Al-Air - Aluminium Luft Batterie – Leistung, Qualität, Performance, Aluminium ist als Batterieanode interessant.

Ausgangslage

Entwicklung neuer Energiequellen.

Das schnelle Wachstum der Weltwirtschaft hat zu einem Anstieg des Energiebedarfs im täglichen Leben und in der Industrie geführt. Es wird prognostiziert, dass der weltweite Energieverbrauch zwischen 2018 und 2050 um 50 % steigen wird, insbesondere in der asiatischen Region. Andererseits werden die weltweiten energiebedingten CO2-Emissionen zwischen 2018 und 2050 um 0,6 % pro Jahr zunehmen. Infolgedessen nimmt auch der vom Menschen verursachte Klimawandel stetig zu.

Angesichts der zunehmenden Erschöpfung fossiler Brennstoffe und geopolitischer Instabilitäten, die eine konstante Versorgung nicht garantieren, ist die Entwicklung neuer Energiequellen für moderne Gesellschaften von entscheidender Bedeutung geworden. Solar- und Windenergie sind bewährte Lösungen, um die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern, aber ihre großtechnische Anwendung steht noch vor Herausforderungen in Bezug auf Effizienz und Kontrollierbarkeit.

Aufgrund der zunehmenden Umweltprobleme, die größtenteils durch den kontinuierlichen Verbrauch fossiler Brennstoffe verursacht werden, ist es wichtig, neue Arten von sauberen und nachhaltigen Energiesystemen zu entwickeln. Daher werden erneuerbare Energiequellen erforscht, um die Verbrennung fossiler Brennstoffe und die damit verbundene Umweltverschmutzung zu minimieren. Eine der alternativen Lösungen ist der Einsatz elektrochemischer Energiespeichersysteme als Ersatz für herkömmliche Verbrennungsmotoren zur Stromerzeugung für Fahrzeuge. Mit elektrochemischen Energiespeichersystemen für Brennstoffzellenfahrzeuge sind mehrere Vorteile verbunden, z. B. die Verringerung schädlicher Emissionen, eine geringere Lärmbelästigung und eine geringere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen.

Die Fahrzeugindustrie, die fossile Ressourcen als Hauptkraftstoff verwendet, hat ebenfalls den Übergang von fossiler Energie zu Elektrizität beschleunigt. Gegenwärtig konzentrieren sich Entwicklung und Anwendung von Energiebatterien hauptsächlich auf Lithium-Ionen-Batterien und Wasserstoff-Brennstoffzellen. Beide stehen jedoch vor großen Herausforderungen in Bezug auf Kosten, Ressourcen, Infrastruktur, Recyclingtechnologie und Sicherheit. Die starke Nachfrage nach Energiebatterien mit hoher spezifischer Leistungsdichte und Kosteneffizienz fördert eine schnellere Entwicklung anderer Batterietypen. Insbesondere die Familie der Metall-Luft-Batterien hat in den letzten Jahren aufgrund ihrer hohen theoretischen spezifischen Leistungsdichte zunehmende Aufmerksamkeit erhalten. Die Aluminium-Luft-Batterie wird aufgrund des relativ hohen Aluminium-Vorkommens auf der Erde, ihrer Sicherheit und ihrer Recycelbarkeit als die potenziell beste Lösung angesehen.

Batterien sind zuverlässige Lösungen, die es ermöglichen, die Energiespeicherung auf nachhaltige Weise zu verwalten. Lithium-Ionen-Batterien sind die fortschrittlichsten Speichermedien, die in allen Bereichen, von der Mikroelektronik bis zur Automobilindustrie, weit verbreitet sind. Allerdings können Energieumwandlungssysteme auf Lithiumbasis die wachsende Nachfrage nach Energiespeichern, insbesondere im Automobilbereich, nicht decken. Tatsächlich macht Lithium nur 0,002 % der in der Erdkruste vorhandenen Elemente aus, und aufgrund der jüngsten Verordnungen wird die Nachfrage nach Batterien für Elektrofahrzeuge im nächsten Jahrzehnt drastisch steigen. Abgesehen von den Überlegungen zur Lithiumknappheit wird der weit verbreitete Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien durch Sicherheitsbedenken behindert, da die Wärmeentwicklung der Batterie nicht kontrolliert werden kann und zu Explosionen führt. Bei Unfällen mit Elektrofahrzeugen kann es leicht zu gefährlichen Situationen für die Batterie kommen, wie z. B. mechanische und elektrische Belastungen, Temperaturschocks oder Erhitzung, die zu einem schnellen thermischen Durchgehen führen. In der Tat sind spezifische Empfehlungen für den Umgang mit Elektrofahrzeugen während oder nach Autounfällen erforderlich.

Wissenschaftler sagen schon längere Zeit voraus, dass die Kombination von Aluminium-Luft-Batterie und Elektrofahrzeugen eine der vielversprechendsten Technologien für künftige Personenkraftwagen in Bezug auf Reichweite, Anschaffungspreis, Kraftstoffkosten und Lebenszykluskosten sein wird. Ihre gute Batterieleistung und Kosteneffizienz machen sie zu einer wirtschaftlichen Alternative zu Fahrzeugen mit fossilen Brennstoffen.

Blei-Säure-Batterien, die aus Blei, Bleioxid und Schwefelsäure bestehen, sind seit langem die gängige wiederaufladbare elektrochemische Batterietechnologie und werden in der Automobilindustrie weithin eingesetzt. Der Ausbau der Solar- und Windenergieerzeugung in den letzten Jahren hat einen Bedarf an groß angelegten Energiespeichertechnologien geschaffen. Bei elektrochemischen Energiespeichertechnologien für stationäre Anwendungen im Netzmaßstab wurden mehrere Fortschritte erzielt.

Bei der Aluminium-Luft-Batterie handelt sich vorerst noch um eine nicht wiederaufladbare Batterie. Die Spannung einer jeden Batterie beträgt 1,2 Volt. Das Prinzip besteht darin, den Sauerstoff in der Atmosphäre zu nutzen, um durch eine chemische Reaktion mit Aluminium Strom zu erzeugen. Die extrem hohe Energiedichte von kg, nach tatsächlichen Tests, hat seine äquivalente Kraftstoffeffizienz 15% erreicht, was 13% von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor entspricht.

Dieser Vorteil hat dazu geführt, dass die Technologie als erstes im militärischen Bereich eingesetzt wird. Zum Beispiel für die Standby-Stromversorgung von Radarstationen. Obwohl Aluminium-Luft-Batterien viele gute Eigenschaften haben, gibt es immer noch Probleme, die vor einer groß angelegten und populären kommerziellen Anwendung gelöst werden müssen. Zum Beispiel wird die Anode aus reinem Aluminium leicht durch den Elektrolyten korrodiert, und das hydratisierte Aluminiumoxid bildet nach der Reaktion der Aluminiumionen eine gelartige Substanz und verringert die Leistung.

Die herkömmliche Aluminium-Luft-Batterie auf der Basis eines wässrigen Elektrolyten mit sperrigem Flüssigkeitsspeicher, parasitärer Korrosion des Aluminiums im Kontakt mit dem Elektrolyten und der Bildung einer passiven Oxid- oder Hydroxidschicht hat eine breite Anwendung verhindert. Um eine erfolgreiche Vereinfachung und Kosteneffizienz zu erreichen, wird eine Aluminium-Luft-Batterie auf Polypropylenbasis vorgeschlagen, bei der die Aluminiumfolie als Anode, Kohlenstofffasertuch als Luftkathode und Polypropylen und Kimwipes als Separator verwendet werden.

Die Suche nach dem idealen Kathodenmaterial ist noch nicht abgeschlossen. So haben beispielsweise italienische Forschungseinrichtungen Patente für Aluminium-Glas-Batterien und Aluminium-Schwefel-Batterien eingereicht.

Die Industrie 4.0 beschleunigt die Notwendigkeit, saubere Energie einzuführen, um den weltweit steigenden Strombedarf zu decken, ohne Umweltprobleme zu verursachen. Die Metall-Luft-Batterie ist eine neue Art von Energiespeichersystem, bei dem die Metallanode verbraucht wird, um durch eine elektrochemische Reaktion Strom zu erzeugen. Unter den verschiedenen Arten von Metallanoden ist Aluminium ein vielversprechender Energieträger. Die Vorteile der Aluminium-Luft-Batterie liegen in der hohen Kapazität, der großen Menge, den niedrigen Kosten und der Umweltfreundlichkeit.

Luft-Aluminium-Batterien haben das Potenzial, die Bedürfnisse der Verbraucher zu erfüllen. Die breite Palette von Anwendungen (von Fahrzeugen bis hin zu Schiffssystemen), die umweltfreundlichen Reaktionen, die Verwendung von Umgebungsluft und der Reichtum an Aluminium machen das Al-Luft-System zu einer vielversprechenden Energiequelle für die Zukunft. Die derzeitige Al-Luft-Batterietechnologie muss jedoch noch die industrielle Skalierbarkeit der Elektroden und des Elektrolyten erreichen.

Geschichte

Die Nutzung von Aluminium verbessern.

Um den kontinuierlichen Energiebedarf zu decken und den Zyklus von Energieeigenschaften effektiv auszugleichen, ist die Entwicklung neuer Energiespeichersysteme sehr wichtig. Mehrere Gruppen haben ein Potenzial dieser Eigenschaften auf der Grundlage von ionischen flüssigen Elektrolyten für wiederaufladbare Aluminium-Luft-Batterien entwickelt. Aluminium ist ein sehr attraktives Anodenmaterial für die Energiespeicherung und -umwandlung.

Die hohe Energiedichte und theoretische Kapazität von Aluminium ist ein großer Vorteil. Einige andere Vorteile von Aluminium-Luft-Batterien mit der Herstellung eines Feststoffs in einer flüssigen Elektrolytlösung wurden für Fahrzeugantriebe diskutiert, aber die Bildung eines Oxidfilms, die hohen Korrosionsraten von Aluminium, die parasitäre Wasserstoffentwicklung und die Abnahme des reversiblen Elektrodenpotentials sind ernsthafte Probleme und müssen unbedingt gelöst werden, um die praktische Anwendung zu realisieren.

