Alumīnijs kā katoda strāvas savācējs
Alumīnijs ir standarta materiāls katoda strāvas kolektoriem litija{0}}jonu akumulatoros, jo tas veido plānu, pašpasivējošu oksīda slāni, kas ir izturīgs pret koroziju pie augsta katodu darbības potenciāla, parasti 3-4,5 V, kur var oksidēties un noārdīties. Alumīnijam ir arī praktiskas priekšrocības: tā blīvums aptuveni 2,7 g/cm³ ir aptuveni par 60% mazāks nekā vara, tādējādi samazinot elektrisko transportlīdzekļu un pārnēsājamo elektronikas ierīču akumulatora svaru, un tas ir ievērojami lētāks nekā varš, tādējādi pazeminot ražošanas izmaksas liela mēroga{8}}ražošanā. Lai gan alumīnija elektriskā vadītspēja ir zemāka nekā vara, tā joprojām ir pietiekama katodu kolektoriem, un virsmas apstrāde, piemēram, ar oglekli{11}}pārklāta folija, vēl vairāk uzlabo elektronu pārnesi. 10{12}}20 mikronu biezas alumīnija folijas nodrošina elastību, kas nepieciešama elektrodu apstrādei no ruļļa uz ruļļa.
Enerģijas blīvums un siltuma pārvaldība
Izmantojot vieglus alumīnija strāvas kolektorus un konstrukcijas komponentus, tiek uzlabots akumulatoru bloku gravimetriskā enerģijas blīvums, un tiek ziņots par aptuveni 15-20% pieaugumu salīdzinājumā ar smagākiem dizainiem. Alumīnija siltumvadītspēja, aptuveni 237 W/(m·K), padara to efektīvu plākšņu, siltummaiņu un akumulatoru korpusu dzesēšanai, kas regulē elementu temperatūru un novērš termisku izplūdi. Ekstrudēti alumīnija dzesēšanas kanāli un aukstās plāksnes ir elektrisko transportlīdzekļu akumulatoru komplektu standartaprīkojumā, un augstas stiprības 6xxx sērijas sakausējumi veido vieglus korpusus, kas aizsargā šūnas, vienlaikus atbrīvojot vietu aktīviem materiāliem. Anodētas vai pārklātas alumīnija virsmas mazina elektrolītu koroziju un saglabā stabilu veiktspēju laika gaitā.
Izaicinājumi un mazināšanas pasākumi
Alumīnija reaktivitāte noteiktās ķīmijas jomās rada problēmas. Ūdens elektrolītos, piemēram, alumīnija-gaisa akumulatoros, alumīnijs reaģē ar ūdeni, veidojot alumīnija hidroksīdu un izdalot ūdeņradi, kas noārda anodu; inhibitori un optimizēti elektrolītu sastāvi samazina šo parazitāro reakciju. Vidēs, kas bagātas ar hlorīdu-, var rasties punktveida korozija, un aizsargpārklājumi, piemēram, anodēti oksīda slāņi vai grafēna oksīda barjeras, bloķē hlorīda iekļūšanu. Pie augsta sprieguma izolācijas oksīda slānis palielina saskarnes pretestību, kas tiek mazināta ar vadošiem sakausējumiem vai ar oglekli{5}}pārklātu foliju. Galvaniskā korozija daudzmetālu sistēmās tiek kontrolēta ar izolācijas starpslāņiem, un pašizlāde alumīnija-gaisa šūnās tiek samazināta, izmantojot elektrolīta dizainu un nanostrukturētus anodus.
