02.12.2020

Батарея алюминиевая – отличия, характеристики и какие радиаторы лучше выбрать?

Воздушно-алюминиевая батарея – что это, и почему она – перспективна?

Воздушно-алюминиевые батареи вырабатывают электричество посредством реакции кислорода в воздухе с алюминием. У них – одно из самых высоких значений плотности энергии среди батарей всех типов, но они все еще не получили широкого распространения из-за сложностей с высокой стоимостью анода и удаления побочных продуктов при использовании традиционных электролитов. Это ограничивает их использование, в основном, до военных отраслей. Однако, у электромобиля с алюминиевыми батареями есть потенциал, восьмикратно превышающий возможности ионно-литиевые аналоги, при этом у них – гораздо меньший вес. 

Воздушно-алюминиевые батареи относятся к первичным (неперезаряжаемым) элементам. Как только алюминиевый анод истрачивается в ходе реакции с атмосферным кислородом и катодом в водном электролите для формирования гидратного оксида алюминия, батарея больше не может вырабатывать электричество. Однако, есть возможность механической перезарядки батареи с помощью новых алюминиевых анодов, сделанных из переработанного гидратного оксида алюминия. Подобная переработка может стать важной, если воздушно-алюминиевые батареи будут широко применяться.

Электромобили с питанием от алюминиевых батарей последние несколько десятилетий находятся на стадии обсуждения. Гибридизация уменьшит расходы, а в 1989 году было сообщено о проведении дорожных испытаний электромобилей с гибридной воздушно-алюминиевой/свинцово-кислой батареей. В 1990 году в Онтарио была проведена демонстрация гибридного электромобиля класса «минивэн» с питанием от алюминиевой батареи.

В марте 2013 года израильская компания «Phinergy» опубликовала видео демонстрации электромобиля с использованием воздушно-алюминиевых элементов, проехавшего 330 км при помощи специального катода и гидроксида калия. 27 мая 2013 года 10 канал Израиля в выпуске вечерних новостей показал автомобиль с батареей от «Phinergy» в багажнике. Было заявлено, что он может проехать более 2 000 километров (1 200 миль), прежде чем потребуется замена алюминиевых анодов.

Электрохимия

Полуреакция окисления анода выглядит так: Al + 3OH Al(OH)3 + 3e + 2.31 В.

Полуреакция восстановления катода выглядит так: O2 + 2H2O + 4e

4OH + 0.40 В.

Общая схема реакции выглядит так: 4Al + 3O2 + 6H2O 4Al(OH)3 + 2.71 В.

За счет этих реакций становится возможной выработка 1,2 В напряжения, что на практике достижимо за счет использования в качестве электролита гидроксида калия. Соленая вода в качестве электролита помогает достичь напряжение в 0,7 В на элемент.

Коммерциализация

Проблемы

Алюминий в качестве «топлива» для автомобилей был изучен Шаохуа Иеном и Гарольдом Найклом. Они пришли к следующим выводам:

«Система воздушно-алюминиевых батарей может вырабатывать достаточно энергии и мощности для дальности пробега и ускорения, аналогичного машинам с ДВС… стоимость алюминия в качестве анода может составлять ниже 1,1 доллара за килограмм, пока продукт реакции подлежит переработке. Общий КПД в ходе циклического процесса в электромобилях с воздушно-алюминиевыми батареями может составить 15 % (нынешний этап) или 20 % (проект), сравнимый с КПД автомобилей с ДВС (13 %). Плотность энергии концепта батареи составляет 1 300 Вт*ч/кг (нынешнее время) или 2 000 Вт*ч/кг (проектный образец). Был проведен анализ цикла долговечности электромобилей с воздушно-алюминиевыми батареями по сравнению с аналогами со свинцово-кислыми и никелевыми гибридными (никелево-марганцовых) батареями. Только электромобили с воздушно-алюминиевыми батареями могут получить диапазон перемещений, сравнимый с аналогами с ДВС. Согласно результатам анализа, данный тип электромобилей является наиболее перспективной по сравнению с автомобилями с ДВС в плане диапазона перемещений, цены покупки, расходов на топливо и срок службы».