In den 1960er und frühen 1970er Jahren wurden zahlreiche wissenschaftliche Arbeiten zu Aluminium-Luft-Batterie durchgeführt. Die diesbezüglichen Arbeiten konzentrierten sich hauptsächlich auf die Aluminium-Luft-Batterie-Elektrochemie und ihre sich entwickelnden Anwendungen. In diesem Bereich wurden große Anstrengungen unternommen, um die Probleme im Zusammenhang mit der Luftelektrode, dem Wärmemanagement und der Reversibilität des Systems zu lösen. Erst 2014 wurde ein mit einem Aluminium-Luft-Batterie-System ausgestattetes Elektroauto, das von zwei Unternehmen (Phinergy, USA, und Alcoa, Israel) entwickelt wurde, auf der Rennstrecke vorgestellt. Wenn die Batterie als Ergänzung zu einer Lithium-Ionen-Batterie verwendet wird, kann sie die Reichweite eines Elektroautos um etwa 1600 km (994 Meilen) erhöhen. Die Aluminium-Luft-Batterie wird die ideale Energiequelle des einundzwanzigsten Jahrhunderts sein.

Die Vereinigten Staaten, Kanada, Israel und andere Länder haben die Entwicklung von Aluminium-Luft-Batterien als Energiequelle vorangetrieben, um die Nutzung von Aluminium zu verbessern, die Kosten für Luftelektrodenkatalysatoren zu senken und die Lebensdauer zu verlängern. In den späten 1980er Jahren, dem ehemaligen Jugoslawien Belgrad Institut für Metallurgie und der US-Elektrotechnik Forschungsgesellschaft haben neutrale und alkalische Aluminium-Luft-Batterie durch das Hinzufügen einer Aluminium-Elektrode für 1600 km Betrieb des Elektrofahrzeugs entwickelt; in den 1990er Jahren, Al startete die Energiedichte für 220 Wh kg-1 AAB; mehr als 4000 Elektroautos mit, dass Probelauf ausgestattet haben; die Vereinigten Staaten startete die Energiedichte von Aluminium-Luft-Batterien, 300 Wh kg-1 im Jahr 1994, und ein Durchbruch in der integrierten Technologie. Die Batteriekapazität kann über 5000 Ah erreichen; das amerikanische Laurence Livermore National Laboratory in den Vereinigten Staaten, das vom Energieministerium finanziert wird, ersetzte den Verbrennungsmotor (ICE) durch die Metall-Luft-Batterie. Das Unternehmen Dow Chemical, das mit dem Unternehmen Voltek zusammenarbeitet, hat den Wirkungsgrad der Batterie erfolgreich von 65 % auf über 90 % verbessert; 2014 haben das israelische Unternehmen Phinergy und die Alcoa Corp. Fortschritte bei der Miniaturisierung der Aluminium-Luft-Batterien gemacht, und die beiden Unternehmen arbeiten zusammen, um eine Aluminium-Luft-Batterie mit einer Energiedichte von 300 Wh kg-1 zu entwickeln, so dass ein 100 kg schweres Aluminium-Luft-Batterien-Elektroauto vom Typ Citroen C1 eine Reichweite von 1600 km erreichen kann.

Metall-Luft-Batterien (Metall =Li, Zn, Al, Mg, Fe und Ca) haben viel höhere spezifische Energien als die meisten derzeit erhältlichen Primär- und wiederaufladbaren Batterien, weshalb sie in der elektrochemischen Forschung viele Arbeiten angezogen haben. Unter diesen Systemen ist die Aluminium-Luft-Batterie ein wichtiges Mitglied mit einer praktischen spezifischen Energiedichte von 400 Wh kg-1. Die Aluminium-Luft-Batterie ist aufgrund der niedrigen Kosten und der großen Menge an Aluminiummetall auch eines der am weitesten entwickelten Systeme. Die Aluminium-Luft-Batterie wird typischerweise als primäre Metall-Luft-Batterie mit einer Aluminiumanode und einer luftdurchströmten Kathode in Kontakt mit einem wässrigen Elektrolyten, typischerweise Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid oder Natriumchlorid, verwendet.

Merkmale

Hohe spezifische Energie.

Die Aluminium-Luft-Batterie ist eine neue Art von Batterie mit hoher spezifischer Energie. Die theoretische spezifische Energie kann 8100Wh/kg erreichen. Die derzeit entwickelten Produkte können 300-400 Wh/kg erreichen, was viel höher ist als die spezifische Energie der verschiedenen heutigen Batterietypen.

Die spezifische Leistung ist mittel.

Da das Arbeitspotenzial der Luftelektrode weit von ihrem thermodynamischen Gleichgewichtspotenzial entfernt ist, ist die Austauschstromdichte der Aluminium-Luft-Batterie sehr klein und die Polarisierung der Batterie ist sehr groß, wenn die Batterie entladen wird, so dass die spezifische Leistung der Batterie nur 50-200 W/kg erreichen kann.

Lange Nutzungsdauer.

Die Aluminiumelektrode der Aluminium-Luftbatterie kann kontinuierlich ausgetauscht werden, so dass die Lebensdauer der Aluminium-Luftbatterie von der Lebensdauer der Luftelektrode abhängt.

Ungiftig.

Es werden keine schädlichen Gase erzeugt. Die elektrochemische Reaktion der Aluminium-Luft-Batterie verbraucht Aluminium, Sauerstoff und Wasser, um Al2O3-nH2O zu erzeugen, das zum Trocknen von Adsorbentien und Katalysatorträgern, zum Schleifen und Polieren von Schleifmitteln, Keramik und als hervorragendes Fällungsmittel für die Abwasserbehandlung usw. verwendet werden kann.

Starke Anpassungsfähigkeit.

Die Struktur der Aluminium-Luft-Batterie und die verwendeten Rohstoffe können entsprechend der praktischen Umgebung und den Anforderungen geändert werden, und sie hat eine starke Anpassungsfähigkeit.

Aluminium.

Das Rohmaterial für die negative Elektrode der Batterie, ist billig und leicht zu beschaffen. Im Vergleich zu anderen Metallen ist der Preis von Aluminium relativ niedrig, und der Herstellungsprozess von Metallanoden ist relativ einfach.

Zusammensetzung

Und Leistung der Aluminium-Luft-Batterie.

Der Elektrolyt der Aluminium-Luft-Batterie ist meist eine neutrale Salzlösung oder eine stark alkalische Lösung. Wenn ein neutraler Elektrolyt verwendet wird, ist die Selbstkorrosion der Anode gering, aber die Oberflächenpassivierung der Aluminiumanode ist schwerwiegend, was die Arbeitsspannung verringert. Zu diesem Zeitpunkt ist es schwierig, die Leistung und den Strom der Batterie zu erhöhen, und es wird auch zu einer Spannungsverzögerung führen, und das Produkt Aluminiumhydroxid-Kolloid wird sich auch absetzen und den Elektrolyten blockieren, so dass diese Art von Batterie nur als Gerät mit geringer Leistung verwendet werden kann.

Wenn ein stark alkalischer Elektrolyt verwendet wird, wird die Passivierung von Aluminium reduziert, und die Lauge kann eine bestimmte Menge des Reaktionsprodukts Aluminiumhydroxid absorbieren, und die Leistung der Batterie ist relativ gut, aber Aluminium ist ein amphoteres Metall, das in einer stark alkalischen Umgebung auftreten wird. Starke Wasserstoffentwicklungskorrosion, bei der eine große Menge Wasserstoff freigesetzt wird, verringert die Ausgangsleistung und die Anodenausnutzung der Batterie und ist bei hoher Stromdichte gravierender.

Die Kathode der Aluminium-Luft-Batterie ist der Reaktionsort von O2, die die Funktionen der Luftdurchlässigkeit, Leitfähigkeit, Wasserdichtigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Katalyse hat, und wird auch oft als Luftelektrode bezeichnet. Die Luftelektrode besteht im Allgemeinen aus einer dreischichtigen Struktur mit einer porösen katalytischen Schicht, einem leitfähigen Stromkollektor und einer wasserdichten und atmungsaktiven Schicht: Die poröse katalytische Schicht ist der Hauptort, an dem der Sauerstoff reduziert wird. Die Verbindung von diffundiertem Sauerstoff, Sauerstoffreduktionskatalysator und Dünnschichtelektrolyt bildet eine elektrochemisch aktive Dreiphasenschnittstelle.

Die wasserdichte und atmungsaktive Schicht hat eine lockere poröse hydrophobe Struktur, die sowohl als katalytische Schicht das für die Reaktion benötigte Gas liefert als auch verhindert, dass der Elektrolyt die Gasdiffusionskanäle überflutet. Die katalytische Schicht ist der kritischste Teil der Luftelektrode und spielt eine entscheidende Rolle für deren elektrochemische Leistung.

Die Leistung der Aluminium-Luft-Batterie hängt weitgehend von der Wahl des Kathodenkatalysators ab. Die Leistung der Luftelektrode kann die Reaktionsbilanz der Elektrode direkt beeinflussen. Daher kann eine Verbesserung ihrer Leistung die Nutzungsrate der Anode der Aluminium-Luft-Batterie bis zu einem gewissen Grad verbessern und die Selbstkorrosion des Anodenaluminiums verhindern.

Faktoren, die die Entwicklung von Aluminiumanoden in Aluminium-Luft-Batterien beeinflussen.

Auf der Oberfläche des Aluminiums befindet sich ein Passivierungsfilm, der die elektrochemische Aktivität des Aluminiums beeinflusst. Aluminium ist ein amphoteres Metallelement, was bedeutet, dass es in einer stark alkalischen Umgebung zur Wasserstoffentwicklung und Korrosion neigt, was sich auf das Elektrodenpotenzial auswirkt, und das Produkt schwimmt im Elektrolyten und beeinflusst die gesamte elektrochemische Reaktion.

Das einzigartige halboffene System der Aluminium-Luft-Batterie macht die Luftelektrode anfällig für den Einfluss von äußerer Feuchtigkeit, und die Aluminiumanode "taucht ein" oder "trocknet aus" und "klettert" oder "leckt" sogar. Dies führt zu Schäden an der Struktur der gesamten Luftbatterie. Um die oben genannten Probleme zu lösen, schlagen Experten die folgenden Methoden vor:

Legierung von Aluminiumanoden.

