Алюминий ионный аккумулятор: Алюминий ионный аккумулятор | Статьи

Содержание

Алюминий ионный аккумулятор | Статьи

09.07.2015

Исследователи из Стэнфордского университета создали новый тип батареи, основанной на алюминии. Как сообщается, новый аккумулятор по многим параметрам превосходит литий-ионные аккумуляторы, свинцово-кислотные и щелочные АКБ. Основные преимущества – безопасность использования, быстрая зарядка, большее количество циклов заряд/разряд.

Прототип алюминий ионного аккумулятора оснащен анодом из алюминия и катодом из графита, помещенными в ионный электролит. Аккумулятор заключён в гибкий корпус из полимерного материала, что позволяет аккумулятору, в случае механического повреждения, работать еще некоторое время, прежде, чем отключиться, а не загореться, как это бывает с литий ионными аккумуляторами.

Электролит представляет из себя раствор соли, абсолютно безопасный.

Конечно, безопасность важна, но для многих куда важнее показатель времени зарядки. Прототип алюминий ионной АКБ показывает беспрецедентное время перезарядки – всего 1 минуту. Долговечность новинки также поражает – исследователи утверждают, что их разработка выдержала 7500 циклов заряда/разряда без какой-либо потери мощности. Это как минимум в 7 раз дольше, чем выдерживает большинство литиевых батарей. Ученые предполагают, что их разработка на основе алюминия сможет выдержать десятки тысяч циклов.

Еще одним важным преимуществом экспериментального источника питания является его гибкость – возможность отойти от привычных форм-факторов открывает новые горизонты для использования элементов питания для электротранспорта. Кроме того, алюминий стоит гораздо дешевле лития, что повлияет, в случае выхода нового аккумулятора на рынок, на стоимость батареи.

Помимо прочего, это еще и экологически чистое решение для хранения энергии, в отличии от щелочных и кислотных батарей, загрязняющих почву.

Последняя проблема, над которой работают ученые – рабочее напряжение. В настоящее время, аккумулятор из алюминия дает 2 вольта, и хотя это выше, чем в других экспериментальных разработках, все же этого недостаточно. Литиевые элементы дают напряжение вдвое выше- до 4.2v. Разработчики считают, что решить эту проблему может замена материала для катода. Такой ход, теоретически, позволит увеличить и плотность заряда на единицу объема.

Исследования продолжаются, и, в случае успеха, мы увидим на рынке новый тип батарей с отличными характеристиками и по невысокой цене. Ну а пока работа над новинкой не закончена, TM Volta bikes предлагает своим клиентам проверенные и качественные литий полимерные батареи с хорошей плотностью заряда. Наши аккумуляторы безопасны и эффективны для оснащения легкого электротранспорта.

Политика зарядки – Наука – Коммерсантъ

В 2019 году долгожданную Нобелевскую премию по химии получили создатели литий-ионного аккумулятора Джон Гуденаф (США), Акира Ёсино (Япония) и Стэнли Уиттингем (Великобритания). «Литий-ионные аккумуляторы произвели революционные изменения в нашей жизни с тех пор, как впервые появились на рынке в 1991 году. Они заложили основу беспроводного общества, свободного от углеводородного топлива, их появление принесло неоценимую пользу человечеству»,— объяснил решение Нобелевский комитет.

Николай Козин

Если не литий, то…

Литий-ионные аккумуляторы появились в начале 1990-х годов и очень быстро совершенствовались: росла популярность портативной электроники, сначала ноутбуков, затем смартфонов, планшетов и других гаджетов, питавшихся их энергией. Новый импульс развитию аккумуляторов дали электромобили, роботы, системы хранения и распределения электроэнергии. Но по мере развития выявились и недостатки литий-ионных батарей: пожароопасность, быстрое старение и чувствительность к температуре. Кроме того, технологии, использующие литий, упираются в серьезное ограничение: лития в природе не так много, добывать его дорого, сырье, карбонат лития, стоит свыше $20 тыс. за тонну.

Но заменить литий сложно. К примеру, удельная емкость, то есть соотношение заряда и массы иона, у него максимальная, более легкого иона металла не существует. Сообщения о перспективных материалах, способных составить конкуренцию литию, появляются регулярно, но их разработчики не скрывают проблем и ограничений, которые могут быть в принципе неразрешимы.

К примеру, команда из Стэнфорда объявила, что изобрела алюминий-ионный аккумулятор, выдерживающий 7 тыс. циклов зарядки, которая еще и происходит всего за секунды. Вообще-то алюминий-ионные аккумуляторы появились более 30 лет назад, они небезопасны, недружественны к окружающей среде и быстро теряют способность перезаряжаться. Стэнфордская батарейка вроде опровергала эту репутацию, но ученые сообщили, что носитель заряда в аккумуляторе – не трехзарядный катион алюминия Al3+ (он мог бы «нести» в три раза больше заряда, чем однозарядный лития), а комплексный ион AlCl

4– — тяжелая однозарядная частица, а значит, емкость батареи невелика. А низкое напряжение на выходе батареи лишает ее возможности конкурировать с литиевой.

Группа израильского профессора Дорона Орбаха занимается магнием — металлом с зарядом +2, то есть батарейка на магнии должна иметь большую емкость, чем на однозарядном литии. Но исследователи не могут найти в пару магнию катод: стабильные и безопасные оксиды оказываются ловушками для магния, а у сульфидов, в которых скорость движения катионов магния выше, слишком низкое напряжение.

Когда солнечные панели или ветрогенераторы вырабатывают электричество, насосы прокачивают электролит через электроды системы, он заряжается и возвращается обратно в емкость. В Китае собирались построить крупнейшую в мире ванадиевую проточную батарею емкостью 800 МВт•ч.

Поклонники жидких батарей упирают на их надежность: тысячи циклов зарядки, а это три-четыре года службы, без признаков деградации! Но КПД проточных аккумуляторов значительно ниже, чем металл-ионных — не более 70%. Да и система из баков с серной кислотой может быть только статичной — об электробусах и электрокарах точно можно забыть. Наконец, ванадий недешев — $50 за килограмм пятивалентного оксида.

Но уже для электромобиля (десятки киловатт-часов энергии) и тем более для электростанции (мега- и гигаватт-часы) удельная и объемная энергоемкость (энергия на единицу массы и объема) становятся не так важны, и прорыв могут обеспечить натрий-ионные аккумуляторы, заменив сразу и дорогие литий-ионные, и морально устаревшие свинцово-кислотные.

…натрий!

Свинцово-кислотные аккумуляторы изобретены 150 лет назад и знакомы любому, кто хотя бы раз открыл капот машины,— но продажи их по-прежнему опережают продажи литий-ионных батарей: $40 млрд против $30 млрд в 2019 году.

Но там, где размер не так важен, натрий-ионные батареи будут теснить свинцово-кислотные и захватывать новые ниши, предсказывают специалисты,— например, электротранспорт, для которого важней скорость зарядки, чем миниатюрность и емкость.

«Поиск нового материала для электрохимических приложений по большей части выглядит как эмпирические предположения ученых — они отмечают интересные свойства в соединениях сходного состава и структуры и пытаются получить новые, улучшенные материалы. Специалисты химического факультета МГУ обнаружили интересную структуру, ранее описанную только для крупных щелочных катионов — калия, рубидия, цезия,— и попробовали синтезировать новое соединение с натрием с целью проверить его электрохимические свойства. Они оказались уникальными»,— рассказал декан факультета, член-корреспондент РАН Степан Калмыков.

Аккумуляторы и их добавочная стоимость

Смотреть

Сотрудники кафедры электрохимии МГУ под руководством старшего научного сотрудника, кандидата химических наук Олега Дрожжина впервые синтезировали и охарактеризовали электрохимические свойства натрий-ванадиевого пирофосфата β-NaVP₂O₇. Энергоемкость его достигает 420 Вт•ч/кг, всего на 20% меньше, чем у литиевого катодного материала LiCoO₂ — 530 Вт•ч/кг. Другая важная характеристика этого электродного материала — крайне малое, всего полпроцента, изменение объема при зарядке-разрядке. Схожими свойствами обладает разве что литий-титановая шпинель, самый стабильный, мощный и безопасный анодный материал, работающий в электротранспорте.

«Изменение объема при зарядке-разрядке напрямую влияет на такой важный показатель, как потеря емкости со временем. Чем меньше меняется объем материала, тем дольше он сможет стабильно работать. Множество соединений так и не нашли применение в аккумуляторах из-за значительного изменения в объеме»,— объясняет Олег Дрожжин.

Электрохимики получили материал, каркас которого может обратимо отдавать и внедрять до двух катионов натрия на одну элементарную ячейку, от состава VP₂O₇ до Na₂VP₂O₇. Суммарная емкость такого циклирования — около 220 мАч/г, рекорд для подобных материалов. Ученые из МГУ планируют модифицировать электрохимические свойства соединения за счет изменения начальной степени окисления ванадия и частичного замещения его на другие катионы, в том числе и для снижения стоимости электродных материалов. Работа специалистов поддержана грантом Российского научного фонда.

Алюминиевые аккумуляторы GMG ускорят зарядку электромобилей в 60 раз

Австралийская компания Graphene Manufacturing Group (GMG) отчиталась об испытаниях алюминий-ионных батарей нового типа. По словам разработчика, новые аккумуляторы обеспечивают прирост в скорости зарядки до 60 раз и способны вместить в три раза больше энергии, чем эталонные литий-ионные элементы, за счет отказа от систем охлаждения. GMG не сомневается в коммерческом успехе своего решения и уже разработала дорожную карту — базовая версия аккумулятора поступит в продажу в начале следующего года, а элементы, оптимизированные для электромобилей, появятся на рынке в 2024 году.

Новая конструкция GMG базируется на исследованиях Австралийского института биоинженерии и нанотехнологий при Квинслендском университете. Команда инженеров предложила установить атомы алюминия в миниатюрные отверстиях в графеновых плоскостях. Новый подход резко увеличил плотность энергии батареи — до 7000 Вт/кг, сообщает Forbes. Для сравнения, средняя мощность современных литий-ионных батарей составляет 250-700 Вт/кг. Таким образом показатели аккумуляторов GMG ближе к ультраконденсаторам с плотностью около 12000-14000 Вт/кг.

За счет высокой плотности энергии новые батареи многократно увеличили скорость зарядки и разрядки — по подсчетам GMG, с такими элементами питания современные смартфоны будут заряжаться от 0 до 100% менее чем за 10 секунд. Плотность энергии аккумулятора — около 150-160 Вт*ч/кг — составляет 60% от лучших коммерческих литий-ионных батарей. В компании считают, что этот показатель компенсируется не только скоростью зарядки, но и дополнительной особенностью аккумуляторов — они не подвержены перегреву, поэтому не нуждаются в системе охлаждения.

«На данный момент у нас нет проблем с температурой. Около 20% литий-ионной аккумуляторной батареи в автомобиле отведено под охлаждение. А мы уверены в том, что нам вообще не понадобится ни охлаждение, ни обогрев», — заявил управляющий директор GMG Крейг Николь. Это значит, что батареи от GMG будут либо компактнее, либо смогут содержать больше элементов.

Аккумуляторы уже прошли тестирование в нескольких австралийских университетах и сейчас отправляются на пилотную производственную линию. GMG начнет с выпуска «монетных» батарей — такие элементы подойдут для питания бытовой электроники и мобильных устройств. А затем, когда компания отладит серийное производство, на рынке появятся алюминий-ионные аккумуляторы GMG для электрического транспорта — ориентировочная дата их производства назначена на 2024 год.

В компании также считают, что новые батареи можно адаптировать под существующие платформы автопроизводителей — например, для MEB от немецкого автоконцерна Volkswagen Group.

«Наши будут той же формы и напряжения, что и нынешние литий-ионные элементы, или мы можем придать любую форму, которая потребуется», — добавил Николь.

Помимо Квинслендского университета, в проекте GMG также участвовал Даляньский университет, Университет Небраски-Линкольна, Корнельский университет, Университет Клемсона, а также Стэнфорд и промышленный консорциум European Alion.

