Алюминиевая батарея: Радиатор Monlan 500/80, 10 секций, боковое подключение, алюминий

причины поломок, как устранить течь батареи отопления, чем заклеить устройство, как отремонтировать или заменить секцию

Как правило, о проблемах в радиаторах становится известно в самое неподходящее время, а именно в отопительный сезон.

Основными неполадками считаются протечка батареи, холодные секции и засорение, которые требуют срочного вмешательства для их устранения.

Ремонт алюминиевых радиаторов включает в себя различные способы устранения проблем и, в зависимости от их масштаба, может быть произведен собственными руками или требовать вмешательства профессионалов.

Особенности батарей

При всей своей привлекательности этот тип обогревателей пользуется наименьшим спросом у потребителей из-за бытующего мнения, что срок службы алюминиевых радиаторов короткий, а недостатков и «претензий» у них много.

Это не совсем так. Батареи отопления из алюминия обладают рядом привлекательных черт, которые завоевали сердца многих клиентов.

Среди них:

1. Они способны выдерживать перепады давления до 20 атмосфер и выше. Если предполагается их установка в доме с централизованным отоплением, то следует тщательно изучить работающую систему и при выборе радиаторов ознакомиться с их техническими характеристиками, указанными в техпаспорте.
2. Алюминиевые радиаторы мало весят, поэтому их легко как перевозить, так и устанавливать.
3. Их устройство настолько простое, что при необходимости позволяет произвести ремонт алюминиевых радиаторов отопления своими руками при наличии необходимых инструментов.
4. Высокая теплоотдача обеспечивает быстрый нагрев помещения при экономии энергоресурсов.
5. Маленький объем теплоносителя дает практически мгновенный нагрев всей площади радиатора.
6. Алюминиевые радиаторы имеют стильный дизайн и прекрасно вписываются в любую обстановку.

Такое количество преимуществ способно сделать их лидерами продаж на рынке отопительных систем, если бы не то обстоятельство, что лучше всего они себя «чувствуют» в индивидуальных отопительных системах.

Это связано с тем, что алюминий подвержен коррозии при долгом отсутствии теплоносителя (как известно, в централизованных системах его сливают в теплое время года) и его чистоте и щелочном балансе.

Если при автономном обогреве за качеством носителя можно проследить и оставить его в системе, то в многоквартирном доме в условиях центрального отопления это сделать очень сложно.

Если алюминиевые батареи установлены правильно и эксплуатируются в необходимых для них условиях, то их срок службы значительно превышает гарантию (10 лет) от производителя. Ремонт алюминиевой батареи отопления так же не составит большого труда, как и наращивание дополнительных секций.

Причины поломок

Как и в случае с санями в известной поговорке, готовить отопительную систему к новому сезону следует летом.

Основными причинами неполадок являются:

1. Слабый нагрев алюминиевой батареи при отсутствии в ней воздуха.
2. Слышны шумы и стуки в системе.
3. Выявилась течь алюминиевого радиатора отопления.
4. На местах стыков элементов системы появился налет.

В домах с автономным обогревом эти проблемы легко выявить, запустив систему в максимальном рабочем режиме. Более высокое давление покажет целостность конструкции и позволит увидеть возможные дефекты в ней. В домах с централизованным отоплением провести такие работы самостоятельно не удастся, но можно подать заявку в управляющую службу, что их специалисты провели необходимые работы.

Если во время тестирования система показала себя с лучшей стороны, но в разгар сезона начались проблемы, то требуется экстренный демонтаж радиатора.

Для этого нужно произвести следующие действия:

1. Запорные устройства перекрываются, как и стояк (из него предварительно нужно слить носитель).
2. Под нижнее подключение устанавливается емкость для слива теплоносителя.
3. Открутить нижний шаровой кран, чтобы вода (антифриз), оставшаяся в батарее вытекла.
4. Так же откручивается верхний вентиль, и батарея снимается с кронштейнов.

Если возникает вопрос, как отремонтировать алюминиевый радиатор отопления, если он не греет, то следует искать причину такого состояния прибора:

1. Первым делом нужно выпустить воздух из системы и подождать, может батареи прогреются.
2. Если ничего не изменилось, то придется демонтировать радиатор и проверить на возможность засорения. В секционных алюминиевых радиаторах помещается не так много теплоносителя. Залив в снятый обогреватель воду, можно просчитать, соответствует ли ее количество заявленному в техпаспорте параметру. Если нет, то требуется не ремонт алюминиевого радиатора отопления, а его промывка, для чего следует пропускать воду под большим напором через конструкцию, пока она не посветлеет.
3. Если поток воды не «справился» с задачей, то потребуются знания, как разобрать алюминиевый радиатор отопления на секции и проделать ту же работу с каждым элементом в отдельности. Иногда, при очень сильном загрязнении, требуется щетка (не металлическая), чтобы избавить батарею от густой грязи.

Иногда единственным средством вернуть батареям горячее состояние является замена секции алюминиевого радиатора или их наращивание. При боковом типе подключения это не составит труда, тогда как при нижнем или диагональном способе придется доращивать или сокращать длину трубы.

Ремонт алюминиевых радиаторов>

Как разобрать?

После того, как батарея была благополучно демонтирована, можно приступать к разборке ее на секции.

Последовательность действий при этом следующая:

1. Первым делом нужно отвинтить ниппели, для чего гаечным ключом правый проворачивается против часовой стрелки, а левый – по часовой. Эту процедуру необходимо производить очень аккуратно, так как ниппель мог «прикипеть» к радиатору, а сорвав его неосторожным движением, можно выбрасывать сразу 2 секции.
2. Поочередно открутить тем же образом ниппели на всех секциях.
3. Движения гаечным ключом проводятся последовательными оборотами, а поочередное снятие ниппелей избавит конструкцию от перекосов.

После того, как секции сняты, можно приступать к их очистке.

Сборка устройства

Если знать, как разобрать алюминиевый радиатор, то и сборка, которая производится в обратной последовательности, так же не составит больших трудностей:

1. Проводится «инспектирование» состояния резьбы на всех секциях и изучается их поверхность на предмет сколов.
2. Каждый ниппель необходимо несколько раз вкрутить и выкрутить, чтобы обеспечить легкость при последующей их фиксации.
3. Если на местах соединения секций нанесен слой краски, то его необходимо зачистить наждачной бумагой до алюминиевого основания батареи. Это убережет конструкцию от разрушения, так как со временем краска трескается, под нее попадает теплоноситель, создавая на поверхности микротрещинки.
4. Если после снятия краски на месте стыка была обнаружена резиновая прокладка, то ее следует срезать и заменить на новую.
5. Закручивается ниппель, на который натягивается прокладки из силикона.
6. С другой стороны ниппеля прикручивается следующая секция. Нужно следить, чтобы каждый элемент был плотно подогнан. Таким образом, собирается воедино вся конструкция.

Производя закрутку ниппелей, нельзя применять силу, иначе можно сорвать резьбу. Если потек алюминиевый радиатор отопления, что делать, лучше спросить у профессионалов, особенно если это произошло в разгар сезона. Горячий теплоноситель может стать причиной сильных ожогов, поэтому следует быть осторожными.

Ремонтирование секций

Как заменить секцию алюминиевого радиатора?

Как правило, существует несколько способов, как поменять секцию в алюминиевом радиаторе или отремонтировать ее и к этому типу работ относятся:

1. Замена уплотнителей, для чего батарея демонтируется и разбирается на секции.
2. Если стоит вопрос, как устранить течь в алюминиевом радиаторе в отопительный сезон, то самым надежным способом будет полное удаление или замена секции, но если по какой-то причине этого сделать не получается, то можно применить холодную сварку.
3. При небольших дефектах рекомендуется воспользоваться специальными средствами для припоя алюминия, но эта работа требует определенных навыков. Даже имея знания, как устранить течь в алюминиевом радиаторе отопления, эта мера считается временной, чтобы «продержаться» до конца сезона.
4. Аргонная сварка признана самым надежным способом ремонта батарей, но так же требует специальной подготовки.

При любом типе работ с алюминиевыми батареями следует помнить, что этот металл достаточно мягкий и требует бережного обращения с собой. С другой стороны, если устройства установлены и эксплуатируются правильно, то вопрос, почему текут алюминиевые радиаторы отопления, не должен возникнуть вовсе.

Пайка батарей из этого металла – дело «неблагодарное», так как он при взаимодействии с кислородом начинает окисляться, образуя пленку на своей поверхности.

Поэтому чаще всего клиенты задаются вопросом, чем заклеить алюминиевый радиатор.

Для этих целей лучше всего подходит железно-канифольный флюс, которым нужно покрыть предварительно очищенную поверхность, а затем при помощи паяльника ввести припой прямо под слой флюса.

Такой вид ремонта годиться только при небольших протечках.

Ремонт, даже самый легкий, требует пристального внимания и некоторых навыков, не зависимо от того, потекли алюминиевые радиаторы отопления или засорился. Подобные работы лучше предоставить профессионалам, так как алюминий – это крайне «привередливый» металл.

устройство, конструкция в разрезе, комплектующие батарей, крепления и краны, как они устроены

Преимущество алюминиевых батарей перед аналогами заключается в высокой теплоотдаче, небольшой стоимости, разнообразии форм.

Подобные типы батарей отопления отличаются особой конструкцией и внутренним устройством.

