Alüminyum iyon pil

Alüminyum-iyon piller, alüminyum iyonlarının yük taşıyıcı olarak görev yaptığışarj edilebilir bir pil sınıfıdır. Alüminyum, iyon başına üç elektron değiştirebilir. Bu, bir Al³⁺ eklenmesinin üç Li⁺ iyonuna eşdeğer olduğu anlamına gelir. Bu nedenle, Al³⁺ (0,54 Å ) ve Li⁺ (0,76 Å) iyon yarıçapları benzer olduğundan, önemli ölçüde daha yüksek sayıda elektron ve Al³⁺ iyonları katotlar tarafından çok az hasarla kabul edilebilir. Al, Li'nin 50 katı (23,5 megavat-saat m^-3) enerji yoğunluğuna sahiptir ve bu kömürden bile yüksektir.

Üç değerlikli yük taşıyıcı Al³⁺, bu pilin hem avantajı hem de dezavantajıdır. Bir iyon tarafından 3 birim yük aktarımı, enerji depolama kapasitesini önemli ölçüde artırırken, elektrotların üç değerlikli bir katyon ile interkalasyonu, iyi tanımlanmış elektrokimyasal davranış için çok güçlüdür.

Şarj edilebilir alüminyum bazlı piller, yüksek kapasite ile birlikte düşük maliyet ve düşük yanıcılık olanakları sunar. Alüminyumun inert ve olağan ortamda kullanım kolaylığı, önemli güvenlik avantajları, bu alüminyum daha küçük olma potansiyeli sağlar. Al-ion piller ayrıca daha fazla şarj-deşarj döngüsüne sahip olabilir. Böylece, Al-ion piller, Li-ion pillerin yerini alma potansiyeline sahiptir.

Tasarım

Diğer piller gibi, alüminyum iyon piller de bir elektrolitle bağlanan iki elektrot içerir. Hareketli iyonun Li ⁺ olduğu lityum-iyon pillerin aksine, alüminyum elektrolitte klorürle genellikle AlCl₄⁻ veya Al₂Cl₇⁻ şeklinde bir anyonik mobil yük taşıyıcı olarak yer alır.

Bir pilin verebileceği enerji miktarı, pil hücresinin voltajı, kapasitesi ve pilin kimyasal bileşimi gibi faktörlere bağlıdır. Pillerin enerji çıkış seviyeleri şu şekilde en üst düzeye çıkarabilir:

• İki elektrot arasındaki kimyasal potansiyel farkını artırarak,
• Reaktanların kütlesini azaltarak,
• Elektrolitin kimyasal reaksiyonlarla değiştirilmesini önleyerek.

Elektrokimya

Anot yarı reaksiyonu:

${\ce {{Al}+{7AlCl4^{-}}<=>{4Al2Cl7^{-}}+{3e^{-}}}}$

Katot yarı reaksiyonu:

${\ce {{2MnO2}+{Li+}+{e^{-}}<=>{LiMn2O4}}}$

İki yarım reaksiyonun birleştirilmesi aşağıdaki reaksiyonu verir:

${\ce {{Al}+{7AlCl4^{-}}+{6MnO2}+{3Li+}<=>{4Al2Cl7^{-}}+{3LiMn2O4}}}$

Lityum-iyon karşılaştırması

Alüminyum-iyon piller, kavramsal olarak lityum-iyon pillere benzer, ancak lityum yerine bir alüminyum yük taşıyıcıya sahiptir. Alüminyum iyon piller için teorik voltaj, lityum iyon pillerden daha düşükken, sırasıyla 2,65V ve 4V, alüminyum iyon piller için teorik enerji yoğunluğu potansiyeli 1060' (Lityum iyon 406) Wh/kg dır.

Günümüzün lityum iyon pilleri, yüksek güç ve yüksek enerji yoğunluğuna sahiptir. Ayrıca kısa devre yapıp alev alabilen dendritler geliştirebilirler. Alüminyum ayrıca 3 elektronu nedeniyle enerjiyi daha verimli aktarır. Alüminyum, lityumdan daha bol ve ucuzdur.

Zorluklar

Alüminyum-iyon piller bugüne kadar nispeten kısa bir raf ömrüne sahipti. Isı, şarj hızı ve çevrim pilin kapasitesini birlikte önemli ölçüde etkileyebilir. Sebeplerden biri grafit anodun kırılmasıdır. Al atomları Li atomlarından çok daha büyüktür.

İyonik elektrolitler, korozyonu en aza indirerek cihazların güvenlik ve uzun vadeli kararlılığını artırırken pahalıdır ve bu nedenle uygun olmayabilir.

Araştırma

Araştırma ekipleri daha iyi pil üretmek için alüminyum üzerinde deneyler yapıyor. Gereksinimler arasında maliyet, dayanıklılık, kapasite, şarj hızı ve güvenlik yer alır.

