1.Kaip aliuminis naudojamas kaip kritinė ličio jonų akumuliatorių srovės kolekcionierių medžiaga, ir kokie yra jo pranašumai, palyginti su alternatyvomis, tokiomis kaip vario?
①Elektrocheminis stabilumas aukštos įtampos aplinkose
Aluminum forms a thin, self-passivating oxide layer (Al₂O₃) that resists corrosion at the high operating potentials of cathodes (3–4.5 V vs. Li/Li⁺), unlike copper, which oxidizes and degrades at >3 V. Tai daro aliuminį būtiną Katodų dabartiniai kolekcionieriai ličio jonų baterijose (pvz., Lifepo₄, NMC) 12.
②Lengvas ir ekonominis efektyvumas
Aliuminio tankis (2,7 g\/cm³) yra 60% mažesnis nei vario (8,96 g\/cm³), sumažinant EV ir nešiojamos elektronikos akumuliatoriaus svorį. Tai taip pat 3–5x pigiau nei varis, sumažinant didelio masto baterijų gamybos išlaidas34.
③Tinkamas elektrinis laidumas
Nors aliuminio laidumas (~ 35 ms\/m) yra mažesnis nei vario (~ 59 ms\/m), katodų kolekcionieriams jo pakanka dėl mažesnio srovės tankio poreikių, palyginti su anodais. Išplėstiniai paviršiaus apdorojimai (pvz., Anglies dengta Al folija) dar labiau padidina elektronų perdavimo efektyvumą51.
④Suderinamumas su katodo medžiagomis
Aliuminio jungtys efektyviai su įprastomis katodų dangomis (pvz., Licoo₂, NMC), nesudarant žalingų tarpmetalinių fazių. Priešingai, varis reaguoja su ličio anode, todėl jį reikia naudoti tik anodo pusėje (su grafito\/Si pagrindu pagamintomis medžiagomis) 25.
⑤Mechaninis lankstumas ir gamybos mastelio keitimas
Aliuminio folijos (10–20 μm storio) siūlo puikų elastingumo ir elektrodo apdorojimo lankstumą. Naujovės, tokios kaip Mikro-roughed al folijos Pagerinkite katodo srutų sukibimą, sumažindami riziką delaminacijos metu įkrovos\/iškrovos ciklų metu.
2. Kokį vaidmenį vaidina aliuminis, gerinant modernių akumuliatorių sistemų energijos tankį ir šiluminį valdymą (pvz., EV baterijos)?
①Lengvos srovės kolekcionieriai, skirti didesniam energijos tankiui
Aliuminio folija (pvz., AA1xxx lydiniai) naudojamas kaip katodo srovės kolekcininkas ličio jonų baterijose dėl mažo tankio (2,7 g\/cm³) ir didelio elektrinio laidumo. Pakeitus sunkesnes medžiagas, sumažėja bendras akumuliatoriaus svoris, pagerinant gravimetrinę energijos tankį (~ 15–20% padidėjimą), išlaikant struktūrinį vientisumą12.
②Šilumos laidumas efektyviam šilumos išsklaidymui
Aliuminio šilumos laidumas (~ 237 W\/M · K) leidžia jį naudoti aušinimo plokštelėse, šilumokaičiuose ir akumuliatorių korpusuose. EV pakuotėse išspausdintos aliuminio aušinimo kanalai arba šaltos plokštės reguliuoja ląstelių temperatūrą, užkertant kelią šiluminiam bėgimui ir pratęsti ciklą LIFE34.
③Kompaktiško dizaino struktūrinė integracija
Aliuminio lydiniai (pvz., 6xxx serija) Suformuokite lengvus, aukšto stiprumo akumuliatorių gaubtus. „Tesla“ konstrukcinė akumuliatorių pakuotė integruoja aliuminio korio dizainą, sumažindamas negyvą svorį ir laisvos vietos aktyvesnėms medžiagoms, padidindama tūrinę energijos tankį5.
④Korozijai atspari paviršiaus apdorojimas
Anoduotas arba padengtas aliuminis (pvz., Al-ni kompozitai) sušvelnina skilimą iš elektrolitų, užtikrinant stabilų aukštos įtampos sistemų veikimą. Tai palaiko energijos tankį laikui bėgant, sumažinant atsparumo augimą esant elektrodų sąsajoms24.
⑤Lydinio naujovės pažengusiai šilumos valdymui
Didelio laidumo lydiniai, tokie kaip Al-Si-mg (AA6061) yra naudojami skysčiuose aušinamose šiluminėse sąsajose. Priedinė gamyba įgalina 3D atspausdintus aliuminio šilumos kriaukles su optimizuotomis gardelės konstrukcijomis, padidindama šilumos pasiskirstymą greitai įkraunančiose EV baterijose.
3. Kokie iššūkiai kyla dėl aliuminio reaktyvumo ir korozijos vandeninėse ar aukštos įtampos akumuliatoriaus chemijose, ir kaip tai mažinama?
①elektrocheminė korozija vandeniniuose elektrolituose
Iššūkis: Aliuminis reaguoja su vandeniu vandeniniuose elektrolituose (pvz.
Švelninimas: Norėdami slopinti parazitines reakcijas ir stabilizuoti aliuminio paviršių12, naudokite šarminius inhibitorius (pvz., ZnO, Sno₂) arba organinius priedus (pvz.
②Korozijos korozija, kurioje gausu chloridų
Iššūkis: Chlorido jonai (pvz., Jūros vandens baterijose) agresyviai puola aliuminį, sukeldami lokalizuotą duobę ir greitą gedimą.
