Хімічні реакції алюмінієвої повітряному акумуляторах. Повітряно-алюмінієва батарея використовує солону воду для зарядки. Комбіновані джерела струму

Хімічні джерела струму зі стабільними і високими питомими характеристиками - одне з найважливіших умов розвитку засобів зв'язку.

В даний час потреба користувачів електроенергії для засобів зв'язку покривається, в основному, за рахунок застосування дорогих гальванічних елементів або акумуляторів.

Акумулятори є відносно автономними джерелами електроживлення, оскільки потребують періодичного заряді від мережі. Зарядні пристрої, що застосовуються для цієї мети, мають високу вартість і не завжди здатні забезпечити сприятливий режим заряду. Так, акумулятор Sonnenschein, виготовлений за технологією dryfit і має масу 0,7 кг, а ємність 5 А · год, заряджається протягом 10 годин, причому при заряді необхідно дотримуватися нормативні значення струму, напруги і часу заряду. Заряд проводиться спочатку при постійному струмі, Потім при постійній напрузі. Для цього застосовуються дорогі зарядні пристрої з програмним управлінням.

Абсолютно автономними є гальванічні елементи, але вони, як правило, мають низьку потужність і обмежену ємність. Після вичерпання закладеної в них енергії вони утилізуються, забруднюючи навколишнє середовище. Альтернативою сухим джерел є повітряно-металеві механічно акумуляторні джерела, деякі енергетичні характеристики яких наведені в таблиці 1.

Таблиця 1 - Параметри деяких електрохімічних систем

Електро-хімічна система	теоретичні параметри		Практично реалізовані параметри
		Питома енергія, Вт · год / кг	Напруга, В	Питома енергія, Вт · год / кг
Повітряно-алюмінієва
Повітряно-магнієва
Повітряно-цинкова
Нікель-металгідридна
Нікель-кадмієві
Марганцево-цинковий
Марганцево-літієва

Як видно з таблиці, повітряно-металеві джерела, в порівнянні з іншими широко вживаними системами, мають найбільші теоретичними і практично реалізованими енергетичними параметрами.

Повітряно-металеві системи були реалізовані значно пізніше, а їх розробка досі ведеться менш інтенсивно, ніж джерел струму інших електрохімічних систем. Однак випробування дослідних зразків, створених вітчизняними та іноземними фірмами, показали їх достатню конкурентоспроможність.

Показано, що сплави алюмінію і цинк можуть працювати в лужних і сольових електролітах. Магній - лише в сольових електролітах, причому його інтенсивне розчинення йде як при генеруванні струму, так і в паузах.

На відміну від магнію алюміній в сольових електролітах розчиняється лише при генеруванні струму. Для цинкового електрода найбільш перспективні лужні електроліти.

Повітряно-алюмінієві джерела струму (Ваит)

На основі алюмінієвих сплавів створені механічно акумуляторні джерела струму з електролітом на основі кухонної солі. Ці джерела абсолютно автономні і можуть використовуватися для електроживлення не тільки засобів зв'язку, а й для заряду акумуляторів, живлення різної побутової апаратури: радіоприймачів, телевізорів, кавомолок, електродрилів, світильників, електрофенов, паяльників, малопотужних холодильників, відцентрових насосів та ін. Абсолютна автономність джерела дозволяє використовувати його в польових умовах, в регіонах, що не мають централізованого електропостачання, в місцях катастроф і стихійних лих.

Заряд Ваит проводиться протягом лічених хвилин, які необхідні для заливки електроліту і / або заміни алюмінієвих електродів. Для заряду потрібна лише кухонна сіль, вода і запас алюмінієвих анодів. В якості одного з активних матеріалів використовується кисень повітря, який відновлюється на катодах з вуглецю і фторопласта. Катоди досить дешеві, забезпечують роботу джерела протягом тривалого часу і, тому мають незначний вплив на вартість енергії, що генерується.

Вартість електроенергії, одержуваної в Ваит, визначається, в основному, лише вартістю періодично замінних анодів, в неї не включається вартість окислювача, матеріалів і технологічних процесів, Що забезпечують працездатність традиційних гальванічних елементів і, тому, вона в 20 разів нижче вартості енергії, одержуваної від таких автономних джерел як лужні марганцево-цинкові елементи.

Таблиця 2 - Параметри повітряно-алюмінієвих джерел струму

Тип батареї	Марка батареї	число елементів		Маса електроліту, кг	Ємність по запасу електроліту, А · год	Маса комплекту анодів, кг	Ємність по запасу анодів, А · год	Маса батареї, кг
занурювані
заливаються

Тривалість безперервної роботи визначається величиною споживаного струму, об'ємом залитого в елемент електроліту і становить 70 - 100 А · год / л. Нижня межа визначається в'язкістю електроліту, при якій можливий його вільний злив. Верхня межа відповідає зниженню характеристик елемента на 10-15%, проте за його досягненні для видалення електролітній маси необхідно застосування механічних пристроїв, Які можуть пошкодити кисневий (повітряний) електрод.

В'язкість електроліту зростає в міру його насичення суспензією гідроксиду алюмінію. (Гідроксид алюмінію зустрічається в природі у вигляді глини або глинозему, є прекрасним продуктом для виробництва алюмінію і може бути повернутий у виробництво).