Industrielles Aluminium (99,0 %) enthält viele Verunreinigungen wie Eisen (0,5 %), Silizium, Kupfer, Mangan, Magnesium und Zink, die die Wasserstoffentwicklungskorrosion von Aluminium an der Phasengrenzfläche verschlimmern, insbesondere Eisen und Aluminium bilden lokalisierte galvanische Zellen, was zu exponentiell erhöhter elektrochemischer Korrosion führt. Dem Aluminium können Legierungsbestandteile zugesetzt werden, die sowohl die chemische Aktivität als auch die Korrosionsbeständigkeit verbessern.

Hinzufügen eines langsamen Trennmittels zum Elektrolyten.

Aufgrund der Kosten für die Anodenlegierung werden dem Elektrolyten oft einige langsame Trennmittel zugesetzt, um die Leistung der Aluminium-Luft-Batterie zu gewährleisten. Einige Carbonsäure-, Amin- und Aminosäuretrennmittel und ihre Hemmwirkung auf die Aluminiumkorrosion. Bei der Verwendung natürlicher Stoffe als Korrosionsschutzmittel für Aluminium haben Experimente gezeigt, dass organische Amine, Pyrrole usw. eine deutliche Hemmwirkung auf die Aluminiumkorrosion haben.

Durch die Zugabe von organischen Verbindungen und wasserlöslichen Verbindungen zu stark alkalischen Elektrolyten wurde das elektrochemische Verhalten von Aluminium-Metallanoden untersucht, um die Korrosionsrate von Aluminium zu verringern und dadurch die Leistung von Aluminium-Luft-Batterien zu verbessern.

Wärmebehandlung.

Die Wärmebehandlung wirkt sich auf die Eigenschaften der Legierung aus, indem sie die Verteilung der Spurenelemente in der Aluminiumlegierung und die Mikrostruktur der Legierungsoberfläche verändert, was in die Forschungskategorie der Technologie fällt. Das beste Wärmebehandlungsverfahren kann durch geeignete orthogonale Experimente ermittelt werden.

Häufig verwendete Katalysatoren für Aluminium-Luft-Batterien.

Edelmetall-Katalysatoren.

Platin und Silber werden häufig verwendet, und ihre katalytische Aktivität und hohe Leistung sind relativ stabil, aber aufgrund ihres hohen Preises und der Ressourcenknappheit werden sie nicht sehr häufig eingesetzt.

Makrozyklische Metallverbindungen als Katalysatoren.

Metallorganische Makrocyclen haben eine gute katalytische Aktivität für die Sauerstoffreduktion, insbesondere wenn sie auf Kohlen mit großer Oberfläche adsorbiert werden. Ihre Aktivität und Stabilität kann durch Wärmebehandlung erheblich verbessert werden. Daher ist zu erwarten, dass sie Edelmetall-Sauerstoffreduktionskatalysatoren ersetzen werden. Zu den gängigen Synthesemethoden für makrozyklische Metallverbindungen gehören die thermische Zersetzung und die Herstellung von Vorläufern.

Perowskit-Oxid-Katalysatoren.

Perowskit-Oxide haben eine hohe katalytische Aktivität für die Reduktion und Entwicklung von Sauerstoff und sind kostengünstig, so dass sie breite Anwendungsmöglichkeiten in Aluminium-Luft-Batterien und Brennstoffzellen haben. Die derzeitige Forschung zu Perowskit-Sauerstoffelektrodenkatalysatoren konzentriert sich hauptsächlich auf die Verbesserung der Herstellungsmethode und die Suche nach neuen Substitutionselementen zur Verbesserung der katalytischen Leistung.

Kostengünstige Katalysatoren.

Der wichtigste Vertreter ist der Mangandioxid-Katalysator. Sein größter Vorteil ist, dass er reich an Rohstoffen und kostengünstig ist. Er kann weitgehend in Batterien mit wässrigen oder nichtwässrigen Elektrolyten eingesetzt werden. Die elektrokatalytische Aktivität eines einzelnen Mangandioxids ist jedoch begrenzt. Die Forschung hat nie aufgehört.

AB2O4-Spinelloxid-Katalysator.

Das Kristallgitter von Spinell ist kubisch-flächenzentriert. In der Einheitszelle befinden sich 32 dicht gepackte O2- Ionen, und 64 tetraedrische und 32 oktaedrische Hohlräume sind mit Metallionen besetzt. Die Dehydratisierungsaktivität von Spinell hängt mit dem Anteil der B-Ionen in den tetraedrischen Hohlräumen zusammen.

Andere Metall- und Legierungskatalysatoren.

Häufig werden auch Legierungskatalysatoren wie Nickel-Eisen und Nickel-Kobalt verwendet, die eine gute katalytische Aktivität und Korrosionsbeständigkeit aufweisen und auch eine mögliche Katalysatorrichtung für Aluminium-Luft-Batterien darstellen.

 Zusammengesetzter Katalysator.

Durch die Kombination von zwei oder mehr Katalysatoren kann die katalytische Aktivität der Luftelektrode der Aluminium-Luft-Batterie verbessert werden.

Funktionsprinzip

Eigenschaften von Aluminium.

Aluminium ist aus einer Reihe von Gründen als Batterieanode interessant: seine Fähigkeit, drei Elektronen pro Atom zu übertragen, seine geringe Atommasse und sein hohes negatives Standardpotential. Diese Eigenschaften führen zu einer hohen theoretischen Energiedichte von 8,1 Wh g-1 der Aluminium-Luft-Batterie. Darüber hinaus machen das große natürliche Vorkommen und die niedrigen Produktionskosten von Aluminium dieses Material für den Einsatz in Batteriesystemen äußerst attraktiv. Thermodynamisch sollte eine Aluminiumanode ein Potenzial von 1,66 V in Salzlösung und 2,35 V in Alkalielektrolyten aufweisen. Praktische Aluminiumelektroden arbeiten jedoch mit einem deutlich niedrigeren Potenzial, weil zum einen Aluminium normalerweise von einer Oxidschicht bedeckt ist, die aufgrund des Innenwiderstands eine Verzögerung beim Erreichen einer stationären Spannung verursacht, und zum anderen Aluminium einer parasitären Korrosionsreaktion unterliegt, die zu einer weniger als 100 %igen Ausnutzung des Metalls und der Entwicklung von Wasserstoff führt.

Im Gegensatz zu den meisten anderen normalen, nicht Metall-Luft-Batterien unterscheidet sich die Aluminium-Luft-Batterie von den Metall-Luft-Batterien dadurch, dass das aktive Kathodenmaterial (Sauerstoff) nicht in der Batterie gespeichert ist. Stattdessen kann der Sauerstoff aus der Umgebung absorbiert und dann durch katalytische Oberflächen in der Luftelektrode reduziert werden. Die Kathodenelektrode ist eine Luft- oder Gasdiffusionselektrode, die in der Regel eine Struktur auf Kohlenstoffbasis umfasst, die den Sauerstoff und den Elektrolyten mit den katalytischen Oberflächen in Kontakt bringt, was zur Reduktion des Sauerstoffs führt.

Metall-Luft-Batterien mit hoher Energiedichte werden als eine der sauberen Energielösungen für die Ära nach den Lithium-Ionen-Batterien prognostiziert. Das Funktionsprinzip der Metall-Luft-Batterien ist sehr einfach: Die elektrochemische Reaktion findet statt, wenn die Batterie an der Kathode Sauerstoff aus der Luft aufnimmt und Hydroxidionen bildet. An der Anode wird das Metall zu Metalloxid oxidiert, wodurch der Strom erzeugt wird. Es werden verschiedene Arten von Metallelektroden verwendet, wie Zink, Aluminium, Magnesium, Eisen, Lithium und Natrium. Unter den verschiedenen Metallarten gilt Aluminium aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften wie hohe spezifische Energie, hohe Umwandlungsrate, niedrige Betriebskosten, gute Tarnleistung und Umweltfreundlichkeit als attraktiver Kandidat. Außerdem ist Aluminium das am häufigsten vorkommende Metallelement der Welt und lässt sich leicht handhaben, transportieren und durch industrielle Aufbereitung recyceln. Die Aluminium-Luft-Batterie hat unter den verschiedenen Batterietypen die höchste theoretische Spannung und Energiedichte, die bei 2,7 V bzw. 8.100 Wh kg-1 gemessen wurden. Die Aluminium-Luft-Batterie hat jedoch einige Nachteile, wie z. B. die Notwendigkeit, die Batterie mechanisch aufzuladen, indem das Aluminium ausgetauscht wird. Außerdem wird die Leistung der Batterien durch parasitäre Korrosion der Anode weiter beeinträchtigt.

Die Struktur einer Gleichstrombatterie besteht aus einer Anode und einer Kathode. Die Anode macht normalerweise 70 % des Batteriegewichts aus, während die Kathode etwa 5 % des Gesamtgewichts ausmacht. Die Aluminium-Luft-Batterie besteht aus einer Anode aus reinem, leichtem Aluminium in Kombination mit einer Luftkathode. Die Kombination aus geringem Gewicht und Chemie ermöglicht eine dreimal höhere Energiedichte als bei teureren Lithium-Ionen-Batterien.

Aluminium-Luft-Batterien erzeugen während des Gebrauchs Aluminiumhydroxid, nämlich Al(OH)3 oder H3AlO3. Aluminium-Luft-Batterien sind nicht wiederaufladbar, aber vollständig recycelbar. Wenn die Aluminium-Luft-Batterie erschöpft ist, gibt es verschiedene chemische Methoden, um reines Aluminium aus dem Aluminiumhydroxid zu gewinnen, was das kontinuierliche Recycling der Aluminium-Luft-Batterie ermöglicht.

Dabei verläuft die chemische Reaktion der Aluminium-Luft-Batterie ähnlich wie die der Zink-Luft-Batterie. Die Aluminium-Luft-Batterie verwendet hochreines Aluminium (mit einem Aluminiumgehalt von 99,99 %) als negative Elektrode und Sauerstoff als positive Elektrode. Als Elektrolyt wird Kaliumhydroxid (KOH) oder wässrige Natriumhydroxidlösung (NaOH) verwendet. Aluminium absorbiert Luftsauerstoff, und beim Entladen der Batterie kommt es zu einer chemischen Reaktion, bei der Aluminium und Sauerstoff in Aluminiumoxid umgewandelt werden.

