Alüminyum pili

Alüminyum-hava pilleri (Al-hava pilleri), havadaki oksijenin alüminyum ile reaksiyonundan elektrik üretir. Tüm piller arasında en yüksek enerji yoğunluklarından birine sahiptirler, ancak yüksek anot maliyeti ve geleneksel elektrolitler kullanılırken çıkan yan ürün sorunları nedeniyle yaygın olarak kullanılmazlar. Bu durum, kullanımlarını esas olarak askeri uygulamalarla sınırlamıştır. Bununla birlikte, alüminyum pillere sahip bir elektrikli araç, bir lityum iyon pilin menzilinin sekiz katına kadar potansiyele sahiptir.
Alüminyum-hava pilleri birincil hücrelerdir, yani yeniden doldurulamaz. Alüminyum anot, hidratlanmış alüminyum oksit oluşturmak için su bazlı bir elektrolit içine daldırılmış bir katotta atmosferik oksijen ile reaksiyona girerek tüketildiğinde, pil artık elektrik üretmeyecektir. Bununla birlikte, hidratlı alüminyum oksidin geri dönüştürülmesinden elde edilen yeni alüminyum anotlarla pili yenilemek mümkündür.
Alüminyumla çalışan araçlar uzun süredir tartışılıyor. Hibridizasyon maliyetleri azaltır ve 1989'da elektrikli bir araçta hibritleştirilmiş alüminyum-hava/ kurşun-asit bataryanın yol testleri rapor edildi. Alüminyumla çalışan bir plug-in hibrit minivan, Ontarioda sergilendi.
Mart 2013'te, Phinergy özel bir katot ve potasyum hidroksit kullanarak 330 km kullanılan alüminyum-hava hücreleri kullanan bir elektrikli arabanın tanıtım videosunu yayınladı. 27 Mayıs 2013 tarihinde, İsrail kanalı 10 akşam haber yayını, arkasında Phinergy aküsü olan bir arabanın alüminyum anotların değiştirilmesine gerek duymadan gittiğini gösterdi.
Elektrokimya
Anot oksidasyon yarı reaksiyonu Al + - + 3e - -2,31 V.
Katot indirgeme yarı reaksiyonu + + 4e - - +0,40 V
Toplam reaksiyon 4Al + + - +2,71 V.
Bu reaksiyonlar tarafından yaklaşık 1,2 voltluk bir potansiyel fark yaratılır ve bu, elektrolit olarak potasyum hidroksit kullanıldığında elde edilebilir. Tuzlu su elektroliti, hücre başına yaklaşık 0,7 volta ulaşır.
Hücrenin özgül voltajı, elektrolitin bileşimi ve katodun yapısı ve malzemelerine bağlı olarak değişebilir.
Bazıları daha yüksek enerji yoğunluğuna sahip olan lityum-hava, çinko-hava, manganez-hava ve sodyum-hava gibi diğer piller de benzer kullanınıma sahiptirler. Bununla birlikte, alüminyum en kararlı metal olarak çekicidir.
Ticarileştirme
Sorunlar
Araçlar için bir "yakıt" olarak alüminyum, Yang ve Knickle tarafından incelenmiştir. 2002'de şu sonuca vardılar:
Al-air pillerini elektrikli araçlara uygun hale getirmek için çözülmesi gereken teknik sorunlar var. Saf alüminyumdan yapılan anot elektrolit tarafından aşındırılır; Hidratlanmış alümina, anotta jel benzeri bir madde oluşturur ve elektrik çıkışını azaltır. Bu nedenle alüminyum genellikle kalay veya diğer elementlerle alaşımlanır. Ayrıca hidrat alüminayı jel yerine toz halinde oluşturan katkı maddeleri geliştirilmiştir.
Modern hava katotları, nikel ızgaralı bir akım toplayıcı, bir katalizör (örn. kobalt ) ve elektrolit sızıntısını önleyen gözenekli bir hidrofobik PTFE film içeren reaktif bir karbon tabakasından oluşur. Havadaki oksijen PTFE'den geçer ve daha sonra hidroksit iyonları oluşturmak için su ile reaksiyona girer. Bu katotlar iyi çalışır, ancak pahalı olabilirler.
Geleneksel Al-air pillerinin sınırlı bir raf ömrü vardı, çünkü alüminyum elektrolitle reaksiyona girdi ve pil kullanılmadığında hidrojen üretti; modern tasarımlarda artık durum böyle değil. Elektrolitin akünün dışında bir tankta saklanması ve ihtiyaç duyulduğunda aküye aktarılmasıyla bu sorunun önüne geçilebilir.
Bu piller telefon santrallerinde yedek pil ve yedek güç kaynağı olarak kullanılabilir.
Diğer bir sorun ise, güç düşmesini önlemek için bataryaya eklenmesi gereken malzemelerin maliyetidir. Alüminyum, pil yapımında kullanılan diğer elementlere kıyasla çok ucuz. Alüminyum, kilogram başına 2,55 dolar, lityum ve nikel ise sırasıyla kilogram başına 15,75 dolar ve 18,75 dolar. Bununla birlikte, tipik olarak alüminyum havasında katotta bir katalizör olarak kullanılan diğer bir element gümüştür ve kilogram başına yaklaşık 773 dolara (2021 fiyatları) mal olur.
Alüminyum-hava pilleri, yüksek enerji yoğunlukları, düşük maliyetleri ve teknelerde ve gemilerde kullanım noktasında emisyonları da olmayan bolluğu nedeniyle denizcilik uygulamaları için etkili bir çözüm olabilir. Phinergy Marine, Log 9 Materials, RiAlAiR ve diğer birçok ticari şirket, deniz ortamında ticari ve askeri uygulamalar üzerinde çalışmaktadır.
Organik çözücü ve iyonik sıvılar gibi alternatif, daha güvenli ve daha yüksek performanslı elektrolitler üzerinde araştırma ve geliştirme çalışmaları yapılmaktadır.