Заміна електроліту здійснюється в лічені хвилини. З новими порціями електроліту Ваит може працювати до вичерпання ресурсу анода, який при товщині 3 мм складає 2,5 А · год / см 2 геометричній поверхні. Якщо аноди розчинилися, їх протягом декількох хвилин замінюють новими.

Саморозряд Ваит дуже малий, навіть при зберіганні з електролітом. але в силу того, Що Ваит в перерві між розрядами може зберігатися без електроліту - його саморазряд нікчемний. Ресурс роботи Ваит обмежений терміном служби пластмаси, з якої він виготовлений Ваит без електроліту може зберігатися до 15 років.

Залежно від вимог споживача Ваит може бути модифікований з урахуванням того, що 1 елемент має напругу 1 В при щільності струму 20 мА / см 2, а струм знімається з Ваит визначається площею електродів.

Проведені в МЕІ (ТУ) дослідження процесів, що протікають на електродах і в електроліті, дозволили створити два типи повітряно-алюмінієвих джерел струму - заливаються і занурюються (табл. 2).

заливаються Ваит

Заливаються Ваит складаються з 4-6 елементів. Елемент заливається Ваит (рис. 1) являє собою прямокутну ємність (1), в протилежних стінках якої встановлено катод (2). Катод складається з двох частин, електрично з'єднаних в один електрод шиною (3). Між катодом розташовується анод (4), положення якого фіксується напрямними (5). Конструкція елемента, запатентованого авторами / 1 /, дозволяє зменшити негативний вплив утворюється в якості кінцевого продукту гідроксиду алюмінію, за рахунок організації внутрішньої циркуляції. З цією метою елемент в площині, перпендикулярній площині електродів, розділений перегородками на три секції. Перегородки виконують також роль напрямних анод полозків (5). У середній секції розташовуються електроди. Виділяються під час роботи анода бульбашки газу піднімають разом з потоком електроліту суспензія гідроксиду, який опускається на дно в двох інших секціях елементу.

Малюнок 1 - Схема елемента

Підведення повітря до катодам в Ваит (рис. 2) здійснюється через зазори (1) між елементами (2). Крайні катоди захищені від зовнішніх механічних впливів бічними панелями (3). Непроліваемость конструкції забезпечується застосуванням швидко знімається кришки (4) з прокладкою ущільнювача (5) з пористої гуми. натяг гумової прокладки досягається притисненням кришки до корпусу Ваит і фіксацією її в цьому стані за допомогою пружинних фіксаторів (на малюнку не показані). Скидання газу здійснюється через спеціально розроблені пористі гідрофобні клапани (6). Елементи (1) в батареї з'єднані послідовно. Пластинчасті аноди (9), конструкція яких розроблена в МЕІ, мають гнучкі струмознімання з елементом роз'єму на кінці. Роз'єм, відповідна частина якого з'єднана з блоком катодів, дозволяє швидко від'єднувати і приєднувати анод при його заміні. При приєднанні всіх анодів елементи Ваит з'єднуються послідовно. Крайні електроди з'єднані з борною (10) Ваит також за допомогою роз'ємів.

1 повітряний зазор, 2 - елемент, 3 - захисна панель, 4 - кришка, 5 - катодна шина, 6 - прокладка, 7 клапан, 8 - катод, 9 - анод, 10 - Борн

малюнок 2 - заливати Ваит

занурюваний Ваит

Занурюваний Ваит (рис. 3) являє собою вивернутий навиворіт заливається Ваит. Катоди (2) розгорнуті активним шаром назовні. Ємність елемента, в яку заливався електроліт, ділиться на дві перегородкою і служить для роздільної подачі повітря до кожного катода. У зазорі, через який подавався до катодам повітря, встановлений анод (1). Ваит же активується НЕ заливанням електроліту, а зануренням в електроліт. Електроліт попередньо заливається і зберігається в перерві між розрядами в баку (6), який розділений на 6 не пов'язаних між собою секцій. Як бака використовується моноблок акумулятора 6СТ-60ТМ.

1 - анод, 4 - катодний камера, 2 - катод, 5 - верхня панель, 3 - полозок, 6 - електролітний бак

малюнок 3 - Занурюваний повітряно-алюмінієвий елемент в панелі модуля

Така конструкція дозволяє швидко розбирати батарею, видаляючи модуль з електродами, і маніпулювати при заливці і вивантаженні електроліту ні з батареєю, а з ємністю, маса якої з електролітом становить 4,7 кг. Модуль об'єднує 6 електрохімічних елементів. Елементи кріпляться на верхній панелі (5) модуля. Маса модуля з комплектом анодів 2 кг. послідовним з'єднанням модулів набиралися Ваит з 12, 18 і 24 елементів. До недоліків повітряно-алюмінієвого джерела можна віднести досить високу внутрішній опір, низьку питому потужність, нестабільність напруги під час розряду і провал напруги при включенні. Всі зазначені недоліки нівелюються при використанні комбінованого джерела струму (КІТ), що складається з Ваит і акумулятора.