Bestandteile der Aluminium-Luft-Batterie.

Die Luftelektrode mit ihrer komplexen Struktur ist zweifellos eine der wichtigsten Komponenten der Aluminium-Luft-Batterie. Eine effektive Luftelektrode ist der Schlüssel zu einer guten Leistung. Typischerweise bestehen die zusammengesetzten Luftelektroden aus Kohlenstoffmaterialien mit großer Oberfläche, Katalysatoren, Teflonbindemittel, luftdurchlässigen Membranen und einem Stromabnehmer aus Metallgewebe. Sie sind in drei Schichten unterteilt: eine poröse Katalysatorschicht, ein Stromkollektor aus Metallgewebe und eine hydrophobe, luftdurchlässige Schicht. Die poröse Katalysatorschicht stellt die Stellen für die Reduktion von Sauerstoff bereit, wobei der aus der Umgebung diffundierende Sauerstoff, der Katalysator und der flüssige Elektrolyt die Dreiphasengrenzfläche (aktive Reaktionsstellen) für die elektrochemische Reaktion bilden; der Stromkollektor dient als Träger für die Elektrode und ist gleichzeitig leitfähig; die hydrophobe luftdurchlässige Schicht kann verhindern, dass der Elektrolyt die Gaskanäle blockiert und die Sauerstoffdiffusion für das System erleichtern.

In vielen Aluminium-Luft-Batterien werden wässrige alkalische Lösungen (wie Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid) und neutrale Salzlösungen (wie Natriumchlorid) verwendet. Neutrale Salzelektrolyte werden auch deshalb verwendet, weil sie im Vergleich zu Laugen eine geringere Durchgangskorrosionsrate und ein geringeres Risiko für die Gesundheit des Systems aufweisen. Die höhere Leitfähigkeit und die Löslichkeit von Al(OH)3 in alkalischen Lösungen können jedoch die Bereitstellung hoher Zellleistungen (175 W kg-1) und Energiedichten (400 Wh kg-1) im Vergleich zu salzhaltigen Systemen (30 W kg-1, 220 Wh kg-1) erleichtern. Es ist attraktiv für Anwendungen mit hoher Leistung, wie z. B. Notstrombatterien, unbemannte Unterwasserfahrzeuge, Elektrofahrzeuge usw.

Ein weiterer wichtiger Bestandteil von Aluminium-Luft-Batterien ist die Aluminiumanode. In der Tat ist das hochreine Aluminium für die Verwendung als Anode von Aluminium-Luft-Batterien ungeeignet, insbesondere in ungehemmten alkalischen Elektrolyten. Denn es bildet sich eine passive Hydroxidschicht auf der Oberfläche, was zu einer hohen Überspannung bei der anodischen Auflösung führt und es leidet auch unter den hohen Korrosionsströmen, da Wasser an bevorzugten Oberflächenstellen unter Bildung von Wasserstoff reduziert wird, was für die Gesundheit des Systems sehr schädlich ist. Eine wirksame Methode ist die Legierung des hochreinen Aluminiums mit anderen Elementen, um seine elektrochemische Leistung zu verbessern. Es ist aber auch zu beachten, dass Verunreinigungen wie Kupfer, Eisen und Silizium die Selbstkorrosion verschlimmern können. Die Separatoren von Aluminium-Luft-Batterien spielen eine wichtige Rolle bei der Trennung der beiden Elektroden und ermöglichen eine normale Ionendiffusion, wodurch der Betrieb des Systems gewährleistet wird.

Forschung

Sauer, neutral oder alkalisch?

Im Jahr 1962 wurde erstmals über die Machbarkeit einer Aluminium-Luft-Batterie berichtet. Bereits damals baute man eine Batterie mit hoher spezifischer Energie und hoher spezifischer Leistung. Aluminium-Luft-Batterie (Al-Luft-Batterie) ist ein Batterietyp mit hochreinem Al als negative Elektrode, Sauerstoff als positive Elektrode und Kaliumhydroxid oder Natriumhydroxid als Elektrolytlösung. Aluminium-Luft-Batterien zeichnen sich durch ihre hohe Energiedichte (8,1 kWh kg-1), ihr geringes Gewicht (2,71 g cm-3), ihre Umweltfreundlichkeit, ihre gute Recyclingfähigkeit und ihre geringen Kosten aus. Aluminium-Luft-Batterien bestehen aus einer Aluminiumanode, einer Luftkathode und einem Elektrolyten, der aus salzhaltigen, alkalischen und nichtwässrigen Lösungen besteht. Insbesondere die alkalische Elektrolytlösung wird häufig zur Bildung von Aluminium-Luft-Zellen verwendet, da sich bei der Verwendung eines neutralen Elektrolyten an der Elektrodenoberfläche lösende Oxide bilden, die ein ernsthaftes Problem für das Al-Luft-Material darstellen und diese Oxidarten in der alkalischen Lösung nicht bilden.

Aluminium-Luft-Batterien mit alkalischem Elektrolyt haben eine gute Batterieleistung, insbesondere bei hohem Entladestrom. Allerdings neigen alkalische Elektrolyte und Aluminiumelektroden dazu, stark zu korrodieren, und das Hauptproblem, das eine praktikable Verwendung von Aluminium-Luft-Batterien einschränkt, ist die geringe Coulomb-Effizienz, die aus der Selbstkorrosion der Elektrode resultiert. Um dieses Problem zu überwinden, wurden Aluminiumlegierungen als Elektrodenmaterial gewählt. Die Verwendung von Al-Legierungen unterdrückt eine gewisse Wasserstoffentwicklung aufgrund erhöhter Wasserstoffüberpotentiale. Zum Schutz vor Korrosion wurden dem Elektrolyten Additive zugesetzt. Es wurde berichtet, dass sowohl organische als auch anorganische Verbindungen die Selbstkorrosion von Aluminiumlegierungen hemmen. Im Vergleich zu anorganischen Verbindungen sind organische Additive effektiver, kostengünstiger und umweltfreundlicher, um die Korrosion von Metallen zu verringern.

Mehrere experimentelle Studien aus der jüngsten Vergangenheit haben bestätigt, dass das AAB-System mit allen drei Arten von Elektrolyten funktionieren kann: sauer, neutral und alkalisch. Die experimentellen Ergebnisse zeigen jedoch, dass AAB in alkalischem Elektrolyt die beste Leistung in Bezug auf Entladespannung, Leistungsdichte und Stromdichte aufweist. Die Selbstkorrosion der Aluminiumanode in der alkalischen Lösung ist das größte Problem, da sie zu Materialverlusten führen kann, wenn die Batterie im Standby-Modus ist. Um die Selbstkorrosion der Aluminiumanode in alkalischen Elektrolyten abzuschwächen, wurden anodische Legierungen und Elektrolytzusätze eingehend untersucht. Bei der Anodenlegierung werden der Aluminiumanode im Allgemeinen Zn, In, Mg, Ga, Sn, Bi, B und andere Elemente zugesetzt, so dass die gebildete Aluminiumlegierung ein höheres Wasserstoffentwicklungspotenzial und eine höhere Korrosionsbeständigkeit aufweist. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die Zugabe von Cl-, F-, SO42-, In3+, Ga(OH)4-, MnO42-, ZnO und anderen Additiven zum Elektrolyten die Aktivierung und Korrosionsbeständigkeit von Aluminiumanoden verbessert.

Die Elektrolytdicke ist der wichtigste Faktor für die Verbesserung sowohl der Leistungsdichte als auch der Entladestromdichte. Die Leistungsdichtespitze kann um den Faktor zwei erhöht werden, wenn die Elektrolytdicke von 7 mm auf 3 mm reduziert wird. Die Alkalikonzentration ist ebenfalls ein wichtiger Faktor, da sich die Entladespannung und die Leistungsdichte deutlich erhöhen, wenn die NaOH-Konzentration von 1 auf 4 mol/L erhöht wird. Der Sauerstoffdruck in der Luftelektrode spielt bei der Verbesserung der Batterieleistung eine untergeordnete Rolle. Die Entladespannung stieg nur geringfügig an, während der Spitzenwert der Leistungsdichte bei reinem Sauerstoff in der Luftelektrode um 35 % gesteigert wird.

Neue Aluminium-Luft-Batterien.

Ingenieure in der Automobilindustrie und anderen Branchen beschränken ihre Forschung und Entwicklung nicht auf Lithium-Ionen-Batterien. Sie befassen sich auch mit alternativen Batteriedesigns und suchen nach verbesserter Leistung für den Einsatz in der Automobilindustrie und darüber hinaus. Die Nachfrage nach Aluminium steigt, da das Metall ein besonders gutes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht bietet und gleichzeitig Vorteile wie erhöhte Steifigkeit und Wärmemanagement innerhalb des Batteriegehäuses bietet. Dadurch kann die Verwendung von Aluminium dazu beitragen, die Kosten und das Gewicht der Batterien auszugleichen, so dass die Autohersteller ihre E-Fahrzeuge je nach gewünschter Reichweite und Preislage optimieren können.

Die Forschung rund um Aluminium-Luft-Batterien ist ein aufstrebendes und sich ständig weiterentwickelndes Gebiet. Die Forschungsarbeiten zur Aluminium-Luft-Batterie können in Aluminiumanode, Luftelektrode und Batteriestruktur unterteilt werden. Die theoretische spezifische Energie der Aluminium-Luft-Brennstoffzelle kann 8100Wh/kg erreichen. Deshalb ist es nicht verwunderlich, dass die wissenschaftliche Forschung hauptsächlich auf die Realisierung von Polymerelektrolyten mit hoher Ionenleitfähigkeit und auf die Kontrolle der anodischen Selbstkorrosion ausgerichtet ist, welche die wichtigsten Elektrolyteigenschaften sind, um die Zellkapazitäten zu beeinflussen.