Как устроены алюминиевые радиаторы отопления

По конструкции различают цельный и секционный вариант. Первый изготавливается из профильных пластин, сделанных по технологии экструзии, что повышает пластичность.

Полученные части сваривают, создавая полноценную батарею. Это делает её прочной. Предварительно внутреннюю сторону покрывают полимером, снижающим шанс образования течи.

Секции делают по очереди, затем соединяя. Чистый металл используют редко: алюминий сплавляют с кремнием, цинком, иногда титаном. Эти вещества повышают прочность, снижают риск разрыва и образования коррозии. В качестве герметика применяют силикаты. Как и цельные, изнутри устройство покрывают специальной жидкостью для защиты от высокого давления.

По способу изготовления выделяют алюминиевые радиаторы трёх типов: литейные, экструзионные и анодированные. Среди технических характеристик важны:

1. Рабочее давление должно располагаться в промежутке 10—15 атм. В многоквартирных домах показатели гораздо выше, поэтому использовать в них алюминиевые устройства не рекомендуется. Испытательное вдвое больше обычного, но лучше иметь запас.
2. Мощность батареи составляет 82—212 ватт, в зависимости от габаритов.
3. Максимальный нагрев теплоносителя не должен превышать 120 °C.
4. Масса секции — 1—1,5 кг. Объём — 0,25—0,46 литра.
5. Межосевое расстояние зависит от высоты и находится в диапазоне от 20 до 80 см, иногда превышая его.

Параметры каждого алюминиевого устройства могут отличаться, но обязательно указаны в техническом паспорте изделия.

Достоинства алюминиевых радиаторов:

• Компактность и небольшая масса облегчают установку, не требуют мощных креплений.
• Высокая скорость нагрева, хорошая теплопередача.
• Длительный срок службы, хотя меньший, чем у чугуна.
• Небольшая длина секций позволит подобрать подходящее под определённое помещение. И также благодаря разделению устройства на части, можно сделать систему без избытка обогрева.
• Алюминий прост в обработке, что разрешает создание дизайнерских приборов.
• Хорошую защиту от внешних повреждений. Радиатор очень сложно повредить или разбить физическим ударом, но довольно легко согнуть.
• Относительная дешевизна металла.

Среди недостатков выделяют:

• Слабую защищённость от коррозии, что портит устройство в течение эксплуатации. Алюминий — активное вещество, легко взаимодействующее с кислородом. Из-за окисления разрушится защитный слой, поскольку в течение реакции выделяется газообразный водород.
• Необходимость нанесения полимерного покрытия для предотвращения разрыва, защиты от выделений.

Конструкция алюминиевой батареи в разрезе

Если посмотреть на устройство сверху или снизу, станут видны коллекторы. Они создают горизонтальные каналы для транспортировки жидкости. Крайний нижний собирает грязь, накипь, прочие твёрдые частицы, что помогает избежать засорения всего устройства. Для удаления предусмотрен специальный клапан.

Внимание! Основной недостаток — частые протечки в местах стыка.

Вид алюминиевого радиатора в разрезе представлен на картинке.

Фото 1. Внутренняя конструкция алюминиевого радиатора отопления. Корпус выполнен из алюминия, а внутри проходит медная трубка.

Комплектующие для монтажа устройства

От деталей, поступающих в продажу вместе с радиатором, зависит качество его эксплуатации. Вместе с устройством предлагают два важных компонента: клапан для спуска воздуха и крепежи. Для многоквартирных домов их дополняют удлинителем протока.

Кран Маевского

Служит для отвода воздуха из системы. Помогает избавиться от газовых пробок, перегретого пара. Таким образом, позволяет снизить давление, повысившееся из-за долгой работы котла. Обязателен к установкам в обвязках закрытого типа дополненных циркуляционным насосом.

Справка. Желательно наличие клапана для спуска воды. Он будет служить той же цели, что кран Маевского, затрагивая жидкостную часть.

Кронштейны для крепления

Служат креплениями для радиатора. Обязательно присутствуют в комплекте с алюминиевым устройством.

Фото 2. Кронштейны для крепления алюминиевых радиаторов. Изделия уже вмонтированы в стену.

Их делят на три вида:

• Уголки для дерева.
• Штыри для стен из прочих материалов.
• Анкеры для любых поверхностей.

Для всех соединений с резьбой необходимы заглушки. Минимальный диаметр должен составлять один дюйм (25,4 мм). Для ниппелей они также нужны, но без ограничений по размеру.

Иногда алюминиевые радиаторы оборачивают прокладками с эффектом отражения тепла. Их размещают вдоль стены, уменьшая потери энергии в атмосферу. Материалом для изготовления служит фольга или порилекс. Вещество часто дополняют ещё одним слоем утеплителя, обычно пенопластом.

Удлинитель протока

Приспособление используют для повышения теплопроводности радиатора. Для этого последний должен содержать не менее 10 секций.

Обязательно боковое подключение к магистрали, поскольку алюминиевые устройства переправляют жидкость по диагонали. А также важно наличие запорных арматур на обеих трубах.

Если условия соблюдены, для монтажа необязательно изменять текущую схему. В противном случае рекомендуется пригласить сантехника.

Полезное видео

Посмотрите видео, в котором рассказывается, на что обратить внимание при выборе алюминиевой батареи.

Установка — это ответственное дело!

Качество монтажа зачастую зависит от комплектующих, которыми снабжён радиатор. Компоненты оказывают большое влияние на систему, потому важно правильно установить их. Для этого рекомендуется пригласить специалиста.

Алюминиевый или стальной? Какой радиатор лучше выбрать, сравнение

Сравнение радиаторов — непростой аспект рынка отопительных приборов. Не все их типы корректно сравнивать. Для центрального отопления с некачественным теплоносителем, большой вероятностью гидроударов, спуском теплоносителя в летнее время и высоким давлением в системе лучше выбрать биметаллические или чугунные приборы. Для автономного отопления, где давление редко превышает 6 атм и характеристики теплоносителя не выходят за требований производителей, предпочтительно выбрать стальные или алюминиевые. Сравнение последних — тема этой статьи.

Цена

Если абстрагироваться от качества, внешнего вида и других менее значимых характеристик, то по-сути человек покупает не батарею, а киловатты тепловой мощности. Самое главное, чтобы отопительный прибор смог выдать необходимое количество тепла для обогрева дома или квартиры. Сравним алюминиевый и стальной радиаторы одинаковой тепловой мощности по цене.

Логично взять изделия одной ценовой категории, а еще лучше одного производителя. Такая возможность есть. Сравним приборы MIRADO и  TATRAMET, оба украинского производства. Итак:

• алюминиевый радиатор MIRADO 500/96
  Мощность секции 205 Вт при Δt=70℃. Мощность 10-секционной батареи 2050 Вт. Цена батареи  — 6,7 USD/секция * 10.секций = 67 USD.
• стальной радиатор TATRAMET
  Прибор максимально близкий по мощности — тип 22, боковое подключение, 2040 Вт. Цена — 68,19 USD.

Вывод
Цена обеих радиаторов одного класса близкой мощности практически не отличается.

Коррозиеустойчивость

Для стальных радиаторов производители устанавливают ограничения по водородному показателю Ph 7-9 (+/-0,5), для алюминиевых — Ph 6,5-8,5 (+/-0,5). Также есть ограничения по количеству кислорода в теплоносителе, жесткости, хлоридам, отсутствию механических примесей. Как показывает практика и по отзывам потребителей большей устойчивостью к коррозии выделяются стальные радиаторы. Косвенно на это также указывает конструкция биметаллической батареи — стальной каркас внутри и алюминий поверх него.
Опять же, на устойчивость к коррозии следует обращать внимание только если есть сомнения в качестве теплоносителя. Для домов и квартир с автономным отоплением, где теплоноситель заливается 1 раз, не меняется 5-7 лет и не сливается на лето, в системе стоят сетчатые фильтры и воздухоотделители,  показатель коррозиеустойчивости можно не брать во внимание.

Внешний вид

Оба вида батарей обладают. стильным современным дизайном. На форумах и в соцсетях постоянно идут споры по этому вопросу. Единого мнения нет и быть не может. С небольшим перевесом “побеждают поклонники стальных радиаторов”. Хотя это и субъективно, но стальные приборы выглядят более целостно.

Ремонтопригодность

Алюминиевые радиаторы секционные. В случае протечки можно заменить, подтянуть секцию, при изменении системы можно убрать или добавить. Со стальным такой номер не пройдет. В случае протечки его придется заменить. Если потребуется увеличить тепловую мощность приборов в помещении нужно будет менять его на более мощный или докупать еще один. По ремонтопригодности алюминиевые батареи лучше, чем стальные. В то же время, чем больше резьбовых стыков, тем выше вероятность протечки в будущем.

Монтаж

По удобству и скорости монтажа стальные радиаторы “выигрывают” у алюминиевых. Стальной подбирается по мощности. Это уже готовый к установке прибор, который нужно только навесить на стену и присоединить к нему трубы. Обогреватели из алюминия чаще всего присутствуют в точках продажи с определенным количеством секций (в основном 10, реже — 6, 8, 12). Для получения прибора с определенной тепловой мощностью может потребоваться установить / удалить секции, что требует времени, специалиста, затрат.
Очень удобно, что со стальных радиаторов не нужно снимать упаковку до начала пуска системы. Это  предохраняет их от повреждений во время отделочных работ.