Комбіновані джерела струму

Разрядная крива "заливається" джерела 6ВАІТ50 (рис. 4) при заряді герметизованого свинцевого акумулятора 2СГ10 ємністю 10 А · год характеризується, як і при харчуванні інших навантажень, провалом напруги в перші секунди при підключенні навантаження. Протягом 10 -15 хвилин напруга зростає до робочого, яке залишається постійним протягом всього розряду Ваит. Глибина провалу визначається станом поверхні алюмінієвого анода і його поляризацією.

малюнок 4 - Разрядная крива 6ВАІТ50 при заряді 2СГ10

Як відомо, процес заряду акумулятора протікає тільки в тому випадку, коли напруга на джерелі, що віддає енергію, вище, ніж на акумуляторі. Провал же початкової напруги Ваит призводить до того, що акумулятор починає розряджатися на Ваит і, отже, на електродах Ваит починають протікати зворотні процеси, які можуть призвести до пасивації анодів.

Для запобігання небажаних процесів в ланцюг між Ваит і акумулятором встановлюється діод. В цьому випадку розрядна напруга Ваит при заряді акумулятора визначається не тільки напругою акумулятора, але і падінням напруги на діоді:

U Ваит \u003d U АКК + ΔU ДИОД (1)

Введення в ланцюг діода призводить до збільшення напруги як на Ваит, так і на акумуляторі. Вплив наявності діода в ланцюзі ілюструє рис. 5, на якому представлено зміна різниці напруг Ваит і акумулятора при заряді акумулятора поперемінно з діодом в ланцюзі і без нього.

В процесі заряду акумулятора в відсутності діода різниця напруги має тенденцію до зменшення, тобто зниження ефективності роботи Ваит, в той час як в присутності діода різниця, а, отже, і ефективність процесу має тенденцію до зростання.

малюнок 5 - Різниця напруг 6ВАІТ125 і 2СГ10 при заряді з діодом і без нього

малюнок 6 - Зміна струмів розряду 6ВАІТ125 і 3НКГК11 при електроживленні споживача

малюнок 7 - Зміна питомої енергії КИТ (Ваит - свинцевий акумулятор) зі збільшенням частки пікового навантаження

Для засобів зв'язку характерно споживання енергії в режимі змінних, в тому числі пікових, навантажень. Такий характер споживання був змодельований нами при електроживленні споживача c базової навантаженням 0,75 А і пікової 1,8 А від КИТ, що складається з 6ВАІТ125 і 3НКГК11. Характер зміни струмів генеруються (споживаних) складовими КИТ, представлений на рис. 6.

З малюнка видно, що в базовому режимі Ваит забезпечує генерацію струму, достатню для живлення базового навантаження і заряду акумулятора. У разі пікового навантаження споживання забезпечується струмом, що генерується Ваит і акумулятором.

Проведений нами теоретичний аналіз показав, що питома енергія КИТ є компромісною між питомою енергією Ваит і акумулятора і зростає зі зменшенням частки пікової енергії (рис. 7). Питома потужність КИТ вище питомої потужності Ваит і зростає зі збільшенням частки пікового навантаження.

висновки

Створено нові джерела струму на основі електрохімічної системи "повітря-алюміній" з розчином кухонної солі в якості електроліту, енергоємністю близько 250 А · год і з питомою енергією понад 300 Вт · год / кг.

Заряд розроблених джерел здійснюється протягом декількох хвилин шляхом механічної заміни електроліту і / або анодів. Саморозряд джерел нікчемний і тому до активації вони можуть зберігатися протягом 15 років. Розроблено варіанти джерел, що відрізняються способом активації.

Досліджено робота повітряно-алюмінієвих джерел при заряді акумулятора і в складі комбінованого джерела. Показано, що питома енергія і питома потужність КИТ є компромісними величинами і залежать від частки пікового навантаження.

Ваит і КИТ на їх основі абсолютно автономні і можуть використовуватися для електроживлення не тільки засобів зв'язку, але і живлення різної побутової апаратури: електромашин, світильників, малопотужних холодильників тощо. Абсолютна автономність джерела дозволяє використовувати його в польових умовах, в регіонах, що не мають централізованого електропостачання, в місцях катастроф і стихійних лих.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Патент РФ № 2118014. Металло-повітряний елемент. / Дьячков Є.В., Клейменов Б.В., Коровін Н.В., // МПК 6 Н 01 М 12/06. 2/38. прогр. 17.06.97 опубл. 20.08.98
2. Korovin N.V., Kleimenov B.V., Voligova I.A. & Voligov I.A.// Abstr. Second Symp. on New Mater. for Fuel Cell and Modern Battery Systems. July 6-10. 1997. Montreal. Canada. v 97-7.
3. Коровін Н.В., Клейменов Б.В. Вісник МЕІ (у пресі).

Робота виконана в рамках програми "Наукові дослідження вищої школи з пріоритетних напрямів науки і техніки"

Любителі електромобілів давно мріють про акумулятор, які дозволять їх чотириколісним друзям долати понад півтори тисячі кілометрів на одному заряді. Керівництво ізраїльського стартапу Phinergy вважає, що розробляється фахівцями компанії алюміній-повітряна батарея відмінно впорається з цим завданням.

Генеральний директор Phinergy, Авів Сидон, днями повідомив про початок партнерських відносин з великим автовиробником. Очікується, що додаткове фінансування дозволить компанії налагодити масове виробництво революційних батарей вже до 2017 року.

