Alüminyum iyon pil

Vikipedi, özgür ansiklopedi

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.[1][2] Al, Li'nin 50 katı (23,5 megavat-saat m-3) enerji yoğunluğuna sahiptir ve bu kömürden bile yüksektir.[3]

Üç değerlikli yük taşıyıcı Al3+, bu pilin hem avantajı hem de dezavantajıdır.[4] 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.[5] 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.[2]

Tasarım[değiştir | kaynağı değiştir]

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.[6]

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,[7]
  • Reaktanların kütlesini azaltarak,[7]
  • Elektrolitin kimyasal reaksiyonlarla değiştirilmesini önleyerek.[7]

Elektrokimya[değiştir | kaynağı değiştir]

Anot yarı reaksiyonu:

Katot yarı reaksiyonu:

İki yarım reaksiyonun birleştirilmesi aşağıdaki reaksiyonu verir:

Lityum-iyon karşılaştırması[değiştir | kaynağı değiştir]

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.[8]

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.[9] Alüminyum, lityumdan daha bol ve ucuzdur.[10]

Zorluklar[değiştir | kaynağı değiştir]

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.[11]

İyonik elektrolitler, korozyonu en aza indirerek cihazların güvenlik ve uzun vadeli kararlılığını artırırken pahalıdır ve bu nedenle uygun olmayabilir.[12]

Araştırma[değiştir | kaynağı değiştir]

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

Anot[değiştir | kaynağı değiştir]

Cornell Üniversitesi[değiştir | kaynağı değiştir]

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.[13]

Elektrolit[değiştir | kaynağı değiştir]

Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı[değiştir | kaynağı değiştir]

Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı 2010 civarında[8] 1.060 Wh/kg enerji üreten yüksek yoğunluklu bir cihaz geliştirdi ve patentini aldı.[10] 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.[14] 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.[8]

Katot[değiştir | kaynağı değiştir]

Cornell Üniversitesi[değiştir | kaynağı değiştir]

2011 de ORNL ile aynı elektroliti kullanan bir araştırma ekibi katot için vanadyum oksit nanoteller kullandı.[15] 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.[14]

Stanford Üniversitesi[değiştir | kaynağı değiştir]

Nisan 2015'te Stanford Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, şarj süresi yaklaşık bir dakika olan (pilin kapasitesi belirtilmemiş) bir alüminyum-iyon pil geliştirdiklerini iddia ettiler.[5] Hücreleri yaklaşık 2 volt, iki hücre dizi halinde bağlanırsa 4 volt sağlar.[5][16] Prototip, kapasite kaybı olmadan 7.500'den fazla şarj-deşarj döngüsü sürdü.[17][18]

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.[19]

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.[20] Batarya ~%99,7 Coulombic verimlilik ve 100 mA/g katot kapasitesinde 73 mAh/g

(1,4 C) oransal güç sağladı.[21]

ALION Projesi[değiştir | kaynağı değiştir]

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.[22][23] 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.[24]

Maryland Üniversitesi[değiştir | kaynağı değiştir]

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.[25]

MİT[değiştir | kaynağı değiştir]

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.[26] 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.[27] Araştırmacılardan birinin ortak kurduğu yan şirket Avanti, çalışmayı ticarileştirmeye çalışıyor.[26]

Chalmers Teknoloji Üniversitesi ve Slovenya Ulusal Kimya Enstitüsü[değiştir | kaynağı değiştir]

2019'da araştırmacılar, bir alüminyum iyon pilde katot için antrakinon kullanmayı önerdiler.[28]

Queensland Teknoloji Üniversitesi[değiştir | kaynağı değiştir]

Queensland Teknoloji Üniversitesi'nden araştırmacılar 2019'da sulu elektrolitli Alüminyum iyon pil için katot olarak kriptomelan bazlı elektrotlar geliştirdi.[29]

Clemson Üniversitesi[değiştir | kaynağı değiştir]

2017'de Clemson Nanomalzemeler Enstitüsündeki araştırmacılar, tetrakloroalüminat (AlCl-4) interkalasyonu için grafen kullandı.[6] Ekip, alüminyum anotlar, bozulmamış veya modifiye edilmiş birkaç katmanlı grafen katot ve elektrolit olarak AlCl3 tuzu içeren bir iyonik sıvı içeren piller yaptı.[6] Pilin 200 Wh/kg enerji yoğunluğuyla 10.000'den fazla döngüde çalışabileceğini iddia ettiler.[30]

