Aluminiumjonbatteri

Aluminiumjonbatterier är en klass av uppladdningsbara batterier där aluminiumjoner fungerar som laddningsbärare . Aluminium kan byta ut tre elektroner per jon. Detta betyder att insättning av en Al ³⁺ är ekvivalent med tre Li ⁺ -joner. Eftersom jonradierna för Al ³⁺ (0,54 Å ) och Li ⁺ (0,76 Å) är lika, kan signifikant högre antal elektroner och Al ³⁺ -joner accepteras av katoder med liten skada. Al har 50 gånger (23,5 megawattimmar m ^-3) energitätheten för Li och är till och med högre än kol.

Den trevärda laddningsbäraren Al ³⁺ är både fördelen och nackdelen med detta batteri. Även om överföring av 3 laddningsenheter med en jon avsevärt ökar energilagringskapaciteten, är den elektrostatiska interkaleringen av elektroderna med en trevärd katjon för stark för väldefinierat elektrokemiskt beteende.

Uppladdningsbara aluminiumbaserade batterier erbjuder möjligheterna till låg kostnad och låg brännbarhet, tillsammans med hög kapacitet. Aluminiums tröghet och enkla hantering i en omgivande miljö erbjuder potentiellt betydande säkerhetsförbättringar. Därför har aluminiumbatterier potential att bli mindre i storlek. Al-jonbatterier kan också ha fler laddnings-urladdningscykler. Således har Al-ion-batterier potential att ersätta Li-ion-batterier .

Design

Precis som alla andra batterier inkluderar aluminiumjonbatterier två elektroder anslutna med en elektrolyt . Till skillnad från litiumjonbatterier, där den mobila jonen är Li ⁺ , bildar aluminium ett komplex med klorid i de flesta elektrolyter och genererar en anjonisk mobil laddningsbärare, vanligtvis AlCl ₄⁻ eller Al ₂ Cl ₇⁻ .

Mängden energi eller kraft som ett batteri kan frigöra beror på faktorer inklusive battericellens spänning, kapacitet och kemiska sammansättning. Ett batteri kan maximera sina energinivåer genom att:

Ökande kemisk potentialskillnad mellan de två elektroderna
Minska massan av reaktanter
Förhindrar att elektrolyten modifieras av de kemiska reaktionerna

Elektrokemi

Anodhalvreaktion:

{\ce {{Al}+{7AlCl4^{-}}<=>{4Al2Cl7^{-}}+{ 3e^{-}}}}

Katodhalvreaktion:

{\ce {{2MnO2}+{Li+}+{e^{-}}<=>{LiMn2O4}}}

Att kombinera de två halvreaktionerna ger följande reaktion:

{\ce {{Al}+{7AlCl4^{-}}+{ 6MnO2}+{3Li+}<=>{4Al2Cl7^{-}}+{3LiMn2O4}}}

Litium-jon jämförelse

Aluminiumjonbatterier liknar begreppsmässigt litiumjonbatterier , men har en laddningsbärare av aluminium istället för litium. Medan den teoretiska spänningen för aluminiumjonbatterier är lägre än litiumjonbatterier, 2,65 V respektive 4 V, är den teoretiska energitäthetspotentialen för aluminiumjonbatterier 1060 Wh/kg i jämförelse med litiumjonens gräns på 406 Wh/kg .

Dagens litiumjonbatterier har hög effekttäthet (snabbladdning/urladdning) och hög energitäthet (håller mycket laddning). De kan också utveckla dendriter som kan kortsluta och fatta eld. Aluminium överför också energi mer effektivt på grund av dess 3 elektroner. Aluminium är mer rikligt/kostar mindre än litium, vilket sänker materialkostnaderna.

Utmaningar

Aluminiumjonbatterier har hittills relativt kort hållbarhet . Kombinationen av värme, laddningshastighet och cykling kan dramatiskt påverka energikapaciteten. En av anledningarna är brottet på grafitanoden. Al-joner är mycket större än Li-joner.

Joniska elektrolyter, samtidigt som de förbättrar säkerheten och den långsiktiga stabiliteten hos anordningarna genom att minimera korrosion, är dyra och kan därför vara olämpliga.