Технические характеристики

У разных производителей показатели максимальных температуры и давления несколько различаются. Для примера возьмем уже сравниваемые ранее —  алюминиевые MIRADO и стальные TATRAMET.

Алюминиевые:

• максимальная температура 120 ℃
• максимальное рабочее давление 16 Бар

Стальные:

• максимальная температура 110 ℃
• максимальное рабочее давление 10 Бар

Оба типа полностью удовлетворяют автономным системам в которых максимальная температура обычно не должна превышать  95 ℃, давление 6 Бар. Алюминиевые радиаторы согласно паспортам производителя более устойчивы в аварийных ситуациях.

Какой выбрать

С учетом вышеперечисленного нет принципиальной разницы какие выбрать радиаторы — стальные или алюминиевые. По большинству характеристик и цене оба вида нагревательных приборов сходны.
Если планируется в будущем наращивать мощность отопительного прибора (например, при перепланировке, замене котла с традиционного на конденсационный, установке теплового насоса) лучше выбрать приборы из алюминия. У них можно просто нарастить несколько секций и выйти на нужную тепловую мощность. Также их проще чистить и они предпочтительнее для помещений с высокой влажностью.
Стальные батареи более современно выглядят, их проще монтировать своими руками. Их можно устанавливать на специальных стойках в любом месте комнаты, а не только возле стены.

Главное, выбрать качественные изделия от проверенного производителя — с паспортом и гарантией, а также выдерживать режим эксплуатации и качество теплоносителя в соответствии с инструкцией.

Ниже видео — производство алюминиевых батарей:

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 CO

2 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.

Воздушно-алюминиевая батарея — что это, и почему она — перспективна?

Воздушно-алюминиевые батареи вырабатывают электричество посредством реакции кислорода в воздухе с алюминием. У них – одно из самых высоких значений плотности энергии среди батарей всех типов, но они все еще не получили широкого распространения из-за сложностей с высокой стоимостью анода и удаления побочных продуктов при использовании традиционных электролитов. Это ограничивает их использование, в основном, до военных отраслей. Однако, у электромобиля с алюминиевыми батареями есть потенциал, восьмикратно превышающий возможности ионно-литиевые аналоги, при этом у них – гораздо меньший вес. 

Воздушно-алюминиевые батареи относятся к первичным (неперезаряжаемым) элементам. Как только алюминиевый анод истрачивается в ходе реакции с атмосферным кислородом и катодом в водном электролите для формирования гидратного оксида алюминия, батарея больше не может вырабатывать электричество. Однако, есть возможность механической перезарядки батареи с помощью новых алюминиевых анодов, сделанных из переработанного гидратного оксида алюминия. Подобная переработка может стать важной, если воздушно-алюминиевые батареи будут широко применяться.

Электромобили с питанием от алюминиевых батарей последние несколько десятилетий находятся на стадии обсуждения. Гибридизация уменьшит расходы, а в 1989 году было сообщено о проведении дорожных испытаний электромобилей с гибридной воздушно-алюминиевой/свинцово-кислой батареей. В 1990 году в Онтарио была проведена демонстрация гибридного электромобиля класса «минивэн» с питанием от алюминиевой батареи.

В марте 2013 года израильская компания «Phinergy» опубликовала видео демонстрации электромобиля с использованием воздушно-алюминиевых элементов, проехавшего 330 км при помощи специального катода и гидроксида калия. 27 мая 2013 года 10 канал Израиля в выпуске вечерних новостей показал автомобиль с батареей от «Phinergy» в багажнике. Было заявлено, что он может проехать более 2 000 километров (1 200 миль), прежде чем потребуется замена алюминиевых анодов.

Электрохимия

Полуреакция окисления анода выглядит так: Al + 3OH^— Al(OH)₃ + 3e^— + 2.31 В.

Полуреакция восстановления катода выглядит так: O2 + 2H₂O + 4e

—

4OH^— + 0.40 В.

Общая схема реакции выглядит так: 4Al + 3O₂ + 6H₂O 4Al(OH)₃ + 2.71 В.

За счет этих реакций становится возможной выработка 1,2 В напряжения, что на практике достижимо за счет использования в качестве электролита гидроксида калия. Соленая вода в качестве электролита помогает достичь напряжение в 0,7 В на элемент.

Коммерциализация

Проблемы

Алюминий в качестве «топлива» для автомобилей был изучен Шаохуа Иеном и Гарольдом Найклом. Они пришли к следующим выводам:

«Система воздушно-алюминиевых батарей может вырабатывать достаточно энергии и мощности для дальности пробега и ускорения, аналогичного машинам с ДВС… стоимость алюминия в качестве анода может составлять ниже 1,1 доллара за килограмм, пока продукт реакции подлежит переработке. Общий КПД в ходе циклического процесса в электромобилях с воздушно-алюминиевыми батареями может составить 15 % (нынешний этап) или 20 % (проект), сравнимый с КПД автомобилей с ДВС (13 %). Плотность энергии концепта батареи составляет 1 300 Вт*ч/кг (нынешнее время) или 2 000 Вт*ч/кг (проектный образец). Был проведен анализ цикла долговечности электромобилей с воздушно-алюминиевыми батареями по сравнению с аналогами со свинцово-кислыми и никелевыми гибридными (никелево-марганцовых) батареями. Только электромобили с воздушно-алюминиевыми батареями могут получить диапазон перемещений, сравнимый с аналогами с ДВС. Согласно результатам анализа, данный тип электромобилей является наиболее перспективной по сравнению с автомобилями с ДВС в плане диапазона перемещений, цены покупки, расходов на топливо и срок службы».

Остается решить ряд технических проблем для того, чтобы сделать воздушно-алюминиевые батареи более пригодными для электромобилей. Аноды из чистого алюминия подвержены коррозии со стороны электролита, поэтому алюминий обычно сплавляют с оловом или другими элементами. Гидратная окись алюминия, появляющаяся в результате реакции элемента, формирует гелеобразную субстанцию на аноде и уменьшает выработку электричества. К этой проблеме обращаются на стадии разработки воздушно-алюминиевых элементов. К примеру, были разработаны добавки, формирующий оксид алюминия в виде порошка, а не геля.

Современные воздушные катоды состоят из реактивного слоя углерода с токосъемника с никелевой решеткой, катализатора (к примеру, кобальта) и пористой гидрофобной тефлоновой пленки, предотвращающей утечку электролита. Кислород в воздухе проходит через тефлон, затем – реагирует с водой для создания ионов гидроокиси. Эти катоды работают хорошо, но могут стоить очень дорого.

Стандартные воздушно-алюминиевые батареи имеют ограниченный срок хранения, так как алюминий реагирует с электролитом и производит водород, когда батарея протаивает, хотя этого уже нет в современных образцах. Данной проблемы можно избежать за счет хранения электролита в цистерне вне батареи и перемещения его в батарею при необходимости использования.

Данные батареи, к примеру, можно использовать в качестве резервных батарей в АТС или источников резервного питания. Воздушно-алюминиевые батареи можно использовать для питания ноутбуков и сотовых телефонов, уже сейчас разрабатываются модели для подобного вида работы.

Батареи с алюминием в основе

Были исследованы следующие типы алюминиевых батарей:

1. Хлорно-алюминиевая батарея была запатентована ВВС США в 1970-х годах и разработана, в основном, для использования в военных целях. Они используют алюминиевые аноды и хлор на катодах из графитовой подложки. Для работы им требуются повышенные температуры.
2. Алюминиево-серная батарея крайне заинтересовала американских исследователей, хотя очевидно то, что они все еще далеки от массового производства. В 2016 году в Мэрилендском университете была впервые проведена демонстрация перезаряжаемой алюминиево-серной батареи.
3. Алюминиево-железно-оксидные, алюминиево-медно-оксидные, алюминиево-железно-гидроксидная батареи были предложены некоторыми исследователями для военных ГТС. Их плотность энергии составляет 455, 440 и 380 Вт*ч/кг соответственно.
4. Батарея с алюминием и двуокись марганца использует кислотный электролит. Вырабатываемое напряжение составляет 1,9 В. Другая вариация использует основание (гидроксид калия) в качестве анолита и серную кислоту – в качестве католита. Две части отделены тонкой непроницаемой пленкой во избежание смешения электролита в каждом из элементов в половинах батареи. Эта конфигурация дает напряжение в 2,6-2,85 В.
5. Алюминиево-стеклянная система. Как было сообщено в итальянском патенте от Байокки, в области взаимодействия между силикатным стеклом и алюминиевой фольгой (нет потребности в других компонентах) при температуре, близкой к точке плавления металла, вырабатывается электрическое напряжение вместе с проходящим током, когда система замкнута на активной нагрузке. Феномен впервые был замечен Байокки, а затем – А. Дэлль’Эра и другие коллеги начали исследование и составление характеристики данной электромеханической системы.

( Пока оценок нет )

Алюминиевые батареи отопления: технические характеристики и виды

Сегодня алюминиевые радиаторы, имеющие небольшой вес, практически заменили старые батареи, выполненные из чугуна, хотя появились на рынке совсем недавно. Подобная продукция применяется как в частном секторе, так и в многоквартирных домах.