In Polymerelektrolyten hängen die Leitfähigkeitswerte von der Menge der vom Polymer zurückgehaltenen Lösung ab und sind immer schlechter als die von flüssigen Lösungen. Eine der Hauptanstrengungen der Forscher besteht darin, feste Polymerelektrolyte herzustellen, deren Leitfähigkeitswerte immer näher an die von flüssigen Lösungen herankommen. Die wichtigste Methode zur Verbesserung der Ionenleitfähigkeit ist die Erhöhung des Gehalts an wässriger Lösung und OH in Elektrolyten. Dies wird im Allgemeinen durch die Einführung von Materialien mit hydrophilen Eigenschaften und Hydroxylgruppen bei der Herstellung des Elektrolyten erreicht. Die Kontrolle der anodischen Selbstkorrosion wird in der Regel durch die Verwendung von Zusätzen zum Elektrolyten erreicht. Die wirksamste Kontrolle wird erreicht, wenn das Polymer selbst als Aluminium-Korrosionsschutzmittel wirkt. Dieses neueste Ergebnis wurde für Elektrolyte aus zwei natürlichen Polymeren, nämlich Xanthan und Agarose, erzielt.

Ein Nachteil der Polymerelektrolyte ist ihre Steifheit. Der Nachteil der starren Elektrolyte in Al-Luft-Batterien ist ein zweifacher. Die Erhöhung des mechanischen Widerstands geht nämlich häufig mit der Erschwerung der Ionenbewegung und der daraus resultierenden Verringerung der Leitfähigkeit einher. Außerdem ist der Kontakt zwischen Elektrolyt und Elektrode schlecht, was zu einer Verringerung der Effizienz der elektrochemischen Reaktionen führt. Die Strategien, die im Allgemeinen angewandt werden, um das Problem der mechanischen Steifigkeit in den Griff zu bekommen, sehen eine Änderung der Quervernetzung vor. Ein übermäßiger Grad an chemischer Vernetzung erhöht die Steifigkeit des Elektrolyten und verringert den Hydratationsgrad und damit die ionische Leitfähigkeit. Stattdessen bilden relativ schwache physikalische Vernetzungen, z. B. durch Wasserstoffbrückenbindungen, die flexibelsten Polymerelektrolyte mit beachtlichen Werten für die Ionenleitfähigkeit. In jüngster Zeit zeichnet sich der Trend ab, Elektrolyte aus mehreren Polymeren herzustellen, die auf unterschiedliche Weise physikalisch und chemisch vernetzt sind, um die mechanische Stabilität der chemischen Vernetzung und die höhere Porosität und Leitfähigkeit der physikalischen Vernetzung zu erreichen.

Eine wichtige Rolle spielt die Technik der Zelle selbst. Es wird erwartet, dass die Zellkonfiguration mit Hybridelektrolyten, wie z. B. verschiedene Anolyt-Katholyt-Kombinationen mit unterschiedlichem Wassergehalt oder pH-Wert, aufgrund effizienterer anodischer und kathodischer Reaktionen zu einer höheren Entladekapazität führt.

Neben diesen bemerkenswerten Erkenntnissen über primäre Al-Luft-Zellen, die mit Polymerelektrolyten realisiert werden, ist ein weiteres wichtiges Forschungsthema die elektrochemische Stabilität von Polymerelektrolyten, die mit wässrigen Lösungen realisiert werden, was weitere bedeutende Durchbrüche für den Bau von Aluminium-Luft-Batterien bieten könnte. Einige dieser Polymerelektrolyte zeichnen sich in der Tat durch elektrochemische Fenster aus, die viel breiter sind als die flüssigen Lösungen, aus denen sie gebildet werden. In den Polymerelektrolyten ist die Wasseraktivität aufgrund der hochkonzentrierten Elektrolytlösung sowie der Wasserstoffbrückenbindungen, die Wasser mit der Struktur des Elektrolyten bilden kann, reduziert. Obwohl das Phänomen der Verringerung der Wasseraktivität aufgrund der Polymermatrix nicht speziell für Festelektrolyte für Aluminium-Luft-Batterien untersucht wurde, scheint es dem Phänomen der molekularen Verdrängung in lebenden Zellen sehr ähnlich zu sein, wo die Wasseraktivität aufgrund der Wasserstoffbrückenbindungen, die die Wassermoleküle mit dem Verdrängungsmittel bilden, das die O-H-Bindung des Wassers in der Lösung selbst beeinträchtigt, erheblich verringert wird. Die Auswirkung der molekularen Verdrängung auf die Wasseraktivität in Elektrolyten ist erst kürzlich untersucht worden, und zwar nur für flüssige Elektrolyte.

Die Forscher haben beispielsweise wässrige Elektrolyte mit Crowding Agents (Polyethylenglykol) für Li-Ionen-Batterien entwickelt, und es wurde festgestellt, dass die O-H-Bindung des Wassers in Gegenwart des Crowding Agents stärker ist. Dies erklärt den Anstieg der elektrochemischen Stabilität des Elektrolyten, nämlich ein höheres Überpotenzial für die Zersetzung des Wassermoleküls. Vor kurzem wurde die Verringerung der Wasseraktivität durch einen molekularen Verdrängungseffekt auch in wässriger NaOH-Lösung mit Glukosezusatz nachgewiesen, die als Elektrolyte für Aluminium-Luft-Batterien verwendet werden. Der Nutzen dieser flüssigen Lösungen als Elektrolyte in Al-Luft-Batterien bestand in der Verringerung der Wasserstoffentwicklung und damit in der Verringerung der Selbstentladung und der Erhöhung der Kapazität.

Schließlich ist zu betonen, dass ein weiterer, nicht zu vernachlässigender Engpass bei der Realisierung von Al-Luft-Sekundärbatterien der geeignete Katalysator ist, der sowohl für die Entladungs- als auch für die Aufladungsreaktionen, nämlich die Sauerstoffreduktionsreaktion (ORR) und die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER), effizient sein muss. Bis heute gibt es keine effizienten bifunktionalen Katalysatoren für ORR/OER, aber die Forschung in diesem Bereich macht bedeutende Fortschritte, auch im Hinblick auf die Schaffung von umweltverträglichen Energieumwandlungsgeräten.

Dies ist ein besonders wichtiges Thema, da Elektrolyte mit breiten elektrochemischen Fenstern, die sich bis zu sehr negativen Potentialwerten erstrecken, bis hin zur Annäherung an das der Reduktion von Aluminium, und neue bifunktionale, möglicherweise metallfreie ORR/OER-Katalysatoren die Schaffung von sekundären Al-Luft-Batterien unter Verwendung eines wässrigen Elektrolyten ermöglichen könnten.

Bisher wurde die Wiederaufladbarkeit von Al-Luft-Zellen, die mit Elektrolyten auf Wasserbasis funktionieren, nur mit wässrigen festen Polymerelektrolyten in einer begrenzten Anzahl von Zyklen und unter Verwendung von Katalysatoren auf Pt-Basis nachgewiesen, die für OER nicht besonders geeignet sind. Sicherlich sind wir noch weit davon entfernt, die Stabilität über eine große Anzahl von Zyklen zu erreichen, wie dies bei Al-Ionen-Batterien der Fall ist. Dennoch verdient diese Forschung in den kommenden Jahren Aufmerksamkeit, da sie die Entwicklung von sekundären Al-Luft-Batterien von echtem praktischen Interesse einläuten könnte, indem sie vollständig nachhaltige Materialien verwendet.

Hybridsystem.

Wie können die Selbstkorrosionsprobleme der Aluminium-Luft-Batterie genutzt werden, anstatt sie zu reduzieren oder zu begrenzen? Durch den Einbau einer zusätzlichen Wasserstoff-Luft-Unterzelle in die Aluminium-Luft-Batterie verwandelt dieses Hybridsystem das Problem der Selbstkorrosion in eine vorteilhafte Reaktion, indem es das von der Aluminiumanode erzeugte Wasserstoffgas als Brennstoff für die Wasserstoff-Luft-Brennstoffzelle nutzt und die Gesamtleistung verbessert. Die elektrische Leistung der beiden Systeme wird experimentell mit Kaliumhydroxid-Elektrolyten untersucht. Das Hybridsystem zeigt eine große Verbesserung im Vergleich zu einem Einzelsystem. Die maximale Leistung wird um mehr als 40 % gesteigert. Das Hybriddesign kann die Leistung der Aluminium-Luft-Batterie verbessern, ohne dass die Kosten und das Gewicht zu sehr ins Gewicht fallen.

Haltbarkeit.

Verschiedene Forscher untersuchten die Haltbarkeit von Zink- und Alu-Luft-Batterien mit Neutralsalz und Manganoxid-Katalysator. Es wurde festgestellt, dass Elektrolyte mit einem pH-Wert von 7 das Auftreten von Kohlenstoffkorrosion in der Luftkathode stabilisieren und ein akzeptables Ergebnis erzielen können. Darüber hinaus ist ein nichtwässriger Elektrolyt auch eine der Lösungen, um das Problem im Metall-Luft-Batteriesystem auf wässriger Basis zu überwinden. Darüber hinaus kann die Legierung der Aluminiumanode ebenfalls zur Verbesserung der Batterieleistung beitragen. Sie führten ein Experiment durch, bei dem eine vorlegierte LiAl-Legierung als Anode der Batterie verwendet wurde. Es wurde festgestellt, dass die LiAl-Legierung eine Kapazitätserhaltung von etwa 79 % im Vergleich zu 51 % bei einer reinen Al-Folie erreichte. Die Forscher brachten eine künstliche Festelektrolyt-Zwischenphase auf die Oberfläche der Aluminiumanode auf. Die Ergebnisse zeigten, dass die künstliche Festelektrolyt-Zwischenschicht in der Lage ist, die Aluminiumanode zu passivieren und die Korrosion der Aluminiumanode zu verhindern.

Die Anode und die Kathode der Batterie sind in der Regel durch einen porösen Separator getrennt, der eines der Schlüsselelemente für die Wirksamkeit der Batterie ist. Der Separator trennt die Anode und die Kathode, um einen Kurzschluss zu verhindern, und ermöglicht den Übergang von Ionen auf die andere Seite. Die üblicherweise verwendeten Separatoren werden aus einem Polymer, z. B. einem Olefin, hergestellt, das einen niedrigen Schmelzpunkt hat. Bei dieser Art von thermisch instabilem Separator kann es jedoch zu einer thermischen Schrumpfung kommen, wenn die Betriebstemperatur den Schmelzpunkt übersteigt, was wiederum zu einem thermischen Durchgehen und zu Sicherheitsproblemen der Batterie führen würde. Daher sollte der Separator der Batterie eine gute Porositätseigenschaft aufweisen, aber die thermische Stabilität und die mechanische Festigkeit auf einem bestimmten Niveau nicht beeinträchtigen. Um diese Anforderungen zu erfüllen, wurde ein Separator auf Zellulosebasis für die Aluminium-Luft-Batterie eingeführt.