Фото: Graphene Manufacturing Group

Страница не найдена »

Архив публикаций

Архив публикаций Выберите месяц Ноябрь 2021 Октябрь 2021 Сентябрь 2021 Август 2021 Июль 2021 Июнь 2021 Май 2021 Апрель 2021 Март 2021 Февраль 2021 Январь 2021 Декабрь 2020 Ноябрь 2020 Октябрь 2020 Сентябрь 2020 Август 2020 Июль 2020 Июнь 2020 Май 2020 Апрель 2020 Март 2020 Февраль 2020 Январь 2020 Декабрь 2019 Ноябрь 2019 Октябрь 2019 Сентябрь 2019 Август 2019 Июль 2019 Июнь 2019 Май 2019 Апрель 2019 Март 2019 Февраль 2019 Январь 2019 Декабрь 2018 Ноябрь 2018 Октябрь 2018 Сентябрь 2018 Август 2018 Июль 2018 Июнь 2018 Май 2018 Апрель 2018 Март 2018 Февраль 2018 Январь 2018 Декабрь 2017 Ноябрь 2017 Октябрь 2017 Сентябрь 2017 Август 2017 Июль 2017 Июнь 2017 Май 2017 Апрель 2017 Март 2017 Февраль 2017 Январь 2017 Декабрь 2016 Ноябрь 2016 Октябрь 2016 Сентябрь 2016 Август 2016 Июль 2016 Июнь 2016 Май 2016 Апрель 2016 Март 2016 Февраль 2016 Январь 2016 Декабрь 2015 Ноябрь 2015 Октябрь 2015 Сентябрь 2015 Август 2015 Июль 2015 Июнь 2015 Май 2015 Апрель 2015 Март 2015 Февраль 2015 Январь 2015 Декабрь 2014 Ноябрь 2014 Октябрь 2014 Сентябрь 2014 Август 2014 Июль 2014 Июнь 2014 Май 2014 Апрель 2014 Март 2014 Февраль 2014 Январь 2014 Декабрь 2013 Ноябрь 2013 Октябрь 2013 Сентябрь 2013 Август 2013 Июль 2013 Июнь 2013 Май 2013 Апрель 2013 Март 2013 Февраль 2013 Январь 2013 Декабрь 2012 Ноябрь 2012 Октябрь 2012 Сентябрь 2012 Август 2012 Июль 2012 Май 2012 Апрель 2012 Март 2012 Февраль 2012 Январь 2012 Декабрь 2011 Ноябрь 2011 Октябрь 2011 Сентябрь 2011 Август 2011 Июнь 2011 Май 2011 Апрель 2011 Март 2011 Февраль 2011 Январь 2011 Декабрь 2010 Ноябрь 2010 Октябрь 2010 Сентябрь 2010 Август 2010 Июль 2010 Июнь 2010 Май 2010 Апрель 2010 Март 2010 Февраль 2010 Январь 2010 Декабрь 2009 Ноябрь 2009 Октябрь 2009 Сентябрь 2009 Август 2009 Июль 2009 Июнь 2009 Май 2009 Апрель 2009 Март 2009 Февраль 2009 Январь 2009

Подпишись на новости в Facebook

Наш видеоканал «Про АКБ без Б»

Алюминиевая батарея — отличное дополнение для электромобиля / Хабр

Компания Phinergy первой в мире сумела изготовить воздушно-алюминиевую батарею, пригодную для эксплуатации в автомобиле. 100-килограммовая батарея Al-Air содержит достаточно энергии, чтобы обеспечить 3000 км хода компактного легкового автомобиля. Phinergy провела демонстрацию технологии с Citroen C1 и упрощённой версией батареи (50 пластин по 500 г, в корпусе, наполненном водой). Машина проехала 1800 км на одном заряде, останавливаясь только для пополнения запасов воды — расходуемого электролита (видео).

Алюминий не заменит литий-ионные аккумуляторы (он не заряжается от розетки), но великолепно дополняет их. Ведь 95% поездок автомобиль совершает на короткие расстояния, где достаточно стандартных аккумуляторов. Дополнительная батарея обеспечивает бэкап на случай, если аккумулятор разрядился или если нужно далеко ехать.

Воздушно-алюминиевая батарея генерирует ток за счёт химической реакции металла с кислородом из окружающего воздуха. Алюминиевая пластина — анод. С двух сторон ячейка покрыта пористым материалом с серебряным катализатором, который фильтрует CO₂. Металлические элементы медленно деградируют до Al(OH)₃.

Химическая формула реакции выглядит так:

4 Al + 3 O₂ + 6 H₂O = 4 Al(OH)₃ + 2,71 В

Это не какая-то сенсационная новинка, а хорошо известная технология. Её давно используют военные, поскольку такие элементы обеспечивают исключительно большую плотность энергии. Но раньше инженерам никак не удавалось решить проблему с фильтрацией CO₂ и сопутствующей карбонизацией. Компания Phinergy утверждает, что решила проблему и уже в 2017 году можно производить алюминиевые батареи для электромобилей (и не только для них).

Литий-ионные аккумуляторы Tesla Model S весят около 1000 кг и обеспечивают пробег 500 км (в идеальных условиях, в реальности 180-480 км). Скажем, если сократить их до 900 кг и добавить алюминиевую батарею, то масса машины не изменится. Дальность хода от аккумулятора снизится на 10-20%, зато максимальный пробег без зарядки увеличится аж до 3180-3480 км! Можно доехать от Москвы до Парижа, и ещё что-то останется.

В чём-то это похоже на концепцию гибридного автомобиля, но здесь не требуется дорогой и громоздкий двигатель внутреннего сгорания.

Недостаток технологии очевиден — воздушно-алюминиевую батарею придётся менять в сервисном центре. Наверное, раз в год или чаще. Впрочем, это вполне заурядная процедура. Компания Tesla Motors в прошлом году показывала, как аккумуляторы Model S меняют за 90 секунд (любительское видео).

Другие недостатки — энергозатратность производства и, возможно, высокая цена. Изготовление и переработка алюминиевых батарей требует большого количества энергии. То есть с экологической точки зрения их использование только повышает общее потребление электроэнергии во всей экономике. Но зато потребление более оптимально распределяется — оно уходит из крупных городов в отдалённые районы с дешёвой энергией, там находятся ГЭС и металлургические заводы.

Неизвестно и то, сколько будут стоить такие элементы питания. Хотя сам алюминий — дешёвый металл, но катод содержит дорогое серебро. Phinergy не рассказывает, как именно изготовляет запатентованный катализатор. Возможно, это сложный техпроцесс.

Но при всех своих недостатках воздушно-алюминиевая батарея всё равно кажется очень удобным дополнением к электромобилю. По крайней мере, как временное решение на ближайшие годы (десятилетия?), пока не исчезнет проблема ёмкости аккумуляторов.

В Phinergy, тем временем, экспериментируют с «перезаряжаемой» воздушно-цинковой батареей. Она вообще работает тысячи часов без особой химической деградации, поскольку окисление цинка — обратимый процесс.

Похожие научные разработки ведутся и в России.

Прорывные технологии. Новый графеновый алюминиево-ионный аккумулятор заряжается в 60 раз быстрее, чем литий-ионный

Сможет ли новый графеновый алюминиево-ионный аккумулятор вытеснить литиевый?

Австралийская компания Graphene Manufacturing Group (GMG), производящая графен и водород, объявила, что в совместной работе со специалистами Австралийского института биоинженерии и нанотехнологий Квинслендского университета разработали революционный графеновый алюминиево-ионный аккумулятор, с плотностью энергии ~7000 Вт/кг.

алюминиево-ионный аккумулятор

В настоящее время работы ведутся с форм-фактором «монетной» батарейки, но, по словам руководства компании, технологию можно масштабировать под любые типоразмеры, в том числе и те, что применяются для электромобилей и систем накопления энергии. Основой технологии является трёхслойный графен GMG с перфорацией на поверхности (SPG3-400), который имеет «значительное количество плоских мезопор (≈2,3 нм) и чрезвычайно низкое соотношение O/C 2,54%.

Генеральный директор и управляющий директор GMG Крейг Никол, «В настоящее время мы стремимся предоставить коммерческие прототипы плоских аккумуляторов для тестирования заказчиком через 6 месяцев и коммерческий прототип пакетной упаковки — используемый в мобильных телефонах, ноутбуках и т.д. — для тестирования заказчиками через 18 месяцев. Мы очень рады представить это на рынке. Мы стремимся создать жизнеспособный проект по производству графена и батарейки типа «таблетка» после проверки заказчиком, который мы, вероятно, построим здесь, в Австралии. Наш новый аккумулятор заряжается настолько быстро, что это, по сути, суперконденсатор. К примеру, он если бы наш аккумулятор поставить в iPhone, то он бы зарядился за 10 секунд».

Когда геополитические риски двигают технологии вперёд

Не секрет, что сегодня значительная доля литиевых месторождений, а также производство аккумуляторов контролируется Китаем. И этот момент напрягает многих, что заставляет искать новые пути к сырьевой, технологической и энергетической независимости. Новая австралийская разработка как раз из этого ряда. Руководство GMG напрямую говорит, что «90% мирового производства и закупок лития по-прежнему осуществляется через Китай, а 10 процентов — через Чили. У нас есть весь необходимый нам алюминий прямо здесь, в Австралии, и его можно безопасно производить в странах первого мира».

И помимо того, что австралийская технология может положить конец зависимости электромобильной отрасли от лития, это также может придать практически «вторую космическую скорость» процессу электрификации всего спектра транспорта на планете. Зарядка будет занимать ровно столько же времени, что сейчас заправка бензином авто с ДВС, увеличится диапазон пробега, увеличит в 3 раза время службы батарей, и абсолютно исчезнет вопрос переработки аккумуляторов, так как повторная переработка алюминия это элементарный технологический процесс.

Главный научный директор Graphene Manufacturing Group доктор Ашок Кумар Нанджундан (слева) и доктор Сяодан Хуанг из Австралийского института биоинженерии и нанотехнологий Квинслендского университета.
Фото: Graphene Manufacturing Group (GMG).

Д-р Ашок Нанджундан, главный научный директор GMG, «Это настоящая революционная технология, которая может предложить реальную альтернативу существующим литий-ионным аккумуляторам практически во всех сферах их применения. Текущее номинальное напряжение наших батарей составляет 1,7 В, и ведутся работы по увеличению напряжения для непосредственной замены существующих батарей, что приведёт к более высокой плотности энергии. Настоящим отличием этих аккумуляторов является их очень высокая удельная мощность — до 7000 Вт / кг, что обеспечивает им очень высокую скорость заряда. Кроме того, графеновые алюминиево-ионные батареи обеспечивают значительные преимущества с точки зрения более длительного срока службы батареи (на данный момент проведено более 2000 испытаний циклов заряда / разряда без ухудшения характеристик), безопасности батареи (очень низкий потенциал возгорания) и меньшего воздействия на окружающую среду (более пригодна для вторичной переработки)».

GMG объявила о заключении исследовательского соглашения с AIBN UQ по разработке графеновых алюминиево-ионных аккумуляторов, и в соответствии с соглашением GMG будет производить коммерческие прототипы аккумуляторных батарей для часов, телефонов, ноутбуков, электромобилей и систем накопления с использованием технологий, разработанных в UQ. GMG также подписала лицензионное соглашение с Uniquest, компанией по коммерциализации совместной с Университетом Квинсленда разработки, которое предоставляет GMG эксклюзивную лицензию на технологию для катодных батарей. GMG обещает раскрывать информацию о характеристиках и разработках графеновых алюминиево-ионных батарей по мере продвижения программы исследований и разработок.

___________________________

Уважаемые читатели, чтобы не пропустить наши свежие статьи вы можете подписаться на наш Телеграм-канал. Оставляйте комментарии, ставьте лайки, делайте репосты (кнопки соцсетей есть в конце каждого материала). Ваше участие нам очень важно!