Анализ конструкции алюминиевых радиаторов, изучение специфики производства продукции и технические характеристики помогут удостовериться в их высоком качестве и надежной эксплуатации. Но справедливо будет указать и некоторые недостатки этих приборов, чтобы быть готовым к возможным неприятностям, связанным с их использованием.

Виды алюминиевых радиаторов и методы производства

Изготовление подобных батарей представляет собой процесс расплава алюминия, во время которого в него вводятся кремниевые добавки, чьи специальные свойства позволяют достичь необходимой прочности. Далее из этого расплава получаются отдельные секции или готовые коллекторы. Методы литья и экструзии – это основные способы создания таких радиаторов.

Производство путем литья

В этом случае изготавливаются отдельные секции отопительного прибора. При добавлении в алюминий кремния в объеме, не превышающем 12%, чего вполне достаточно для достижения необходимого показателя прочности, получается материал силумин. При высоком давлении из него выливают секции приборов отопления, которые можно выполнить в различных формах.

Внутри этих частей предусмотрены проходы для беспрепятственного движения воды, а корпус создается утолщенным для того, чтобы радиатор был прочным. Технические характеристики таких батарей гласят, что они могут эксплуатироваться при давлении от 6 до 16 атмосфер.

Изготовление методом экструзии

Это производство отдельных деталей радиаторов путем выдавливания, которые потом соединяются между собой. Подобным способом можно получить только вертикальные части батареи из алюминия с определенными добавками. Коллектор же льется из силуминового сплава, хотя и он иногда производится методом выдавливания с последующей прессовкой всех деталей и прочного соединения их между собой. Такой способ считается одним из самых дешевых, однако изготовленный им отопительный прибор в период эксплуатации уже нельзя модернизировать.

Анодированные радиаторы

Подобные устройства производятся из очищенного высококачественного алюминия.

В процессе анодного оксидирования на поверхности материала образуется оксидная пленка, отличающаяся высокой твердостью и износостойкостью, а также защищающая металл от коррозии. Отдельные элементы радиатора соединяются с наружной стороны специальными муфтами, что позволяет создать внутреннюю гладкую поверхность батареи. Это в свою очередь увеличивает отдачу анодированных радиаторов по сравнению с обычными отопительными приборами из алюминия.

Исходя из характеристики батарей данного типа можно сделать вывод, что допустимое давление, создаваемое в этих устройствах, является выше и достигает 50-70 атмосфер. Но и стоят они дороже.

Параметры алюминиевых радиаторов

Технические характеристики подобных отопительных приборов следующие:

1. Расстояние между осями. Стандартные размеры составляют 200, 350 и 500 мм. Хотя в продаже также имеются радиаторы, у которых эти параметры колеблются в интервале от 200 до 800 мм.
2. Давление, при котором можно эксплуатировать приборы. Существует несколько показателей давления, которые отражены в паспорте на изделие:

• рабочее давление, которое составляет 10-15 атмосфер; радиаторы с подобными значениями небезопасно использовать в многоэтажных домах с центральным отоплением, поскольку в магистральных сетях отопления давление нередко повышается до 30 атмосфер; в частных домах алюминиевые радиаторы могут применяться без всяких опасений, так как давление в котлах, используемых для обогрева частных домов, практически не превышает 10 атмосфер;
• давление, при котором происходит опрессовка, то есть испытание радиаторов и всей отопительной системы на герметичность; этот показатель выше рабочего в полтора раза и составляет 20-30 атмосфер; опрессовка выполняется при отсутствии воды в конструкции.

Перед тем как запустить отопительную систему, необходимо провести пусконаладочные работы, включая ее тестирование при повышенном давлении:

1. Теплоотдача. Тепло, получаемое от алюминиевых батарей, делится на две составляющие. Первая – тепло, образуемое потоками воздуха, конвекционными или перемещаемыми снизу вверх, вторая – тепловые лучи. Коэффициент теплопередачи, измеряемый в ваттах, определен для каждой секции в документах, прилагаемых к отопительным приборам. Чугунные радиаторы и биметаллические аналоги уступают алюминиевым батареям по величине этого коэффициента. Так как теплоотдача у алюминиевых приборов больше, то воду необходимо разогревать до более низкой температуры, что уменьшает расход топлива и продлевает срок эксплуатации котла.
2. Тепловая мощность алюминиевых батарей – 8-212 Вт;
3. Вес отдельной секции составляет 1,47 кг.
4. Емкость одного элемента – 250-460 мл воды.
5. Максимально допустимая температура радиатора – до 110 градусов.

Срок эксплуатации алюминиевых батарей отопления составляет 25 лет.

Типы рабочего давления

В прилагаемых к алюминиевым радиаторам документах обозначены не только мощность изделия и его рабочее давление, но и опрессовочное давление, а иногда и максимально допустимое, которое может выдержать изделие без нарушения своего функционального предназначения. В разнообразии этих значений, приведенных в табличной форме, несведущему человеку легко запутаться.

Рабочее давление – это давление, которое будет поддерживаться в системе отопления и приборах во время эксплуатации. Допустимое значение в алюминиевых радиаторах составляет 10-15 атмосфер.

В квартирах с централизованной системой отопления подобные батареи применять не рекомендуется, поскольку в такой конструкции рабочее давление может в несколько раз превышать норму.

В некоторых случаях необходимо владеть информацией о значении опрессовочного давления. Перед запуском отопительной системы ее испытывают на герметичность. Для этого в конструкцию подают давление, превышающее рабочее, что позволяет выявить неисправности и в случае их отсутствия или после исправления гарантировать качественную ее работу.

Значение давления говорит о том, до какой отметки может повыситься уровень воды. Давление в одну атмосферу способно поднять столб воды высотой 10 м.

При покупке батарей для квартиры с централизованной системой отопления необходимо учитывать запас допустимого рабочего давления, так как коммунальные службы по тем или иным причинам иногда подают воду в систему с очень высоким давлением.

Секции радиаторов

Алюминиевые батареи имеющихся моделей в основном состоят из секций. В зависимости от площади комнаты, которую необходимо отопить, набором определенного количества частей удается собрать радиатор отопления требуемой мощности.

Купить можно как готовый прибор, так и отдельные секции, из которых впоследствии собирается батарея требуемых размеров. Заводская сборка предусматривает изготовление радиаторов из 4-12 секций. Соединение деталей осуществляется с помощью ниппеля.

Количество частей, которое потребуется для обогрева комнаты, можно приближенно определить, сначала разделив площадь помещения на мощность секции, затем умножив на сто по формуле:

N =100*(S/P),

где S – площадь комнаты, м²;

P – тепловая мощность одного элемента, Вт.

Фирма Global (Италия) выпускает батареи серии GL/D, у которых вдоль задней стенки секции симметрично расположены в два ряда. Такие радиаторы подходят для монтажа на заданном удалении от стены.

Используемые теплоносители

Теплоносители, с которыми можно эксплуатировать алюминиевые радиаторы, должны быть определены в техническом паспорте, поставляемом вместе с изделием. Там же обозначен интервал водородного показателя (рН) теплоносителя.

В алюминиевые радиаторы, которые предположительно будут работать с жидкостями, незамерзающими при отрицательных температурах, предусматривается установка специальных прокладок между конструкциями секций.

Применение радиаторов в дизайне помещения

Алюминиевые отопительные устройства изготавливаются в формах и размерах, максимально приспособленных для их удобной и безопасной эксплуатации, что позволяет им гармонично вписаться в различные интерьеры. Оформление радиатора может быть выполнено в любой цветовой гамме. Более того, на сегодняшний день существуют такие специализированные фирмы, которые по желанию заказчика могут выполнить на радиаторе определенный рисунок, исключающий его присутствие в интерьере или, наоборот, выделяющий конструкцию как часть декора.

Большинство алюминиевых приборов отопления по своей форме не представляют какого-либо разнообразия, но при необходимости украсить интерьер можно найти решения, позволяющие выделить их на общем фоне изысканным дизайном.

Например, сегодня изготавливаются радиаторы отопления, оборудованные приспособлениями для сушки полотенец, которые прекрасно вписываются в кухонные помещения. А батареи с ровной поверхностью, установленные при входе, могут быть применимы для сушки обуви.

Достоинства и недостатки

Подводя итоги, необходимо обозначить не только технические характеристики, но и положительные и отрицательные стороны алюминиевых отопительных приборов, которые обязательно нужно учитывать, чтобы обеспечить безаварийную эксплуатацию системы отопления.

К достоинствам этих батарей относят следующее:

1. Хорошая теплоотдача, позволяющая быстро нагреть помещение.
2. Небольшая масса, облегчающая выполнение работ по установке. Навесить радиатор на крепления и соединить с подводкой можно самостоятельно, не прилагая особых усилий.
3. Добротный внешний вид и формы, приспособленные для удобного и безопасного использования, позволяют вписать приборы в любой интерьер, не нарушив дизайнерского решения и жилого пространства помещения.
4. Возможность регулировать размеры батареи позволяет монтировать ее в любом подобранном для этого месте.
5. Вероятность получить серьезную травму при ударе о батарею невелика, так как используемый металл обладает мягкостью, что учитывается при установке радиаторов в детских помещениях.
6. Возможность применения терморегулятора позволяет контролировать теплоотдачу и, соответственно, расход энергоресурсов, а также помогает обеспечить уютное и комфортное пребывание в отапливаемых помещениях.