Остается решить ряд технических проблем для того, чтобы сделать воздушно-алюминиевые батареи более пригодными для электромобилей. Аноды из чистого алюминия подвержены коррозии со стороны электролита, поэтому алюминий обычно сплавляют с оловом или другими элементами. Гидратная окись алюминия, появляющаяся в результате реакции элемента, формирует гелеобразную субстанцию на аноде и уменьшает выработку электричества. К этой проблеме обращаются на стадии разработки воздушно-алюминиевых элементов. К примеру, были разработаны добавки, формирующий оксид алюминия в виде порошка, а не геля.

Современные воздушные катоды состоят из реактивного слоя углерода с токосъемника с никелевой решеткой, катализатора (к примеру, кобальта) и пористой гидрофобной тефлоновой пленки, предотвращающей утечку электролита. Кислород в воздухе проходит через тефлон, затем – реагирует с водой для создания ионов гидроокиси. Эти катоды работают хорошо, но могут стоить очень дорого.

Стандартные воздушно-алюминиевые батареи имеют ограниченный срок хранения, так как алюминий реагирует с электролитом и производит водород, когда батарея протаивает, хотя этого уже нет в современных образцах. Данной проблемы можно избежать за счет хранения электролита в цистерне вне батареи и перемещения его в батарею при необходимости использования.

Данные батареи, к примеру, можно использовать в качестве резервных батарей в АТС или источников резервного питания. Воздушно-алюминиевые батареи можно использовать для питания ноутбуков и сотовых телефонов, уже сейчас разрабатываются модели для подобного вида работы.

Батареи с алюминием в основе

Были исследованы следующие типы алюминиевых батарей:

1. Хлорно-алюминиевая батарея была запатентована ВВС США в 1970-х годах и разработана, в основном, для использования в военных целях. Они используют алюминиевые аноды и хлор на катодах из графитовой подложки. Для работы им требуются повышенные температуры.

2. Алюминиево-серная батарея крайне заинтересовала американских исследователей, хотя очевидно то, что они все еще далеки от массового производства. В 2016 году в Мэрилендском университете была впервые проведена демонстрация перезаряжаемой алюминиево-серной батареи.
3. Алюминиево-железно-оксидные, алюминиево-медно-оксидные, алюминиево-железно-гидроксидная батареи были предложены некоторыми исследователями для военных ГТС. Их плотность энергии составляет 455, 440 и 380 Вт*ч/кг соответственно.
4. Батарея с алюминием и двуокись марганца использует кислотный электролит. Вырабатываемое напряжение составляет 1,9 В. Другая вариация использует основание (гидроксид калия) в качестве анолита и серную кислоту – в качестве католита. Две части отделены тонкой непроницаемой пленкой во избежание смешения электролита в каждом из элементов в половинах батареи. Эта конфигурация дает напряжение в 2,6-2,85 В.
5. Алюминиево-стеклянная система. Как было сообщено в итальянском патенте от Байокки, в области взаимодействия между силикатным стеклом и алюминиевой фольгой (нет потребности в других компонентах) при температуре, близкой к точке плавления металла, вырабатывается электрическое напряжение вместе с проходящим током, когда система замкнута на активной нагрузке. Феномен впервые был замечен Байокки, а затем – А. Дэлль’Эра и другие коллеги начали исследование и составление характеристики данной электромеханической системы.

Просмотров всего: 527, Просмотров за день: 5

Share

www.el-info.ru

Алюминиевые батареи. Виды и применение. Выбрать и особенности

Многие владельцы своих загородных домов, или даже в городе, применяют в качестве отопления комнат батареи из алюминиевого сплава. Отопительные алюминиевые батареи обладают подходящими свойствами для таких целей. Рассмотрим их характеристики, причины предпочтительного применения батарей из алюминия для создания тепла в помещениях.

Разновидности алюминиевых батарей, методы изготовления

Во время технологического процесса производства батарей в расплавленный металл производят прочностные добавки с кремнием. Из полученного сплава получают одиночные секции, коллекторы. Существует два способа производства батарей – литьем и экструзией.