На відеоролику ( в кінці статті) Репортер інформагентства Bloomberg, Елліот Готкін, роз'їжджає за кермом малолітражки, яка була перетворена в електромобіль. При цьому в багажнику даної машини була встановлена \u200b\u200bалюміній-повітряна батарея Phinergy.

Електромобіль Citroen C1 з літій-іонним акумулятором може проїхати не більше 160 км на одному заряді, але алюміній-повітряна батарея Phinergy дозволяє йому долати додаткові 1600 км.

У відеоролику видно, що інженери заповнюють спеціальні резервуари всередині демонстраційного автомобіля дистильованою водою. прогнозований бортовим комп'ютером діапазон ходу авто відображається на дисплеї мобільного телефону гендиректора Phinergy.

Вода є основою для електроліту, через який проходять іони, виділяючи при цьому енергію. Електрика йде на харчування електродвигунів автомобіля. За словами інженерів стартапу, запас води в резервуарах демонстраційного автомобіля необхідно поповнювати «кожні кілька сотень кілометрів».

Як анода в алюміній-повітряних батареях використовуються алюмінієві пластини, а зовнішнє повітря виступає катодом. Алюмінієва складова системи повільно руйнується, так як молекули металу з'єднуються з киснем і виділяють енергію.

Якщо точніше: чотири атома алюмінію, три молекули кисню і шість молекул води об'єднуються, щоб створити чотири молекули гідратованого оксиду алюмінію з виділенням енергії.

Історично склалося так, що алюміній-повітряні батареї використовувалися лише для потреб армії. Всьому виною необхідність періодичного видалення оксиду алюмінію і заміни пластин алюмінієвого анода.

Представники Phinergy кажуть, що запатентований катодний матеріал дозволяє кисню з навколишнього повітря вільно потрапляти в акумуляторну осередок, при цьому даний матеріал не дозволяє діоксиду вуглецю, який також міститься в повітрі, забруднювати батарею. Саме це в більшості випадків заважало нормальній експлуатації алюміній-повітряних батарей протягом тривалого періоду. По крайней мере, до теперішнього моменту.

Фахівці компанії також ведуть розробку, які можна заряджати за допомогою електрики. В даному випадку металеві електроди не руйнуються настільки стрімко, як у випадку алюміній-повітряних аналогів.

Сидон каже, що енергія однієї алюмінієвої пластини допомагає електромобілю долати приблизно 32 кілометри (це дозволяє нам припустити, що питома вироблення електроенергії на пластину становить близько 7 кВт * год). Так ось в демонстраційній машині встановлено 50 таких пластин.

Вся батарея, як зазначає топ-менеджер, важить всього 25 кг. З цього випливає, що її щільність енергії більш ніж в 100 разів вище, ніж у звичайних літій-іонних акумуляторів сучасного зразка.

Цілком ймовірно, що в разі серійної моделі електромобіля батарея може стати значно більш важкою. До підвищення її маси призведе оснащення акумулятора системою теплового кондиціонування і захисним кожухом, яких в прототипі не спостерігалося (судячи по ролику).

У будь-якому випадку, поява акумулятора з щільністю енергії, яка на порядок вище, ніж у сучасних літій-іонних батарей, Буде відмінною новиною для автовиробників, які зробили ставку на електричні машини - так як це, по суті, усуває будь-які проблеми, викликані обмеженою дальністю ходу сучасних електрокарів.

Перед нами дуже цікавий прототип, але багато питань залишаються без відповіді. Як буде здійснюватися експлуатація алюміній-повітряних батарей в серійних електромобілях? Наскільки складною буде процедура заміни алюмінієвих пластин? Як часто доведеться їх міняти? (Після 1500 км? Після 5000 км? Або рідше?).

У доступних на даному етапі маркетингових матеріалах не описано, яким буде сукупний вуглецевий слід метал-повітряних батарей (з моменту видобутку сировини до монтажу акумулятора в авто) в порівнянні з сучасними літій-іонними аналогами.

Цей момент, ймовірно, заслуговує детального вивчення. І дослідницьку роботу необхідно завершити до початку масового впровадження нової технології, Оскільки вилучення та переробка алюмінієвих руд і створення придатного до використання металу - це дуже енергоємний процес.

Тим не менш, не виключений ще один сценарій розвитку подій. Додаткові метал-повітряні батареї можуть бути додані до літій-іонним, але використовуватися вони будуть лише в разі поїздок на далекі дистанції. Такий варіант може бути вельми привабливим для виробників електромобілів, навіть якщо батареї нового типу будуть мати більш високий вуглецевий слід, ніж.

за матеріалами

Кандидат технічних наук Е. КУЛАКОВ, кандидат технічних наук С. СЕВРУК, кандидат хімічних наук А. Фармаковський.

Енергоустановка на повітряно-алюмінієвих елементах займає лише частину багажника автомобіля і забезпечує дальність його пробігу до 220 кілометрів.

Принцип дії повітряно-алюмінієвого елемента.

Роботою енергоустановки на повітряно-алюмінієвих елементах управляє мікропрецессор.

Малогабаритний повітряно-алюмінієвий елемент на сольовому електроліті може замінити чотири батарейки.

