упаковках, поскольку компания считает, что они будут иметь преимущество перед существующими литиевыми аккумуляторными батареями благодаря очень быстрому времени зарядки алюминиево-ионных элементов.

«Мы намерены сделать сменную батарею (то же напряжение и форм-фактор/форма), что и литиевые батареи, и, следовательно, их можно будет заменить и использовать старую электронику и инфраструктуру зарядки, что снижает риск внедрения, сроки и стоимость для предполагаемого рынка, — сказал Николь.

Стрела для разработки алюминий-ионных аккумуляторов

Во всем мире полным ходом идут проекты по разработке алюминий-ионных аккумуляторов. Это включает в себя сотрудничество между Даляньским технологическим университетом Китая и Университетом Небраски, а также другими компаниями из Корнельского университета, Университета Клемсона, Стэнфордского университета, факультета науки о полимерах Чжэцзянского университета и промышленного консорциума European Alion.

Различия между различными научно-исследовательскими проектами носят технический характер, но в ячейках GMG используется графен, полученный с помощью собственного плазменного процесса, а не традиционного источника графита. По данным компании, их результат в три раза превышает плотность энергии следующего лучшего элемента, который был разработан в Стэнфорде. GMG в сотрудничестве с UQ сообщает об плотности энергии 150-160 при плотности мощности примерно 7000 Вт/кг. Для сравнения, алюминий-ионная технология Стэнфорда с природным графитом обеспечивает около 68,7 Втч на кг и 41,1 Вт/кг, а технология CVD-графитового пеноалюминия достигает 3000 Вт/кг.

«Это настоящая технология, меняющая правила игры, которая может предложить реальную альтернативу технологии взаимозаменяемых батарей для существующих литий-ионных батарей почти во всех приложениях с графеном GMG и запатентованной технологией ионно-алюминиевых батарей UQ», — сказал доктор. Ашок Нанджундан, главный научный сотрудник GMG. «Текущее номинальное напряжение наших аккумуляторов составляет 1,7 вольта, и ведутся работы по повышению напряжения для непосредственной замены существующих аккумуляторов, что приводит к более высокой плотности энергии».

Технология алюминиевых аккумуляторов может заменить литий

Когда элемент перезаряжается, ионы алюминия возвращаются к отрицательному электроду и обмениваются тремя электронами на ион, литий совершает такой же обмен, но со скоростью только один электрон в секунду. Никол описывает алюминий-ионную технологию GMG/UQ как прямую замену (литий-ионной технологии), которая заряжается так быстро, что ее можно сравнить с суперконденсатором. «Некоторые литий-ионные элементы не выдерживают более 1,5–2 ампер, иначе вы можете взорвать аккумулятор, но у нашей технологии нет теоретического предела», — сказал он.

В алюминий-ионных элементах почти не используются какие-либо экзотические материалы, а преимущества для окружающей среды, финансов и безопасности делают эту технологию жизнеспособной альтернативой литий-ионным. Цены на литий выросли со 1460 долларов за метрическую тонну в 2005 году до 13 000 долларов в мае 2021 года, в то время как цены на алюминий за тот же период изменились только с 1730 долларов до 2078 долларов. Кроме того, в отличие от литий-ионных элементов, как уже упоминалось, графеновые алюминий-ионные элементы не требуют использования меди, стоимость которой составляет около 8 470 долларов США за тонну.

Поскольку GMG производит собственный графен, они уверены, что смогут производить его в будущем по требуемой цене, чтобы сделать графен-алюминиевую батарею экономичной. Компания заявляет, что их процесс позволяет снизить производственные затраты, поскольку для производства графена используется очень недорогой легкодоступный природный газ.

«В каждом гигаджоуле (ГДж) или млн БТЕ природного газа (в зависимости от состава вашего газа) содержится примерно 15 кг атомов углерода, и в большинстве стран мира — 1 ГДж или 1 млн БТЕ меньше 10 долларов — доставляется в там, где вам нужно, в существующем трубопроводе», — сказал Никол.

GMG планирует вывести на рынок графеновые алюминий-ионные аккумуляторы в конце этого или начале следующего года, а автомобильные аккумуляторы планируется выпустить в начале 2024 года.

Эксклюзивное исследование алюминий-ионного аккумулятора ионная батарея?

Алюминий-ионный аккумулятор состоит из отрицательно заряженного анода из алюминия и положительно заряженного графитового катода и представляет собой еще одну аккумуляторную батарею. В этой батарее ионы алюминия передают электрическую энергию, перетекая ионы от анодного электрода к катодному электроду. В процессе перезарядки ионы алюминия возвращаются к отрицательному аноду.