Zhejiang Üniversitesi[değiştir | kaynağı değiştir]

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:[31][32]

  • 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[değiştir | kaynağı değiştir]

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.[3]

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.[3]

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.[3]

İyonik alüminyum izabe tesisinde depolanabilir. Bir yaklaşım, pili bir izabe tesisinde şarj eder ve güç ve ısıya ihtiyaç duyulan her yerde kullanılabilir.[3] Alternatif olarak, maksimum gidiş-dönüş verimliliği için ısının izabe tesisinde kullanılması gerekmesine rağmen, izabe tesisinde nakliyeye gerek kalmadan elektrik şebekesi beslenebilir.

Ayrıca bakınız[değiştir | kaynağı değiştir]

Kaynakça[değiştir | kaynağı değiştir]

  1. ^ Zafar (21 Mart 2017). "Cathode materials for rechargeable aluminum batteries: current status and progress". Journal of Materials Chemistry A (İngilizce). 5 (12): 5646-5660. doi:10.1039/C7TA00282C. ISSN 2050-7496. 14 Nisan 2023 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 14 Nisan 2023. 
  2. ^ a b Das (2017). "Aluminum-ion batteries: developments and challenges". Journal of Materials Chemistry A. 5 (14): 6347-6367. doi:10.1039/c7ta00228a. 
  3. ^ a b c d e "Rechargeable aluminum: The cheap solution to seasonal energy storage?". New Atlas (İngilizce). 24 Ağustos 2022. 24 Ağustos 2022 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 31 Ağustos 2022.  Yazar |ad1= eksik |soyadı1= (yardım)
  4. ^ Eftekhari (2017). "Electrochemical Energy Storage by Aluminum As a Lightweight and Cheap Anode/Charge Carrier". Sustainable Energy & Fuels. 1 (6): 1246-1264. doi:10.1039/C7SE00050B. 
  5. ^ a b c Lin (6 Nisan 2015). "An ultrafast rechargeable aluminium-ion battery". Nature. 520 (7547): 324-328. doi:10.1038/nature14340. PMID 25849777. 
  6. ^ a b c "Team designs aluminum-ion batteries with graphene electrode". Graphene-info. 2 Mart 2018 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 1 Mart 2018. 
  7. ^ a b c Armand (2008). "Building better batteries". Nature. 451 (7179): 652-657. doi:10.1038/451652a. PMID 18256660. 
  8. ^ a b c "Aluminum-Ion Battery to Transform 21st Century Energy Storage" (PDF). web.ornl.gov. Oak Ridge National Laboratory. 19 Kasım 2015 tarihinde kaynağından (PDF) arşivlendi. Erişim tarihi: 30 Ekim 2014. 
  9. ^ "Battery power: Aluminum ion competes with lithium in Clemson Nanomaterials Institute study". the Newsstand. 18 Ekim 2017 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 1 Mart 2018. 
  10. ^ a b "Aluminium ION Battery" (PDF). web.ornl.gov. Oak Ridge National Laboratory. 12 Nisan 2015 tarihinde kaynağından (PDF) arşivlendi. Erişim tarihi: 12 Kasım 2014. 
  11. ^ Dai (April 2015). "An ultrafast rechargeable aluminium-ion battery". Nature. 520 (7547): 324-328. doi:10.1038/nature14340. ISSN 1476-4687. PMID 25849777. 
  12. ^ Passerini (1 Ocak 2017). "Ionic Liquid Electrolytes for Safer Lithium Batteries I. Investigation around Optimal Formulation". Journal of the Electrochemical Society. 164 (1): A6026-A6031. doi:10.1149/2.0051701jes. ISSN 0013-4651. 
  13. ^ "3D aluminum electrode enables low-cost battery to go the distance". New Atlas (İngilizce). 6 Nisan 2021. 6 Nisan 2021 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 11 Nisan 2021.  Yazar |ad1= eksik |soyadı1= (yardım)
  14. ^ a b "Goodbye to lithium-ion batteries". machinedesign.com. machine design. 23 Mart 2012. 2 Mayıs 2013 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 12 Kasım 2014. 