статью прочитали: 2 987

Поделиться ссылкой:

Понравилось это:

Нравится Загрузка…

Похожее

Почему сложно найти замену литию в электрохимии и как это все-таки можно сделать

Если не литий, то…

Есть надежды на проточные ванадиевые окислительно-восстановительные аккумуляторы — гигантские баки с жидким электролитом (сернокислый раствор солей ванадия), способные хранить избыточную возобновляемую энергию. Когда солнечные панели или ветрогенераторы вырабатывают электричество, насосы прокачивают электролит через электроды системы, он заряжается и возвращается обратно в емкость. В Китае собирались построить крупнейшую в мире ванадиевую проточную батарею емкостью 800 МВт•ч.

Так что, пишут британские ученые в обзоре аккумуляторных технологий, литий-ионные аккумуляторы будут доминировать на рынке по крайней мере до середины XXI века. Ключевое достоинство лития неоспоримо — этот металл очень легкий и «быстрый», и миниатюрные батареи для смартфонов, ноутбуков и других гаджетов уже прочно закреплены за ним. Но уже для электромобиля (десятки киловатт-часов энергии) и тем более для электростанции (мега- и гигаватт-часы) удельная и объемная энергоемкость (энергия на единицу массы и объема) становятся не так важны, и прорыв могут обеспечить натрий-ионные аккумуляторы, заменив сразу и дорогие литий-ионные, и морально устаревшие свинцово-кислотные.

Картинка: сравнение натрий-ионного и свинцового аккумулятора по основным параметрам

…натрий!

Натриевый аккумулятор имеет близкие к литиевому энергетические характеристики, но натрий примерно в сто раз дешевле лития, а химические свойства натрия позволяют использовать легкий и дешевый алюминий вместо тяжелой и дорогой меди на анодном токосъемнике. Есть и минусы: радиус иона натрия больше, чем иона лития, и значит, плотность энергии на натриевом электроде ниже, и для энергоемкости, сравнимой с литий-ионной батареей, натрий-ионная должна быть размером на 30–50% больше. Но там, где размер не так важен, натрий-ионные батареи будут теснить свинцово-кислотные и захватывать новые ниши, предсказывают специалисты,— например, электротранспорт, для которого важней скорость зарядки, чем миниатюрность и емкость.

«Поиск нового материала для электрохимических приложений по большей части выглядит как эмпирические предположения ученых — они отмечают интересные свойства в соединениях сходного состава и структуры и пытаются получить новые, улучшенные материалы. Специалисты химического факультета МГУ обнаружили интересную структуру, ранее описанную только для крупных щелочных катионов — калия, рубидия, цезия,— и попробовали синтезировать новое соединение с натрием с целью проверить его электрохимические свойства. Они оказались уникальными»,— рассказал декан факультета, член-корреспондент РАН Степан Калмыков.

Сотрудники кафедры электрохимии МГУ под руководством старшего научного сотрудника, кандидата химических наук Олега Дрожжина впервые синтезировали и охарактеризовали электрохимические свойства натрий-ванадиевого пирофосфата β-NaVP2O7. Энергоемкость его достигает 420 Вт•ч/кг, всего на 20% меньше, чем у литиевого катодного материала LiCoO2 — 530 Вт•ч/кг. Другая важная характеристика этого электродного материала — крайне малое, всего полпроцента, изменение объема при зарядке-разрядке. Схожими свойствами обладает разве что литий-титановая шпинель, самый стабильный, мощный и безопасный анодный материал, работающий в электротранспорте.

Картинка: схема натрий-ионного аккумулятора

«Изменение объема при зарядке-разрядке напрямую влияет на такой важный показатель, как потеря емкости со временем. Чем меньше меняется объем материала, тем дольше он сможет стабильно работать. Множество соединений так и не нашли применение в аккумуляторах из-за значительного изменения в объеме»,— объясняет Олег Дрожжин.

Электрохимики получили материал, каркас которого может обратимо отдавать и внедрять до двух катионов натрия на одну элементарную ячейку, от состава VP2O7 до Na2VP2O7. Суммарная емкость такого циклирования — около 220 мАч/г, рекорд для подобных материалов. Ученые из МГУ планируют модифицировать электрохимические свойства соединения за счет изменения начальной степени окисления ванадия и частичного замещения его на другие катионы, в том числе и для снижения стоимости электродных материалов. Работа специалистов поддержана грантом Российского научного фонда.

Прорыв в линейке

EV с новой алюминиево-ионной батареей

Graphene Manufacturing Group (GMG), расположенная в Брисбене, Австралия, разработала графеновые алюминиево-ионные аккумуляторные элементы, которые, по заявлению компании, заряжаются в 60 раз быстрее, чем лучшие литий-ионные элементы, и могут удерживать в три раза больше энергии, чем лучшие литий-ионные элементы. клетки.

Графеновые алюминиево-ионные элементы были созданы с использованием прорывных нанотехнологий Австралийского института биоинженерии и нанотехнологий при Университете Квинсленда (UQ).В элементах батареи используются нанотехнологии, позволяющие вставить атомы алюминия внутрь крошечных отверстий в графеновых плоскостях. Конкретный состав алюминиево-ионной батареи состоит из анода из алюминиевой фольги, графенового катода и электролита из хлорида алюминия. В конструкции не используются литий, медь, марганец или кобальт.

Если исследования GMG окажутся плодотворными, графеновые алюминиево-ионные батареи могут дать ответ на многие проблемы, связанные с автомобильными батареями для электромобилей. Они обеспечат больший радиус действия и зарядятся намного быстрее.Они также были бы более экологичным решением, поскольку батареи легче утилизировать из-за их стабильных основных материалов. Новые графеновые алюминиевые батареи также более безопасны, поскольку у них нет верхнего предела силы тока, который мог бы вызвать самопроизвольный перегрев.

В рецензируемой публикации , Advanced Functional Materials, сделан вывод, что элементы имеют «выдающуюся высокопроизводительную производительность (149 мАч г-1 при 5 А г-1), превосходящую все ранее описанные катодные материалы AIB». Тестирование также показывает, что проверочные батареи типа «таблетка» служат в три раза дольше, чем литий-ионные версии.

Хотя элементы GMG – не единственные находящиеся в стадии разработки графеновые алюминиево-ионные элементы, по словам управляющего директора GMG Крейга Николя, они были самыми мощными, надежными и быстрыми заряжаемыми. «Он заряжается так быстро, что это, по сути, суперконденсатор», – сказал Николь. «Он заряжает монетный элемент менее чем за 10 секунд».

Никол также говорит, что новые аккумуляторные элементы обеспечивают гораздо большую удельную мощность, чем существующие литий-ионные аккумуляторы, без проблем с охлаждением, нагревом или редкоземельными элементами, с которыми обычно сталкиваются литиевые аккумуляторы.«Пока проблем с температурой нет. Двадцать процентов [места, занимаемого] литий-ионной аккумуляторной батареей [в электромобиле] связано с их охлаждением », – сказал Николь. «Очень высока вероятность, что нам вообще не понадобится ни охлаждение, ни обогрев. Он не перегревается и пока хорошо работает при минусовых температурах ».

Новая технология ячеек также может быть индустриализирована для размещения в существующих литий-ионных корпусах – таких как архитектура MEB Volkswagen Group – устраняя проблемы с архитектурой автомобильной промышленности, которая, как правило, используется до 20 лет.В настоящее время основное внимание уделяется батарейкам типа «таблетка», поскольку у GMG имеется готовая производственная система и спецификация конечного продукта, которые можно продавать в качестве сменных батарей для существующих литиевых батарей. После производства монетных ячеек компания планирует сосредоточиться на пакетах, поскольку компания считает, что они будут иметь преимущество перед существующими литиевыми пакетами с очень коротким временем зарядки алюминиево-ионных элементов.

«Мы намерены сделать сменные батареи (того же напряжения и форм-фактора / формы), что и литиевые батареи, и, следовательно, они могут быть заменены и использовать устаревшую электронику и зарядную инфраструктуру, снижая риск внедрения, сроки и стоимость для предполагаемого рынка», – сказал Никол.

Стрела для разработки алюминиево-ионных аккумуляторов

Во всем мире полным ходом идут проекты по разработке алюминиево-ионных аккумуляторов. Это включает в себя сотрудничество между Китайским технологическим университетом Даляня и Университетом Небраски, а также другими организациями из Корнельского университета, Университета Клемсона, Стэнфордского университета, факультета полимероведения Университета Чжэцзян и промышленного консорциума European Alion.

Различия между различными проектами НИОКР носят сугубо технический характер, но в ячейках GMG используется графен, полученный с помощью собственной плазменной технологии, а не из традиционных источников графита.По заявлению компании, их результат в три раза превышает удельную энергию следующей лучшей ячейки, которая была разработана в Стэнфорде. GMG в сотрудничестве с UQ сообщает о плотности энергии 150–160 при плотности мощности около 7000 Вт / кг. Для сравнения, алюминий-ионная технология Стэнфорда с использованием природного графита обеспечивает около 68,7 Вт / кг и 41,1 Вт / кг, а технология CVD-вспененного алюминия – до 3000 Вт / кг.

«Это настоящая революционная технология, которая может предложить реальную альтернативу технологии сменных аккумуляторов для существующих литий-ионных аккумуляторов практически во всех сферах применения с графеном GMG и запатентованной технологией ионно-алюминиевых аккумуляторов UQ», – сказал д-р.Ашок Нанджундан, главный научный сотрудник GMG. «Текущее номинальное напряжение наших батарей составляет 1,7 В, и ведутся работы по увеличению напряжения для прямой замены существующих батарей, что приводит к более высокой плотности энергии».

Технология алюминиевых батарей

может заменить литий

Когда ячейка перезаряжается, ионы алюминия возвращаются к отрицательному электроду и обмениваются тремя электронами на ион, литий производит такой же обмен, но со скоростью только одного электрона в секунду.Николь описывает алюминиево-ионную технологию GMG / UQ как прямую замену (для литий-ионной технологии), которая заряжается настолько быстро, что ее можно сравнить с суперконденсатором. «Некоторые литий-ионные элементы не могут работать более 1,5-2 ампер, или вы можете взорвать аккумулятор, но наша технология не имеет теоретических ограничений», – сказал он.

В алюминиево-ионных элементах практически не используются экзотические материалы, а экологические, финансовые преимущества и безопасность делают эту технологию жизнеспособной альтернативой литий-ионной. Цены на литий выросли с 1460 долларов.00 долларов за тонну в 2005 году до 13000 долларов в мае 2021 года, в то время как цены на алюминий изменились только с 1730 долларов до 2078 долларов за тот же период. Кроме того, в отличие от литий-ионных элементов, как уже упоминалось, для графеновых алюминиево-ионных элементов не требуется использование меди, стоимость которой составляет около 8 470 долларов США за тонну.

Поскольку GMG производит свой собственный графен, они уверены, что смогут производить его в будущем при требуемых затратах, чтобы сделать графен-алюминиевую батарею экономичной. Компания заявляет, что их процесс позволяет снизить производственные затраты, поскольку для производства графена используется очень дешевый и доступный природный газ.

«В каждом гигаджоуле (ГДж) или миллимбТЕ в природном газе (в зависимости от состава вашего газа) содержится примерно 15 кг атомов углерода, и в большинстве стран мира – 1 ГДж или 1 миллион БТЕ составляет менее 10 долларов США – доставляется туда, где вам нужен существующий трубопровод », – сказал Николь.

GMG планирует выпустить на рынок алюминиево-ионные графеновые элементы питания в конце этого или в начале следующего года, а выпуск автомобильных ячеек для карманных устройств запланирован на начало 2024 года.

Сверхбыстрая зарядка алюминиево-ионных аккумуляторов превосходит литий-ионные

Австралийская компания Graphene Manufacturing Group (GMG) объявила о впечатляющих результатах испытаний производительности нового типа алюмо-ионных аккумуляторов, которые могут заряжаться в 10 раз быстрее, чем современные литий-ионные аккумуляторы, при этом длится намного дольше и не требует охлаждения.

