Aluminijum-jonska baterija

Aluminijum-jonska baterija

Aluminijum-jonske baterije su klasa punjivih baterija u kojima joni aluminijuma otpuštaju energiju prelaženjem sa negativne elektrode (anode) na pozitivnu elektrodu (katodu). Kada se baterije pune odvija se suprotan proces.

Dizajn

Kao i sve druge baterije aluminijum-jonske baterije su sastavljene od dve elektrode – anode i katode, između kojih se nalazi elektrolit – jonsko provodni materijal koji omogućava tok jona.

Količina energije koju baterija može da proizvede zavisi od više činilaca kao što su: napon, kapacitet i hemijski sastav. Količina proizvedene energije se može povećati tako što se:

• poveća napon između elektroda
• smanji masa reaktanata
• spreče promene elektrolita koje nastaju u hemijskim reakcijama

Istraživanja

Mnogi istraživački timovi eksperimentišu sa aluminijumom i drugim materijalima kako bi stvorili bateriju koja je efikasna, bezbedna i dugo traje.

Univerzitet u Merilendu

2016. istraživački tim sa Univerziteta u Merilendu je izvestio o aluminijum-sumpornoj bateriji koja je za katodu koristila kompozit sumpora i ugljenika. U teoriji baterija može da proizvede 1340 Wh/Kg energije, a prototip je uspeo da proizvodi 800 Wh/Kg preko 20 ciklusa.

Nacionalna laboratorija u Ouk Ridžu

Oko 2010. y Nacionalnoj Laboratoriji u Ouk Ridžu (u daljem tekstu ORNL) su napravili i patentirali bateriju koja je mogla da proizvede 1060 Wh/Kg energije, dok litijum-jonske proizvode 406 Wh/Kg. U ORNL-u su koristili jonski elektrolit umesto tečnog koji za vreme rada proizvodi vodonik koji dovodi do rđanja aluminijumske anode. Kakogod, jonski elektrolit dovodi do smanjenja proizvedene energije. Smanjivanjem separatora može se povećati količina proizvedene energije ali to dovodi do dodatnog zagrevanja.

Kornelski Univerzitet

Godine 2011. istraživački tim sa Kornelskog Univerziteta je koristio isti elektrolit kao ORNL ali je katoda bila napravljena od nanomrežice vanadijum oksida . Vanadijum oksid ima otvorenu kristalnu rešetku, samim tim i veću površinu pri manjoj zapremini, što ostavlja više mesta za aluminijumsku strukturu i dovodi do smanjenja razdaljine između elektroda što dovodi do najviših mogućih količina otpuštene energije. Ova baterija ima visok radni napon ali nisku kulonsku efikasnost.

Stanfordski Univerzitet

Aprila 2015. godine istraživači Stanfordskog univerziteta su tvrdili da su napravili alzminijum-jonsku bateriju sa vremenom punnjenja od samo jednog minuta (nisu naveli kapacitet baterije). Takođe su tvrdili da je baterija nezapaljiva, što se videlo na video zapisu istraživača kako buše rupu u bateriji dok ona proizvodi struju. Po njihovim rečima baterija je veoma jeftina za proizvodnju. Napon ove baterije je 2 Volta pa se rednim povezivanjem dve baterije dobija 4 Volta, a na tom naponu radi najveći broj uređaja koji koriste litijum-jonske baterije, tako da su ove baterije adekvatna zamena. Prototip ove baterije je uspeo da izdrži 7500 ciklusa bez ikakvog gubitka kapaciteta, dok litijum-jonske mogu da izdrže obično 500-1000 ciklusa bez pada kapaciteta.

Projekat ALION

Juna 2015. godine istraživanje Evropski Horizont 2020. koje se tiče aluminijum-jonskih baterija je započeto u istraživačkom centru LEITAT.. Cilj projekta je, uz pomoć mnogih Evropskih industrija i istraživačkih instituta, proizvodnja prototipa baterije. Projekat nosi ime “High Specific Energy Aluminium-Ion Rechargeable Batteries for Decentralized Electricity Generation Sources” ili kratko ALION. Rezultat projekta treba da bude tehnologija mnogo jeftinija, sa boljom preformansom, bezbednošću i pouzdanošću, a krajnji cilj je dobijanje aluminijum-jonske baterije koja je ekološki bezbedna, sa naponom od 48 Volti, životnim vekom od 3000 ciklusa i specifičnom energijom od 400 Wh/Kg.

Hemijske reakcije

Polovina reakcije na anodi:

$\mathrm {Al} +\mathrm {7AlCl_{4}^{-}} \leftrightarrows \mathrm {4Al_{2}Cl_{7}^{-}} +\mathrm {3e^{-}}$

Polovina reakcije na katodi:

$\mathrm {2MnO_{2}} +\mathrm {Li^{+}} +\mathrm {e^{-}} \leftrightarrows \mathrm {LiMn_{2}O_{4}}$

Spajanjem dve polovine reakcije dobija se sledeća reakcija:

$\mathrm {Al} +\mathrm {7AlCl_{4}^{-}} +\mathrm {6MnO_{2}} +\mathrm {3Li^{+}} \leftrightarrows \mathrm {4Al_{2}Cl_{7}^{-}} +\mathrm {3LiMn_{2}O_{4}}$

Poređenje sa litijum-jonskim baterijama

Aluminijum-jonske baterije su po načinu rada veoma slične litijum-jonskim baterijama, ali zasnivaju se na aluminijumskoj anodi, a ne na litijumskoj. Teoretski napon aluminijum jonskih baterija je niži od napona litijum-jonskih baterija (2.65 Volti kod aluminijum-jonskih prema 4 Volta kod litijum-jonskih), dok je teoretska specifična energija viša nego kod litijum-jonskih baterija (1060 Wh/Kg kod aluminijum-jonskih prema 406 Wh/Kg kod litijum-jonskih. Ova velika razlika potiče od činjenice da aliminijumov jon ima 3 valentna elektrona dok litijum ima samo jedan valentni elektron. Aluminijuma takođe ima više u prirodi i dostupniji je, što smanjuje cenu baterije.

Izazovi

Aluminijum-jonske baterije imaju relativno kratak životni vek. Na njegovo skraćivanje jako utiču toplota, maksimalan napon do koga se pune, a ciklusi punjenja i pražnjenja veoma smanjuju kapacitet. Kada se baterija potpuno ispazni, ona se više ne može napuniti.

Spoljašnje veze

Stanford unveils aluminum-ion battery na sajtu YouTube