Die Forscher untersuchten den doppelseitigen leitfähigen Separator unter Verwendung von Kohlenstoff-Nanoröhren und Zellulose-Nanofaser-Kompositschichten, die mit Glasfasern beschichtet sind. In dem Experiment wurde eine stabilere und längere Zykluslebensdauer aufgrund der Verringerung der lokalen Stromdichte durch die poröse und leitfähige Schicht beobachtet. Daraus lässt sich schließen, dass der doppelseitige leitfähige Separator für die Aluminium-Luft-Batterie verwendet werden kann und die Entwicklung der Aluminium-Luft-Batterie fördert. Der auf Zellulose basierende Separator kann jedoch einige Nachteile aufweisen, wie z. B. das Aufquellen beim Eintauchen in einen Elektrolyten, was zu einer Schwächung der Festigkeit und einer Veränderung der Materialeigenschaften im Vergleich zu Polymer-Separatoren führt.

Das Forscherteam untersuchte die Zugeigenschaften eines Zellulose-Separators unter den Bedingungen des Eintauchens in Elektrolyt und entdeckten, dass der Elastizitätsmodul des Separators reduziert und der Ausdehnungskoeffizient erhöht wird. Dies beweist, dass die Festigkeit des Separators nachlässt und es zu einer Quellung kommt, wenn der Elektrolyt in den Separator eindringt. Obwohl sich die mechanischen Eigenschaften des Zellulose-Separators in wässrigem Elektrolyt verschlechtern, verbessert die Quellung der Zellulose-Separatoren die Leistung der Separatoren sowie die elektrochemischen Eigenschaften. Daher müssen die Probleme der Festigkeitsschwächung überwunden werden, um eine Batterie mit längeren Lebenszyklen herzustellen.

Vor kurzem wurde eine neuartige Struktur von Aluminium-Luft-Batterien entwickelt, die einen festen Elektrolyten verwendet. Bei der Herstellung werden wasserabsorbierende Polymere verwendet, die in eine alkalische Lösung getaucht werden, um ein halbfestes Gel zu erzeugen. Diese Methode vereinfacht das Design der Batteriestruktur und beseitigt das Problem des Auslaufens des Elektrolyten. Viele Forscher verwendeten ein Geliermittel als Korrosionsinhibitor im alkalischen Elektrolyten. Dadurch wird die Leistung der Festkörper-Aluminium-Luft verbessert und eine hohe Leistungsabgabe erzeugt. Die meisten Festelektrolyte liegen jedoch in loser Form vor und besitzen starre physikalische Eigenschaften, die die Energiedichte der Batterie verringern. Daher ist es notwendig, nach einem geeigneteren Festelektrolyten für die Aluminium-Luft-Batterie zu suchen.

Vor diesem Hintergrund führte man den papierbasierten Festelektrolyten ein, um kostengünstige Aluminium-Luft-Batterien herzustellen. Es wurde festgestellt, dass eine papierbasierte Aluminium-Luft-Batterie mit festem Elektrolyt, die mechanisch wiederaufladbar ist, ein Mini-Watt-Gerät antreiben kann. Die Batterie ist in der Lage, eine Leistungsdichte von 21 mW cm-2 mit einer spezifischen Kapazität von 1.273 mAh g-1 zu erzeugen. Durch Reihenschaltung der Batterien kann ein Akkupack mit einer Leerlaufspannung von 13,2 V gebildet werden. Wenn drei Batterien in Reihe geschaltet werden, können damit LED-Leuchten und Taschenlampen betrieben werden.

Es wird eine maximale Leistung von 28 mW cm-2 von der Dünnschicht-Aluminium-Luft-Batterie mit 1 cm-2 der Aluminiumanode erzeugt. Die Forscher untersuchten eine mikrofluidische Aluminium-Luft-Batterie auf Papierbasis und maßen ihre elektrische Leistung. Es wurde festgestellt, dass die Batterie eine Energiedichte von 2.900 Wh kg-1 und eine spezifische Kapazität von 2.750 Ah kg-1 hat, was besser ist als die der Batterie mit nicht-fluidischer Konfiguration. Alles weist darauf hin, dass eine Aluminium-Luft-Batterie auf Papierbasis gut für Miniaturanwendungen geeignet ist. In Anbetracht dessen wird eine kostengünstige Aluminium-Luft-Batterie auf Polypropylenbasis vorgeschlagen. Im Vergleich zum herkömmlichen wässrigen Aluminium-Luft-Batteriesystem wird ein Polypropylen-Pad als natürlicher mikrofluidischer Kanal verwendet, um den Elektrolyten durch Kapillarwirkung zuzuführen. Dieses Design ermöglicht eine kompakte Bauweise der Aluminium-Luft-Batterie und reduziert die Selbstkorrosion des Aluminiums.

Entwicklung

Kostengünstige, leichte und leistungsstarke Batterietechnologie.

Obwohl Aluminium-Luft-Batterien erstmals in den 1960er Jahren unter Verwendung alkalischer und salzhaltiger wässriger Elektrolyte entwickelt wurden, wurde die groß angelegte Entwicklung und Verbreitung dieser Geräte durch technologische Beschränkungen verhindert, wie z. B. die Metallkorrosion in alkalischer Umgebung und das begrenzte elektrochemische Fenster wässriger Elektrolyte (1,23 V), jenseits dessen sich Wasser in O2 und H2 zersetzt. Bedeutende Fortschritte auf diesem Gebiet wurden mit Polymerelektrolyten erzielt, die eine gute Korrosionskontrolle des Metalls ermöglichten und breitere elektrochemische Fenster aufwiesen.

Die Aluminium-Luft-Batterie ist eine kostengünstige, leichte und leistungsstarke Batterietechnologie. Der Sauerstoff in der Luft reagiert mit Aluminium und erzeugt eine elektrische Ladung, die Strom zum Beispiel für den Antrieb von Personenkraftwagen erzeugt. Es gibt aber einige Probleme, die der Batterie immanent sind, wie z. B. Anodenkorrosion, Porenverstopfung, träge ORR bei nicht edlen Kathoden, Karbonatisierung in wässrigen Elektrolyten, das Fehlen überzeugender Berichte über lebensfähige sekundäre Al-Air-Batterien und das Fehlen einer definierten Methode zum Austausch der Anode in einer Primärbatterie. Die weitere Forschung zur Al-Luft-Batterie muss sich auf die Optimierung der Kombination von Kathode, Anode, Elektrolyt und anderen Batteriekomponenten konzentrieren, die eine einfache Skalierbarkeit, gute Leistung und wirtschaftliche Produktion ermöglichen.

Zu den wichtigsten technischen Problemen gehören:

Die Selbstkorrosion und Wasserstoffentwicklung der Aluminiumanode schränken die Entladungseffizienz stark ein, und die Oberflächenpassivierung der Aluminiumanode beeinträchtigt das Entladungsverhalten. Die Abstimmung zwischen dem Elektrolyten und der Anode kann nicht nur einen schnellen anodischen Oxidationsreaktionsmechanismus mit der Aluminiumelektrode bilden, sondern auch die hohe Effizienz und Stabilität des Ionentransfers und die Wiederverwertbarkeit der Oxidationsprodukte aufrechterhalten. Die Struktur der Luftelektrode, der Selbstverlust des Stroms im leitfähigen Stromkollektor und die Sauerstoffreduktionskapazität des Luftelektrodenkatalysators müssen weiter optimiert und verbessert werden.

Derzeit gibt es für Anoden eine Vielzahl von Al-Legierungen, die besondere Vorteile bieten und als Anoden für Al-Luft-Batterien besser geeignet sind als reines Al, das für praktische kommerzielle Zwecke zu teuer ist. Für Kathoden sind kohlenstoffhaltige Materialien unserer Meinung nach die attraktivste Wahl, vor allem angesichts ihrer Vielseitigkeit und ihrer relativ geringen Kosten. Als Elektrolyt wird üblicherweise wässrige KOH verwendet, und die Al-Batterien mit KOH haben nicht viele Nachteile. Die polymeren Festkörperelektrolyte und ionischen Flüssigkeiten haben ein großes Potenzial. Das Design und der Zusammenbau der Batteriekomponenten bedürfen weiterer Innovationen, obwohl das allgemein akzeptierte Design eine dreischlitzige Form verwendet. Neue Designs könnten dünne Membranen für die Trennung von Anode, Elektrolyt und Kathode (wenn die Batterie nicht in Gebrauch ist) beinhalten, was sowohl die technologische als auch die finanzielle Rentabilität des Al-Luft-Batteriesystems erleichtern würde.

Energiequelle von Elektrofahrzeugen (EVs).

Die primäre Energiequelle von Elektrofahrzeugen (EVs) sind elektrochemische Energiespeichersysteme wie Blei-Säure-Batterie, Li-Ionen-Batterie, NiCd und NiMH. Unter den verschiedenen in Elektrofahrzeugen verwendeten Batterien ist die Li-Ionen-Batterie mit ihrer hohen Energiedichte (7.900 Wh/L) und Leistungsdichte (3.460 Wh/kg) eine beliebte Wahl. Außerdem hat die Li-Ionen-Batterie im Vergleich zu anderen Energiespeichersystemen eine längere Zyklusdauer und Entladetiefe. Allerdings ist die Li-Ionen-Batterie sehr empfindlich gegenüber Betriebstemperaturen und anfällig für thermisches Durchgehen. Andererseits erfordern Elektrofahrzeuge, die mit einer wiederaufladbaren Batterie ausgestattet sind, den Bau einer neuen Ladeeinrichtung. Das schnelle Aufladen von Elektrofahrzeugen während der Stoßzeiten wird mit Sicherheit die elektrische Belastung der bestehenden Stromnetze erhöhen. Darüber hinaus ist die Entsorgung gebrauchter Li-Ionen-Batterien eines der ungelösten Probleme. Daher wurde im Bereich der Energiespeichersysteme nach einer alternativen Lösung für den Ersatz der Li-Ionen-Batterie gesucht. Eine der möglichen Lösungen ist die Verwendung einer Metall-Luft-Batterie.