Среди недостатков отмечают следующее:

• низкая устойчивость к повышению давления и его перепадам;
• химические свойства алюминия допускают газообразование внутри радиатора, которое может повлечь за собой разрушение на стыках, появление воздушных пробок и другие негативные последствия, влияющие на качественную работу системы отопления;
• при неправильном монтаже не исключено скопление тепла в одной секции батареи.

При этом некоторые проблемы устраняются довольно легко. Например, последствия газообразования можно предотвратить, установив отводчик воздуха.

И все-таки решившись на монтаж алюминиевых радиаторов, стоит обратить внимание на стойкие к перепаду давления и агрессивной среде теплоносителя анодированные алюминиевые радиаторы.

Похожие статьи:

Алюминиевые радиаторы для частного дома: какие лучше?

Алюминиевые радиаторы: особенности конструкции и производства

Выбор алюминиевых радиаторов для отопления частного дома стоит начать с изучения методов производства. В производстве батарей основным материалом используют алюминий. Прочности легкому материалу добавляют специальные кремниевые примеси. Из полученного вещества либо отливают коллектор целиком, либо создают отдельные секции. В зависимости от технологии производства различаются алюминиевые батареи для дома изготовленные по методу экструзии или литья.

В производстве батарей методом литья каждая секция отливается отдельно. Для изготовления батарей используют силумин — это особый сплав алюминия с добавлением кремния. Секции отливаются под действием высокого давления, что позволяет получить самую различную форму. Подобная батарея выдержит давление до 15 атмосфер. Также в конструкции батареи сконструированы широкие протоки для воды и утолщенные стенки.

Изготовление алюминиевых радиаторов для отопления частного дома экструзией также предполагает изготовление батареи частями. Однако по этому методу выдавливаются из алюминия только вертикальные детали. А коллектор изготавливается из силуминового сплава целиком. Такой способ изготовления батарей дешевле, чем литье. Существует один недостаток — такую батарею невозможно улучшить в процессе эксплуатации, так как батареи изготавливаются уже фиксированного размера, и добавить либо удалить дополнительную секцию нельзя.

Среди алюминиевых радиаторов для частного дома существуют батареи анодированного типа. Такие конструкции в процессе изготовления подвергаются процессу оксидирования, который позволяет получить алюминий высокого качества. Подобный материал устойчив к коррозии и прослужит дольше, чем обычная алюминиевая модель. Анодированные алюминиевые радиаторы выдерживают давление до 70 атмосфер. Следует заметить, что улучшение характеристик повлияло на стоимость. Такой радиатор стоит намного дороже обычной модели.

Характеристики батарей из алюминия

Выбор алюминиевых радиаторов отопления следует осуществлять, учитывая основные характеристики. Рассмотрим подробно каждую из них.

• Расстояние между осями. Стандартными размерами для производства батарей из алюминия стали параметры 200 мм, 350 мм и 500 мм. Такие модели найти легко. Существуют радиаторы и с большим размером. Можно найти модель с размерами до 800 мм. При выборе и покупке радиатора необходимо измерить расстояние под подоконником. Выбранная модель должна помещаться туда с запасом не менее 3 см от стены, 10 см от подоконника и пола. Если модель помещается плохо, то лучше выбрать поменьше. В противном случае циркуляция воздуха в помещении будет затруднена.
• Характеристики батарей из алюминияВ техническом паспорте указано два значения давлений. Это рабочее давление и опрессовочное. Иногда указывают еще максимальное давление. Следует знать, что это за характеристики и на какую стоит рассчитывать при выборе радиатора. Значение рабочего давления показывает возможную нагрузку в системе, при котором используется радиатор. Обычно указывается значение в 15 атмосфер. В системах городского отопления давление часто поднимается до 30 атмосфер. Поэтому алюминиевые батареи противопоказано применять в квартирах. Это идеальное решение для частного дома, где давление редко бывает больше 2-3 атмосфер. Очень важно понимать, что означает опрессовочное давление. В теплый период года, когда не нужно обогревать помещение, вода из батарей сливается. Перед отопительным сезоном нужно проверить герметичность системы. Герметичность проверяют посредством опрессовки. Это означает, что систему испытывают при давлении, которое минимум в 1,5 раза больше рабочего. Таким образом, следует выбирать алюминиевый радиатор с показателями по давлению с запасом. Тогда можно быть абсолютно уверенным, что оборудование выдержит перепады давления в системе и гидроудары.
• В технологическом паспорте указывается также теплоотдача батареи. Половина выработанного алюминиевыми батареями тепла составляют тепловые лучи. Остальной эффект достигается за счет конвекционного движения воздуха (когда теплый воздух поднимается вверх). В результате общая теплоотдача достигает весьма значительных показателей. В паспорте коэффициент теплоотдачи указан на одну секцию в ваттах. Умножим это значение на количество секций в модели и получим реальное значение теплоотдачи радиатора.

Следует знать, что на рынке обогревательных систем алюминиевые радиаторы отопления для частного дома обогнали всех своих конкурентов по теплоотдаче. Алюминий нагревается быстрее, чем чугун или биметалл. Это позволяет нагревать воду в котле до меньшей температуры, тем самым увеличивая его длительность эксплуатации. Так и котел изнашивается не так быстро, и экономится энергия для нагрева, тем самым создается дополнительная экономия финансов.

Одним из преимуществ алюминиевых радиаторов становится их дизайн. В настоящее время модели выпускаются с различным внешним видом, которые впишутся в любой интерьер.

Плюсы и минусы радиаторов из алюминия

Подводя итоги, можно выделить все преимущества использования алюминиевых батарей в частном доме:

• алюминиевые радиаторы экономичны. Они быстрее нагреваются, экономят ресурсы котла и газ или электроэнергию для нагрева;
• алюминиевые радиаторы идеальны для использования в замкнутых системах отопления частных домов. Батареи из алюминия плохо подходят для квартир, так как их рабочее давление редко превышает 30 атмосфер. Значение давления в системах централизованного отопления часто подвержено перепадам и гидроударам, поэтому гарантировать спокойную службу батарей из алюминия в квартирах крайне сложно. Однако это отличный вариант для частного дома, где давление в системе редко выше 3 атмосфер; Для квартир же используются биметаллические.
• алюминиевые радиаторы имеют широкий выбор по размерам, что позволяет подобрать их для комнаты с любой площадью;
• батареи имеют малый вес. Это отличное свойство позволяет легко их транспортировать и монтировать в доме;
• высокий коэффициент теплоотдачи. Среди всех своих аналогов батареи из алюминия бьют абсолютный рекорд по теплоотдаче. Они быстрее греются, поэтому требуют меньше ресурсов и берегут котел;
• большинство моделей оснащаются теплорегулятором, благодаря которому температуру в комнате можно изменять;
• легкость в монтаже;
• оригинальный дизайн и возможность подобрать модель, которая впишется в любой интерьер;
• цена батареи доступна широкому потребителю;

Выбирая алюминиевые батареи в частном доме, следует учесть несколько важных эксплуатационных качеств. Рассмотрим каждое из них:

• возможность утечки на межсекционных стыках. В процессе эксплуатации алюминий изнашивается, поэтому через несколько лет возможны утечки в слабых местах радиатора;
• тепло распределяется неравномерно. Основное тепло накапливается на ребристой поверхности радиатора;
• не слишком длительный срок эксплуатации. Максимально возможный гарантийный срок, который указан производителем, составляет 25 лет. Тогда как радиаторы из других материалов могут прослужить более 40 лет;
• повышенная возможность газообразования;
• главная негативная особенность батареи — это подверженность алюминия коррозийным процессам, поэтому батарею следует обработать специальным антикоррозийным раствором, который увеличит длительность эксплуатации оборудования.

Следует заметить, что алюминий подвержен действию теплоносителя. Вода с примесью, повышенной кислотностью или добавлением химических веществ агрессивной природы негативно влияет на материал батареи. Некачественная вода может значительно уменьшить срок службы алюминиевых батарей и привести к прорыву. Именно поэтому следует применять алюминиевые радиаторы только в частных домах, где нейтральная среда воды абсолютно не повредит батарее.

В поисках недорогих и качественных батарей для собственного дома радиаторы из алюминия становятся настоящей находкой. Они недороги, имеют хорошие технологические характеристики, интересный дизайн и высокую теплоотдачу. Однако подобные радиаторы следует обработать специальными антикоррозийными веществами, а также обращать внимание на качество воды в системе отопления.

Где купить

Прежде чем купить алюминиевые радиаторы отопления для частного дома, следует изучить множество возможных моделей, провести их сравнительный анализ, а также тщательно замерить пространство под подоконником. В процессе выбора у потребителя обычно возникает множество вопросов. Внести ясность в процесс выбора алюминиевого радиатора поможет консультация специалиста. Компания «Ламмин» предлагает вам свою помощь в выборе алюминиевого радиатора для частного дома. Мы занимаемся только проверенной высокотехнологичной продукцией, которая прослужит долгие годы. Вы можете получить консультацию в наших магазинах в Москве или по телефону, указанному на сайте.