Основная структура ионно-алюминиевой батареи очень похожа на все другие перезаряжаемые батареи. Он будет иметь отрицательный анод и положительный катод с химической средой, в основном хлоридными электролитами, содержащими ионы для катализа движения ионов, что и является электролитом.

Электролит будет поддерживать движение ионов во время перезарядки и энергопотребления. С непрерывным развитием новых энергетических технологий замена литиевых батарей свинцово-кислотными стала неизбежной тенденцией. Теоретически алюминий-ионный аккумулятор по функциям аналогичен литий-ионному аккумулятору, но в алюминий-ионном аккумуляторе анодом является алюминиевый, а не литиевый анод. Мощность или энергия, которую может выделять алюминиевая батарея, напрямую связаны с химическим составом, емкостью и напряжением батареи.

Как работает ионно-алюминиевый аккумулятор? Он работает так же, как литий-ионный?

В ионно-алюминиевой батарее ионы алюминия генерируют энергию, перемещаясь от анода к катоду. Поток ионов алюминия от катода к аноду позволяет батарее генерировать энергию. Во время перезарядки движение ионов алюминия меняется на противоположное, и они начинают течь обратно от анода к катоду.

Электролит действует как катализатор во время процесса и способствует движению ионов алюминия. Химический процесс выработки энергии в ионно-алюминиевом аккумуляторе и ионно-литиевом аккумуляторе одинаков. Однако, поскольку состав и структура литий-ионного аккумулятора и алюминий-ионного аккумулятора различаются, уровень выходной мощности отличается.

Ионно-алюминиевые батареи хороши?

Многие факторы должны быть учтены, чтобы квалифицировать аккумулятор как отличный или некачественный. Как правило, алюминий-ионные аккумуляторы хороши по сравнению с их емкостью хранения энергии, возможностью быстрой перезарядки и т. д. И их возможности перезарядки намного быстрее, чем у литий-ионных аккумуляторов. Когда движение ионов в литий-ионных батареях только одно при перезарядке, в алюминий-ионных батареях три электрона на ион будут перемещаться от катода к анодному электроду.

● Ионно-алюминиевые батареи не перегреваются.
● Алюминий-ионные аккумуляторы экологически безопасны и подлежат вторичной переработке.

Существуют ли сверхбыстрые перезаряжаемые алюминий-ионные батареи?

Да. Сверхбыстрые перезаряжаемые алюминий-ионные батареи стали реальностью в наши дни, а сверхбыстрые перезаряжаемые алюминий-ионные батареи используют графит в качестве катода и алюминий в качестве анода. Сверхбыстрые перезаряжаемые алюминий-ионные батареи используются для повседневного коммерческого использования, такого как большое оборудование для хранения энергии, легкие электрические скутеры. , электрические мотоциклы, велосипеды и т. д.

Плюсы и минусы ионно-алюминиевых аккумуляторов

Плюсы

● Алюминий-ионные аккумуляторы безопасны в использовании.
● Они экологически чистые.
● Низкая стоимость.
● Алюминий-ионные аккумуляторы негорючие.
● Обладает гибкостью и при необходимости может сгибаться или складываться.
● Быстро заряжается.
● Он имеет увеличенный жизненный цикл, до 20 000 циклов в лабораторных условиях без значительной потери мощности.
● Металлический алюминий относительно легко достать.
● Не имеет предела верхнего ампера; следовательно, он не будет перегреваться.

Минусы

● Он может производить только половину напряжения по сравнению с литий-ионным аккумулятором той же конфигурации.
● Удельная емкость алюминий-ионных аккумуляторов очень низкая.
● В долгосрочной перспективе напряжение батареи становится низким, что приводит к проблемам с эффективностью из-за образования пассивирующей оксидной пленки.
● Алюминий-ионные аккумуляторы подвержены коррозии.
● Во время использования прекращаются побочные реакции водорода.

В чем разница между ионно-алюминиевыми батареями и ионно-литиевыми батареями?

Разница между алюминий-ионными батареями и литий-ионными батареями заключается в том, что материал катодного электрода отличается. Алюминий-ионные аккумуляторы заряжаются намного быстрее, чем литий-ионные. Литий-ионный аккумулятор может поддерживать уровень напряжения без особых изменений до конца своего цикла или до тех пор, пока аккумулятор не достигнет стадии перезарядки. Проблема с алюминий-ионным аккумулятором заключается в том, что он не может удерживать половину напряжения. Если литий-ионный аккумулятор может обеспечить 4,2 В, то алюминий-ионный аккумулятор может обеспечить только 2,65 В.

