Werkingsprincipe van aluminium-luchtbatterijen
Een aluminium-luchtcel bestaat uit een aluminiumanode, een luchtkathode en een waterige elektrolyt, meestal kaliumhydroxide of natriumhydroxide. Aan de anode lost aluminium op en geeft drie elektronen per atoom vrij; aan de kathode wordt zuurstof uit de omgevingslucht gereduceerd. De algehele reactie van 4Al + 3O2 + 6H2O met 4Al(OH)3 geeft in theorie een open-spanning van bijna 2,7 V, terwijl praktische cellen werken op ongeveer 1,2 tot 1,6 V vanwege polarisatieverliezen. Omdat het actieve materiaal van de kathode, zuurstof, vrijelijk uit de lucht wordt gehaald in plaats van in de cel te worden opgeslagen, kan de batterij een theoretische specifieke energie bereiken van bijna 8,1 kWh/kg op basis van alleen de aluminiumanode, ongeveer 2.980 Ah per kilogram aluminium bij 2,7 V, een aantal keer zoveel als voor lithium-ionenchemie.
Waarom aluminium belangrijk is voor energieopslag
Aluminium is het meest voorkomende metaal in de aardkorst en wordt wereldwijd op industriële schaal geproduceerd, waardoor de anodekosten laag blijven en de toeleveringsketens stabiel blijven. Het ontladingsproduct is aluminiumhydroxide, een onschadelijke verbinding die kan worden teruggevoerd naar de smelterij en weer kan worden omgezet in metaal via het Hall-Heroult-proces, zodat de materiaalkringloop gesloten en recyclebaar is. Vergeleken met lithium-ionenpakketten gebruiken aluminium-luchtsystemen een op water-gebaseerd, niet-ontvlambaar elektrolyt, dat het risico op thermische overstroming wegneemt en het thermisch beheer vereenvoudigt. Deze kenmerken maken de chemie aantrekkelijk voor toepassingen waarbij een groot bereik, lage kosten en veiligheid belangrijker zijn dan piekvermogen.
Materialen en celcomponenten
De anode is gewoonlijk aluminium met een hoge-zuiverheid van 99,5% of hoger, geleverd als plaat of zware folie, vaak gelegeerd met kleine hoeveelheden gallium, indium, tin of magnesium om passivatie en parasitaire waterstofontwikkeling in alkalisch elektrolyt te onderdrukken. De luchtkathode is een poreuze koolstoflaag geladen met een katalysator zoals mangaandioxide, ondersteund door een metalen stroomcollector, en aluminiumfolie dient gewoonlijk als het geleidende substraat of de anode zelf. Elektrolytsystemen variëren van geconcentreerde KOH voor hoge- werking tot zoutoplossingen voor cellen met een lange- lage- levensduur. Het ontwerp van de gasdiffusie-elektrode en het beheer van de carbonaatprecipitatie zijn de twee meest kritische technische taken bij de celontwikkeling.
Gerapporteerde prestatie- en demonstratiegegevens
Laboratoriumcellen hebben specifieke energieën gerapporteerd in het bereik van 400 tot 800 Wh/kg op celniveau, en systeemdemonstraties waren gericht op mechanisch oplaadbare ontwerpen. In een veelbesproken demonstratie op de weg uit 2013 werd beweerd dat een kleine stadsauto, uitgerust met ongeveer 50 kg aluminium anodeplaten, ongeveer 1.600 km aflegde, waarbij periodiek water werd toegevoegd om de elektrolyt op peil te houden. Het aluminiumverbruik is fundamenteel gekoppeld aan de capaciteit: omdat elke kilogram aluminium een theoretische lading heeft van ongeveer 2.980 Ah, levert een cel die ontlaadt bij een gemiddelde van 1,4 V ongeveer 4,2 kWh elektrische energie op per kilogram verbruikte anode, voordat de elektrolyt- en systeemoverheadkosten worden toegevoegd. Dit is vergelijkbaar met ongeveer 0,25 tot 0,30 kWh/kg die typisch is voor lithium-ioncellen op pakketniveau, hoewel de vergelijking ook het gewicht van het volledige aluminium-luchtsysteem moet omvatten.
Belangrijkste uitdagingen voor toepassingen op het gebied van elektrische voertuigen
Er staan vier obstakels tussen laboratoriumcellen en elektrische bedrijfsvoertuigen. Ten eerste wordt de vermogensdichtheid beperkt door de zuurstofreductiekinetiek aan de luchtkathode, dus aluminium-luchtbatterijen zijn beter geschikt voor een gestage ontlading dan voor een snelle acceleratie. Ten tweede corrodeert aluminium in alkalisch elektrolyt, waarbij waterstof vrijkomt en materiaal wordt verspild, wat legeringsoptimalisatie en elektrolytadditieven vereist. Ten derde is de batterij niet elektrisch oplaadbaar in de conventionele zin; tanken betekent het vervangen van de anodepatroon en het recyclen van het hydroxide, waarvoor een nieuwe service-infrastructuur nodig is. Ten vierde wordt de luchtkathode na verloop van tijd afgebroken door carbonaatvorming en deactivering van de katalysator, waardoor de levensduur wordt verkort. Om deze redenen richt het huidige onderzoek zich op hybride configuraties waarin een kleine lithium-ionenbuffer het piekvermogen afhandelt, terwijl de aluminium-luchteenheid kruisenergie levert, en op nichetoepassingen zoals back-upstroom en zwaar transport-over grote afstanden.
Veelgestelde vragen
Vraag: Hoe werkt een aluminium-luchtbatterij?
A:Het oxideert een aluminiumanode met zuurstof uit de omgevingslucht in een waterige elektrolyt, waarbij elektronen vrijkomen via een extern circuit en aluminiumhydroxide als ontladingsproduct ontstaat.
Vraag: Wat is de theoretische energiedichtheid van aluminium-lucht?
A:Alleen al op basis van de aluminiumanode bereikt deze ongeveer 8,1 kWh/kg, ruwweg 2.980 Ah/kg bij 2,7 V, meerdere malen die van lithium-ion; praktische cellen bereiken lagere maar nog steeds concurrerende waarden.
Vraag: Hoeveel aluminium verbruikt de cel?
A:Elke kilogram aluminium bevat ongeveer 2.980 Ah lading, dus bij een gemiddelde ontladingsspanning van 1,4 V zet de cel deze om in ongeveer 4,2 kWh elektriciteit voordat het systeem overbelast raakt.
Vraag: Kunnen aluminium-luchtbatterijen elektrisch worden opgeladen?
A:Niet in de conventionele zin; de anode is verbruikt en moet mechanisch worden vervangen, terwijl het bijproduct van aluminiumhydroxide-via het Hall-Heroult-proces weer tot metaal wordt gerecycled.
Vraag: Waarom zijn ze nog niet gebruikelijk in elektrische voertuigen?
A:Beperkte vermogensdichtheid, anodecorrosie in alkalisch elektrolyt, degradatie van de lucht-kathode en het gebrek aan tankinfrastructuur beperken deze momenteel tot onderzoeksprogramma's, hybride ontwerpen en stationaire toepassingen.
Vraag: Welke rol speelt aluminiumfolie in deze batterijen?
A:Hoog-zuiver aluminiumfolie en dunne platen worden gebruikt voor anode-blanco's en stroomafnemers. Daarom volgen folie- en plaatproducenten de ontwikkeling van deze technologie op de voet.