Aluminij kot katodni zbiralnik toka
Aluminij je standardni material za katodne zbiralnike toka v litij-ionskih baterijah, ker tvori tanko, samo-pasivirajočo oksidno plast, ki je odporna proti koroziji pri visokih delovnih potencialih katod, običajno 3-4,5 V, kjer bi baker oksidiral in razgradil. Aluminij ponuja tudi praktične prednosti: njegova gostota približno 2,7 g/cm³ je približno 60 % nižja od gostote bakra, kar zmanjšuje težo baterije za električna vozila in prenosno elektroniko, in je bistveno cenejši od bakra, kar znižuje proizvodne stroške za{-serijsko proizvodnjo. Medtem ko je električna prevodnost aluminija nižja od bakra, ostaja zadostna za katodne zbiralnike, površinske obdelave, kot je folija s-ogljikom, pa še izboljšajo prenos elektronov. Aluminijaste folije debeline 10-20 mikronov zagotavljajo duktilnost, potrebno za obdelavo elektrod iz zvitka v zvitek.
Gostota energije in toplotno upravljanje
Uporaba lahkih aluminijastih tokovnih zbiralnikov in strukturnih komponent izboljša gravimetrično energijsko gostoto baterijskih vložkov, s poročanimi pridobitvami za približno 15-20 % v primerjavi s težjimi zasnovami. Zaradi toplotne prevodnosti aluminija, približno 237 W/(m·K), je učinkovit pri hlajenju plošč, toplotnih izmenjevalnikov in ohišij baterij, ki uravnavajo temperaturo celic in preprečujejo toplotni beg. Hladilni kanali in hladilne plošče iz ekstrudiranega aluminija so standardni v baterijskih sklopih za električna vozila, zlitine serije 6xxx visoke trdnosti pa tvorijo lahka ohišja, ki ščitijo celice in hkrati sprostijo prostor za aktivne materiale. Anodizirane ali prevlečene aluminijaste površine blažijo korozijo elektrolitov in ohranjajo stabilno delovanje skozi čas.
Izzivi in ublažitve
Reaktivnost aluminija v nekaterih kemijah predstavlja izziv. V vodnih elektrolitih, kot so aluminijeve -zračne baterije, aluminij reagira z vodo, da nastane aluminijev hidroksid in sprosti vodik, ki razgradi anodo; inhibitorji in optimizirane sestave elektrolitov zmanjšajo to parazitsko reakcijo. V okoljih,-bogatih s kloridi, lahko pride do luknjičaste korozije in zaščitni premazi, kot so plasti anodiziranega oksida ali pregrade iz grafenovega oksida, blokirajo prodiranje klorida. Pri visokih napetostih izolacijska oksidna plast poveča medfazno upornost, ki se zmanjša s prevodnimi zlitinami ali folijami, prevlečenimi z ogljikom. Galvanska korozija v sistemih z več-kovinami je nadzorovana z izolacijskimi vmesnimi plastmi, samo-praznjenje v-zračnih celicah iz aluminija pa je zmanjšano z zasnovo elektrolitov in nanostrukturiranimi anodami.
Inovacije zlitin in premazov
Inovacije-na osnovi aluminija izboljšujejo delovanje anode in katode. Dopiranje z aluminijem stabilizira katodne strukture na osnovi niklja-v vodnih cink-nikljevih baterijah, kar zmanjšuje razgradnjo v alkalnih elektrolitih. Nikelj-aluminijeve katalizatorske zlitine izboljšajo reakcijsko kinetiko v elektrokemičnih-sistemih, povezanih z vodikom. Zamenjava aluminija v večplastnih oksidih za natrijeve-ionske baterije stabilizira kristalno strukturo in izboljša stabilnost cikla, medtem ko površinske prevleke iz aluminijevega oksida zavirajo raztapljanje mangana in podaljšujejo življenjsko dobo katode. Aditivno izdelane aluminijeve zlitine z evtektičnimi strukturami v nanometru zagotavljajo odpornost proti lezenju pri povišanih temperaturah za ohišja baterij in komponente za upravljanje toplote.
Aluminijaste-zračne baterije
Aluminijeve-zračne baterije izkoriščajo visoko elektrokemično energijsko gostoto aluminija za primarno shranjevanje energije, vendar se komercializacija sooča z več ovirami. Parazitska korozija anode povzroči izgubo zmogljivosti med shranjevanjem, zaščitne zlitine ali premazi pa povečajo stroške in kompleksnost. Zmanjšanje kisika zahteva učinkovite katalizatorje, cenejše alternative pa se hitro razgradijo in skrajšajo življenjsko dobo. Stranski produkti praznjenja, kot je oborina aluminijevega hidroksida in zamašitev elektrod, ki zahtevajo upravljanje elektrolitov, in večina aluminijevih-zračnih sistemov so za enkratno-uporabo, ker oksidacije aluminija ni enostavno obrniti. Infrastruktura za standardizirane komponente in recikliranje se še vedno razvija, zato so te baterije najbolj primerne za aplikacije, kjer dolga življenjska doba in visoka energijska gostota odtehtata stroške zamenjave.
pogosta vprašanja
V1: Zakaj se za katodne odjemnike toka uporablja aluminij namesto bakra?
Aluminij je odporen proti koroziji pri visokih potencialih katode, kjer bi baker oksidiral, poleg tega je lažji in cenejši. Baker se uporablja na strani anode, kjer bi aluminij legiral z litijem.
V2: Kakšna debelina aluminijaste folije se uporablja v baterijah?
Folije katodnega tokovnega zbiralnika so običajno debele 10-20 mikronov, dovolj tanke, da povečajo energijsko gostoto, hkrati pa dovolj močne za obdelavo-od zvitka do zvitka.
V3: Kako aluminij pomaga pri upravljanju toplote baterije?
Aluminij je zaradi visoke toplotne prevodnosti učinkovit pri hlajenju plošč, hladnih plošč in toplotnih odvodov, ki odvajajo toploto iz celic, kar pomaga preprečevati toplotni beg in podaljšuje življenjsko dobo cikla.
V4: Ali je aluminijaste-zračne baterije mogoče polniti?
Večina komercialnih aluminijevih-zračnih baterij je primarnih sistemov-za enkratno uporabo, ker je reakcijo oksidacije aluminija težko obrniti. Prototipi z možnostjo polnjenja obstajajo, vendar se trenutno soočajo z nizko učinkovitostjo in kratko življenjsko dobo.
V5: Ali je mogoče akumulatorski aluminij reciklirati?
ja Aluminijaste komponente iz baterij, vključno s tokovnimi zbiralniki, ohišji in hladilnimi strukturami, je mogoče obnoviti s tokovi recikliranja aluminija, kar podpira cilje krožnega gospodarstva za shranjevanje energije.