Наука і життя // Ілюстрації

Енергоустановка ЕУ 92ВА-240 на повітряно-алюмінієвих елементах.

Людство, судячи з усього, не збирається відмовлятися від автомобілів. Мало того: автомобільний парк Землі може незабаром збільшитися приблизно вдвічі - головним чином за рахунок масової автомобілізації Китаю.

Тим часом мчать по дорогах машини викидають в атмосферу тисячі тонн чадного газу - того самого, присутність якого в повітрі в кількості, більшій десятої частки відсотка, для людини смертельно. А крім чадного газу - і багато тонни окислів азоту та інших отрут, алергенів і канцерогенів - продуктів неповного згоряння бензину.

У всьому світі давно ведеться пошук альтернатив автомобілю з двигуном внутрішнього згоряння. І найбільш реальною з них вважається електромобіль (див. "Наука і життя" №№ 8, 9, 1978 г.). Перші в світі електромобілі були створені у Франції і в Англії в самому початку 80-х років минулого століття, тобто на кілька років раніше, ніж автомобілі з двигунами внутрішнього згоряння (ДВЗ). І з'явився, наприклад, в 1899 році в Росії перший самохідний екіпаж був саме електричним.

Тяговий електродвигун в таких електричних автомобілях отримував живлення від непомірно важких батарей свинцевих акумуляторів з енергоємністю всього лише близько 20 ват-годин (17,2 кілокалорії) на кілограм. Значить, для того, щоб "прогодувати" двигун потужністю в 20 кіловат (27 кінських сил) Хоча б протягом години, був потрібний свинцевий акумулятор масою в 1 тонну. Еквівалентну ж йому по збереженої енергії кількість бензину займає бензобак ємністю всього в 15 літрів. Ось чому лише з винаходом ДВС виробництво автомобілів стало швидко зростати, а електромобілі десятиліттями вважалися тупиковою гілкою автомобілебудування. І тільки що виникли перед людством екологічні проблеми змусили конструкторів повернутися до ідеї електромобіля.

Сама по собі заміна ДВС електродвигуном, звичайно, приваблива: при одній і тій же потужності електродвиг гатель і масою легше, і в управлінні простіше. Але навіть тепер, через більш ніж 100 років після першої появи автомобільних акумуляторів, Енергоємність (тобто запасені енергія) навіть найкращих з них не перевищує 50 ват-годин (43 кілокалорії) на кілограм. І тому ваговим еквівалентом бензобака залишаються сотні кілограмів акумуляторних батарей.

Якщо ж врахувати необхідність багатогодинний зарядки акумуляторів, обмежене число циклів заряд-розряд і, як наслідок, щодо короткий строк служби, а також проблеми з утилізацією відслужили батарей, то доводиться визнати, що на роль масового транспорту акумуляторний електромобіль поки непридатний.

Настав, проте, момент сказати, що електродвигун може отримувати енергію і від іншого роду хімічних джерел струму - гальванічних елементів. Найбільш відомі з них (так звані батарейки) працюють в переносних приймачах і диктофонах, в годиннику і кишенькових ліхтариках. В основі роботи такої батарейки, так само, як і будь-якого іншого хімічного джерела струму, лежить та чи інша окислювально-відновна реакція. А вона, як відомо з шкільного курсу хімії, супроводжується передачею електронів від атомів однієї речовини (відновника) до атомам іншого (окислювача). Таку передачу електронів можна здійснити через зовнішній ланцюг, наприклад, через лампочку, мікросхему або мотор, і тим самим змусити електрони працювати.

З цією метою окислювально-відновну реакцію проводять як би в два прийоми - розбивають її, так би мовити, на дві полуреакции, що протікають одночасно, але в різних місцях. На аноді відновник віддає свої електрони, тобто окислюється, а на катоді окислювач ці електрони приймає, тобто відновлюється. Самі ж електрони, перетікаючи з катода на анод через зовнішній ланцюг, як раз і роблять корисну роботу. Процес цей, зрозуміло, небесконечен, оскільки і окислювач, і відновник поступово витрачаються, утворюючи нові речовини. І в результаті джерело струму доводиться викидати. Можна, правда, безперервно або час від часу виводити з джерела утворилися в ньому продукти реакції, а натомість подавати в нього все нові і нові реагенти. Вони в цьому випадку виконують роль палива, і саме тому такі елементи звуться паливних (див. "Наука і життя" № 9, 1990 г.).

Ефективність подібного джерела струму визначається перш за все тим, наскільки вдало вибрані для нього і самі реагенти, і режим їх роботи. З вибором окислювача особливих проблем немає, оскільки навколишній нас повітря складається більш ніж на 20% з прекрасного окислювача - кисню. Що ж стосується відновника (тобто пального), то з ним справа дещо складніша: його доводиться возити з собою. І тому при його виборі доводиться перш за все виходити з так званого масо-енергетичного показника - корисною енергії, що виділяється при окисленні одиниці маси.

Найкращими в цьому відношенні властивостями володіє водень, слідом за яким йдуть деякі лужні і лужноземельні метали, а потім - алюміній. Але газоподібний водень пожежо- та вибухонебезпечний, а під великим тиском здатний проникати через метали. Сжижать його можна лише при дуже низьких температурах, А зберігати - досить складно. Лужні і лужноземельні метали теж пожежонебезпечні і, крім того, швидко окислюються на повітрі і розчиняються у воді.