Современный литий-ионный аккумулятор имеет высокую удельную мощность и плотность энергии, что означает, что литий-ионный аккумулятор может хранить больше энергии, чем алюминий-ионный аккумулятор, а литий-ионный аккумулятор небольшой, легкий и портативный. Срок годности литий-ионного аккумулятора намного больше, чем у алюминий-ионного, потому что литий-ионный аккумулятор имеет низкую скорость саморазряда. Литий-ионные аккумуляторы были представлены на рынке и проверены временем. Их эффективность значительно улучшилась благодаря современной системе управления батареями. Еще одна проблема с алюминий-ионными батареями — это коррозия, которая сокращает срок службы батареи.

The significant difference between aluminum-ion and lithium-ion batteries

Aluminum ion battery	Lithium-ion battery
Recharge cycle 20000	Recharge cycle up to 4000
Ожидаемый срок службы батареи 15 лет	Ожидаемый срок службы батареи 10 лет
Напряжение 1,5–2 В	Напряжение 3,2–3,7 В
Использование алюминий-ионного электрода	Использование литий-ионного электрода
Плотность энергии 30 втч/кг	Плотность энергии 300 втч/кг как электролит.	В литий-ионных батареях в качестве катода используются различные соединения лития, а в качестве анода — графит, нанесенный на медную фольгу. Электролит представляет собой водную смесь соли, добавок и растворителей.
Оптимальная рабочая температура алюминий-ионного аккумулятора составляет от -40 до 120 градусов Цельсия.	Наилучшая рабочая температура литий-ионного аккумулятора составляет от -10 до 60 градусов по Цельсию.
Алюминий-ионные аккумуляторы экологически безопасны, легко перерабатываются и легко доступны.	Литий-ионные аккумуляторы не являются экологически безопасными и подлежат вторичной переработке. Литий — редкий металл.
Алюминий-ионные аккумуляторы безопасны в использовании. Поскольку в качестве электролита они используют водную соль, она не взорвется.	Литий-ионные аккумуляторы изготовлены с использованием BMS, поэтому они безопасны в использовании.
Стоимость производства алюминий-ионного аккумулятора составляет 65 долларов США за кВт.	Стоимость производства литий-ионного аккумулятора составляет 135 долларов США за кВт.

Можно ли переработать алюминиевую батарею?

Да, алюминий-ионный аккумулятор подлежит вторичной переработке. Поскольку в качестве электролита в батарее не используются токсичные материалы, она является экологически чистой и безопасной для вторичной переработки. Алюминий является перерабатываемым материалом, и его легко перерабатывать. Точно так же литий-ионные батареи, как и алюминий-ионные, также подлежат вторичной переработке, и стоимость переработки очень велика. Их можно использовать для вторичного использования или разложить на сырье для повторного использования.

Применение ионно-алюминиевых аккумуляторов

Теоретически ионно-алюминиевые аккумуляторы можно использовать во многих коммерческих целях. Хотя алюминий-ионный аккумулятор имеет высокую скорость зарядки и большой срок службы, его емкость невелика, а алюминий-ионный аккумулятор не является высоковольтным аккумулятором, его напряжение низкое. Это меньше, чем половина литий-ионного аккумулятора той же спецификации, и энергия, которую он может обеспечить, очень мала. Он подходит для небольшого оборудования, не требующего большой мощности.

Ионно-алюминиевые батареи лучше ионно-литиевых?

Алюминий-ионные аккумуляторы находятся на очень ранней стадии коммерческого использования. Они не могут обеспечить стабильность напряжения, как литий-ионные батареи. Несмотря на то, что затраты на его производство намного меньше, он показывает низкую эффективность по напряжению из-за образования пассивирующего оксидного покрытия. Напротив, литий-ионные батареи могут обеспечивать стабильное напряжение на протяжении всего срока службы.

Часто задаваемые вопросы об алюминий-ионном аккумуляторе

● Цена ионно-алюминиевого аккумулятора
Цена ионно-алюминиевого аккумулятора зависит от качества аккумулятора, стоимости изготовления и производителя.

● Как долго работает ионно-алюминиевый аккумулятор?
Согласно отчету Forbes, алюминий-ионный аккумулятор рассчитан на 20 000 циклов и может прослужить около 15 лет.

● Могут ли алюминий-ионные батареи заменить литий-ионные батареи?
Да.