Что такое алюминиево-воздушная батарея?

Алюмовоздушная батарея — это тип первичной (неперезаряжаемой) батареи, в которой в качестве анода используется алюминий, в качестве катода — воздух (в частности, кислород из воздуха) и, как правило, водный электролит. Сегодня мы более подробно рассмотрим основы этой батареи и ее применения.

Каков принцип работы алюминиево-воздушной батареи?

Принцип работы алюминиево-воздушной батареи основан на гальванической реакции между алюминием и кислородом с образованием электроэнергии. Вот изложение принципа:

Электрохимическая реакция:

Алюмовоздушная батарея работает за счет электрохимической реакции, при которой алюминий (Al) окисляется на аноде, а кислород (O?) из воздуха восстанавливается на катоде.

Анод (оксидирование алюминия):

На аноде алюминий реагирует с ионами гидроксида электролита с образованием гидроксида алюминия и высвобождением электронов. Этот процесс окисления можно представить следующим уравнением:

4Al+12OH?→4Al(OH)3+12?4Al+12OH?→4Al(OH)3?+12e

Катод (восстановление кислорода):

На катоде кислород из воздуха захватывает электроны с образованием гидроксид-ионов. Этот процесс восстановления можно представить уравнением:

2+2H2O+4?→4OH?O2?+2H2?O+4e?→4OH

3.2V 20A Низкотемпературная батарея LiFePO4 -40℃ 3C Разрядная емкость ≥70% Температура зарядки: -20~45℃ Температура разрядки: -40~+55℃ пройти тест на иглоукалывание -40℃ максимальная скорость разряда: 3C

ЧИТАТЬ ДАЛЕЕ

Общая реакция:

Конечный результат реакций на аноде и катоде приводит к образованию гидроксида алюминия и выделению электрической энергии:

4Al+3O2+6H2O→4Al(OH)34Al+3O2?+6H2?O→4Al(OH)3

Поток электронов:

Когда алюминий окисляется, он высвобождает электроны, которые проходят через внешнюю цепь к катоду. Этот поток электронов обеспечивает электроэнергией устройства, подключенные к батарее.

Электролит:

Электролит, обычно водный раствор (часто раствор гидроксида калия), играет решающую роль в облегчении движения ионов внутри батареи. Это позволяет электрохимическим реакциям протекать эффективно.

Воздух как катод:

Уникальной особенностью алюминиево-воздушной батареи является использование воздуха (в частности, кислорода из воздуха) в качестве материала катода. Во время работы батарея всасывает окружающий воздух, который вступает в реакцию с электронами на катоде.

Короче говоря, принцип работы алюминиево-воздушной батареи заключается в использовании энергии, выделяющейся в результате электрохимической реакции между алюминием и кислородом, и преобразовании ее в полезную электрическую энергию.

Каковы характеристики алюминиевых воздушных батарей?

Алюминиево-воздушные батареи обладают несколькими отличительными характеристиками, которые отличают их от других типов батарей:

Высокая плотность энергии:

Алюминиево-воздушные батареи имеют одну из самых высоких плотностей энергии среди всех типов батарей. Это означает, что они могут хранить значительное количество энергии относительно своего веса, что делает их привлекательными для применений, требующих длительного энергоснабжения.

Низкотемпературный прочный полимерный аккумулятор для ноутбука с высокой плотностью энергии Спецификация аккумулятора: 11,1 В 7800 мАч -40 ℃ 0,2 C разрядная емкость ≥80% Пыленепроницаемый, устойчивый к падению, антикоррозийный, антиэлектромагнитный

ЧИТАТЬ ДАЛЕЕ

Первичная (неперезаряжаемая) природа:

Традиционные алюминиево-воздушные батареи представляют собой первичные элементы, то есть они не предназначены для перезарядки. Как только алюминиевый анод израсходуется, батарея разряжается.

Безопасность:

Эти батареи работают при температуре окружающей среды, что снижает риск, связанный с перегревом. В них также отсутствуют летучие компоненты, что делает их менее склонными к взрывам или возгораниям по сравнению с батареями некоторых других химических составов.

Экологичный:

Алюминий широко распространен в земной коре и подлежит вторичной переработке. Первичный отход, гидроксид алюминия, потенциально может быть переработан обратно в алюминий. Это делает алюминиево-воздушные батареи более экологически чистым вариантом по сравнению с батареями, в которых используются редкие или токсичные материалы.

Уменьшение напряжения с течением времени:

Алюминиево-воздушные аккумуляторы имеют тенденцию демонстрировать постепенное падение напряжения по мере разрядки. Это происходит из-за таких факторов, как накопление побочных продуктов на аноде и снижение диффузии кислорода на катоде.