У алюмінію жодного з цих недоліків немає. Завжди покритий щільною плівкою оксиду, він при всій своїй хімічній активності майже не окислюється на повітрі. Алюміній порівняно дешевий і нетоксичний, його зберігання не створює ніяких проблем. Цілком можна вирішити і завдання його введення в джерело струму: з металу-пального виготовляють анодні пластини, які періодично - в міру їх розчинення - замінюють.

І, нарешті, електроліт. Він в даному елементі може бути будь-яким водним розчином: кислотним, лужним або сольовим, оскільки алюміній реагує і з кислотами, і з лугами, а при порушенні оксидної плівки розчиняється і в воді. Але використовувати переважно лужний електроліт: це простіше для проведення другої полуреакции - відновлення кисню. У кислому середовищі він відновлюється теж, але лише в присутності дорогого платинового каталізатора. У лужної ж середовищі можна обійтися куди більш дешевим каталізатором - оксидом кобальту або нікелю або активованим вугіллям, які вводяться безпосередньо в пористий катод. Що ж стосується сольового електроліту, то він має меншу електропровідність, а виконаний на його основі джерело струму - приблизно в 1,5 рази меншою енергоємністю. Тому в потужних автомобільних батареях доцільно застосовувати лужний електроліт.

У нього, однак, теж є недоліки, головний з з яких - корозія анода. Йде вона паралельно з основною - токообразующей - реакцією і розчиняє алюміній, перетворюючи його в алюмінат натрію з одночасним виділенням водню. Правда, з більш-менш відчутною швидкістю ця побічна реакція йде лише при відсутності зовнішнього навантаження, саме тому повітряно-алюмінієві джерела струму не можна - на відміну від акумуляторів і батарей - довго тримати зарядженими в режимі очікування роботи. Розчин лугу в цьому випадку доводиться з них зливати. Але зате при нормальному струмі навантаження побічна реакція майже невідчутна і коефіцієнт корисного використання алюмінію досягає 98%. Сам же лужної електроліт відходом при цьому не стає: відфільтрувавши від нього кристали гідроксиду алюмінію, цей електроліт можна знову заливати в елемент.

Є в застосуванні лужного електроліту в повітряно-алюмінієвому джерелі струму і ще один недолік: в процесі його роботи витрачається досить багато води. Це підвищує концентрацію лугу в електроліті і могло б поступово змінювати електричні характеристики елемента. Існує, однак, такий інтервал концентрацій, в якому ці характеристики практично не змінюються, і якщо працювати саме в ньому, то достатньо лише час від часу додавати в електроліт воду. Відходів в звичному сенсі цього слова при роботі повітряно-алюмінієвого джерела струму не утворюється. Адже одержуваний при розкладанні алюмінату натрію гідроксид алюмінію - це просто біла глина, тобто продукт не тільки абсолютно чистий екологічно, а й дуже цінний як сировину для багатьох галузей промисловості.

Саме з нього, наприклад, зазвичай виробляють алюміній, спочатку нагріваючи до отримання глинозему, а потім піддаючи розплав цього глинозему електролізу. Тому є можливість організувати замкнутий ресурсозберігаючий цикл експлуатації повітряно-алюмінієвих джерел струму.

Але гідроксид алюмінію володіє і самостійної комерційною цінністю: він необхідний при виробництві пластмас і кабелів, лаків, фарб, стекол, коагулянтів для очищення води, паперу, синтетичних килимів і лінолеуму. Його використовують в радіотехнічної та фармацевтичної промисловості, при виробництві будь-якого роду адсорбентів і каталізаторів, при виготовленні косметики і навіть ювелірних виробів. Адже дуже багато штучних дорогоцінні камені - рубіни, сапфіри, олександрити - виконуються на основі оксиду алюмінію (корунду) з незначними домішками хрому, титану або берилію відповідно.

Вартість "відходів" повітряно-алюмінієвого джерела струму цілком порівнянна з вартістю вихідного алюмінію, а маса їх при цьому в три рази більша за масу вихідного алюмінію.

Чому ж, незважаючи на всі перераховані достоїнства киснево-алюмінієвих джерел струму, вони так довго - до самого кінця 70-х років - всерйоз не розроблялися? Всього лише тому, що вони не були затребувані технікою. І лише з бурхливим розвитком таких енергоємних автономних споживачів, як авіація і космонавтика, військова техніка і наземний транспорт, ситуація змінилась.

Почалися розробки оптимальних композицій анод - електроліт з високими енергетичними характеристиками при низьких швидкостях корозії, підбиралися недорогі повітряні катоди з максимальною електрохімічної активністю і великим терміном служби, розраховувалися оптимальні режими як для тривалої експлуатації, Так і для короткого часу роботи.