Forskning

Olika forskarlag experimenterar med aluminium för att producera bättre batterier. Kraven inkluderar kostnad, hållbarhet, kapacitet, laddningshastighet och säkerhet.

Anod

Cornell University

År 2021 tillkännagav forskare en cell som använde en 3D-strukturerad anod där lager av aluminium ackumuleras jämnt på en sammanvävd kolfiberstruktur via kovalent bindning när batteriet laddas. Den tjockare anoden har snabbare kinetik och prototypen fungerade i 10 000 cykler utan tecken på misslyckande.

Elektrolyt

Oak Ridge National Laboratory

Runt 2010 utvecklade och patenterade Oak Ridge National Laboratory (ORNL) en enhet med hög energitäthet , som producerar 1 060 wattimmar per kilogram (Wh/kg). ORNL använde en jonisk elektrolyt istället för den typiska vattenhaltiga elektrolyten som kan producera vätgas och korrodera anoden. Elektrolyten var gjord av 3-etyl-1-metylimidazoliumklorid med överskott av aluminiumtriklorid . Men joniska elektrolyter är mindre ledande, vilket minskar effekttätheten. Att minska anod/katodseparationen kan kompensera den begränsade konduktiviteten, men orsakar uppvärmning. ORNL utvecklade en katod som består av spinellmanganoxid som ytterligare minskade korrosion .

Katod

Cornell University

2011 använde ett forskarlag samma elektrolyt som ORNL, men använde nanotrådar av vanadinoxid för katoden. Vanadinoxid har en öppen kristallstruktur med större ytarea och minskad väg mellan katod och anod. Enheten producerade en hög utspänning. Batteriet hade dock en låg coulombisk effektivitet .

Stanford University

I april 2015 hävdade forskare vid Stanford University att de hade utvecklat ett aluminiumjonbatteri med en laddningstid på cirka en minut (för en ospecificerad batterikapacitet). Deras cell ger cirka 2 volt, 4 volt om den är ansluten i en serie av två celler. Prototypen höll över 7 500 laddnings-urladdningscykler utan kapacitetsförlust.

Batteriet var tillverkat av en aluminiumanod, flytande elektrolyt, isoleringsskum och en grafitkatod . Under laddningsprocessen AlCl ₄^- joner bland de grafen staplade lagren. Under urladdning deinterkaleras AlCl ₄^{- joner snabbt genom grafiten.} Cellen visade hög hållbarhet och klarade mer än 10 000 cykler utan att kapaciteten försämrades. Cellen var stabil, ogiftig, böjbar och icke brännbar.

2016 testade labbet dessa celler genom att samarbeta med Taiwans Industrial Technology Research Institute ( ITRI) för att driva en motorcykel med en dyr elektrolyt. Under 2017 testades en ureabaserad elektrolyt som var cirka 1 % av kostnaden för 2015 års modell . Batteriet uppvisar ~99,7 % Coulombic effektivitet och en hastighetskapacitet på ${\ce {100 mA/g}}$ vid en katodkapacitet på ${\ce {73 mAh/ g}}$ (1,4 C).

ALION-projekt

I juni 2015 lanserades projektet ALION (High Specific Energy Aluminium-Ion Rechargeable Batteries for Decentralized Electricity Generation Sources) av ett konsortium av material- och komponenttillverkare och batterimontörer som ett europeiskt Horizon 2020-projekt ledd av forskningsinstitutet LEITAT . Projektets mål är att utveckla en prototyp av Al-jonbatteri som skulle kunna användas för storskalig lagring från decentraliserade källor. Projektet strävade efter att uppnå en energitäthet på 400 Wh/kg, en spänning på 48 volt och en laddnings-urladdningslivslängd på 3000 cykler. 3D-utskrift av batteripaketen möjliggjorde stora Al-jonceller som utvecklades, med spänningar från 6 till 72 volt.

University of Maryland

2016 rapporterade ett team från University of Maryland om ett aluminium/svavelbatteri som använder en svavel/kolkomposit som katod. Kemin ger en teoretisk energitäthet på 1340 Wh/kg. Prototypcellen visade en energitäthet på 800 Wh/kg i över 20 cykler.