В нашем каталоге представлен возможный ассортимент продукции, приобрести которую вы можете в нашем магазине в Москве либо в другом регионе, заказав доставку любой транспортной компанией. Предложение компании «Ламмин» интересны как оптовым, так и розничным покупателям. Мы имеем тридцатилетний опыт работы с системами отопления, поэтому вы можете быть уверены в нашем профессионализме. Мы заслужили доверие многих монтажных компаний в России. Выбирая нашу компанию в качестве партнеров, вы получите продукцию высокого качества, а также грамотную консультацию специалистов и помощь в выборе. Мы ждем вас в наших магазинах!

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 утверждению 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 передовых 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 заряжающимися. «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 элементов 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 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, разработанной 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 батарея 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, графеновые алюминиево-ионные элементы не требуют использования меди, которая стоит 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.

«На каждый гигаджоуль (ГДж) или миллион БТЕ 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 впечатляющие результаты испытаний производительности нового типа алюминиево-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 кВт · ч, согласно обратной стороне нашего конверта, — наряду с значительно более высокой скоростью зарядки, которая может в значительной степени положить конец опасениям по поводу 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 — поэтому, если бы 240 из этих сверхбыстрых заряжаемых автомобилей подключились одновременно, они мгновенно нагрузили бы 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 к машине, 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 дает никаких цифр о том, сколько могут стоить эти батареи при массовом производстве. При ценах на графен около 100 долларов за грамм даже «недорогая» версия может оказаться чертовски дорогой.

И последний — это временная шкала.Как вы наверняка с болью знаете, между испытательным стендом и конечным продуктом обычно есть небольшой разрыв; даже больше, когда дело касается автомобильных компаний. 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-воздушные батареи могут принести пользу электромобилям, но должны быть заменены

Мы слышали об алюминиево-воздушных или алюминиево-кислородных батареях в течение многих лет, и мы сообщали о них несколько раз.Еще в 2014 году мы сообщали о дебюте алюминиево-воздушной батареи протяженностью 1000 миль, а в 2016 году мы сообщали, что алюминиево-воздушная батарея была готова к коммерциализации. Вы можете увидеть, как эти истории обернулись. По этой причине мы не часто сообщаем о прорыве в аккумуляторной батарее.

Мы могли бы честно, вероятно, сообщать о прорыве в аккумуляторных батареях для электромобилей каждую неделю, хотя большинство из них на самом деле не прорывы, а технологии и химия, которые находились на стадии тестирования в течение многих лет. Однако нам хотелось бы думать, что в конечном итоге многие новые аккумуляторные технологии выйдут на первый план.Если бы не обязательно появились новые технологии и достижения, у нас, вероятно, вообще не было бы литий-ионных аккумуляторов или электромобилей.

Теперь Indian Oil Corp. делает ставку на алюминиево-воздушные аккумуляторы для электромобилей как на лучшую альтернативу литиевым, особенно в регионах, где мало лития. Ведущий нефтеперерабатывающий завод страны объединил усилия со стартапом Phinergy Ltd. для разработки алюминиево-воздушной батареи.

В Индии нелегкий доступ к литию, поэтому имеет смысл попытаться найти альтернативу.Директор по исследованиям и разработкам Indian Oil Corp., S.S.V. Рамакумар сообщил Bloomberg через Autoblog :

«Лития в стране мало, и мы начали поиск элемента, который в изобилии доступен в качестве природного ресурса».

С другой стороны, в Индии много алюминия, и страна много лет вкладывает в него значительные средства. Глава отдела хранения энергии в Bloomberg New Energy Finance в Лондоне поделился:

«Ясно, что особое внимание здесь уделяется тому, что алюминий находится в лучшем состоянии, чем литий.Но с постоянно падающими ценами на системы на основе лития, разработчики будут вынуждены искать нишевые приложения, в которых алюминий-кислород может закрепиться ».

Как сообщается, эти алюминиево-воздушные батареи очень энергоемкие, что означает, что даже в гораздо меньшем и легком корпусе они смогут обеспечить значительно больший радиус действия. Кроме того, они дешевле и безопаснее литий-ионных аккумуляторов.

С учетом сказанного, есть серьезная оговорка. Эти алюминиево-кислородные батареи не подлежат перезарядке.Вместо этого водители отправятся на заправку и быстро поменяются местами. Затем использованные батареи будут переработаны. Также сообщается, что они менее токсичны, чем другие батареи, а также их легче утилизировать.

Посетите ссылку Autoblo g ниже, чтобы получить более подробную информацию. Затем прокрутите вниз и оставьте нам комментарий. Кроме того, посмотрите видео ниже для получения дополнительной информации об алюминиево-воздушных батареях:

Политика Индии дает алюминиевым батареям шанс заменить литий в электромобилях

Стремление уменьшить зависимость от импортируемых материалов и технологий, особенно из Китая, подталкивает Индию к инвестированию в технологию аккумуляторов, в которой в качестве ключевого ингредиента используется алюминий, а не литий.Indian Oil Corp., крупнейший в стране нефтеперерабатывающий завод, объединилась со стартапом Phinergy Ltd. для разработки алюминиево-воздушной батареи израильской компании.

В Индии мало пригодных для эксплуатации вариантов производства лития, ключевого металла для нынешнего поколения аккумуляторов электромобилей, но ее восточные джунгли содержат большие запасы бокситов — руды, используемой для производства алюминия.

«Лития в стране мало, и мы начали поиск элемента, который в изобилии доступен в качестве природного ресурса», — сказал директор по исследованиям и разработкам Indian Oil С.С.В. Рамакумар.

Индия входит в десятку крупнейших производителей бокситов. По данным Геологической службы США, его доказанные запасы составляют около 600 миллионов тонн руды, хотя, по оценкам министерства горнодобывающей промышленности Индии, неиспользованные ресурсы могут быть во много раз больше. Более того, на протяжении многих лет страна инвестировала значительные средства в производство алюминия, чтобы стать вторым по величине алюминиевым заводом в мире.

«Ясно, что особое внимание здесь уделяется тому, что алюминий находится в лучшем предложении, чем литий», — сказал Джеймс Фрит, глава отдела хранения энергии в BNEF в Лондоне.«Но с постоянно падающими ценами на системы на основе лития, разработчики будут вынуждены искать нишевые приложения, в которых алюминий-кислород может закрепиться».

ТАКЖЕ ЧИТАЙТЕ: Продажи электромобилей в Индии вырастут на 26% в 21-23 финансовом году: Fitch Solutions

По словам Рамакумара, алюминиево-воздушная батарея может иметь преимущества перед своим литий-ионным конкурентом по трем другим важным причинам: она потенциально дешевле, автомобили, использующие ее, будут иметь больший радиус действия и безопаснее.

Замена батарей

Батарея работает за счет электричества, вырабатываемого при взаимодействии алюминиевых пластин с кислородом воздуха. У него одна из самых высоких плотностей энергии для аккумулятора. Но у этой системы есть ряд недостатков, которые не позволяют ей широко использовать с тех пор, как она была впервые предложена в 1960-х годах.

Главным из них является стоимость материалов, которые необходимо добавить в батарею, чтобы предотвратить падение мощности, и тот факт, что элементы нельзя перезарядить.Вместо этого, план Phinergy состоит в том, чтобы пользователи могли быстро заменить новую батарею и отправить использованную на предприятие по переработке.

По словам Рамакумара, на замену аккумулятора уходит всего три минуты, примерно столько же, сколько нужно на заправку на заправке. Топливный ритейлер планирует использовать свою сеть АЗС в качестве точек обмена.

Для сравнения, литий-ионные батареи часто содержат опасные материалы, которые могут быть токсичными при неправильной утилизации, что затрудняет их переработку.По оценке BloombergNEF, к 2035 году в мире накопится около 4 миллионов тонн литий-ионных батарей, срок службы которых подошел к концу.

Литий уже закрепился на рынке электромобилей и поглощает большую часть исследовательских долларов, при этом многие потенциальные претенденты на основе натрия, магния или алюминия сосредоточены на более мелких сегментах, таких как системы резервного питания, накопители энергии или маломощный транспорт, например вилочные погрузчики.

Тем не менее, спрос как со стороны электротранспорта, так и со стороны возобновляемых источников энергии означает, что Индия может предоставить достаточно большой рынок для алюминиево-воздушных батарей, чтобы найти свою роль.По данным BNEF, к 2035 году потребность в батареях вырастет до 185 гигаватт-часов.

Amara Raja Batteries Ltd., крупнейший производитель свинцово-кислотных элементов в Индии, рассматривает существующие технологии на основе лития как «двигатель следующего роста», хотя также видит возможности для разработки альтернатив, Виджаянанд Самудрала, президент компании по новым источникам энергии, сказал во вторник на саммите BNEF.

«Я не думаю, что можно сказать последнее слово о зрелости технологии, я вижу, как минимум два или три поколения технологических изменений произойдут в области аккумуляторных батарей в следующие 10 лет», — сказал он.

Indian Oil сделала стратегические инвестиции в Phinergy в начале 2020 года, и 30 000 станций обслуживания индийской компании могут «служить инфраструктурой для развертывания технологий Phinergy», — говорится в сообщении израильской компании по электронной почте.

Системы Phinergy были протестированы телекоммуникационными компаниями на наличие резервного питания на опорах электропередач и других объектах. Компания, которая привлекла 60 миллионов долларов в результате первичного публичного размещения акций в Тель-Авиве в начале этого года, запустила тестовый автомобиль с использованием алюминиево-воздушной батареи для поддержания заряда литий-ионного блока питания автомобиля, который, по ее словам, будет иметь запас хода 1750 километров. .