Розроблялися і схеми енергетичних установок, що містять, крім власне джерел струму, і ряд допоміжних систем - подачі повітря, води, циркуляції електроліту і його очищення, терморегулювання і ін. Кожна з них сама по собі досить складна, і для нормального функционирова ня енергоустановки в цілому потрібна була мікропроцесорна система управління, яка задає алгоритми роботи і взаємодії всіх інших систем. Приклад побудови однієї з сучасних повітряно-алюмінієвих установок представлений на малюнку (стор. 63.): на ньому товстими лініями позначені потоки рідин (трубопроводи), а тонкими - інформаційні зв'язки (сигнали датчиків і команд управління.

В останні роки Московським державним авіаційним інститутом (технічним університеті том) - МАІ спільно з науково-виробничим комплексом джерел струму "Альтернативна енергетика" - НПК ІТ "Альтен" створений цілий функціональний ряд енергетичних установок на основі повітряно-алюмінієвих елементів. У тому числі - експериментальна установка 92ВА-240 для електромобіля. Її енергоємність і, як наслідок, пробіг електромобіля без підзарядки виявилися в кілька разів вище, ніж при використанні акумуляторів - як традиційних (нікель-кадмієвих), так і тих, що розробляються (сірчано-натрієвих). Деякі питомі характеристики електромобіля на цій енергоустановки наведені на прилеглій кольоровій вкладці в порівнянні з характеристиками автомобіля і електромобіля на акумуляторах. Порівняння це, однак, вимагає пояснень. Справа в тому, що для автомобіля врахована лише маса палива (бензину), а для обох електромобілів - маса джерел струму в цілому. У зв'язку з цим слід зазначити, що електродвигун має значно меншу вагу, ніж бензиновий, не вимагає трансмісії і в кілька разів економніше витрачає енергію. Якщо врахувати все це, то виявиться, що реальний виграш нинішнього автомобіля буде в 2-3 рази меншим, але все ж поки досить великим.

Є у установки 92ВА-240 та інші - чисто експлуатаційні - переваги. Перезарядка повітряно-алюмінієвих батарей взагалі не вимагає електромережі, а зводиться до механічної заміни відпрацьованих алюмінієвих анодів новими, на що йде не більше 15 хвилин. Ще простіше і швидше відбувається заміна електроліту для видалення з нього осаду гідроксиду алюмінію. На "заправної" станції відпрацьований електроліт піддають регенерації і використовують для повторної заправки електромобілі лей, а відокремлений від нього гідроксид алюмінію направляють на переробку.

Крім електромобільної енергоустановки на повітряно-алюмінієвих елементах тими ж фахівцями створений цілий ряд малих енергоустановок (див. "Наука і життя" № 3, 1997 г.). Кожну з цих установок можна механічно перезаряджати не менше 100 разів, і число це визначається в основному ресурсом роботи пористого повітряного катода. А термін зберігання цих установок в незаправленому стані взагалі не обмежений, оскільки втрат ємності при зберіганні немає - саморазряд відсутня.

У невеликих за потужністю повітряно-алюмінієвих джерелах струму можна використовувати для приготування електроліту не тільки луг, а й звичайну кухонну сіль: процеси в обох електролітів тах протікають аналогічно. Правда, енергоємність сольових джерел в 1,5 рази менше, ніж лужних, але зате користувачеві вони завдають набагато менше клопоту. Електроліт в них виходить абсолютно безпечним, і роботу з ним можна довірити навіть дитині.

Повітряно-алюмінієві джерела струму для харчування малопотужної побутової техніки випускаються вже серійно, і ціна їх цілком доступна. Що ж стосується автомобільної енергоустановки 92ВА-240, то вона поки існує тільки в досвідчених партіях. Один її експериментальний зразок номінальною потужністю 6 кВт (при напрузі 110 В) і ємністю 240 ампер-годин коштує близько 120 тисяч рублів у цінах 1998 року. За попередніми розрахунками, ця вартість після розгортання серійного виробництва знизиться принаймні до 90 неоподатковуваних мінімумів доходів громадян, що дозволить випускати електромобіль ціною не набагато більшою, ніж автомобіль з двигуном внутрішнього згоряння. Що ж стосується вартості експлуатації електромобіля, то вона і тепер цілком порівнянна з вартістю експлуатації автомобіля.

Справа залишається за малим - зробити більш глибоку оцінку і розширені випробування, а потім при позитивних результатах починати дослідну експлуатацію.

Французька компанія Renault пропонує використовувати в майбутніх електромобілях алюмінієво-повітряні батареї від Phinergy. Давайте поглянемо на їх перспективи.

Renault вирішило зробити ставку на новий тип акумулятора, який може дозволити збільшити дальність пробігу від однієї зарядки в сім разів. При збереженні габаритів і ваги сьогоднішніх батарей. Алюмінієво-повітряні (Al-air) елементи мають феноменальну щільність енергії (8000 Вт / кг, проти 1 000 Вт / кг у традиційних батарей), виробляючи її при реакції окислення алюмінію в повітрі. Така батарея містить в собі позитивний катод і негативний анод, зроблений з алюмінію, а між електродами міститься рідкий електроліт на водяній основі.

Компанія розробник батарей Phinergy заявила, що досягла великого прогресу в розвитку подібних батарей. Їх пропозиція - використовувати каталізатор, виготовлений зі срібла, який дозволяє ефективно задіяти кисень, що міститься в звичайному повітрі. Цей кисень змішується з рідким електролітом, і тим самим звільняє електричну енергію, Яка міститься в алюмінієвому аноді. Головний нюанс полягає в « повітряному катоді», Який діє як мембрана в вашій зимовій куртці - пропускає тільки О2, а не вуглекислий газ.