Leistung

Bemerkenswerte Ergebnisse.

Die Leistung der Aluminiumanode in der Aluminium-Luft-Batterie wurde weltweit von namhaften Forschern eingehend untersucht. Sie führten ein Experiment durch, um die Korrosion der Aluminiumanode in der Aluminium-Luft-Batterie zu untersuchen. In dieser Arbeit wurde eine Aluminiumfolie als Anode und Natriumhydroxid (NaOH) als Elektrolyt verwendet. Das Ergebnis zeigte, dass mit steigender Konzentration des Elektrolyten die Nutzungseffizienz des Aluminiums abnahm. Außerdem kann die Aluminiumanode mit anderen Metallen versetzt werden, um die Selbstentladung von Aluminium zu verringern. Neben dem Faktor der Aluminiumanode sind auch die Elektrolyte in der Aluminium-Luft-Batterie ein wichtiger Faktor, der die Leistung der Batterie beeinflusst. Auf der Grundlage früherer Forschungen hat der alkalische Elektrolyt bemerkenswerte Ergebnisse gezeigt und funktioniert gut mit Aluminium-Luft-Batterien, wie Kaliumhydroxid (KOH) und Natriumhydroxid (NaOH), die die Leistung von Aluminium-Luft-Batterien optimieren können. Darüber hinaus kann die Auswahl der Luftkathode, der Anode und des Elektrolyten die Zykluslebensdauer der Batterien beeinflussen. Trotz aller Vorteile bei den Eigenschaften wässriger Elektrolyte gibt es auch einige Nachteile, wie die Korrosion der kohlenstoffbasierten Luftkathode, die durch die Reaktion des hochkonzentrierten alkalischen Elektrolyten in den Metall-Luft-Batterien auftreten kann. Dies kann dazu führen, dass sich der Elektrolyt durch die Oxidation der Kohlenstoff-Ionen in der Luftkathode braun verfärbt, was zur Bildung von Carbonsäuren führt. Daher könnte eine Senkung des pH-Werts des Elektrolyten die Lösung sein, um die Leistung der Metall-Luft-Batterie zu verbessern.

Vor- und Nachteile

Vorteile.

Die Aluminium-Luft-Batterie hat eine hohe spezifische Energie. Die theoretische spezifische Energie der Aluminium-Luft-Batterie kann 8100Wh/kg erreichen. Sie hat ein geringes Gewicht. Die Gesamtmasse mit der gleichen Energie ist nur 12% der Masse der Blei-Säure-Batterie. Die Aluminium-Luft-Batterie ist ungiftig und ungefährlich, kann recycelt und wiederverwendet werden. Aluminium-Rohstoffe sind im Überfluss vorhanden und werden nachhaltig abgebaut.

Nachteile.

Die Nachteile der Aluminium-Luft-Batterie sind ebenfalls offensichtlich: Es handelt sich um ein chemisches Reaktionsgerät, das elektrische Energie freisetzt. Sie kann nicht wiederholt aufgeladen werden, und die Aluminiumelektrode muss ersetzt werden, um weiter zu funktionieren. Obwohl die Aluminium-Luft-Batterie eine hohe spezifische Energie enthält, ist die spezifische Leistung gering. Die Lade- und Entladegeschwindigkeit ist relativ langsam, die Spannung verzögert sich und die Selbstentladungsrate ist relativ hoch. Ein Wärmemanagementsystem ist erforderlich, um eine Überhitzung der Aluminium-Luft-Batterie während des Betriebs zu verhindern.

Zukunft

Grosses Marktpotenzial.

Chinas Aluminium-Luft-Batterie entwickelt sich derzeit sehr schnell. Doch bei den Schlüsseltechnologien ist noch kein Durchbruch erzielt worden. Probleme wie die Polarisierung der Luftelektrode und die Ausfällung von Aluminiumhydroxid sind wichtige Hindernisse, welche die Vermarktung von Metall-Luft-Batterien beeinträchtigen. Die Verbesserung der Leistung von Aluminium-Luft-Batterien ist auf einen großen Engpass gestoßen und befindet sich noch im Labor. China hat noch keine Voraussetzungen für die Kommerzialisierung von Aluminium-Luft-Batterien. Derzeit gibt es nur relativ wenige Unternehmen, die Aluminium-Luft-Batterien in China herstellen, und diese Unternehmen können nicht die gesamte industrielle Kette unterstützen.

Anwendungen

Geringer Stromverbrauch und hoher Energiebedarf.

Bei salzhaltigen Systemen hat die Anode im Vergleich zu alkalischen Elektrolyten eine geringere Korrosionsrate, was für die Batterie gesünder ist. Sie haben ein großes Potenzial für Anwendungen mit geringerem Stromverbrauch und hohem Energiebedarf, wie z. B. tragbare Geräte, stationäre Stromquellen, Meeresbojen und Salzbatterien. In der Salzbatterie kann der im Meerwasser gelöste Sauerstoff genutzt werden, der eine hohe Energie liefern kann.

Bei den alkalischen Systemen können die höhere Leitfähigkeit und die Löslichkeit von Al(OH)3 in alkalischen Lösungen die Bereitstellung einer höheren Leistung erleichtern. Es ist sehr attraktiv für Anwendungen mit hoher Leistung, wie z. B. Standby-Batterien, Stromversorgungsgeräte auf dem Schlachtfeld (Special Operation Forces Aluminum Air), unbemannte Unterwasserfahrzeuge oder Elektrofahrzeuge. Zu den unbemannten Unterwasserfahrzeugen gehören unbemannte U-Boote, Minensuchgeräte, Langstreckentorpedos und so weiter. Zu beachten ist auch, dass die wichtigsten technischen Lücken von Aluminium-Luft-Batterie im Hinblick auf die Kommerzialisierung die Wasserstoffentwicklung und die parasitäre Korrosionsreaktion der Anode sind.

Anwendungsperspektive der Aluminium-Luft-Batterie.

Derzeit sind Aluminium-Luft-Batterien in industriellen und zivilen Bereichen noch nicht weit verbreitet, vor allem, weil die Technologie der Materialaufbereitung und das Verständnis des Konzepts der sekundären Ladung und Entladung noch verbessert werden müssen. Auf technischer Ebene: Die gemessene spezifische Energie und der Entladungswirkungsgrad der Aluminium-Luft-Batterie unterscheiden sich erheblich von den theoretischen Werten.

Das Konzept der Aluminium-Luft-Batterie als Sekundärbatterie: Als Metall-Brennstoffzelle wird die Aluminium-Luft-Batterie im Allgemeinen als Primärbatterie angesehen, was ein Missverständnis beim Verständnis der Lade-Entlade-Zykluseinheit ist. Als klassische Sekundärbatterie kann die Lithium-Ionen-Batterie, die man heute in der Regel verwendet, eine sofortige Lade-Entlade-Umwandlung durchführen.

Wenn die Aluminium-Luft-Batterie den industrialisierten Lade-Entlade-Prozess realisieren kann, kann sie aus der Perspektive dieses großen Zyklussystems auch als Sekundärbatterie betrachtet werden. Sekundärbatterie, und dies ist eine der Schlüsseltechnologien, um ihre Popularisierung und Anwendung zu lösen. Die hohe spezifische Energie der Aluminium-Luft-Batterie und ihre Sicherheit und Unschädlichkeit für die Umwelt bestimmen, dass sie eine breite Entwicklungsperspektive haben wird.

In Zukunft könnte sie zunächst in mobilen Geräten wie Kraftfahrzeugen und im Bergbau eingesetzt werden. Die Bergbauunternehmen haben bereits große Fortschritte in der vorgelagerten Kette der Batterieindustrie gemacht. Die Aluminium-Luft-Batterie kann als integriertes Batteriepaket konzipiert werden, das an einer Tankstelle oder einer speziellen Ladestation wie Benzin und andere Kraftstoffe gelagert wird.

Wenn die Anode während des Gebrauchs verbraucht ist, kann das Batteriepaket direkt ausgetauscht werden. Der entladene Akkupack wird von einem professionellen technischen Unternehmen getrennt und zurückgewonnen, und die Sekundärmontage des Akkupacks wird durchgeführt.

Wartung der Aluminium-Luft-Batterie.

Die Aluminium-Luft-Batterie ist eine schadstofffreie, langlebige, stabile und zuverlässige Stromversorgung. Ein weiterer Vorteil der Aluminium-Luft-Batterie ist ihre Wartungsfreundlichkeit. Die Benutzer brauchen ihre Batterien nicht aufzuladen, solange sie alle 1-2 Monate Wasser einspritzen oder den unbrauchbaren Elektrolyten ersetzen, um die chemische Reaktion zu unterstützen. Jedoch sollte jemand vom technischen Personal beauftragt werden, um die jährliche Wartung durchzuführen. Nach dieser Zeit ist die Anodenelektrode verbraucht und das Anodenaluminiummodul muss ersetzt werden.

Elektrofahrzeuge

Die Nutzungsphase soll nahezu emissionsfrei sein.

Mit dem weltweit zunehmenden Fokus auf Nachhaltigkeit hat die Automobilindustrie ihre Designs auf umweltfreundlichere Modelle umgestellt. Anfangs lag der Schwerpunkt auf dem Leichtbau mit Aluminium, Magnesium, höherfesten Stählen und anderen Materialien, um den Kraftstoffverbrauch zu senken.

Ein Großteil der aktuellen Aufmerksamkeit gilt nun der Verbreitung von Elektrofahrzeugen, die während ihrer Nutzungsphase nahezu emissionsfrei sind. Eine der größten Herausforderungen für die Automobilhersteller bei Elektrofahrzeugen ist jedoch der Aspekt, der sie umweltfreundlich macht - die Batterien selbst.

Lithium-Ionen-Batterien, die den derzeitigen Standard der verfügbaren Technologie darstellen, bieten eine Reihe von Herausforderungen. Elektroauto-Batterien sind schwer, kosten viel Geld und brauchen viel Zeit zum Aufladen. Wenn mehr Batterien in ein Elektroauto eingebaut werden, kann die Reichweite erhöht werden - allerdings steigen dadurch auch die Kosten und das Gewicht des Fahrzeugs erheblich.

Wiederaufladbare Aluminium-Luft-Batterien.