  15. ^ Jayaprakash (2011). "The rechargeable aluminum-ion battery" (PDF). Chemical Communications. rsc. 47 (47): 12610-2. doi:10.1039/C1CC15779E. PMID 22051794. 22 Şubat 2014 tarihinde kaynağından arşivlendi (PDF). Erişim tarihi: 14 Nisan 2023. 
  16. ^ Aluminum-Ion Battery Cell Is Durable, Fast-Charging, Bendable: Stanford Inventors (Video) 4 Nisan 2023 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi., John Voelcker, 8 April 2015, Green Car Reports
  17. ^ "Stanford Researchers Unveil New Ultrafast Charging Aluminum-Ion Battery". scientificamerican.com. 15 Nisan 2015 tarihinde kaynağından arşivlendi. 
  18. ^ Lin (9 Nisan 2015). "An ultrafast rechargeable aluminium-ion battery". Nature. 520 (7547): 324-328. doi:10.1038/nature14340. PMID 25849777. 14 Nisan 2023 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 14 Nisan 2023 – www.nature.com vasıtasıyla. 
  19. ^ "Ultrafast Rechargeable Aluminum-ion Battery". Industrial Technology Research Institute. 15 Kasım 2018 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 2 Mart 2018. 
  20. ^ "Stanford engineers create a low-cost battery for storing renewable energy". Stanford News Service. 7 Şubat 2017. 7 Şubat 2017 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 1 Mart 2018. 
  21. ^ Angell (2017). "High Coulombic efficiency aluminum-ion battery using an AlCl3-urea ionic liquid analog electrolyte". PNAS. 114 (5): 834-839. arXiv:1611.09951 $2. doi:10.1073/pnas.1619795114. PMC 5293044 $2. PMID 28096353. 
  22. ^ HIGH SPECIFIC ENERGY ALUMINIUM-ION RECHARGEABLE DECENTRALIZED ELECTRICITY GENERATION SOURCES 19 Kasım 2015 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. on cordis.europa.eu
  23. ^ "ALION: Aluminium-Ion batteries". 15 Aralık 2018 tarihinde kaynağından arşivlendi. 
  24. ^ "Aluminium-Ion Batteries: A Promising Technology for Stationary Applications". Leitat Projects Blog. 11 Temmuz 2019 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 11 Temmuz 2019. 
  25. ^ Gao (16 Ağustos 2016). "A Rechargeable Al/S Battery with an Ionic-Liquid Electrolyte". Angewandte Chemie International Edition. 55 (34): 9898-9901. doi:10.1002/anie.201603531. ISSN 1521-3773. PMID 27417442. 
  26. ^ a b "Battery made of aluminum, sulfur and salt proves fast, safe and low-cost". New Atlas (İngilizce). 25 Ağustos 2022. 25 Ağustos 2022 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 26 Ağustos 2022.  Yazar |ad1= eksik |soyadı1= (yardım)
  27. ^ "New aluminum batteries could be the dirt cheap alternative to lithium-ion that we've all been waiting for". ZME Science (İngilizce). 26 Ağustos 2022. 26 Ağustos 2022 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 26 Ağustos 2022.  Yazar |ad1= eksik |soyadı1= (yardım)
  28. ^ "Is This The End Of The Lithium-Ion Battery?". OilPrice.com (İngilizce). 1 Ekim 2019. 2 Ekim 2019 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 6 Ekim 2019.  Yazar |ad1= eksik |soyadı1= (yardım)
  29. ^ Joseph (2019). "Reversible Intercalation of Multivalent Al3+ Ions into Potassium-Rich Cryptomelane Nanowires for Aqueous Rechargeable Al-Ion Batteries". ChemSusChem (İngilizce). 12 (16): 3753-3760. doi:10.1002/cssc.201901182. ISSN 1864-564X. PMID 31102343. 
  30. ^ "Aluminium graphene battery outperforms lithium". eeNews. 2017. 21 Ekim 2017 tarihinde kaynağından arşivlendi. 
  31. ^ "Al-ion battery retains 92% capacity after 250,000 charge cycles". Elektor. 15 Şubat 2018 tarihinde kaynağından arşivlendi. 
  32. ^ "Chinese scientists develop fast-charging aluminum-graphene battery". www.xinhuanet.com. 23 Aralık 2017 tarihinde kaynağından arşivlendi. 
"https://tr.wikipedia.org/w/index.php?title=Alüminyum_iyon_pil&oldid=30756738" sayfasından alınmıştır