В экспериментах, проведенных Австралийским институтом биоинженерии и нанотехнологий при Университете Квинсленда, прототипы новой батареи с плоскими ячейками показали следующие ключевые показатели производительности.

Во-первых, удельная мощность около 7000 Вт / кг. Плотность мощности определяет, насколько быстро элемент может заряжаться и разряжаться. С нынешними литий-ионными батареями мощностью 250-700 Вт / кг, это огромный скачок, и он ставит алюминиево-ионные батареи почти на уровень ультраконденсаторов, которые могут выдавать около 12000-14000 Вт / кг.

Во-вторых, плотность энергии 150–160 Вт · ч / кг, поэтому он несет только около 60 процентов энергии на единицу веса лучших на сегодняшний день коммерческих литий-ионных элементов.

Плотность энергии долгое время была ключевым номером в спецификации аккумуляторов для электромобилей; чем выше плотность энергии, тем больший радиус действия вы можете получить от аккумуляторной батареи. Таким образом, одна только плотность энергии, эта новая батарея GMG не получит второго взгляда от производителя электромобилей.

Но его чудовищная скорость заряда может изменить это, наряду с парой других ключевых преимуществ.По словам GMG, эти устройства могут заряжаться так быстро, что мобильный телефон, работающий на этой алюминиево-ионной технологии, может полностью зарядиться за 1-5 минут. Перенесите эту концепцию в мир электромобилей, и вы смотрите на электромобиль, который проезжает на 60 процентов дальше, чем эквивалентная Tesla на зарядке, но заряжается так чертовски быстро, что запас хода может стать гораздо меньшей проблемой.

Более того, они значительно превосходят литиевые батареи в тестах жизненного цикла, проходя 2000 полных циклов зарядки и разрядки без видимого ухудшения производительности, они чрезвычайно безопасны, с низким потенциалом возгорания и более пригодны для вторичной переработки, чем литиевые батареи. тоже по окончании срока их полезного использования.И да, литий им не нужен. Поскольку около 90 процентов мирового производства и закупок лития проходит через Китай, мировые цепочки поставок определенно уязвимы в торговых спорах.

Еще один козыр в рукаве аккумулятора GMG – выдающиеся тепловые характеристики. Даже когда они заряжаются и разряжаются с огромной скоростью, кажется, что они не перегреваются. «Пока нет проблем с температурой», – сказал управляющий директор GMG Крейг Николь в интервью Forbes. «Двадцать процентов литий-ионной аккумуляторной батареи (в автомобиле) связано с их охлаждением.Очень высока вероятность того, что нам вообще не понадобится ни охлаждение, ни обогрев. Он не перегревается и пока при тестировании неплохо работает при минусовых температурах. Им не нужны контуры для охлаждения или нагрева, которые в настоящее время составляют около 80 кг в батарее 100 кВтч ».

Этот факт меняет уравнение диапазона: если взять батарею 100 кВтч, описанную выше, батарея GMG того же веса будет несут только 60 кВтч. Но если дополнительные 80 кг охлаждающего оборудования не нужны, автомобиль с двигателем GMG может работать с дополнительными 80 кг элементов, что в сумме даст вам 72.8 кВтч, согласно обратной стороне нашего конверта – наряду с значительно более высокой скоростью зарядки, которая в значительной степени может положить конец опасениям относительно дальности.

Это кажется довольно убедительным компромиссом, особенно в отношении батареи, которая вполне может прослужить несколько автомобилей до того, как выйдет на пенсию.

GMG протестировала свою технологию на прототипах плоских аккумуляторов, которые будут разосланы клиентам для дальнейшего тестирования в конце этого года

GMG

Но – а в отношении этих вещей всегда есть «но» – есть и другие соображения.

Один – это зарядная инфраструктура. Мобильные телефоны могут быстро заряжаться, не перегревая электросеть, но электромобили сейчас просто не могут. Нагнетатели Tesla уже перекачивают электроны со скоростью до 250 кВт, что соответствует передаче энергии 60 кВтч примерно за 15 минут. Если вы хотите заряжаться всего в 10 раз быстрее, вам нужно иметь возможность мгновенно подавать 2,5 мегаватта через зарядный кабель.

Для справки, типичная угольная электростанция имеет общую мощность около 600 мегаватт – так что, если бы 240 из этих сверхбыстрых автомобилей заряжались одновременно, они бы мгновенно нагрузили эквивалент электросети. на целую электростанцию.Это заряжается в 10 раз быстрее, чем современные аккумуляторы; GMG заявляет, что он может заряжаться в 60 раз быстрее, чем некоторые элементы.

Таким образом, сверхбыструю зарядку электромобилей определенно будет сложно масштабировать, особенно в связи с тем, что мир движется в сторону возобновляемых источников энергии, а не таких вещей, как уголь и газ, которые могут быстро воспламениться, чтобы удовлетворить всплеск спроса. И даже если бы у зарядных станций был собственный накопитель энергии с быстрой разрядкой на месте, подзарядка от сети с более медленными темпами, вам также понадобился бы чертов кабель от коробки до автомобиля, чтобы так быстро переместить такое количество электронов.

Другой ключевой ингредиент батареи GMG – пористый графен, внутри и вокруг которого распространяются молекулы алюминия в процессе производства GMG. GMG заявляет, что может производить высококачественный графен по низкой цене и в масштабируемых количествах, но не приводит никаких цифр о том, сколько могут стоить эти батареи при массовом производстве. При цене на графен около 100 долларов за грамм, даже «недорогая» версия может оказаться чертовски дорогой.

И последний – график.Как вы наверняка с болью знаете, между испытательным стендом и конечным продуктом обычно есть небольшой разрыв; даже больше, если речь идет об автомобильных компаниях. GMG заявляет, что к концу этого года будет изготавливать прототипы монетных ячеек для очень небольших испытаний заказчиков, с ячейками для мешочков в разработке, но нет никаких указаний на то, когда эти штуки могут появиться на рынке в больших масштабах.

Слева направо: г-н Крейг Никол (GMG), г-н Тимоти Шейве (GMG), д-р Ашок Нанджундан (GMG) и д-р Сяодан Хуанг (AIBN) стоят вокруг, показывая друг другу ячейки с монетами, как будто их попросил фотограф

Университет Квинсленда

Компания не разрабатывала технологию аккумуляторов; Первоначально он был разработан в Университете Квинсленда, а результаты испытаний были опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.

Тем не менее, в игре с батареями нет никаких гарантий, и остается только гадать, будет ли GMG производить эту вещь в больших масштабах по конкурентоспособной цене. Но сама технология определенно кажется многообещающей.

Источники: GMG, Университет Квинсленда через Forbes

Алюминиево-ионный аккумулятор с быстрой зарядкой Возможности Blue Sky | Группа по производству графена (GMG)

Письмо Мидаса

Быстрозарядный алюминиево-ионный аккумулятор Blue Sky Opportunity | Группа по производству графена (GMG)

Воспроизвести эпизод

Эпизод паузы

Выключить / включить эпизод

Перемотка назад на 10 секунд

1x

Быстрая перемотка вперед на 30 секунд

00:00
/

Подписаться
Поделиться

Graphene Manufacturing Group Ltd (CVE: GMG) (OTCMKTS: GMGMF) выпустила аккумулятор нового типа, открывающий перед нами революционные возможности.Батарея, не содержащая обычных продуктов, таких как кобальт, никель или литий. GMG использует чистую технологию путем крекинга метана (природного газа) вместо добычи графита для производства высококачественного недорогого графена, который имеет экологические преимущества при одновременном снижении затрат. Но аккумулятор не только экологически чистый; Он впечатляет: заряжается в 60 раз быстрее, чем современные литий-ионные блоки, он в 80 раз мощнее, но при этом работает намного дольше и не требует охлаждения.

GMG имеет два других продукта, приносящих доход, при этом сосредоточив внимание на использовании своих аккумуляторов в рамках пилотной программы.Пилотный завод должен быть завершен в течение следующих нескольких месяцев, а образцы монет начнут коммерциализировать до конца года.

Система покрытия для кондиционирования воздуха

GMG, уникальный метод улучшения проводимости корродированных поверхностей теплообмена, в ближайшем будущем продвигается к значительным продажам. Его графеновая смазка концентрируется, снижает трение, образуя защитный слой между металлическими поверхностями, имеет громкие имена, заинтересованные в этой технологии.

«Аккумулятор наименее развит, но на самом деле он самый захватывающий, о чем мы больше всего говорим.И это здорово, потому что хорошо иметь этот продукт, у которого действительно почти неограниченные рыночные возможности. Есть еще способ добраться туда, где мы должны быть, но это тоже очень, очень увлекательно. Хорошо, если первые два будут ориентированы на прибыль, а третий – на возможность голубого неба “. – Генеральный директор Graphene Manufacturing Group Крейг Николь

Посмотрите полное интервью, чтобы узнать об алюминиево-ионном аккумуляторе GMG, хорошо финансируемом банковском счете компании и сроках коммерциализации ее аккумуляторов.

Выписка

00:00 – Генеральный директор Graphene Manufacturing Group Крейг Никол
00:46 – Частное размещение 10 миллионов долларов
01:43 – Портфель продуктов
03:43 – Плотность энергии / скорость заряда батареи
05:39 – Товары для производства батареи
06: 44 – Плотность мощности
08:26 – Интернет вещей (IoT)
09:30 – Партнерство и клиенты
11:46 – Запатентованная технология

Статьи по теме

Раскрытие

Midas Letter предоставляется только в качестве источника информации и никоим образом не может быть истолковано как инвестиционный совет.Джеймс Уэст, автор и издатель письма Мидаса, не уполномочен давать советы инвесторам и предоставляет эту информацию только читателям, которым интересно знать, во что он инвестирует и как он принимает такие решения.

Инвестирование в развивающиеся публичные компании сопряжено с высокой степенью риска, и инвесторы в таких компаниях могут потерять все свои деньги. Всегда консультируйтесь с должным образом аккредитованным специалистом по инвестициям в вашей юрисдикции, прежде чем принимать какое-либо инвестиционное решение.

Midas Letter иногда принимает плату за рекламу и спонсорство от публичных компаний, представленных на этом сайте. Джеймс Уэст и / или Midas Letter могут также получить компенсацию от компаний, аффилированных с компаниями, представленными на этом сайте. Джеймс Уэст и / или Мидас Леттер также инвестируют в компании на этом сайте, поэтому читатели должны рассматривать всю информацию на этом сайте как предвзятую.

Алюминиево-ионный аккумулятор с высокой кулоновской эффективностью, в котором используется аналог ионной жидкости AlCl3-мочевина.

Значение

Чтобы уменьшить зависимость человечества от ископаемых видов топлива, необходимо реализовать хранилище возобновляемой энергии в масштабе сети.Для этого требуются дешевые, высокоскоростные и долговечные механизмы хранения энергии. В этой работе представлена разработка алюминиево-ионной батареи, использующей в качестве анода и катода, соответственно, богатые землей алюминий и графит, а также электролит-аналог ионной жидкости, состоящий из AlCl ₃ и мочевины, который является очень дешевым и экологически чистым. Аккумулятор демонстрирует кулоновский КПД ∼99,7% и значительную емкость с катодной емкостью 73 мА г ^-1 при 100 мА г ^-1 (1.4 В).