Чтобы оценить возможность широкого использования в Индии, автопроизводители Mahindra and Mahindra Ltd., Maruti Suzuki India Ltd. и Ashok Leyland Ltd. проводят испытания автомобилей, которые, как ожидается, продлятся почти год. По словам Рамакумара, если спрос будет достаточным, Indian Oil и Phinergy планируют создать гигаваттный завод по производству батарей в Индии.

Успех поможет премьер-министру Нарендре Моди решить три неотложные проблемы для страны: сокращение загрязнения, сокращение импорта сырья и создание рабочих мест.

Зависимость Индии от ископаемого топлива сделала ее третьим по величине источником выбросов парниковых газов в мире, а ее города регулярно занимают первые места в рейтингах по загрязнению воздуха, подвергая сотни миллионов граждан риску заболеваний легких и преждевременной смерти. Правительство также подталкивает компании к сокращению расходов на импорт и повышению самоокупаемости. Indian Oil — крупнейший в стране импортер сырой нефти.

НПЗ присоединился к крупным нефтяным компаниям, включая Royal Dutch Shell Plc и BP Plc, в стремлении перейти на чистую энергию, поскольку правительства ужесточают нормы выбросов.

«Мы больше не считаем себя просто нефтяной компанией. Мы хотим проявить себя как энергетический игрок, поставляющий все формы энергии », — сказал Рамакумар. «У всех видов топлива будущего должен быть общий мотив: сделать Индию самодостаточной».

Идите дальше с алюминием | The Aluminium Association

К настоящему времени большинство из вас слышали о больших изменениях, происходящих в автомобильной промышленности, поскольку автопроизводители переходят на алюминиевые сплавы военного назначения для достижения значительного повышения топливной эффективности.Несколько меньше внимания привлекла еще одна крупная инновация алюминиевой промышленности, которая может сделать электромобили в массовом порядке.

На сегодняшний день электромобили получили ограниченное распространение, отчасти из-за «беспокойства о запасе хода» — опасения потребителей, что их батарея разрядится, не дойдя до места назначения. Недавнее заявление компании-члена Ассоциации Alcoa и компании по чистым технологиям Phinergy может все это изменить.

Дебютировавший во время Канадской международной конференции по алюминию (CIAC), компании продемонстрировали электромобиль с алюминиево-воздушным аккумулятором, который может увеличить пробег автомобиля примерно на 1000 миль.

Сама батарея состоит из 50 пластин, каждая из которых может привести автомобиль в действие примерно на 20 миль. При использовании в качестве дополнения к обычной литий-ионной батарее алюминиево-воздушная батарея может значительно увеличить дальность полета автомобиля. Секрет в огромном количестве энергии, хранящейся в алюминии, которая выделяется с помощью воздуха и воды.

Комментирует генеральный директор Phinergy Авив Цидон: «По сравнению с другими батареями, фундаментальное различие заключается в плотности энергии — плотность алюминий-воздух позволяет делать больше при меньшем весе.Благодаря большей плотности энергии вы создаете электромобили, расстояние проезда, закупочные цены и стоимость жизненного цикла которых сопоставимы с автомобилями, работающими на ископаемом топливе ».

Помимо электромобилей, применения алюминиево-воздушных батарей потенциально безграничны — от генераторов для больниц и центров обработки данных до оборонных приложений и службы экстренного реагирования. Большая часть исследований и разработок в рамках этого проекта проводилась в Техническом центре Alcoa за пределами Питтсбурга, который является крупнейшим исследовательским центром легких металлов в мире.

Посмотрите это потрясающее видео, объясняющее, как была разработана батарея.

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, в которой в качестве анода и катода используются богатые землей алюминий и графит, соответственно, а также электролит-аналог ионной жидкости, состоящий из AlCl ₃ и мочевины, который является очень дешевым и экологически чистым.Батарея демонстрирует кулоновский КПД ∼99,7% и значительную емкость с катодной емкостью 73 мА г ^-1 при 100 мА г ^-1 (1,4 ° C).

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 .Молярное соотношение 3: 1. Батарея показывает плато разрядного напряжения около 1,9 и 1,5 В (средний разряд = 1,73 В), а удельная катодная емкость составляет ∼73 мА · ч · г ^-1 при плотности тока 100 мА · г ^-1 (~ 1,4 ° C) . Была легко продемонстрирована высокая кулоновская эффективность в диапазоне скоростей заряда – разряда и стабильность в течение ~ 150–200 циклов. Рамановская спектроскопия in situ ясно показала интеркаляцию / деинтеркаляцию хлоралюминатного 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 звена ) с образованием анионов AlCl ₄ ^— и катионов [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 мА · ч g ⁻¹ с кулоновской эффективностью (CE) 97–98% и сверхвысокой скоростью заряда / разряда (до 5000 мА · г ⁻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 допускают теоретическую удельную анодную емкость 2980 мАч / г, поэтому есть 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 производительность 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 содержанием активного графитового материала ∼5 мг / см ⁻² . Окислительно-восстановительные процессы в значительной степени обратимы, но несколько кинетически затруднены, показывая 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 интеркаляции хлоралюминат-аниона в графит предложены механизмы батареи, схематически проиллюстрированные на рис.1 Д .

Рис. 1.

CV графитовых и алюминиевых 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 были записаны 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 ). Феномен CE> 100% неизвестен электролитной системе 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 (увеличенная 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 кулоновского КПД, 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 г ^-1 (1,4 С) и 200 мА г ^-1 (3,1 С) 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 изб. ^-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 в полосе 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 на 1632 см ^-1 , что свидетельствует об образовании соединения с интеркаляцией 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 г ⁻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 определяется 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 более низкое плато 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 выполнили рамановские спектроскопические исследования 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 на 347 см (AlCl ₄ ^—), что подтверждает отсутствие Al ₂ Cl ₇ ^— . Когда добавлялось 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 режимы 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 ) Увеличенное изображение 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 ^— присутствует 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 частицы, 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 четырехкоординатный 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 — число атомов углерода на один интеркалированный анион ( x = 30 на основе емкости 75 мАч / г ^-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 ppm (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 выполнена, 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 -моль мочевины) 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 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, ²⁷ Al ЯМР-спектры были записаны (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, натуральные хлопья), углеродная лента (Ted Pella, 16073), альгинат натрия ( Sigma), связующее (альгинат натрия), углеродная волокнистая бумага Mitsubishi (CFP) (30 г / м ² ) и стекловолоконная фильтровальная бумага (Whatman GF / A).

Батареи.

Графитовые суспензии (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 в расчете 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 из углепластика (~ 3 см ² ) использовался ГП с микрограммовой нагрузкой.

Рамановские измерения на месте.

Рамановские ячейки in situ были сконструированы в карманной ячейке с кварцевым окном для получения оптического доступа. Гальваностатический заряд / разряд выполнялся в течение ~ 80 циклов при 100 мА г ^-1 для обеспечения нормального поведения батареи, затем при 50 мА г ^-1 (~ 0,66 ° C) при 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 полосы D. Рамановская спектроскопия и ЯМР ²⁷ Al электролита показали присутствие AlCl ₄ ^— , [AlCl ₂ · (мочевина) _n ] ⁺ и Al ₂ Cl ₇ ^— ионных частиц 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. and 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.

Отрицательный? Как ветеран ВМФ отказался принять отказ от своего изобретения с батареей — TechCrunch

Десятилетия назад молодой морской инженер на британской атомной подводной лодке начал интересоваться электрическими батареями, помогающими управлять его судном.Тихо бегая под ледяной шапкой полярного сияния во время холодной войны, этот подводник мало что знал, что в 21 веке аккумуляторы станут одним из крупнейших секторов технологий. Даже планета. Но его любопытство осталось с ним, и почти 20 лет назад он решил осуществить эту мечту, рожденную много лет под водой.

Путешествие Тревора Джексона началось, как и многие другие вещи в сфере технологий, с исследований. Он был очарован экспериментами, проводимыми не с литиевыми батареями, которые стали доминировать в индустрии батарей, а с так называемыми «алюминиево-воздушными» батареями.

«Я видел, как Базз и Нейл шли по Луне пятьдесят лет назад», — говорит он мне. «Я люблю приключения, поэтому после ловли омаров на внутренних Гебридских островах, получения диплома инженера, а затем карьеры в Роллс-Ройсе по ремонту реакторов, он вернулся в море через Королевский военно-морской колледж Британии. Мне нравилась служба подводных лодок, но на глубине 200 футов под Атлантикой для меня было немного тихо! Я часто набрасывал идеи о летающих машинах и других интересных вещах на скучных часах между ракетными тренировками на Resolution, подводной лодке Polaris с 16 космическими ракетами с ядерными боеголовками.”

Холодная война закончилась, Джексон женился и вернулся в промышленность, работая над системами подводных лодок в British Aerospace в Глазго. Его перевели на «альтернативные двигатели», и он заинтересовался топливными элементами и батареями.

В 1999 году, на пике создания компании по производству водородных топливных элементов в Калифорнии, он покинул BAe, чтобы основать собственную компанию по производству топливных элементов. «Мой старый босс в Rolls Royce указал, что водород должен откуда-то поступать. Поэтому я посмотрел на другие технологии и нашел металл-воздух », — говорит он.