Sakausējumu un pārklājumu inovācijas
Alumīnija{0}}jauninājumi uzlabo gan anoda, gan katoda veiktspēju. Alumīnija dopings stabilizē katoda struktūras, kuru pamatā ir niķelis-ūdens cinka-niķeļa akumulatoros, samazinot sadalīšanos sārmainos elektrolītos. Niķeļa{5}}alumīnija katalizatoru sakausējumi uzlabo reakcijas kinētiku ar ūdeņradi saistītās elektroķīmiskās sistēmās. Alumīnija aizstāšana ar slāņveida oksīdiem nātrija-jonu akumulatoriem stabilizē kristāla struktūru un uzlabo cikla stabilitāti, savukārt alumīnija oksīda virsmas pārklājumi nomāc mangāna izšķīšanu un pagarina katoda kalpošanas laiku. Papildu veidā ražoti alumīnija sakausējumi ar nanomēroga eitektiskām struktūrām nodrošina akumulatoru korpusu un siltuma vadības komponentu šļūdes pretestību paaugstinātā temperatūrā.
Alumīnija{0}}gaisa akumulatori
Alumīnija{0}}gaisa akumulatori primārās enerģijas uzglabāšanai izmanto alumīnija augsto elektroķīmiskās enerģijas blīvumu, taču komercializācijai ir jārisina vairāki šķēršļi. Anoda parazitārā korozija uzglabāšanas laikā izraisa jaudas zudumu, un aizsargājošs sakausējums vai pārklājumi palielina izmaksas un sarežģītību. Skābekļa samazināšanai nepieciešami efektīvi katalizatori, un lētākas alternatīvas ātri noārdās, samazinot cikla kalpošanas laiku. Izvadīšanas blakusprodukti, piemēram, alumīnija hidroksīda nogulsnes un aizsērējuši elektrodi, kam nepieciešama elektrolīta pārvaldība, un lielākā daļa alumīnija-gaisa sistēmu ir vienreizējas-lietošanas, jo alumīnija oksidēšanos nav viegli novērst. Standartizētu komponentu un otrreizējās pārstrādes infrastruktūra joprojām attīstās, tāpēc šīs baterijas ir vislabāk piemērotas lietojumiem, kur ilgs glabāšanas laiks un augsts enerģijas blīvums pārsniedz nomaiņas izmaksas.
FAQ
Q1: Kāpēc katoda strāvas kolektoros vara vietā tiek izmantots alumīnijs?
Alumīnijs ir izturīgs pret koroziju pie augsta katoda potenciāla, kur var oksidēties, un tas ir vieglāks un lētāks. Varš tiek izmantots anoda pusē, kur alumīnijs sakausētu ar litiju.
Q2: Kāda biezuma alumīnija folija tiek izmantota baterijās?
Katodstrāvas kolektora folijas parasti ir 10-20 mikronus biezas, pietiekami plānas, lai maksimāli palielinātu enerģijas blīvumu, vienlaikus pietiekami izturīgas, lai apstrādātu no ruļļa uz rullīti.
Q3: Kā alumīnijs palīdz akumulatora siltuma pārvaldībā?
Alumīnija augstā siltumvadītspēja padara to efektīvu dzesēšanas plāksnēm, aukstuma plāksnēm un siltuma izlietnēm, kas noņem siltumu no šūnām, palīdzot novērst termisku aizbēgšanu un pagarinot cikla kalpošanas laiku.
4. jautājums. Vai alumīnija-gaisa akumulatori ir atkārtoti uzlādējami?
Lielākā daļa komerciālo alumīnija -gaisa akumulatoru ir primārās, vienreiz lietojamās sistēmas, jo alumīnija oksidācijas reakciju ir grūti mainīt. Ir atkārtoti uzlādējami prototipi, taču pašlaik tiem ir zema efektivitāte un īss darbības laiks.
Q5: Vai akumulatora alumīniju var pārstrādāt?
Jā. Alumīnija komponentus no akumulatoriem, tostarp strāvas kolektorus, korpusus un dzesēšanas konstrukcijas, var atgūt, izmantojot alumīnija pārstrādes plūsmas, tādējādi atbalstot enerģijas uzkrāšanas aprites ekonomikas mērķus.