Abstract

В последние годы впечатляющие достижения в области использования возобновляемых источников энергии привели к острому спросу на дополнительные технологии хранения энергии. Здесь разработана алюминиевая батарея с высокой кулоновской эффективностью (∼99,7%), в которой используется богатый землей алюминий в качестве анода, графит в качестве катода и дешевый ионно-жидкий аналог электролита, изготовленный из смеси AlCl ₃ и мочевины в 1,3-литровом растворе. : 1 молярное соотношение. Батарея показывает плато разрядного напряжения около 1.9 и 1,5 В (средний разряд = 1,73 В), что дало удельную катодную емкость ∼73 мА · ч · г ^-1 при плотности тока 100 мА · г ^-1 (~ 1,4 ° C). Высокая кулоновская эффективность в диапазоне скоростей заряда – разряда и стабильность в течение ~ 150–200 циклов были легко продемонстрированы. Рамановская спектроскопия in situ четко показала интеркаляцию / деинтеркаляцию хлоралюминат-аниона графита (положительный электрод) во время заряда-разряда и предположила образование соединения интеркаляции графита на стадии 2 при полной зарядке.Рамановская спектроскопия и ЯМР предполагают существование анионов AlCl ₄ ^–, Al ₂ Cl ₇ ^– и [AlCl ₂ · (мочевина) _n] ⁺ катионов в AlCl _{. 3} / электролит мочевина, когда присутствует избыток AlCl ₃. Таким образом, осаждение алюминия происходило двумя путями, один с участием анионов Al ₂ Cl ₇ ^–, а другой с участием катионов [AlCl ₂ · (мочевина) _n] ⁺.Эта батарея – многообещающая перспектива для будущего высокопроизводительного и недорогого накопителя энергии.

Дешевые, высокоскоростные (быстрая зарядка / разрядка) аккумуляторные батареи с длительным сроком службы срочно необходимы для хранения возобновляемой энергии в масштабе сети, поскольку становится все более важным заменить ископаемое топливо (1). Литий-ионные батареи (LIB) дороги и имеют ограниченный срок службы, что делает их неидеальными для хранения энергии в масштабе сети. Кроме того, для использования в сети необходима высокоскоростная способность, при которой LIB становятся все более опасными из-за воспламеняемости используемых электролитов.Батареи на основе алюминия представляют собой жизнеспособную альтернативу благодаря трехэлектронным окислительно-восстановительным свойствам алюминия (потенциал для батарей большой емкости), стабильности в металлическом состоянии и очень высокой естественной распространенности. Кроме того, разработка этих аккумуляторов на основе негорючих электролитов с низкой токсичностью имеет решающее значение для минимизации угрозы безопасности и воздействия на окружающую среду. По этой причине ионные жидкости (ИЖ) были исследованы на предмет аккумулирования энергии из-за их низкого давления пара и широких электрохимических окон, к сожалению, с оговоркой о высокой стоимости в большинстве случаев.Новый класс ионных жидкостей, называемых аналогами ионных жидкостей (ILA) или так называемыми глубокими эвтектическими растворителями, обычно образующихся из смеси сильно кислого галогенида металла Льюиса и основного лиганда Льюиса, привлек значительное внимание благодаря их сопоставимым электрохимическим свойствам. и физические свойства при сниженной стоимости и минимальном воздействии на окружающую среду (2). Abood et al. впервые описал ILA, полученный из смеси AlCl ₃ и амидного лиганда, донора кислорода (мочевина или ацетамид), в котором ионы образовывались в результате гетеролитического расщепления AlCl ₃ (Al ₂ Cl ₆ звено ) давая анионы AlCl ₄ ^– и катионы [AlCl ₂ · (лиганд) _n] ⁺, причем последние, как было показано, ответственны за восстановительное осаждение алюминия (3).С тех пор было показано, что многочисленные различные основные лиганды Льюиса образуют ILA при смешивании с AlCl ₃, которые способны к эффективному осаждению алюминия (4–6).

Недавно наша группа разработала систему вторичных алюминиевых батарей, основанную на обратимом осаждении / удалении алюминия на отрицательном алюминиевом электроде и обратимой интеркаляции / деинтеркаляции хлоралюминатных анионов на графитовом положительном электроде в негорючем хлоралюминате 1-этил-3-метилимидазолия. (EMIC-AlCl ₃) Электролит ИЖ (7, 8).Соотношение AlCl ₃ / EMIC = 1,3 моль использовалось таким образом, чтобы Al ₂ Cl ₇ ^– присутствовал в (кислотном) электролите для облегчения осаждения алюминия (9). Во время зарядки Al ₂ Cl ₇ ^– восстанавливается с осаждением металлического алюминия, а ионы AlCl ₄ ^– интеркалируют (для сохранения нейтральности) в графит по мере окисления углерода. Во время разряда эта батарея показала катодную удельную емкость ∼70 мАч g ⁻¹ с кулоновской эффективностью (CE) 97–98% и сверхвысокой скоростью заряда / разряда (до 5000 мА g ⁻¹) для более 7000 циклов.Однако есть возможности для улучшения, поскольку область параметров для алюминиевой батареи остается в значительной степени неизученной. Трехэлектронные окислительно-восстановительные свойства алюминия обеспечивают теоретическую удельную емкость анода 2980 мАч / г, поэтому существует потенциал для гораздо более высокой общей емкости (и удельной энергии) батареи за счет исследования новых материалов катода и электролита (10⇓⇓ –13). Более того, несмотря на то, что 97–98% CE этой батареи выше, чем у большинства водных аккумуляторных систем, все еще есть возможности для улучшения.Современные LIB способны на 99,98% CE (14, 15), эталон, которому должны соответствовать альтернативные аккумуляторные системы. Еще одно соображение заключается в том, что в нашем существующем электролите алюминиевых аккумуляторов используется хлорид 1-этил-3-метилимидазолия (EMIC), что относительно дорого. Немедленно возможные новые электролиты для этой системы могут включать любые, которые способны к обратимому осаждению / растворению алюминия. В этой работе мы исследуем характеристики перезаряжаемой алюминиевой батареи с использованием электролита ILA на основе мочевины, превосходного соединения с точки зрения стоимости (в ~ 50 раз дешевле, чем EMIC) и экологичности.

Результаты и обсуждение

Циклическая вольтамперометрия и гальваностатический заряд / разряд алюминиевой батареи.

Катод батареи был сконструирован с использованием графитового порошка / полимерного связующего, наклеенного на бумажную подложку из углеродного волокна, а анод представлял собой отдельно стоящую алюминиевую фольгу высокой чистоты. Электролит AlCl ₃ / мочевина во время перемешивания поддерживали ниже 40 ° C, чтобы избежать разложения электролита. Остаточные примеси HCl удаляли добавлением алюминиевой фольги при нагревании и вакууме с последующим добавлением дихлорида этилалюминия ( SI Materials and Methods ).На рис. 1 показана циклическая вольтамперограмма (ЦВА) алюминиевого и графитового электродов в электролите AlCl ₃ / мочевина (моль) = 1,3; найденное нами соотношение дает батарею с максимальной емкостью с хорошей стабильностью при работе на велосипеде. Мы наблюдали несколько пиков окисления графита в диапазоне 1,6–2,0 В (относительно Al), в то время как еще один четко выраженный пик появился при ∼2,05 В (рис. 1 A ). Эти процессы, а также соответствующие события восстановления на отрицательной развертке легко коррелировали с гальваностатической кривой заряда-разряда (рис.1 C ) для батареи с загрузкой активного графитового материала ∼5 мг / см ⁻². Окислительно-восстановительные процессы в значительной степени обратимы, но несколько кинетически затруднены, демонстрируя относительно широкие пики (рис. 1 A ), скорее всего, в результате высокой вязкости электролита (3). Осаждение / растворение алюминия (рис. 1 B ) также было довольно обратимым, но для стабилизации требовалось некоторое время цикла (рис. S1). На основе реакции отделения / растворения алюминия и внедрения хлоралюминат-аниона в графит предложены механизмы батареи, схематически проиллюстрированные на рис.1 Д .

Рис. 1.

CV графитового и алюминиевого электродов в электролите AlCl ₃ / мочевина = 1,3 (моль). ( A ) Интеркаляция / деинтеркаляция графита (1 мВ с ^-1) с указанием соответствующих основных характеристик кривой заряда / разряда батареи. ( B ) Осаждение и зачистка алюминия (0,5 мВ с ^-1) с использованием установки с тремя алюминиевыми электродами. Данные записывались в течение пятого цикла, и обычно требовалось несколько циклов для достижения стабильной формы кривой CV (рис.S1). Обратите внимание, что наши тесты CV были выполнены в конфигурации с ячейкой-мешком, с рабочим и противоэлектродом, разделенными стекловолоконной бумагой (которая была насыщена электролитом), так что эти тесты будут представлять собой схему батареи, которую мы использовали. ( C ) Кривая гальваностатического заряда / разряда с использованием AlCl ₃ / мочевина = 1,3 электролита при 100 мА г ^-1 (цикл 20). ( D ) Схема зарядки аккумулятора (осаждение Al и интеркаляция анионов в графите).

Рис. S1.

Изменение плотности тока осаждения / снятия алюминия для первых двух циклов CV с использованием 1.3 = AlCl ₃ / мочевина (моль) при скорости сканирования 1 мВ с ^-1. Обычно требуется несколько циклов для достижения стабильной формы кривой CV для Al электрода.

На рис. 2 показаны данные гальваностатического заряда-разряда для алюминиево-графитового элемента с использованием электролита ILA AlCl ₃ / мочевина. Первоначальный цикл при 100 мА г ^-1 потребовал ~ 5-10 циклов для стабилизации емкости и CE, что предполагает побочные реакции в течение этого времени. CE во время первого цикла постоянно составлял около 90%, а затем (в течение первых 5–10 циклов) увеличивался выше 100% до достижения стабильной емкости (в этот момент CE стабилизировался на уровне ∼99.7%) (рис.2 А ). Явление CE> 100% неизвестно для электролитной системы EMIC-AlCl ₃ (7) и, следовательно, может включать побочные реакции с катионными частицами алюминия или несвязанной мочевиной, что требует дальнейшего изучения. Закрашенная в рамку область на рис. 2 A (увеличена на рис. 2 B ) демонстрирует емкость при различной скорости заряда-разряда с использованием двух различных значений напряжения отсечки (2,2 и 2,15 В, выбранных на основе рисунка 1 A CV результаты), после чего цикл при 100 мА g ^-1 был возобновлен до ~ 180 циклов.В течение этого времени наблюдался небольшой спад CE, но он оставался> 99%. Несмотря на небольшое снижение кулоновской эффективности, энергоэффективность немного увеличилась при циклическом режиме (из-за увеличения КПД по напряжению), давая значения 87,8% и 90,0% при удельных токах 100 мА г ^-1 или 50 мА г ^-1, соответственно. Влияние скорости на гальваностатические кривые заряда-разряда показано на рис. 2. C и разумные емкости ∼75 мАч g ⁻¹, 73 мАч g ⁻¹ и 64 мАч g ⁻¹ были получены при 50 мА г ^-1 (0.67 C), 100 мА g ^-1 (1,4 C) и 200 мА g ^-1 (3,1 C) удельные токи соответственно.

Рис. 2.

Характеристики ионно-алюминиевого аккумулятора в электролите AlCl ₃ / мочевина = 1,3. ( A ) Тест стабильности (после изменения скорости заряда – разряда) до ∼180 циклов (удельный ток 100 мА g ^–1 и верхняя / нижняя отсечка 2,2 В / 1 В). ( B ) Область в штучной упаковке A (циклы 1–80) с различной скоростью заряда / разряда. Циклические области серого цвета изображают 2.2-вольтовая верхняя отсечка; область белого цвета изображает верхнюю границу напряжения 2,15 В. Нижнее пороговое значение составляет 1 В для всех регионов. ( C ) Кривые гальваностатического заряда – разряда для 50, 100 и 200 мА g ^–1, верхняя / нижняя отсечка 2,2 В / 1 В.

Рамановская спектроскопия in situ.