У чому відмінність від традиційних батарей? У останніх повністю закриті осередки, в той час як Al-air елементам потрібен зовнішній елемент, «що запускає» реакцію. Важливим плюсом є той факт, що Al-air батарея діє як дизель-генератор - вона виробляє енергію тільки тоді, коли ви її включили. А коли ви «перекрили повітря» такої батареї, весь її заряд залишається на місці і не зникає з часом, як у звичайних акумуляторів.

В процесі роботи Al-air батареї використовується алюмінієвий електрод, але його можна зробити замінним, як картридж в принтері. Зарядку потрібно робити кожні 400 км, вона буде полягати в доливанні нового електроліту, що набагато простіше, ніж чекати, поки зарядиться звичайна батарея.

Компанія Phinergy вже створила електричний Citroen C1, який обладнаний 25 кг батареєю ємністю 100 кВтг. Вона дає запас ходу в 960 км. З мотором потужністю в 50 кВт (близько 67 кінських сил), машина розвиває швидкість в 130 км / ч, розганяється до сотні за 14 секунд. Подібна батарея також тестується на Renault Zoe, але її ємність - 22 кВтг, максималка у машини - 135 км / ч, 13.5 сек до "сотні", але тільки 210 км запасу ходу.

Нові батареї легше, в два рази дешевше, ніж літій-іонні і в перспективі простіше в експлуатації, ніж сучасні. І поки що, єдина їх проблема - це алюмінієвий електрод, який складний у виробництві і заміні. Як тільки ця проблема вирішиться - можна сміливо очікувати ще більшої хвилі популярності електромобілів!

• , 20 Січ 2015

Батареї це пристрої, що перетворює хімічну енергію в електричну енергію. Вони мають 2 електрода, між ними йде хімічна реакція, яку використовують або виробляють електрони. Електроди пов'язані між собою розчином званим електролітом, за допомогою якого іони можуть переміщатися, здійснюючи електричний ланцюг. Електрони утворюються на аноді і можуть проходити через зовнішній ланцюг на катод, це рух електронів електричного струму, які можуть бути використані для здійснення роботи простих пристроїв.
У нашому випадку батарея може бути сформована за допомогою двох реакцій: (1) реакції з алюмінієм, який генерує електрони на один електрод, і (2) реакції з киснем, що використовує електрони на іншому електроді. Щоб допомогти електронам в батареї, отримати доступ до кисню в повітрі, ви можете зробити другою електродом матеріал, який може проводити електрику, але не є активним, наприклад вугілля, який складається в основному з вуглецю. Активоване вугілля дуже пористий і це часом призводить до великої площі поверхні, яка підводиться впливу атмосфер. Один грам активованого вугілля може бути більшою площею, ніж ціле футбольне поле.
У цьому досвіді ви можете побудувати акумулятор, Який використовує ці дві реакції і найдивовижніше, що ці батареї можуть живити невеликий мотор або лампочку. Для цього вам знадобиться: алюмінієва фольга, ножиці, активоване вугілля, металеві ложки, паперові рушники, сіль, маленька чашечка, вода, 2 електричних дроти з зажимами на кінцях і невелике електричний пристрій, таке як двигун або світлодіод. Відріжте шматочок алюмінієвої фольги розміром, що складе приблизно 15х15см., Підготуйте насичений розчин, суміш солі в невеликій чашці з водою поки сіль не перестане розчинятися, складіть паперовий рушник на чверть і просочіть його розсолом. Покладіть цей рушник на фольгу, додайте близько ложки активованого вугілля на вершину паперового рушника, налийте розсіл на вугілля, щоб змочити його. Будьте впевнені, що вугілля є мокрим всюди. Щоб не торкатися до води безпосередньо ви повинні міть 3 шари як в бутерброді. Підготуйте свої електричні пристрої для використання, один кінець електричного дроту прикріпіть до завантаження, а інший кінець дроту підключимо до алюмінієвої фользі. Щільно пригорнемо другий провід до купи вугілля і дивимося, що відбувається, якщо акумулятор працює нормально, то цілком ймовірно, що вам знадобиться ще один елемент для включення вашого пристрою. Спробуйте збільшити площу контакту між вашим проводом і деревним вугіллям, склавши батарею і сильно стиснувши. Якщо ви використовуєте двигун, ви також можете йому допомогти стартонути крутанув вал пальцями.
Перша сучасна електрична батарея була зроблена з ряду електрохімічних осередків і називається вольта стовпом. Повторіть крок перший і третій, щоб побудувати додатковий алюмінієво-повітряний елемент, З'єднавши 2 або 3 повітряно-алюмінієвих елемента один з одним ви отримаєте більш потужний акумулятор. Використовуйте мультиметр для вимірювання напруги і струму отриманого з вашої батареї.
Як потрібно змінити вашу батарею, щоб вона стала давати більшу напругу або більший струм - розрахуйте вихідну потужність від вашого акумулятора шляхом твори його напруги і струму. Спробуйте підключити й інші пристрої до вашого акумулятора.