Электроники много📈, лития мало📉 — не проще ли изобрести алюминиевые аккумуляторы? Ведь алюминий в избытке и он дешевле лития (цены на соединения, то есть карбонаты).
💬 Рассказываем, почему не всё так просто с алюминиево-ионными аккумуляторами, как кажется.
🔋 Neovolt.ru ➡ Блог ➡ Научно-популярное
Отвечаем на вопросы по алюминиевому аккумулятору
Алюминиево-ионный аккумулятор (Al-ion battery, металлический алюминий выступает катодом) — это концепция альтернативной аккумуляторной технологии, занимает видное место среди лучших*.
* - европейское исследование приведено на EC.europa.eu.
Если коротко, то сейчас не хватает прогресса обратимой очистки и осаждения алюминия, чтобы Al-катоду соперничать с литий-ионными батареями. Не существует до сих пор и подходящих твёрдых электролитов и совместимых положительных электродов — без них характеристики сильно проигрывают существующим батареям (подробности в конце).
⭐ Внимание! Существует ещё алюминиевая батарея с механической перезарядкой — это другая электрохимическая система!
👇 Это базовые знания о технологии. Теперь перейдём к частностям.
1. Почему нужно искать альтернативу литий-ионным?
На рынке перезаряжаемых аккумуляторов лидируют материалы:
- литий,
- свинец,
- кобальт,
- фосфор.
📉 Литию, кобальту и фосфору уже прочат проблемы с поставками в обозримом будущем.
2. Алюминий — лучшая альтернатива литию?
Материалы для замены исследуют последние 30 лет. Идея создания твердотельной алюминиево-ионной батареи приходила учёным не раз.
🔎 Алюминий — первый по распространённости металл в недрах и третий после кислорода и кремния среди элементов.
Из 1 кг сырьевого алюминия добывают в два раза больше атомов, чем из лития. Мало того, предприятия по производству и переработке этого металла широко распространены и активно работают.
3. Есть ли список с главными преимуществами алюминиево-ионных аккумуляторов?
Есть. Мы собрали достоверные свойства, подтверждённые исследованиями.
▶ Ссылки на утверждения приводим в [квадратных скобках].
- Тонкие настройки электрохимических свойств за счёт сплавляемости алюминиевого катода с большинством металлических элементов [источник «Extractive Metallurgy of Aluminum»];
- Объёмная ёмкость выше в 4 раза, чем у лития (8 Ач/см3 против 2Ач/см3) [источник «Quest for nonaqueous multivalent secondary batteries: magnesium and beyond»];
- Алюминий — лидер по объёмной ёмкости среди всех элементов [источник «An Overview and Future Perspectives of Aluminum Batteries»];
- Безопасность твердотельных аккумуляторов с ионами алюминия и меньший экологический вред, чем от литиевой индустрии [источник «Separators and electrolytes for rechargeable batteries: Fundamentals and perspectives»];
- Дешевизна за счёт широкого распространения материала, больших запасов в недрах и развитой инфраструктуры по добыче, переработке [источник «Историческая справка»].
4. Почему никто тогда не сделает такие замечательные аккумуляторы?
Если коротко, то их время ещё не пришло. Поясним, почему их появление сейчас преждевременно.
Всего по алюминиевым аккумуляторам существует более 2000* научных статей, по алюминиево-литиевым чуть более сотни [посчитали учёные международного сообщества, в числе которых российские — PDF-файл исследования]. Активнее других исследует Китай.
* - для сравнения, у литий-ионной технологии уже порядка 40000 научных статей между 1990-м и 2020-м годами [источник].
Однако научные работы приводят успешные опыты, позитивные и многообещающие. Часто не хватает подробностей и пояснений, почему выбраны одни материалы, а не другие.
О реальных недостатках технологии говорят мало. Здесь и кроется причина отсутствия алюминиево-ионных аккумуляторов в продаже.
5. Какие недостатки алюминиево-ионных аккумуляторов мешают?
- Быстро деградирует ёмкость — внутри аккумулятора алюминий необратимо разрушается коррозией (движущая сила напряжения препятствует сохранению оксидной плёнки на поверхности);
- Малый срок службы из-за уменьшения доли электролита по причине химических реакций на поверхности алюминиевого катода и металлических анодов при любых жидкостных химических составах;
- Не найдены материалы (пока) для решения этих проблем — совместимые твердотельные электролиты и твёрдые изоляторы;
- Тонкоплёночные технологии не развиты — теоретически они способны помочь преодолеть недостатки;
- Даже если случится прогресс твердотельных электролитов и тонкоплёночных технологий, то придёт он сначала в литий-ионные аккумуляторы с развитой инфраструктурой и рынком.
Коротко подытожим про Al-ion
В итоге алюминиево-ионные аккумуляторы всё время плетутся позади литий-ионных. При всех своих плюсах (доступность катодного металла в недрах и его дешевизна, ёмкость) они быстро деградируют и мало служат.
Новые материалы электролитов, сепараторов и анодов могли бы помочь решить проблемы алюминиевых аккумуляторов, но всё ещё исследуются.
⭐ Для самостоятельного изучения рекомендуем работу «The Aluminum-Ion Battery: A Sustainable and Seminal Concept», разработанную усилиями учёных со всего мира, включая Россию.
👉 Много лет замены Li-ion нет — узнайте почему!
Есть ли у вас подобные необычные вопросы об аккумуляторах? Напишите.
