Vinnureglur um ál-loftrafhlöður
Ál-loftfrumur samanstendur af álskauti, loftskauti og vatnskenndri raflausn, venjulega kalíumhýdroxíði eða natríumhýdroxíði. Við forskautið leysist ál upp og losar þrjár rafeindir á hvert atóm; við bakskautið minnkar súrefni úr andrúmslofti. Heildarhvarfið 4Al + 3O2 + 6H2O við 4Al(OH)3 gefur opna-hringrásarspennu nálægt 2,7 V í orði, en hagnýtar frumur starfa á um það bil 1,2 til 1,6 V vegna skautunartaps. Vegna þess að bakskautsvirka efnið, súrefni, er tekið frjálslega úr loftinu í stað þess að vera geymt inni í klefanum, getur rafhlaðan náð fræðilegri sértækri orku nálægt 8,1 kWh/kg miðað við álskautið einni saman, um 2.980 Ah á hvert kíló af áli við 2,7 V, nokkrum sinnum hærri en talan fyrir litíum-jónaefnafræði.
Hvers vegna ál skiptir máli fyrir orkugeymslu
Ál er algengasti málmurinn í jarðskorpunni og er framleiddur í iðnaðar mælikvarða um allan heim, sem heldur rafskautskostnaði lágum og aðfangakeðjum stöðugum. Losunarvaran er álhýdroxíð, skaðlaust efnasamband sem hægt er að skila í álverið og breyta aftur í málm í gegnum Hall-Heroult-ferlið, þannig að efnislykkjan er lokuð og endurvinnanleg. Í samanburði við litíum-jónapakka nota ál-loftkerfi vatns-, ó-eldfimt raflausn, sem fjarlægir hættuna á hitauppstreymi og einfaldar hitastjórnun. Þessir eiginleikar gera efnafræðina aðlaðandi fyrir notkun þar sem langdrægni, lítill kostnaður og öryggi skipta meira máli en hámarksafl.
Efni og frumuhlutir
Rafskautið er venjulega há-hreint ál sem er 99,5% eða hærra, afhent sem plata eða þung álpappír, oft blandað með litlu magni af gallíum, indíum, tini eða magnesíum til að bæla óvirkan og sníkjuvetnisþróun í basískum raflausn. Loftskautið er gljúpt kolefnislag hlaðið hvata eins og mangandíoxíði, studdur af málmstraumsafnara og álpappír þjónar almennt sem leiðandi undirlag eða rafskautsblankið sjálft. Raflausnakerfi eru breytileg frá óblandaðri KOH fyrir há-hraða notkun til saltlausna fyrir langa-líftíma lághraða-frumur. Hönnun gasdreifingarrafskautsins og stjórnun karbónatúrkomu eru tvö mikilvægustu verkfræðiverkefnin í frumuþróun.
Tilkynnt frammistöðu- og sýnigögn
Rannsóknarstofufrumur hafa greint frá sértækri orku á bilinu 400 til 800 Wh/kg á frumustigi og sýnikennsla kerfisins hefur beinst að vélrænt endurhlaðanlegum hönnun. Í almennri sýnikennslu á vegum árið 2013 var haldið fram að lítill borgarbíll með um 50 kg af rafskautaplötum úr áli færi um 1.600 km, með vatni bætt við reglulega til að viðhalda raflausninni. Álnotkun er í grundvallaratriðum tengd við afkastagetu: þar sem hvert kíló af áli ber fræðilega hleðslu upp á um 2.980 Ah, gefur fruma sem losar við að meðaltali 1,4 V um það bil 4,2 kWst af raforku á hvert kíló af neyttu rafskauti, áður en raflausn og kerfiskostnaður er bætt við. Þetta er í samanburði við um það bil 0,25 til 0,30 kWh/kg sem er dæmigert fyrir litíum-jónafrumur á pakkningastigi, þó að samanburðurinn verði að taka til þyngdar á fullu áli-loftkerfi.
Helstu áskoranir fyrir rafknúin-ökutæki
Fjórar hindranir standa á milli rannsóknarstofuklefa og rafknúinna atvinnubíla. Í fyrsta lagi er aflþéttleiki takmarkaður af súrefnisminnkunarhvörfum við bakskaut loftsins, þannig að ál-loftrafhlöður henta stöðugri útskrift betur en hröð hröðun. Í öðru lagi tærir ál í basískum raflausn, losar úr sér vetni og úrgangsefni, sem krefst hagræðingar álfelgurs og raflausnaaukefna. Í þriðja lagi er rafhlaðan ekki rafhlaðanleg í hefðbundnum skilningi; eldsneytisfylling þýðir að skipta um rafskautshylki og endurvinna hýdroxíðið, sem krefst nýs þjónustumannvirkis. Í fjórða lagi brotnar bakskaut loftsins með tímanum með myndun karbónats og óvirkjun hvata, sem styttir endingartímann. Af þessum ástæðum miða núverandi rannsóknir á tvinnstillingum þar sem lítill litíum-jónabuffi sér um hámarksafl á meðan ál-lofteiningin veitir farflugsorku, og sess forritum eins og varaafli og langdrægum-þungaflutningum.
Algengar spurningar
Sp.: Hvernig virkar ál-loftrafhlaða?
A:Það oxar álskaut með súrefni sem dregið er úr andrúmslofti í vatnskenndum raflausn, losar rafeindir í gegnum ytri hringrás og framleiðir álhýdroxíð sem losunarafurð.
Sp.: Hver er fræðilegur orkuþéttleiki áls-lofts?
A:Miðað við álskautið eitt og sér nær það um 8,1 kWh/kg, um það bil 2.980 Ah/kg við 2,7 V, nokkrum sinnum meira en litíum-jón; hagnýtar frumur ná lægri en samt samkeppnishæfum gildum.
Sp.: Hversu miklu áli eyðir fruman?
A:Hvert kíló af áli ber um 2.980 Ah hleðslu, þannig að við 1,4 V meðalhleðsluspennu breytir fruman því í u.
Sp.: Er hægt að hlaða ál-loftrafhlöður rafhlaða?
A:Ekki í hefðbundnum skilningi; rafskautið er neytt og það verður að skipta um vélrænt á meðan álhýdroxíð auka-varan er endurunnin aftur í málm í gegnum Hall-Heroult ferlið.
Sp.: Af hverju eru þau ekki enn algeng í rafknúnum ökutækjum?
A:Takmarkaður aflþéttleiki, rafskautatæring í basískum raflausnum, niðurbrot í loft-bakskautum og skortur á eldsneytisuppbyggingu takmarkar þá við rannsóknaráætlanir, blendingahönnun og kyrrstæða notkun.
Sp.: Hvaða hlutverki gegnir álpappír í þessum rafhlöðum?
A:Hár-álpappír og þunn plata eru notuð fyrir rafskautaeyðir og straumsafnara, þess vegna fylgjast filmu- og lakframleiðendur náið með þróun þessarar tækni.