Эксперименты по рамановскому рассеянию in situ во время зарядки / разрядки ( SI Materials and Methods ) были выполнены для исследования изменений в структуре графита во время работы батареи. На рис.3 представлены спектры (рис.3 A и C ), записанные во время заряда / разряда со скоростью 50 мА г ^-1 коррелировали с соответствующими участками кривых гальваностатического заряда / разряда (рис. 3 B и D ). Данные были записаны в 81-м цикле заряда-разряда батареи, без очевидного увеличения D-полосы, связанной с дефектом графита (рис. S2), что свидетельствует о высокой структурной целостности графита за счет циклов интеркаляции / деинтеркаляции хлоралюмината. Сразу после начала процесса зарядки нижнего плато полоса G чистого графита (1584 см ^-1) разделена на ∼20 см ^-1.Это расщепление произошло в результате перегруппировки положительных зарядов на пограничных слоях графита во время интеркаляции. Граничные слои, прилегающие к интеркалянтным слоям, испытали больше положительных зарядов, что привело к большому синему сдвигу полосы E _2g для этих слоев, что привело к появлению двух разных пиков E _2g в целом, внутреннего (i) и внешнего (b) ( Рис.3 A , Врезка ; спектры красные) (16, 17). Основываясь на соотношении интенсивностей этих двух пиков, стадия интеркаляции ( n > 2) в этот момент времени может быть рассчитана на основе следующего уравнения: IiIb = σiσb (n − 2) 2, где σi / σb – отношение сечений комбинационного рассеяния света, принятое равным единице (16).Это начальное расщепление, таким образом, указывает на образование разбавленного интеркалирующего соединения стадии 4–5, и по мере продолжения зарядки два пика постоянно смещаются в синий цвет с увеличением потенциала / емкости батареи. Полоса E _{2g (b)} затем претерпела небольшое расщепление (∼3 см ⁻¹) при 1,94–1,99 В (рис. 3 A , вставка , спектр зеленый). В этот момент вычисленный номер стадии (n) составлял ~ 2,5. Вскоре после этого (при 2,03 В) полоса E _{2g (i)} полностью исчезла.Затем последовало увеличение интенсивности E _{2g (b)} примерно вдвое, прежде чем произошло еще одно большое расщепление (1,619–1632 см, ^–1) в начале верхнего плато (∼2,097 В) (рис. 3 A). , спектры синего цвета). В полностью заряженном состоянии остался только один высокоинтенсивный пик при 1,632 см ^-1, что свидетельствует об образовании соединения интеркаляции графита (GIC) стадии 1 или 2, поскольку ни E _{2g (i)}, ни E _{2g ( б) присутствовало} полос (16).Предполагалось, что GIC 2-го уровня будет зависеть от емкости алюминиевой батареи.

Рис. 3.

Спектры комбинационного рассеяния света графитового электрода, записанные во время заряда ( A ) и разряда ( C ) при 50 мА g ⁻¹. ( Вставки ) Увеличение спектров более низких напряжений, соответствующих полосе G графита E _2g → E _{2g (i)} + E _{2g (b) расщепление} (спектры в красном цвете, соответствующие заштрихованному участку кривые заряда / разряда; спектры зеленого цвета, соответствующие участку кривых заряда / разряда, заштрихованному зеленым цветом).Черный спектр в каждом соответствует напряжению холостого хода = 1 В, полоса G = 1,584 см ^-1. Спектры синего цвета (соответствующие верхнему плато, заштрихованные синим цветом на кривых заряда / разряда) представляют стадию 2 образования / деформации GIC. ( B ) Кривая гальваностатической зарядки (50 мА g ⁻¹), цвет согласован со спектрами комбинационного рассеяния света в A . ( D ) Кривая гальваностатического разряда (50 мА g ⁻¹), цвет согласован со спектрами комбинационного рассеяния света в C .

Рис. S2.

Рамановская спектроскопия in situ во время разряда (50 мА г, ^–1), фокусировка на области D-полосы (1350 см, ^–1). Полоса D не обнаруживается до или после разряда. Это был 81-й цикл клетки.

Последующий процесс разряда отражал процесс заряда, демонстрируя обратимость. Когда начался разряд верхнего плато (2,011 В), наблюдалось небольшое красное смещение на 1 см ⁻¹. Затем эта полоса расщепляется (∼12 см ⁻¹) на полпути через верхнее плато (1.97 В), с новым пиком при 1,619 см ⁻¹. Пик ^-1 на 1,631 см продолжал полностью исчезать, а пик ^-1 на 1,619 см достигал максимума при ∼1,66 В, что означало окончание процесса разрядки / деформации верхнего плато 2-й ступени (рис. 3 C , спектры синего цвета). На полпути через плато более низкого напряжения (1,535 В) произошло второе большое расщепление, и исходный E _{2g (i)} начал снова появляться с уменьшающимся потенциалом (рис.3 C , Вставка ; спектры красным). Вскоре после повторного появления моды E _{2g (i)} произошло еще одно расщепление при 1,525–1,535 В, малом по величине (∼5 см ⁻¹), как это было видно во время процесса зарядки (рис. 3 C). , Врезка, спектры зеленым цветом). Это расщепление, вероятно, соответствовало одному из нескольких редокс-событий с более низким током в этой области, продемонстрированных CV (рис. 1 A ). Конечно, при разряде все полосы смещались в красную область.

Виды в электролите методом рамановской спектроскопии.

Затем мы исследовали состав нескольких электролитов AlCl ₃ / мочевина. В электролите AlCl ₃ / мочевина = 1,0 ILA было высказано предположение (3), что осаждение алюминия должно происходить из катионных частиц формы [AlCl ₂ · (лиганд) _n] ⁺, потому что Al ₂ Cl ₇ ^– отсутствовал, и AlCl ₄ ^– не может быть уменьшен в соответствующем окне напряжения.Мы провели спектроскопию комбинационного рассеяния света пяти электролитов с AlCl ₃ / мочевина в диапазоне 1,0–1,5 (рис. 4 A ). Рамановская спектроскопия ранее использовалась для выявления наличия хлоралюминат-анионов как в ИЖ (18⇓ – 20), так и в ИЛА (21, 22), при этом сдвиги комбинационного рассеяния кажутся довольно инвариантными как в ИЖ, так и в ИЛА с разными катионными частицами. Мы наблюдали характерные рамановские сдвиги AlCl ₄ ^– (311 см ^-1) и Al ₂ Cl ₇ ^– (347 см ^-1) для AlCl ₃ / мочевина> 1 .0. Для электролита AlCl ₃ / мочевина = 1,0 присутствовал только пик ^-1 размером 347 см (AlCl ₄ ^–), что подтверждает отсутствие Al ₂ Cl ₇ ^–. Когда было добавлено больше AlCl ₃ (увеличиваясь до соотношений 1,1, 1,3, 1,4, 1,5), пик при 310 см ^-1 (Al ₂ Cl ₇ ^–) систематически усиливался относительно 347 см ⁻¹, что свидетельствует о существовании Al ₂ Cl ₇ ^–.Кроме того, мы наблюдали менее интенсивные моды Al ₂ Cl ₇ ^–, которые также увеличивались с содержанием AlCl ₃ (рис. 4 B ) (19).

Рис. 4.

Исследование состава электролита. ( A ) Рамановские спектры электролитов AlCl ₃ / мочевина = 1,0, 1,1, 1,3, 1,4, 1,5, нормированные на пик при 347 см ^-1 (AlCl ₄ ^–). ( B ) Увеличение A для выяснения низкоинтенсивных режимов Al ₂ Cl ₇ ^– (154, 310, 380, 428 см ⁻¹), 1.3, 1,4 = AlCl ₃ / спектры электролита мочевина опущены для ясности. ²⁷ Спектры ЯМР Al для ( C ) AlCl ₃ / мочевина = 1,3 по сравнению с AlCl ₃ / EMIC = 1,3 и ( D ) AlCl ₃ / мочевина = 1,0 по сравнению с AlCl ₃ / EMIC = 1.0. Назначения пиков, основанные на работе Coleman et al. (22).

Поскольку Al ₂ Cl ₇ ^– существует в нашем электролите AlCl ₃ / мочевина = 1,3, используемом для алюминиевой батареи, осаждение алюминия, вероятно, происходит двумя путями (3, 9): Реакция отрицательного электрода: 4 Al2Cl7− + 3 e− → Al + 7 AlCl4 -, [1] Реакция отрицательного электрода: 2 [AlCl2 · (мочевина) 2] ++ 3 e− → Al + AlCl4− + 4 (мочевина), [2] где осаждение через катионные разновидности, вероятно, будут доминировать (Ур. 2 ). Во время осаждения алюминия катионные частицы будут мигрировать на алюминиевый электрод, тогда как анионные частицы будут мигрировать на графитовый электрод. Кроме того, осаждение Al из катиона (по формуле 2 ) генерирует свободную мочевину на поверхности алюминиевого электрода, которая, вероятно, вступит в реакцию с некоторым количеством Al ₂ Cl ₇ ^–. Уравнение 2 предполагает, что существует только четырехкоординированный катион, в котором две молекулы мочевины связаны с Al атомом кислорода в мочевине (3).Трехкоординатный катион маловероятен из-за отсутствия индуктивных заместителей у азота мочевины, которые могут позволить ему быть бидентатным, как это видно в случае производных ацетамида (21). Реакция интеркаляции графита остается такой же, как и в корпусе батареи EMIC-AlCl ₃ Al, независимо от процесса удаления алюминия на аноде: Реакция положительного электрода: AlCl4− + Cx− e− → Cx + [AlCl4] -, [3] где x – количество атомов углерода на один интеркалированный анион ( x = 30 на основе емкости 75 мА · ч; ⁻¹ из данных гальваностатического разряда 50 мА · ч; ⁻¹).Удельные энергии, рассчитанные с использованием формул. 1 и 2 составляли 45 Втч кг ^-1 и 76 Втч кг ^-1 соответственно. Эти значения представляют собой верхний предел удельной энергии, поскольку в расчетах не учитывается доля нейтральных частиц, которые обязательно будут сопровождать анионные и катионные частицы в этой жидкости, которая не является на 100% ионной.

Анализ относительных концентраций ионных частиц в электролите.

Мы проанализировали относительные концентрации ионов в электролите, а именно [Al ₂ Cl ₇ ^–] / [AlCl ₄ ^–] и [AlCl ₂ · (мочевина) ₂ ] ⁺ / [Al ₂ Cl ₇ ^–] с использованием отношения интенсивностей пиков комбинационного рассеяния Al ₂ Cl ₇ ^– и AlCl ₄ ^– в электролит (рис.4 А ). Отношение сечений комбинационного рассеяния анионов Al ₂ Cl ₇ ^– и AlCl ₄ ^– было получено для хлорида 1-бутил-3-метилимидазолия (BMIC) / AlCl ₃ (20), и мы использовали это значение для оценки [Al ₂ Cl ₇ ^–] / [AlCl ₄ ^–] = 0,6 и [AlCl ₂ · (мочевина) ₂] ⁺ / [Al ₂ Cl ₇ ^–] = 2.6 (на основе нейтральности заряда) в электролите AlCl ₃ / мочевина = 1,3. Это дополнительно предполагает, что для AlCl ₃ / мочевина = 1,3 в осаждении алюминия будут преобладать катионные частицы, концентрация которых в 2,6 раза превышает концентрацию [Al ₂ Cl ₇ ^–]. Следовательно, верхний предел удельной энергии реальной системы, основанной только на электрохимически активных материалах, будет ближе к 76 Втч кг ^-1.

Мы провели спектроскопию ЯМР ²⁷ Al и обнаружили частицы Al (23, 24), соответствующие хлоралюминат-анионам и координированному с мочевиной катиону в электролитах (рис.4 C и D ). Фиг. 4 C и D сравнивают спектры ЯМР ²⁷ Al ИЛК AlCl ₃ -мочевины с ИЖ AlCl ₃ -EMIC при соответствующих молярных соотношениях. Спектр электролита AlCl ₃ / EMIC = 1.0 показал единственный пик, соответствующий аниону AlCl ₄ ^– (δ = 101,8 м.д.) (рис. 4 D ). Однако спектр электролита AlCl ₃ / мочевина = 1,0 показал четыре резонанса: 52.7 частей на миллион ([AlCl ₃ · (мочевина) ₂]), 71,8 частей на миллион ([AlCl ₂ · (мочевина) ₂] ⁺), 88,0 частей на миллион ([AlCl ₃ · (мочевина )]) и 101,5 частей на миллион (AlCl ₄ ^–) – расчеты, основанные на работе Coleman et al. (22). Резонанс при 52,7 м.д. был широким и низкой интенсивностью и четко показан на рис. S3. В электролите AlCl ₃ / EMIC = 1,3 система полностью ионна с AlCl ₄ ^– (δ = 101,8 ppm) и Al ₂ Cl ₇ ^– (δ = 96.7 ppm), являясь доминирующим видом при соотношении 1,3. В электролите AlCl ₃ / мочевина = 1,3 спектр демонстрирует гораздо более широкую (вероятно, из-за химического обмена (22)) характеристику, чем у AlCl ₃ / EMIC = 1,3, охватывая область, соответствующую анионному AlCl ₄ ^–, Al ₂ Cl ₇ ^– и катионные частицы [AlCl ₂ · (мочевина) ₂] ⁺, что согласуется с наличием этих ионов в электролите (рис.4 С ). Деконволюция этого широкого резонанса была проведена, чтобы попытаться количественно оценить различные виды, но из-за возникших трудностей результаты не рассматривались для обсуждения.