Anot

Cornell Üniversitesi

Araştırmacılar 2021 de pil şarj olurken kovalent bağlanma yoluyla alüminyum katmanlarının iç içe geçmiş bir karbon fiber yapı üzerinde eşit şekilde biriktiği 3 boyutlu anot kullanan bir hücreyi duyurdu. Kalın anot, daha hızlı kinetiklere sahipti ve prototip, arıza belirtisi olmadan 10 bin döngü boyunca çalıştı.

Elektrolit

Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı

Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı 2010 civarında 1.060 Wh/kg enerji üreten yüksek yoğunluklu bir cihaz geliştirdi ve patentini aldı. ORNL, hidrojen gazı üretebilen ve anodu aşındırabilen tipik sulu elektrolit yerine iyonik bir elektrolit kullandı. Elektrolit, fazla alüminyum triklorür ile 3-etil-1-metilimidazolyum klorürden yapılmıştır. Bununla birlikte, iyonik elektrolitler daha az iletkendir ve güç yoğunluğunu azaltır. Anot/katot ayrımının azaltılması, sınırlı iletkenliği dengeleyebilir ancak ısınmaya neden olur. ORNL, korozyonu daha da azaltan, spinel manganez oksitten oluşan bir katot tasarladı.

Katot

Cornell Üniversitesi

2011 de ORNL ile aynı elektroliti kullanan bir araştırma ekibi katot için vanadyum oksit nanoteller kullandı. Vanadyum oksit, daha büyük yüzey alanına ve katot ile anot arasında azaltılmış yola sahip açık bir kristal yapıya sahiptir. Cihaz büyük bir çıkış voltajı üretti. Bununla birlikte, pilin düşük bir kulombik verimi vardı.

Stanford Üniversitesi

Nisan 2015'te Stanford Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, şarj süresi yaklaşık bir dakika olan (pilin kapasitesi belirtilmemiş) bir alüminyum-iyon pil geliştirdiklerini iddia ettiler. Hücreleri yaklaşık 2 volt, iki hücre dizi halinde bağlanırsa 4 volt sağlar. Prototip, kapasite kaybı olmadan 7.500'den fazla şarj-deşarj döngüsü sürdü.

Pil, bir alüminyum anot, sıvı elektrolit, izolasyon köpüğü ve bir grafit katottan yapılmıştı. Şarj işlemi sırasında, AlCl<sub id="mwmw">4</sub><sup id="mwnA">-</sup> iyonları grafen istiflenmiş katmanlar arasında bir araya gelir. Boşaltma sırasında, AlCl₄⁻ iyonları grafit boyunca hızla deinterkalasyona uğrar. Hücre, kapasite düşüşü olmadan 10.000'den fazla döngüye dayandı. Hücre kararlı, toksik değil, bükülebilir ve alev almıyordu.

2016 yılında laboratuvar, pahalı bir elektrolit kullanarak bir motosiklete güç sağlamak üzere Tayvan'ın Endüstriyel Teknoloji Araştırma Enstitüsü (ITRI) ile işbirliği yaparak bu hücreleri test etti. 2017'de, 2015 modelinin maliyetinin yaklaşık %1'i kadar olan üre bazlı bir elektrolit test edildi. Batarya ~%99,7 Coulombic verimlilik ve 100 mA/g katot kapasitesinde 73 mAh/g

(1,4 C) oransal güç sağladı.

ALION Projesi

Malzeme üreticileri ve pil montajcılarından oluşan bir konsorsiyum tarafından ALION projesi Haziran 2015'te LEITAT araştırma enstitüsü tarafından yönetilen bir Avrupa Ufuk 2020 projesi olarak başlatıldı. Projenin amacı, merkezi olmayan kaynaklardan büyük ölçekli depolama için kullanılabilecek bir prototip Al-ion pil geliştirmektir. Projede 400 Wh/kg enerji yoğunluğu, 48 volt voltaj ve 3000 döngü şarj-deşarj ömrü elde edilmeye çalışılmıştır. Pil paketlerinin 3D baskısı, 6 ila 72 volt arasında değişen voltajlarla geliştirilmiş büyük Al-iyon hücreler üretimini olanaklı kıldı.

Maryland Üniversitesi

Maryland ekibi 2016 yılında katot olarak kükürt/karbon bileşimi kullanan bir alüminyum/kükürt pili bildirdi. Kimya, 1340 Wh/kg'lık bir teorik enerji yoğunluğu sağlıyor. Prototip hücre, 20'den fazla döngü için 800 Wh/kg enerji yoğunluğu göstermişti.