MIT

År 2022 rapporterade MIT-forskning om en design som använde billiga och icke brännbara ingredienser, inklusive en aluminiumanod och en svavelkatod, åtskilda av en smält kloro-aluminatsaltelektrolyt. Prototypen klarade hundratals laddningscykler och laddades snabbt. De kan fungera vid temperaturer på upp till 200 °C (392 °F). Vid 110 °C (230 °F) laddas batterierna 25 gånger snabbare än vid 25 °C (77 °F). Denna temperatur kan upprätthållas av laddnings-/urladdningscykeln. Saltet har låg smältpunkt och förhindrar dendritbildning. En potentiell tillämpning är vid laddstationer, där ett förladdat batteri skulle kunna göra det möjligt för stationen att ladda fler fordon samtidigt utan en kostsam uppgradering av kraftledningen. Spinoff-företaget Avanti, som är medgrundat av en av forskarna, försöker kommersialisera arbetet.

Chalmers tekniska högskola och National Institute of Chemistry i Slovenien

Under 2019 föreslog forskare att antrakinon skulle användas för katoden i ett aluminiumjonbatteri.

Queensland University of Technology

utvecklade forskare från Queensland University of Technology kryptomelanbaserade elektroder som katod för aluminiumjonbatterier med en vattenhaltig elektrolyt.

Clemson University

Under 2017 använde forskare vid Clemson Nanomaterials Institute en grafenelektrod för att interkalera tetrakloroluminat ( AlCl
⁻₄ ). Teamet konstruerade batterier med aluminiumanoder, orörda eller modifierade grafenkatoder med få lager och en jonisk vätska med AlCl3-salt som elektrolyt. De hävdade att batteriet kan driva över 10 000 cykler med en energitäthet på 200 Wh/kg.

Zhejiang universitet

I december 2017 tillkännagav ett team från Zhejiang University ett batteri som använder grafenfilmer som katod och metalliskt aluminium som anod.

3H3C (Trihigh Tricontinuous) designen resulterar i en grafenfilmkatod med utmärkta elektrokemiska egenskaper. Flytande kristallgrafen bildade en mycket orienterad struktur. Högtemperaturglödgning under tryck gav en högkvalitativ och högkanaliserande grafenstruktur . Påstådda egenskaper:

Behöll 91,7 procent av den ursprungliga kapaciteten efter 250 000 cykler.
1,1 sekunders laddningstid.
Temperaturområde: -40 till 120 C.
Strömkapacitet: 111 mAh/g, 400 A/g
Böjbar och ej brandfarlig.
Låg energitäthet

Redox batteri

Ett annat tillvägagångssätt för ett aluminiumbatteri är att använda redoxreaktioner för att ladda och ladda ur. Laddningsprocessen omvandlar aluminiumoxid eller aluminiumhydroxid till joniskt aluminium, med hjälp av elektrolys , vanligtvis vid en aluminiumsmältare . Detta kräver temperaturer på 800 °C (1 470 °F). En rapport uppskattade möjlig effektivitet till cirka 65 %. Även om joniskt aluminium oxiderar i närvaro av luft, kostar detta mindre än 1 % av energilagringskapaciteten.

Att ladda ur batteriet innebär att aluminiumet oxideras, vanligtvis med vatten vid temperaturer under 100 °C. Detta ger aluminiumhydroxid och joniskt väte. Den senare kan producera el via en bränslecell . Oxidationen i bränslecellen genererar värme, som kan stödja uppvärmning av utrymme eller vatten.

En process med högre temperaturer skulle kunna stödja industriella tillämpningar. Den arbetar vid över 200 °C och reagerar aluminium med ånga för att generera aluminiumoxid, väte och ytterligare värme.

Det joniska aluminiumet skulle kunna lagras i smältverket. Ett tillvägagångssätt laddar batteriet i ett smältverk och laddar ur det där kraft och värme behövs. Alternativt skulle el kunna matas in i nätet vid smältverket, utan behov av transport, även om värmen måste användas på smältverksplatsen för maximal effektivitet tur och retur.

Se även

externa länkar