Рис. S3.

Алюминий (²⁷ Al) Спектр ЯМР AlCl ₃ / мочевина = 1.0. Увеличение при 52,7 ppm ([AlCl ₃ · (мочевина) ₂]), чтобы показать широкий резонанс низкой интенсивности.

SI Материалы и методы

Приготовление AlCl

₃-Мочевина ILA (1,3 = AlCl ₃ -Мочевина моль) Аккумуляторный электролит.

Два грамма мочевины (VWR, 99,9% сверхчистой, тщательно высушенной для удаления воды) и 5,77 г безводного AlCl ₃ (Fluka, ≥99%, кристаллизованный) добавляли небольшими порциями в стеклянный сцинтилляционный флакон объемом 20 мл под водой. постоянное магнитное перемешивание и термоэлектрическое охлаждение (∼5 ° C) для образования однородной жидкости. Добавляли алюминиевую фольгу (~ 1 г) и электролит нагревали до 60 ° C в вакууме в течение ~ 1 часа, после чего 3,2 г электролита удаляли в чистый сосуд и добавляли две капли EtAlCl ₂.После перемешивания в течение ~ 1 ч электролит еще раз помещали под вакуум до полного прекращения образования пузырьков.

Измерения ЯМР.

Используя спектрометр UI300 на 300 МГц, были записаны спектры ЯМР ²⁷ Al (64 сканирования, время сбора данных 0,5 с) относительно 1,1 M Al (NO ₃) ₃ в D ₂ O. Все спектры были записаны для чистых образцов без затвора, а температура была откалибрована по метанолу (± 1 ° C).

Рамановские измерения (ILA).

Чистые образцы 1,0, 1,1, 1,3, 1,4 и 1,5 = AlCl ₃ / моль мочевины (без EtAlCl ₂) помещали в прозрачный пластиковый пакет и снимали спектры (1,250–1800 см ^-1) с помощью лазера Ar ⁺ (532 нм) с 0,8 см ^-1.

Электрохимические измерения (включая конструкцию батареи).

Все ячейки были изготовлены в ламинированных алюминием футлярах для ячеек (MTI, EQ-alf-100-210). Алюминиевая фольга (Zhongzhoulvye Co., Ltd., 0.016 мм), никелевый язычок 3 мм (MTI, EQ-PLiB-NTA3), графитовый порошок (GP) (Ted Pella, 61–302 SP-1, натуральная чешуйка), углеродная лента (Ted Pella, 16073), альгинат натрия ( Sigma), связующее (альгинат натрия), углеродная волокнистая бумага Mitsubishi (CFP) (30 г / м ²) и фильтровальная бумага из стекловолокна (Whatman GF / A).

Аккумуляторы.

Суспензии графита (95-5 = GP-Alg по массе) были приготовлены с использованием 950 мг GP, 50 мг связующего альгината натрия и 2–3 мл дистиллированной воды. После перемешивания в течение ночи ∼5 мг / см ² (∼7.5 мг всего) загружали на CFP, и электрод прокаливали при 80 ° C в вакууме в течение ночи. Для изготовления ячейки-мешка в качестве токоприемника использовалась никелированная пластина, которую затем можно было запечатать при нагревании. Алюминиевая фольга была достаточно тонкой, чтобы обеспечить эффективную термосварку от полимерного покрытия на ячейке пакета, а для усиления уплотнения снаружи пакета использовалась быстросохнущая эпоксидная смола. Все детали внутри пакета фиксировались углеродной лентой, которая подвергалась воздействию электролита. Частично собранную ячейку сушили в течение ночи при 80 ° C под вакуумом и переносили в перчаточный ящик, где находились два слоя разделителя из стекловолоконной фильтровальной бумаги (предварительно высушенные при 250 ° C) и 1.Вводили 5 г 1,3 = AlCl ₃ -мочевины на моль электролита.

Измерения гальваностатического заряда / разряда проводились вне перчаточного бокса.

CV.

Циклические измерения вольтамперометрии были выполнены на потенциостате / гальваностате модели CHI 760D (CH Instruments). Графитовые электроды были приготовлены на CFP с использованием графитовой суспензии, которая была разбавлена примерно в 1000 раз таким образом, что осаждались количества суспензии в микрограммах (невозможно было точно взвесить). Алюминиевые электроды перед использованием промывали ацетоном и осторожно протирали кимвипом.Конфигурации мешочных ячеек использовались с тремя электродами, а один слой стекловолоконной бумаги использовался в качестве разделителя. EtAlCl ₂ сочли ненужным для измерений CV.

Реакции растворения / осаждения алюминия анализировали с использованием трех алюминиевых электродов (рабочий ∼20 мм ², счетчик ∼3 см ², контрольный ∼1 см ²). Интеркаляция / деинтеркаляция анионов из графита была проанализирована в идентичной конфигурации, за исключением того, что на рабочем электроде CFP была нагрузка в микрограммах (~ 3 см ²).

Рамановские измерения на месте.

Рамановские ячейки in situ были сконструированы в ячейке мешка с кварцевым окном для получения оптического доступа. Гальваностатический заряд / разряд выполнялся в течение ∼80 циклов при 100 мА g ⁻¹, чтобы обеспечить нормальное поведение батареи, затем при 50 мА g ⁻¹ (∼0,66 C) во время записи спектров (время сбора данных 2 с, пять сканирований) на каждое изменение на 0,01 В. Выбранные спектры были выбраны для рис. 3.

Заключение

Высокоэффективная батарея, которая стабильна в течение ~ 180 циклов и при различных скоростях заряда-разряда с использованием анода из Al, катода из графитового порошка и дешевого AlCl ₃ / электролит, аналог ионной жидкости мочевины, был успешно создан.Интеркаляция / деинтеркаляция графита во время зарядки / разрядки была подтверждена in situ рамановскими экспериментами, и наблюдалась стадия 2 GIC. Обратимость процесса была подтверждена восстановлением полосы G при 1584 см ^-1 без наблюдаемого увеличения интенсивности D-полосы. Рамановская спектроскопия и ЯМР ²⁷ Al электролита показали присутствие AlCl ₄ ^–, [AlCl ₂ · (мочевина) _n] ⁺ и Al ₂ Cl ₇ ^– ионных форм в электролите.

Будущие перспективы алюминиевых аккумуляторов на основе электролита AlCl ₃ / мочевина многообещающие и заслуживают дальнейшего изучения. Высокая кулоновская эффективность батареи предполагает длительную цикличность, но это (в идеале тысячи циклов) необходимо продемонстрировать. Изобилие земли и низкая стоимость компонентов этой батареи делают ее очень привлекательным вариантом для использования в больших масштабах, а ее относительно низкая удельная энергия (по сравнению с LIB) приемлема для немобильных накопителей энергии.Емкость этой батареи заметно менее впечатляющая, чем у аккумуляторной системы на основе EMIC, из-за более высокой вязкости и более низкой проводимости / ионности электролита, но должна иметь место для дальнейшего улучшения. Несмотря на то, что эта работа представляет собой удовлетворительный шаг вперед, исследование многочисленных комбинаций электролитов и электродных материалов остается широко открытым для дальнейшего развития алюминиевых батарей для достижения сверхвысокого соотношения удельная энергия / стоимость.

Благодарности

H.Д. благодарит за поддержку Министерство энергетики США DOE DE-SC0016165. Б.-Дж.Х. благодарит за поддержку Глобального плана сетевых талантов 3.0 (NTUST 104DI005) Министерства образования Тайваня. М.-К.Л. благодарит за поддержку проекта ученых Тайшань для молодых ученых провинции Шаньдун, Китай.

Сноски

Вклад авторов: M.A. и H.D. спланированное исследование; M.A., C.-J.P., Y.R., C.Y. и M.-C.L. проведенное исследование; M.A. предоставил новые реагенты / аналитические инструменты; М.A., B.-J.H. и H.D. проанализированные данные; и M.A. и H.D. написал газету.
Рецензенты: G.Z.C., Ноттингемский университет; и X.L., Тихоокеанская Северо-Западная национальная лаборатория.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Эта статья содержит вспомогательную информацию на сайте www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.1619795114/-/DCSupplemental.

Монокристаллический и иерархический VSe2 как катод алюминиево-ионной батареи

Алюминиево-ионные батареи (AIB) с высокой безопасностью, низкой стоимостью и богатыми ресурсами рассматриваются как многообещающие кандидаты для устранения частичной нехватки ресурсов литий-ионных аккумуляторов.Однако отсутствие подходящего катодного материала с высокой емкостью и хорошими характеристиками цикличности затрудняет их применение в электронных устройствах. В этой работе собрана новая алюминий-ионная батарея с иерархическим катодом диселенида ванадия (VSe ₂ ) на основе ионно-жидкого электролита 1-этил-3-метилимидазолийхлорид ([EMIm] Cl) / AlCl ₃ . Кирпичоподобный VSe ₂ может быть успешно синтезирован простым гидротермальным методом.Как катод AIB, VSe ₂ обеспечивает два очевидных плато разрядного напряжения ∼1,2 В и ∼0,6 В по сравнению с Al / AlCl ₄ ^– . Начальная удельная разрядная емкость составляет 650 мА ч г ^-1 при плотности тока 100 мА г ^-1 , а обратимая емкость составляет около 50 мА ч г ^-1 с кулоновский КПД около 94% после 100 циклов.Кроме того, подтвержден механизм накопления энергии VSe ₂ в алюминиево-ионных батареях.

У вас есть доступ к этой статье

Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуйте снова?

Этот графеновый алюминиево-ионный аккумулятор заряжается в 70 раз быстрее, чем литий-ионный аккумулятор

Graphene Manufacturing Group (GMG) из Брисбена создает более экологичные аккумуляторы со сверхбыстрой зарядкой и сроком службы до трех раз дольше, чем у литий-ионных аккумуляторов, с использованием технологии, разработанной в Университете Квинсленда (UQ).Это графеновые алюминиево-ионные батареи, литий не требуется.

GMG недавно котируется на канадской бирже TSX Venture Exchange и будет производить прототипы аккумуляторов для телефонов, ноутбуков, часов, электромобилей (EV) и сетевых хранилищ в рамках исследовательского соглашения с учеными UQ из Института биоинженерии и нанотехнологий (AIBN).

Профессор Роуэн сказал:

Испытания показали, что срок службы аккумуляторных ионно-алюминиевых графеновых батарей в три раза больше, чем у литиево-ионных аккумуляторов, а более высокая удельная мощность означала, что они заряжались до 70 раз быстрее.Кроме того, батареи можно перезаряжать на большее количество циклов без ухудшения характеристик и их легче перерабатывать, что снижает вероятность утечки вредных металлов в окружающую среду.

Это изобретение, созданное на основе нанотехнологий, может снизить опасения по поводу дальности, быстрой зарядки и повторного использования. Это может быть даже вес, который склоняет чашу весов в пользу быстрого массового внедрения электромобилей во всем мире. И он обеспечивает лучшую производительность без проблем с охлаждением, нагревом или редкоземельными элементами, с которыми сталкиваются литий-ионные.