Технически описываемые как «(Al) / воздушные» батареи, это почти нерассказанная история из мира батарей. Во-первых, алюминиево-воздушная аккумуляторная система может генерировать достаточно энергии и мощности для диапазона пробега и ускорения, как у автомобилей с бензиновым двигателем.

Иногда известные как батареи «Металл-Воздух», они уже много лет успешно используются в автономных приложениях, так же как батареи для армейских радиостанций. Самый привлекательный металл в батареях этого типа — алюминий, потому что это самый распространенный металл на Земле и имеет одну из самых высоких плотностей энергии.

Подумайте о воздушно-реактивной батарее, в которой в качестве «топлива» используется алюминий. Это означает, что он может обеспечивать энергией транспортные средства энергией из чистых источников (гидро-, геотермальной, ядерной и т. Д.). Это источники энергии для большинства алюминиевых заводов во всем мире. Единственным отходом является гидроксид алюминия, и его можно вернуть на плавильный завод в качестве сырья — угадайте, для чего? — производить больше алюминия! Таким образом, этот цикл является очень устойчивым и отделен от нефтяной промышленности. Вы даже можете переработать алюминиевые банки и использовать их для изготовления батарей.

Представьте себе, что — источник энергии отдельно от сильно загрязняющей нефтяной промышленности.

«Я арендовал лабораторию, прочитал все о ней, а затем снова стал инженером-разработчиком, что означает: думать, создавать, тестировать и настраивать, пока не найдешь ответы. Один или два удара неожиданно, и я увидел огромную разницу в одном тесте », — говорит Джексон.

Но вряд ли кто-то использовал их в массовых приложениях. Почему?

Алюминиево-воздушные батареи уже давно существуют.Но проблема с батареей, которая вырабатывала электричество, «поедая» алюминий, заключалась в том, что она была просто неэффективной. Использованный электролит просто не работал.

Это было важно. Электролит — это химическая среда внутри батареи, которая обеспечивает прохождение электрического заряда между катодом и анодом. Когда устройство подключено к батарее — лампочке или электрической цепи — на электродах происходят химические реакции, которые создают поток электрической энергии к устройству.

Когда начинает работать алюминиево-воздушная батарея, в результате химической реакции образуется «гелевый» побочный продукт, который может постепенно блокировать дыхательные пути в элемент.Исследователям казалось, что это трудноразрешимая проблема.

Но после множества экспериментов в 2001 году Джексон разработал то, что он считал революционным типом электролита для алюминиево-воздушных батарей, который потенциально может устранить препятствия для коммерциализации.

«Все было стабильно, водород и гель почти закончились, но мощность была намного лучше».

Его специально разработанный электролит не производил ненавистного геля, который разрушил бы эффективность алюминиево-воздушной батареи.Для Джексона это казалось переломным моментом: «Все, что мне нужно было сделать, — это сказать правительству. «Просто», — подумал я ».

Прорыв, если он будет доказан, имел огромный потенциал. Плотность энергии его батареи была примерно в восемь раз больше, чем у литий-ионной батареи. Он был невероятно взволнован. Потом попытался рассказать политикам…

Несмотря на детальную демонстрацию работающей батареи лорду «Джиму» Найту в 2001 году с последующей перепиской по электронной почте и обещанием «передать ее Тони (Блэру)», США не проявили интереса.К. правительство.

И Джексон столкнулся с бюрократическими препятствиями. Официальный инновационный орган правительства Великобритании, Innovate UK, сделал упор на технологию литиевых батарей, а не на алюминиево-воздушные батареи.

Он изо всех сил пытался убедить государственных и частных инвесторов поддержать его, таково было влияние «лобби литиевых батарей» над сектором.

Этот упор на литиевые батареи над всем остальным означал, что правительство Великобритании фактически оставило на столе технологию, которая могла бы произвести революцию в хранении электроэнергии и мобильности и даже внести свой вклад в борьбу с выбросами углерода и продвинуть U.K. к его целям по сокращению загрязнения.

Разочарованный в Великобритании, Джексон поднял планку и нашел лучшую поддержку во Франции, куда он перенес свои исследования и разработки в 2005 году.

Наконец, в 2007 году потенциал изобретения Джексона был независимо подтвержден во Франции в институте Polytech Nantes. Его преимущества перед литий-ионными батареями были (и остаются) повышенным напряжением ячеек. Они использовали обычный алюминий, создавали очень мало загрязнений и имели стабильную длительную выходную мощность.

В результате в 2007 году правительство Франции официально одобрило эту технологию как «стратегическую и отвечающую национальным интересам Франции».

В этот момент министерство иностранных дел Великобритании внезапно проснулось и обратило на это внимание.

Он пообещал Джексону, что UKTI приложит «300%» усилий для запуска технологии в Великобритании, если она будет «репатриирована» обратно в Великобританию.

Однако в 2009 году Совет по технологической стратегии Великобритании отказался поддержать технологию, сославшись на то, что Дорожная карта технологий автомобильного совета «исключила этот тип аккумуляторов.«Даже несмотря на то, что Carbon Trust согласился с тем, что это действительно представляет собой« надежную технологию сокращения выбросов CO2 », он отказался от дальнейшей помощи Джексону.

Между тем правительства других стран с большим энтузиазмом отнеслись к исследованию металло-воздушных батарей.

Правительство Израиля, например, напрямую инвестировало в Phinergy, стартап, работающий над очень похожей алюминиево-воздушной технологией. Вот, по общему признанию, корпоративное видео, которое на самом деле демонстрирует преимущества металло-воздушных батарей в электромобилях:

Компания «Русский алюминий» РУСАЛ разработала процесс плавки без выбросов CO2, что означает, что они теоретически могут создать алюминиево-воздушную батарею без использования CO2.

Джексон пытался сказать правительству Великобритании, что они совершают ошибку. Выступая перед парламентским отборочным комитетом по бизнес-энергетике и промышленной стратегии, он описал, как Великобритания создала предвзятость в сторону литий-ионных технологий, что привело к созданию экосистемы аккумуляторных технологий, которая финансирует исследования литий-ионных аккумуляторов на миллиарды долларов. фунты стерлингов. В 2017 году премьер-министр Тереза ​​Мэй также поддержала литий-ионную промышленность.

Джексон (на фото ниже) отказался принять ответ.

Он подал заявку в Лабораторию оборонной науки и технологий Великобритании. Но в 2017 году они ответили решением «не выделять средства», в котором технология была отклонена, хотя у DSTL была своя собственная программа по алюминиево-воздушной технологии, посвященная поиску лучшего электролита в Саутгемптонском университете.

Джексон вместо этого обратился в автомобильную промышленность. Он основал свою компанию MAL (под торговой маркой «Metalectrique») в 2013 году и использовал начальное финансирование для успешного тестирования перспективной конструкции силового агрегата в ее лабораторных помещениях в Тавистоке, США.К.

Вот он на региональном канале BBC, объясняющий батарею:

Он работал в тесном сотрудничестве с Lotus Engineering над проектированием и разработкой запасных силовых агрегатов большой дальности для электромобилей Nissan Leaf и Mahindra Reva «G-Wiz». В то время Nissan проявил большой интерес к этой «сверх литиевой технологии» (по их словам), но они уже были привержены установке литий-ионных аккумуляторов на Leaf. Не испугавшись, Джексон сконцентрировался на G-Wiz и продолжил производство полноразмерных аккумуляторных элементов для тестирования и показал, что технология алюминий-воздух превосходит любую другую существующую технологию.

В ходе испытаний силовая технология Jackson’s Aluminium-Air могла создать батарею с дальностью действия 1500 миль с 90-секундной системой замены. Преимущества очевидны: экономичность для водителя; безопасен и не содержит CO2; пригодны для вторичной переработки и повторного использования; и со стоимостью для водителя 0,08 фунта стерлингов за милю. Батарея также имеет низкую стоимость: всего 60 фунтов стерлингов / кВтч (цена батареи для OEM).

Но постоянный упор на литий-ионные аккумуляторы не позволяет исследовать новые возможности, такие как металл-воздушные батареи.

И дело в том, что сейчас литиевые батареи сталкиваются с серьезными проблемами.Развитие технологий достигло своего пика, и, в отличие от алюминия, литий не подлежит переработке, и запасы литиевых батарей не гарантированы, особенно в эпоху, когда в Китае находится большая часть мировых хранилищ редкоземельных элементов.

Преимущества технологии «алюминий-воздух» многочисленны. Без необходимости заряжать аккумулятор, автомобиль может просто заменить аккумулятор за секунды, полностью избавившись от «времени зарядки». Большинство современных точек зарядки рассчитаны на 50 кВт, что составляет примерно одну сотую мощности, необходимой для зарядки литиевой батареи за пять минут.Между тем, водородные топливные элементы потребуют огромной и дорогой инфраструктуры распределения водорода и новой системы производства водорода.

Но Джексон продолжал настаивать, убежденный, что его технология может удовлетворить как потребности в электроэнергии в будущем, так и климатический кризис.

В мае прошлого года он начал получать столь необходимое признание.

Британский центр Advanced Propulsion Center включил батарею Metalectrique в рамках своего гранта в 15 британских стартапов, чтобы вывести свои технологии на новый уровень в рамках своей программы Technology Developer Accelerator Program (TDAP).