Die Entwicklung von Aluminium-Luft-Batterien als mechanisch wiederaufladbare Energiequellen für Elektrofahrzeuge wird diskutiert. Die Chemie der Aluminium-Luft-Batterie, die das Potential hat, die Reichweite, die Beschleunigung und die Schnellbetankungsfähigkeit moderner Automobile zu gewährleisten, und die auf der Reaktion von Aluminiummetall mit Luftsauerstoff in Gegenwart eines wässrigen Natriumhydroxid/Natriumaluminat-Elektrolyten beruht, wird untersucht, und es wird darauf hingewiesen, dass das Elektrofahrzeug praktisch emissionsfrei sein würde. Es wird der Schluss gezogen, dass, obwohl schwierige Probleme überwunden werden müssen, bevor die technische und wirtschaftliche Durchführbarkeit von Aluminium-Luft-Batterien für Elektrofahrzeuge realisiert werden kann, Prognosen darauf hindeuten, dass das Aluminium-Luft-Fahrzeug potenziell wettbewerbsfähig mit Verbrennungsfahrzeugen ist, die mit synthetischen Flüssigkraftstoffen betrieben werden.

Der technische Stand einer wiederaufladbaren Aluminium-Luft-Batterie, die fließenden ätzenden Aluminat-Elektrolyt bei 50 bis 700 C verwendet, wird aktuell überprüft. Vier verschiedene Designs für schnell wiederaufladbare Zellen wurden in Einzel- oder Mehrzellenmodulen im technischen Maßstab (167 bis 1000 cm(2)/Zelle) bewertet. Berücksichtigt wurden Zellen in Keilform, die eine teilweise Wiederaufladung, eine hohe Anodenauslastung und eine schnelle Wiederaufladung ermöglichen. Kinetische Modelle, die für die Ausfällung von Aluminiumtrihydroxid entwickelt wurden, werden zur Vorhersage des Verhaltens integrierter Zell-/Kristallisatorsysteme verwendet. Die Lebensdauer und Polarisationsdaten von Luftelektroden werden unter simulierten Fahrzeugbetriebsbedingungen überprüft. Probleme bei der Entwicklung von kostengünstigen Anodenlegierungen werden beschrieben. Diese Ergebnisse werden unter dem Gesichtspunkt des Potenzials einer Aluminium-Luft-Batterie interpretiert, ein Elektrofahrzeug mit der Reichweite, Beschleunigung und Schnellbetankungsfähigkeit herkömmlicher Automobile auszustatten.

Der Betrieb der Aluminium-Luft-Batterie beinhaltet die Auflösung von Aluminium zur Erzeugung von Strom und Aluminat. Die Entwicklung von Aluminium-Luft-Batterien für den Einsatz in Elektrofahrzeugen orientiert sich an hoher Leistung und einer schnell auftankbaren Lösung. Die Aluminium-Luft-Batterie wird entwickelt, um ein Elektrofahrzeug mit der Leistung eines herkömmlichen Automobils anzubieten. Bereits gib es schnell aufladbare 6-Zellen-Batterien (200-qcm-Elektroden). Im Labor wurden Aluminiumanoden und Luftkathoden mit einem fließenden alkalischen Elektrolyten verwendet. Es wurde festgestellt, dass die Spitzenleistung mit der Temperatur ansteigt, mit der Aluminatkonzentration abnimmt und vom Elektrolytstrom nicht beeinflusst wird. Die beste Leistung war eine Spitzenleistungsdichte von 5,28 kW/qm, eine Energiedichte von 2,08 kWh/kg Al und ein coulombischer Wirkungsgrad von 80 %. Die Anode lässt sich schnell auftanken, und es wird eine 100-prozentige Nutzung erreicht. Weitere Untersuchungen umfassten Kathodenkatalysatoren, eine Wärmebilanz und die Überwachung der Elektrolytzusammensetzung.

Können also Aluminium-Luft-Batterien die Li-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge übertreffen? Aluminium-Luft-Batterien für Autos sind eine innovative Technologie, die sich Autohersteller und politische Entscheidungsträger genau ansehen sollten. Obwohl es sich um eine Batterie handelt, verhalten sie sich eher wie ein Motor: Der Treibstoff ist das Aluminium, das über einen Elektrolyten mit der Luft reagiert, um elektrischen Strom zu erzeugen. Aluminium als "Kraftstoff" für Fahrzeuge wurde von Forschern untersucht. Sie haben es unter vielen Aspekten analysiert, d.h. Reichweite, Kosten und Gesamtkraftstoffeffizienz. Das Aluminium-Luft-Batterie-System kann genügend Energie für eine ähnliche Reichweite und Beschleunigung wie ein benzinbetriebenes Auto erzeugen.

Al-Luft hat große Vorteile gegenüber einer Lithium-Ionen-Batterie, der bevorzugten Wahl für Elektrofahrzeuge. Sie hat eine ähnliche Reichweite wie benzinbetriebene Autos. Ihre Energiedichte ist wesentlich höher als die einer Lithium-Ionen-Batterie. Das Akkupaket ist viel leichter, was auch Elektroflugzeugen eine Tür öffnet. Und Aluminium ist im Gegensatz zu Lithium ein preiswertes und reichlich vorhandenes Metall. Die Batterie muss ausgetauscht und nicht wieder aufgeladen werden, so dass es infrastrukturelle und logistische Herausforderungen gibt - wie bei allen anderen Technologien auch. Aber das umgeht die Probleme mit der Netzkapazität, die durch das Wachstum der E-Fahrzeuge entstehen. Allerdings fehlt es ihr an politischer Unterstützung, vor allem weil sie nicht offiziell als Batterie eingestuft wird. Mit der richtigen politischen Unterstützung und der Aufmerksamkeit der Autohersteller könnte diese Technologie zum Mainstream werden. Sogar die Feststoffraketen des Space Shuttle wurden mit Aluminiumpulver betrieben.

Mit einem Anteil von 24 % an den direkten CO2-Emissionen aus der Verbrennung von Kraftstoffen wird der Verkehrssektor eine entscheidende Rolle bei den weltweiten Bemühungen um eine Dekarbonisierung spielen. Fast drei Viertel dieser Emissionen stammen aus dem Straßenverkehr, während die Emissionen aus dem Luft- und Schiffsverkehr trotz der Auswirkungen der Covid-19-Pandemie weiter ansteigen. Es gibt eine Reihe alternativer Kraftstoffe und Technologien, die sauberer sind als Verbrennungsfahrzeuge, darunter Biodiesel, Biogas, Elektro-, Hybrid- oder Wasserstofffahrzeuge. Eine weitere Technologie, die kaum bekannt gemacht wird, von der man aber annimmt, dass sie ein großes Potenzial hat, ist die Aluminium-Luft-Batterietechnologie (Al-Air).

Die Verwendung von Aluminium-Luft-Batterien in Personenkraftwagen ist aber erst ein Anfang. Da die Aluminium-Luft-Batterie enorme Energiemengen erzeugen kann, eröffnet sich ein breiteres Spektrum an Einsatzmöglichkeiten für sie. Aluminium-Luft-Batterien können auch in Sektoren wie der Schifffahrt, z. B. in Containerschiffen und Kreuzfahrtschiffen, bei Bodengeräten auf Flughäfen und als Stromquelle für ländliche Mikronetze eingesetzt werden. Aluminium-Luftbatterien können auch für den Transport und die Stromversorgung lokaler Netze verwendet werden, um moderne Dienste für Kommunikation, Schulen und medizinische Einrichtungen in abgelegenen Gebieten bereitzustellen.

Märkte

Brennstoffzelle mit Zukunft.

Als spezielle Brennstoffzelle hat die Aluminium-Luft-Batterie ein großes kommerzielles Potenzial für militärische, zivile und Unterwasser-Energiesysteme, Backup-Stromquellen für Telekommunikationssysteme und tragbare Stromversorgungen. Die Kosten und die Wiederverwertbarkeit von Aluminium-Luft-Batterien machen sie konkurrenzfähig mit Lithium-Ionen-Batterien, die die besten wiederaufladbaren Batterien sind. Aluminium-Luft-Batterien in Gruppenbehältern können über einen längeren Zeitraum mit stabiler Leistung betrieben werden.

Bei Offshore-Einsätzen müssen die Batteriecontainer schnell und einfach eingesetzt, installiert und ausgetauscht werden, so dass die Aluminium-Luft-Batterie auch für Schlepper und Lastkähne im Binnen- und Küstendienst eingesetzt werden kann.

Einige große elektrochemische Batterietechnologien im Netzmaßstab funktionieren bereits in Schiffscontainern. Dies ist der Fall bei der Aluminium-Luft-Batterietechnologie aus Israel, die 4.800 kWh speichern und eine konstante Leistung von 240 kW (320 PS) in einem 20-Fuß-Standardcontainer liefern kann. Bei gleichem Gewicht und Volumen kann die Aluminium-Luft-Batterie mehr Energie speichern als Vanadium-Flow-, Flüssigmetall- oder Zink-Brom-Gel-Technologien.

Die Berichte über Phinergy, USA, und Alcoa, Israel, sind ein guter Beweis dafür, dass die Aluminium-Luft-Batterie vielversprechende Aussichten in Bezug auf Wirtschaft und Markt hat. Im Moment scheint es jedoch so, dass Aluminium-Luft-Batterie nur als Reichweitenverlängerer dient und eine Standard-Lithiumbatterie immer noch die primäre Energiequelle ist. Phinergy hat auch berichtet, dass es einen Vertrag mit einem globalen Automobilhersteller unterzeichnet hat, um die Aluminium-Luft-Batterie in die Produktion von Autos zu bringen, obwohl es keine klare Aussage darüber gemacht hat, ob Aluminium-Luft-Batterie als Reichweitenverlängerer oder als primäre Energiequelle verwendet werden würde. Es ist ein positives Signal, dass die mit Aluminium-Luft-Batterie ausgestatteten Elektrofahrzeuge (EVs) auf den Markt kommen und in naher Zukunft einen gewissen Marktanteil halten werden. Darüber hinaus wird die Aluminium-Luft-Batterieauch einen gewissen Marktanteil im intelligenten Stromnetz, in der Unterhaltungselektronik (z. B. Mobiltelefone, tragbare Computer, elektronische Kameras) oder in der Luft- und Raumfahrt und im Verteidigungsbereich haben.