GMG планирует вывести на рынок свои графеновые алюминиево-ионные монетные элементы в конце 2021 или в начале 2022 года, а автомобильные ячейки должны появиться в начале 2024 года. Еще не заключила сделку на поставку с крупным производителем, но компания сказал:

Сначала мы выведем на рынок монетную ячейку. Он заряжается менее чем за минуту и имеет в три раза больше энергии, чем литий. Мы еще не связаны с крупными брендами, но это может войти в Apple iPhone и зарядить его за секунды.

(Кредит: GMG)

В экспериментах, проведенных учеными AIBN в UQ, прототипы плоских аккумуляторов показали следующие ключевые показатели производительности:

Плотность мощности около 7000 Вт / кг. (Плотность мощности определяет, насколько быстро элемент может заряжаться и разряжаться. Для сравнения, нынешние литий-ионные батареи находятся в диапазоне 250-700 Вт / кг, а ультраконденсаторы выдают около 12 000-14 000 Вт / кг.)
Плотность энергии 150–160 Втч / кг, 60% энергии на единицу веса лучших на сегодняшний день коммерческих литий-ионных элементов.(Чем выше плотность энергии, тем больший радиус действия вы можете получить от аккумуляторной батареи.)

Первый из двух ключевых показателей производительности, чудовищный уровень заряда, является настоящим поворотным моментом для производителя электромобилей.

Крейг Никол, управляющий директор GMG, сказал в интервью Forbes:

Он меняется так быстро, что это, по сути, суперконденсатор. Он заряжает монетный элемент менее чем за 10 секунд.
И пока проблем с температурой нет.Двадцать процентов литий-ионной аккумуляторной батареи (в автомобиле) связано с их охлаждением. Очень высока вероятность того, что нам вообще не понадобится ни охлаждение, ни обогрев. Он не перегревается, при тестировании пока нормально работает при минусовых температурах. Им не нужны контуры для охлаждения или обогрева, которые в настоящее время составляют около 80 кг в упаковке 100 кВт / ч.

Это означает, что в конверте есть дополнительные 80 кг места для добавления дополнительных ячеек.

Производители могут даже индустриализировать новую технологию ячеек, чтобы она могла поместиться в существующие литий-ионные корпуса.

Никол (продолжение):

У нас будет такая же форма и напряжение, как у нынешних литий-ионных элементов, или мы можем придать любую форму, которая потребуется. Это прямая замена, которая заряжается так быстро, что это, по сути, суперконденсатор. Некоторые литий-ионные элементы не могут работать более 1,5–2 ампер, или вы можете взорвать аккумулятор, но наша технология не имеет теоретических ограничений.

Справа налево: д-р Сяодан Хуанг (AIBN), д-р Ашок Нанджундан (GMG), г-н Тимоти Шейве (GMG) и г-н.Крейг Никол (GMG) с монетными ячейками. (Источник: Университет Квинсленда)

Однако есть загвоздка – инфраструктура зарядки. Для иллюстрации:

Нагнетатели Tesla перекачивают электроны со скоростью до 250 кВт – это передача энергии в 60 кВтч примерно за 15 минут. Если вы хотите заряжать только в десять раз быстрее (а не те 70, которые, как утверждают, может справиться новая батарея), то точка зарядки должна немедленно подать 2,5 мегаватта на зарядный кабель.
Таким образом, если одновременно подключить 240 электромобилей, оснащенных этими батареями со сверхбыстрой зарядкой, они мгновенно увеличат нагрузку на энергосистему, равную мощности электростанции.Стандартная угольная электростанция имеет максимальную мощность около 600 мегаватт. И здесь мы приводим пример угольной электростанции, потому что она может работать для удовлетворения всплесков спроса лучше, чем возобновляемые источники энергии (если у них нет накопителей энергии с быстрой разрядкой на месте).
Кроме того, кабель от точки зарядки до автомобиля должен быть очень большим, чтобы перемещать столько электронов с такой скоростью.

Подготовить нашу инфраструктуру к работе с автомобилями с быстрой зарядкой – это колоссальная задача.Тем не менее, это не невозможно – технологии доступны.

Собирается ли алюминий произвести революцию в хранении энергии? Или его свойства просто соблазняют нас?

В октябре прошлого года крупная компания по производству аккумуляторов обратилась ко мне с просьбой о выполнении проекта, связанного с батареями на основе алюминия. Они были знакомы с нашей работой по химии щелочного Zn-MnO ₂ и литий-ионных аккумуляторов и думали, что некоторые из подходов, которые мы принимали для повышения плотности энергии в этих системах, могут быть применены к Al, первичному (неперезаряжаемому) или вторичный (аккумуляторный).Будучи хорошими учеными и инженерами, я и мои ученики (Эхсан Фаег, Бенджамин Нг и Диллон Хейман) начали работать с соответствующей литературой с мыслями о том, чтобы найти для нас подходящую нишу, чтобы начать разработку некоторых новых концепций, связанных с Al. Хотя к нам приходили новые идеи, мы никогда не пытались заставить компанию их финансировать. Фактически, когда я посетил эту компанию пару месяцев спустя, я провел 2-часовой семинар (плюс вопросы и ответы), на котором аргументировалось, почему им вообще не следует инвестировать в Al. После дополнительной работы – постоянного сотрудничества с Эхсаном, Беном и Диллоном в течение следующих нескольких месяцев над анализом и написанием – эта презентация стала нашей статьей в Nature Energy [1].Я чувствовал, что мы обязаны связаться с сообществом и рассказать всем, что мы нашли.

Я всегда гордился тем, что получил звание «Инженер». В некоторых кругах инженерия превратилась в «четырехбуквенное слово», если вы понимаете, о чем я. Я выбрал инженерию, потому что мне нравится делать реальные вещи, которые работают. Вот почему многие из наших лучших статей так ориентированы на приложения. Вот почему я люблю работать с индустрией – как над проектами, так и над консалтингом. Именно поэтому мне всегда очень любопытен финал с любой из технологий, над которыми мы работаем.Что мы пытаемся сделать? Что вообще возможно? Не только теоретически, но и практически.

Одна из вещей, которая была мне ясна, когда мы копались в литературе по Al и недавно финансируемых проектах, заключалась в том, что почти все (исследователи, финансирующие агентства и т. Д.) Были опьянены обещаниями сверхвысокой емкости (2981 мАч / г). ) и плотности энергии (4140 Вт · ч / кг) для металлического Al. Это не ново. Ал был исследован как материал электрода батареи буквально 170 лет. Краткое описание этого развития показано на рисунке 1.Однако ни одна батарея даже близко не подошла к указанным выше показателям емкости и плотности энергии в лабораторной ячейке, не говоря уже о практической. И путь вперед довольно неясен.

В водных батареях Al либо быстро корродирует, либо катастрофически пассивируется. В неводных элементах, например, с ионно-жидкими электролитами, используемыми в алюминиево-ионных батареях (AIB), комплексы Al в электролите и общая реакция не дают 3 электрона на атом Al, что предполагается в больших числах выше, но фактически получает только 3 электрона на каждые 8 атомов алюминия.Большая часть дополнительного Al не является твердым веществом, а растворяется в электролите, что означает гораздо больший вес и объем, чем «теоретический». Кроме того, в этих AIB обычно используются графитовые катоды, которым требуется много атомов C на Al, что увеличивает массу. Комбинация массы электролита и массы катода (в дополнение к другим практическим вещам, таким как упаковка и т. Д.) Значительно снижает достижимую плотность энергии до значений, близких к 50 Втч / кг. И истинный предел, если учесть все практические компоненты, составляет всего около 80 Втч / кг.Хотя эти значения могут быть конкурентоспособными со свинцово-кислотными аккумуляторами, они вообще не могут конкурировать с литий-ионными аккумуляторами. И первичные химические соединения, которые существуют на основе алюминиевых воздушных батарей (AAB), также смогли достичь практической плотности энергии значительно ниже 100 Втч / кг, что намного ниже щелочных и LiFeS ₂ первичных компонентов, которые мы уже можем купить в аптеке. Еще один аспект, в котором батареи на основе алюминия вышли из строя, – это срок их службы. Современные химические продукты имеют очень низкую долговременную стабильность при хранении и хранении.

Я надеюсь, что однажды кто-нибудь заставит меня съесть эти слова, но с того места, где я стою, батареи на основе алюминия – это просто мечта. Их свойства весьма заманчивы, но это только заставляет нас изо всех сил стараться не отпускать их. Поэтому в ближайшее время вы не увидите, как моя группа работает над ними. Мне трудно представить, как какой-либо из существующих подходов вывести из нашей лаборатории в ваш дом. Для меня, чтобы ошибаться, и это уже случалось раньше, для тех, кто будет настаивать в этой области, необходимо полностью переосмыслить химию, и, надеюсь, наша статья также побуждает их критически относиться ко всей клетке, а не только к привлекательности. одной из реакций.

Рисунок 1. Историческое развитие алюминиевых батарей: (a) ссылка [2-3] (b) ссылка [4] (c) ссылка [5] (d) ссылка [6] (e) ссылка [7] (f ) ссылка [8] (g) ссылка [9] (h) ссылка [10] (i) ссылка [11] (j) ссылка [12] (k) ссылка [13]. Кредит: Ehsan Faegh

Список литературы

1. Faegh, E; Ng, B .; Хейман Д., Мастейн В.Е. Практическая оценка эффективности технологий алюминиевых батарей. Nature Energy, DOI: 10.1038 / s41560-020-00728-y.
2. Ричардс Дж. У. Алюминий: его история, возникновение, свойства, металлургия и применение, включая его сплавы.HC Baird & Company: 1890.
3. Бенджамин П., Гальваническая ячейка: ее конструкция и ее емкость. Wiley: 1893.
4. Heise, G.W .; Шумахер, Э. А .; Кахун, Н., Сверхмощная хлор-деполяризованная клетка. Журнал Электрохимического общества, 1948, 94 (3), 99-105
5. Сарджент, Д. Э., Вольтовская ячейка. Google Patents: 1951
6. Заромб С. Использование и поведение алюминиевых анодов в щелочных первичных батареях. Журнал Электрохимического общества 1962, 109 (12), 1125-1130.
7. Gifford, P .; Палмизано Дж. Перезаряжаемый элемент алюминий / хлор, в котором используется электролит из расплавленной соли при комнатной температуре. Журнал Электрохимического Общества 1988, 135 (3), 650-654
8. Jayaprakash, N .; Das, S .; Арчер Л. Перезаряжаемый алюминиево-ионный аккумулятор. Chemical Communications 2011, 47 (47), 12610-12612
9. Lin, M.-C .; Гонг, М .; Лу, Б .; Wu, Y .; Wang, D.-Y .; Guan, M .; Angell, M .; Chen, C .; Yang, J .; Хван Б.-Дж., Сверхбыстрая перезаряжаемая алюминий-ионная батарея.Nature 2015, 520 (7547), 324
10. Song, Y .; Jiao, S .; Tu, J .; Wang, J .; Liu, Y .; Jiao, H .; Мао, X .; Guo, Z .; Фрай, Д. Дж., Долговечный перезаряжаемый ионно-алюминиевый аккумулятор на основе расплавленных солей. Journal of Materials Chemistry A 2017, 5 (3), 1282-1291
11. Pino, M .; Chacón, J .; Fatás, E .; Окон, П., Характеристики коммерческих алюминиевых сплавов в качестве анодов в алюминиево-воздушных батареях с гелевым электролитом. Journal of Power Sources 2015, 299, 195-201
12. Гельман, Д .; Шварцев Б .; Валлуотер, И.; Kozokaro, S .; Фидельский, В .; Sagy, A .; Oz, A .; Балтянский, С .; Цур, Ю .; Эйн-Эли, Ю., Граница раздела алюминий-ионная жидкость, поддерживающая прочный алюмо-воздушный аккумулятор. Journal of Power Sources 2017, 364, 110-120
13. Wang, S .; Jiao, S .; Tian, D .; Chen, H. S .; Jiao, H .; Tu, J .; Liu, Y .; Фанг, Д. Н., Новая сверхбыстрая многоионная аккумуляторная батарея. Дополнительные материалы 2017, 29 (16), 1606349