Švelninimas: Norėdami užblokuoti chlorido įsiskverbimą34, tepkite apsaugines dangas, tokias kaip grafeno oksido sluoksniai arba anoduotas aliuminio oksidas (AAO).
③Aukštos įtampos oksidacija ir pasyvacija
Iššūkis: At voltages >3 V (palyginti su Li\/Li⁺), aliuminis sudaro izoliacinius oksido sluoksnius (Al₂o₃), didėjantį atsparumą tarpfaziniam atsparumui Li-jonų akumuliatorių srovės kolekcionieriuose.
Švelninimas: Naudokite laidžius lydinius (pvz., Al-Mg, Al-Cu) arba anglies dengtus aliuminio folijas, kad būtų galima išlaikyti elektronų pernešimą, tuo pačiu ribojant oksidaciją51.
④Galvaninė korozija daugiasluoksnėse sistemose
Iššūkis: Tiesioginis aliuminio ir kilmingesnių metalų kontaktas (pvz.
Švelninimas: Įveskite izoliacinius tarpsluoksnius (pvz., Polimerų plėveles) arba vario pakeiskite suderinamais metalais (pvz., Titanu) hibridiniuose dizainuose24.
⑤Savarankiškas akumuliatorių išmetimas
Iššūkis: Aliuminis spontaniškai kenkia elektrolituose tuščiąja eiga, sukeldami energijos praradimą ir sutrumpintą galiojimo laiką.
Švelninimas: Optimizuokite elektrolitų sudėties (pvz., Joninius skysčius, o ne vandeninius tirpalus) arba projektuokite nanostruktūrizuotus anodus (pvz., Al-Sn lydinius), kad būtų sumažintas korozijos greitis.
4.Kaip aliuminio pagrindu pagaminti lydiniai arba dangos (pvz.
①Aliuminio dopingas katodo stabilumui
Aliuminio (pvz., CO\/AL bendras) įtraukimas į nikelio pagrindu pagamintus katodus stabilizuoja -Ni (OH) ₂ struktūras vandeninėse cinko-nikelio baterijose, sumažindamas skaidymą, kurį sukelia šarminiai elektrolitai1.
②Al-ni lydiniai kaip katalitinės atramos
Nikelio-aliuminio lydiniai (pvz.
③Al-pakeista sluoksniuoti oksidai natrio jonų baterijoms
Ni pakeitimas AL na₂\/₃ni₁\/₂mn₁\/₂O₂ stabilizuoja sluoksniuotą struktūrą, suaktyvina deguonies redokso dalyvavimą ir sušvelnina katijonų migraciją, pasiekia didesnį specifinį pajėgumą ir ciklo stabilumą7.
④Al₂o₃ paviršiaus dangos Mn tirpimo slopinimui
Dengimo katodai su al₂o₃ sumažina MN tirpimą natrio jonų baterijose ciklo metu, išsaugo konstrukcinį vientisumą ir prailgina gyvenimo trukmę.
⑤Beveik eutiniai Al lydiniai, skirti atsparumui aukštai temperatūrai
Papildomai pagaminti al-ce-Ni-Mn-ZR lydiniai sudaro nanoskalės eutektines struktūras, užtikrinant 400 laipsnių šliaužimo atsparumą šiluminiam valdymui akumuliatorių korpusuose ar elektrodų atramose.
5. Kokiais būdais aliuminio ir oro baterijos panaudoja aliuminio elektrochemines savybes didelės talpos energijos kaupimui ir kas riboja jų komercializavimą?
①Anodų korozija ir savęs ištrauka
Aliuminis reaguoja spontaniškai su vandeniu elektrolite, generuodamas vandenilio dujas ir sukelia Parazitinė korozija (iki 20% pajėgumo nuostolių saugojimo metu). Apsauginės dangos (pvz., Mg-SN arba GA-in-in-in lydiniai) tai sušvelnina, tačiau prideda sudėtingumo ir kainos13.
②Katodo apribojimai ir katalizatoriaus išlaidos
Deguonies sumažinimui reikalingi brangūs katalizatoriai, tokie kaip platinos ar mangano oksidas, kad būtų išlaikytas efektyvumas. Pigesnės alternatyvos (pvz., Anglies pagrindu pagaminti katalizatoriai) kenčia nuo greito skilimo, sumažindamas ciklą 24.
③Elektrolitų valdymo iššūkiai
Šalutiniai produktai, tokie kaip aliuminio hidroksidas (AL (OH) ₃), nuosėdos išleidimo metu, užkimšia elektrodus ir reikalauja periodinio elektrolitų pakeitimo. Srauto sistemos tai atkreipia dėmesį, tačiau padidina sudėtingumą5.
④Ribotas įkrovimas
Dauguma aliuminio oro baterijų yra pirminis (vienkartinis naudojimas) dėl aliuminio oksidacijos negrįžtamumo. Įkraunami prototipai susiduria<50%) and short cycle life (<100 cycles), hindering adoption in EVs14.
⑤Infrastruktūros ir mastelio spragos
Nėra standartizuotos tiekimo grandinės, skirtos aliuminio ir oro komponentams (pvz., Oro katodai), o panaudotų elektrolitų perdirbimo sistemoms išlieka nepakankamai išsivysčiusios. Didelės išankstinės mokslinių tyrimų ir plėtros išlaidos lemia masinę gamybą.