Воздушный катод:

Использование воздуха (кислорода) в качестве катода является одновременно преимуществом и ограничением. Хотя это позволяет создать легкую конструкцию с высокой плотностью энергии, на производительность батареи могут влиять качество и влажность окружающего воздуха.

Коррозия и накопление побочных продуктов:

Со временем алюминий может подвергнуться коррозии, и в нем могут накапливаться побочные продукты, такие как гидроксид алюминия, что влияет на эффективность и срок службы батареи.

Потребление воды:

Электрохимические реакции в алюминиево-воздушных батареях потребляют воду. При длительной работе, особенно в засушливых условиях, может возникнуть необходимость долить воду для поддержания работоспособности аккумулятора.

Возможность перезарядки:

Хотя традиционно алюминиево-воздушные батареи не перезаряжаются, продолжаются исследования по разработке перезаряжаемых версий алюминиево-воздушных батарей. Преодоление проблем, связанных с перезарядкой этих батарей, может значительно расширить их потенциальное применение.

Экономичный материал анода:

Алюминий относительно дешев, особенно если учесть его высокое энергосодержание. Это может привести к снижению затрат на алюминиево-воздушные батареи, особенно в тех случаях, когда плотность энергии является критическим фактором.

Учитывая свои характеристики, алюминиево-воздушные батареи считаются перспективными для самых разных применений: от источников аварийного электропитания до потенциального использования в электромобилях. Однако, как и в случае со всеми технологиями, их пригодность зависит от конкретных требований каждого приложения.

Каковы области применения алюминиевых воздушных батарей?

Алюминиево-воздушные батареи благодаря своей высокой плотности энергии и другим уникальным характеристикам имеют потенциальное применение в самых разных отраслях. Некоторые из этих приложений включают в себя:

Электромобили (EV):

Их высокая плотность энергии делает алюминиево-воздушные батареи перспективным вариантом для расширения запаса хода электромобилей. Хотя они не могут полностью заменить традиционные батареи, такие как литий-ионные, их можно использовать в тандеме, чтобы обеспечить увеличенный запас хода при длительных поездках.

Военные и оборонные:

Благодаря своему легкому весу и высокой плотности энергии эти батареи могут использоваться в военных целях, например, для питания устройств связи, дронов и другого оборудования в отдаленных районах.

Аварийные источники питания:

В ситуациях, когда необходимы легкие и долговечные источники питания, например, при ликвидации последствий стихийных бедствий, алюминиево-воздушные батареи могут оказаться неоценимыми. Они могут питать критически важное оборудование, устройства связи и аварийное освещение.

Дистанционное или автономное питание:

В районах, где сложно подключиться к центральной электросети, алюминиево-воздушные батареи могут стать решением для электроснабжения домов, медицинских клиник, школ и т. д.

Бытовая электроника:

Существует потенциал для использования алюминиево-воздушных батарей в портативных электронных устройствах, таких как смартфоны, ноутбуки и камеры, особенно в конструкциях, в которых приоритетом является продление срока службы батареи.

Морские применения:

Алюминиево-воздушные батареи можно использовать для питания подводного оборудования или транспортных средств, учитывая их высокую плотность энергии и отсутствие зависимости от обычного топлива.

Аэрокосмическая промышленность:

Легкие и высокоэнергетические батареи всегда вызывают интерес в аэрокосмической отрасли, где снижение веса может привести к значительным преимуществам. Алюминий-воздушные батареи могут использоваться в определенных аэрокосмических сценариях, например, в дронах или других беспилотных летательных аппаратах (БПЛА).

Резервное питание:

В критически важных инфраструктурах, таких как больницы или центры обработки данных, наличие резервного питания имеет важное значение. Алюминиево-воздушные батареи могут быть частью решений резервного питания, обеспечивающих непрерывную работу во время перебоев в подаче электроэнергии.

Портативная мощность для отдыха:

Такие виды деятельности, как кемпинг или пеший туризм, могут выиграть от легких источников энергии, которые могут работать в течение длительного времени. В этих сценариях для питания устройств можно использовать алюминиево-воздушные батареи.

Железнодорожный транспорт:

Учитывая интерес к разработке более чистых и эффективных железнодорожных систем, существует потенциал для изучения использования алюминиево-воздушных батарей в железнодорожном транспорте.

Важно отметить, что, хотя алюминиево-воздушные батареи имеют множество потенциальных применений, каждый вариант использования требует тщательной оценки. Такие проблемы, как первичная (неперезаряжаемая) природа традиционных алюминиево-воздушных батарей и постепенное снижение напряжения с течением времени, могут ограничить их применимость в определенных сценариях. Однако продолжающиеся исследования и технологические достижения могут расширить диапазон возможных применений в будущем.