MİT

MIT araştırmaları 2022'de eriyik bir kloro-alüminat elektrolitiyle ayrılmış bir alüminyum anot ve bir kükürt katot dahil olmak üzere ucuz ve yanıcı olmayan bileşenler kullanan bir tasarım bildirdi. Prototip, yüzlerce şarj döngüsüne dayandı ve hızlı bir şekilde şarj oldu. Piller 200 °C (392 °F) kadar sıcaklıklarda çalışabilirler ve 110 santigrad ta 25 °C (77 °F) olduğundan 25 kat daha hızlı şarj olur. Bu sıcaklık, şarj/deşarj döngüsü ile korunabilir. Tuzun erime noktası düşüktür ve dendrit oluşumunu engeller. Potansiyel bir uygulama, önceden şarj edilmiş bir pilin, istasyonun elektrik hattında maliyetli bir yükseltme yapmadan aynı anda daha fazla aracı şarj etmesine izin verebileceği şarj istasyonlarıdır. Araştırmacılardan birinin ortak kurduğu yan şirket Avanti, çalışmayı ticarileştirmeye çalışıyor.

Chalmers Teknoloji Üniversitesi ve Slovenya Ulusal Kimya Enstitüsü

2019'da araştırmacılar, bir alüminyum iyon pilde katot için antrakinon kullanmayı önerdiler.

Queensland Teknoloji Üniversitesi

Queensland Teknoloji Üniversitesi'nden araştırmacılar 2019'da sulu elektrolitli Alüminyum iyon pil için katot olarak kriptomelan bazlı elektrotlar geliştirdi.

Clemson Üniversitesi

2017'de Clemson Nanomalzemeler Enstitüsündeki araştırmacılar, tetrakloroalüminat (AlCl-4) interkalasyonu için grafen kullandı. Ekip, alüminyum anotlar, bozulmamış veya modifiye edilmiş birkaç katmanlı grafen katot ve elektrolit olarak AlCl3 tuzu içeren bir iyonik sıvı içeren piller yaptı. Pilin 200 Wh/kg enerji yoğunluğuyla 10.000'den fazla döngüde çalışabileceğini iddia ettiler.

Zhejiang Üniversitesi

Bir Zhejiang Üniversitesi ekibi Aralık 2017'de katot olarak grafen film, anot olarak metalik alüminyum kullanan bir pil duyurdu.

3H3C (Trihigh Tricontinuous) tasarımı, mükemmel elektrokimyasal özelliklere sahip bir grafen film katoduyla sonuçlanır. Sıvı kristal grafen yüksek oranda yönlendirilmiş bir yapı oluşturdu. Basınç altında yüksek sıcaklıkta tavlama, yüksek kaliteli ve yüksek kanallı bir grafen yapısı üretti. İddia edilen özellikler:

• 250 bin döngüden sonra orijinal kapasitenin yüzde 91,7'sini korudu.
• 1,1 saniye şarj süresi.
• Sıcaklık aralığı: -40 ila 120 C.
• Mevcut kapasite: 111 mAh/g, 400 A/g
• Bükülebilir ve yanmaz.
• Düşük enerji yoğunluğu

Redoks pili

Başka bir yaklaşım, şarj ve deşarj için redoks reaksiyonlarını kullanmaktır. Yüklemede alüminyum oksit veya alüminyum hidroksit bir alüminyum izabe tesisinde elektrolizle iyonik alüminyuma dönüştürülür. Bu 800 °C (1.470 °F) sıcaklık gerektirir. Bir rapor, olası verimliliği yaklaşık %65 olarak tahmin ediyordu. İyonik alüminyum havanın varlığında oksitlenmesine rağmen, bu enerji depolama kapasitesinin %1'inden daha azına mal olur.

Pilin boşaltılması, alüminyumun tipik olarak 100 °C'nin altındaki sıcaklıklarda suyla oksitlenmesiyle alüminyum hidroksit ve iyonik hidrojen verir. İkincisi, bir yakıt hücresi aracılığıyla elektrik üretebilir. Yakıt hücresindeki oksidasyon, alan veya su ısıtmasını destekleyebilen ısı üretir.

Daha yüksek sıcaklıktaki bir süreç, endüstriyel uygulamaları destekleyebilir. 200'°C ın üzerinde çalışır, alüminyum oksit, hidrojen ve ek ısı üretmek için alüminyumu buharla reaksiyona sokar.

İyonik alüminyum izabe tesisinde depolanabilir. Bir yaklaşım, pili bir izabe tesisinde şarj eder ve güç ve ısıya ihtiyaç duyulan her yerde kullanılabilir. Alternatif olarak, maksimum gidiş-dönüş verimliliği için ısının izabe tesisinde kullanılması gerekmesine rağmen, izabe tesisinde nakliyeye gerek kalmadan elektrik şebekesi beslenebilir.

Ayrıca bakınız

• Alüminyum hava pili
• Metal hava pili
• Pil türlerinin karşılaştırılması
• Pil türlerinin listesi
• Enerji yoğunluğu