Метод литья

Таким методом изготавливают отдельные секции. Отливки делают из сплава – силумина. Это расплавленный алюминий с кремниевыми добавками. Процент содержания добавок в сплаве менее 12. Такой концентрации достаточно для достижения требуемой прочности. Литье производят под высоким давлением, что обеспечивает получение разнообразных форм батарей.

Такие алюминиевые батареи выдерживают до 16 атмосфер. Для свободного прохождения воды по батарее в ее конструкции предусмотрены каналы расширенной формы. Для прочности батареи ее корпус делают толстостенным. Одиночные отлитые секции соединяют в общий радиатор.

Изготовление выдавливанием (экструзией)

Если объяснить понятным языком, то экструзия – это процесс выдавливания. Такой способ хорош для производства отдельных элементов радиатора. Отдельные изготовленные детали соединяют между собой, получаются алюминиевые радиаторы.

Способом экструзии изготавливают не все части батареи, а только вертикальные, с кремниевыми добавками. Коллектор отливают из сплава силумина. Но есть методы экструзии для изготовления коллектора, определенных размеров. Детали плотно собирают друг с другом, скрепляют. Такой метод предполагает невысокую стоимость, но не дает возможность дальнейшей модернизации конструкции батареи. Добавить или удалить отдельные секции такая конструкция не позволяет.

Анодированные алюминиевые батареи

Это вид отопительных батарей из чистого алюминия повышенного качества. Поверхности изделия проходят процесс анодного оксидирования, в результате которого изменяется металлическая структура. Коррозия не проникает через такую структуру металла. Детали изделия соединяют муфтами снаружи, а не ниппелями.

Такой способ сборки обеспечивает гладкую поверхность полости батареи, находящейся внутри. Вследствие этого возрастает теплоотдача батарей, по сравнению с простым изготовлением из алюминия. Такие батареи выдерживают достаточно высокое давление, доходящее до 70 атмосфер. Соответственно, стоимость таких изделий значительно выше.

Технические данные
Межосевое расстояние

Стандартными значениями стали 200, 350, 500 мм. Таких моделей в продаже много. Также имеются и нестандартные размеры.

Широко распространены батареи радиаторов с межосевым размером в 500 мм, высота их 580 мм. Перед приобретением радиатора нужно измерить расстояние от пола до подоконника. В это место устанавливаются алюминиевые батареи. К этому размеру делают запас для возможности циркуляции горячего воздуха, создания эффекта конвекции.

От пола до батареи делают расстояние 10 см, не меньше. Такое же место должно быть вверху до подоконника. Вплотную к стене тоже устанавливать радиаторы отопления не рекомендуется.

Нельзя забывать и о том, что ширины пространства должно хватать для размещения батареи. Если оказывается, что места мало, то лучше подобрать алюминиевые радиаторы с меньшим типоразмером. При покупке нужно учесть все нюансы.

Виды давления

Для отопительных радиаторов в документации указывают давление нормальной работы и величина опрессовочного давления. Опрессовка проводится с давлением, гораздо большим, чем рабочее значение. Не все понимают значение этих характеристик.

Рабочее давление – обычное давление эксплуатации в отопительный сезон. Для алюминиевых серий стандартное значение составляет до 15 атмосфер.

В централизованной сети давление доходит до 15 атмосфер. В магистральных теплоцентралях это значение повышается до 30 бар. Для городских квартирах опасно использовать алюминиевые батареи.

Для своего дома с собственной системой отопления индивидуальным котлом, давление в котором не выше 1,5 атмосферы, алюминиевые радиаторы вполне подходят. Давление может указываться в барах, это аналогичные единицы. Для германских котлов эксплуатационное давление 10 бар. В таких системах используют алюминиевые радиаторы.

Давление опрессовки часто оказывается наиболее важным параметром, чем рабочее. После летнего периода система отопления пустая, не имеет теплоносителя. Для запуска отопления делают проверку на герметичность системы. Для этого в нее подают повышенное давление. Оно превышает рабочее давление в 1,5-2 раза, и доходит до 30 бар. Такая опрессовка проводится для центральной сети отопления.

Значительная разница в давлении работы системы отопления собственных домов и городских квартир легко объясняется. В многоэтажных домах воду для отопления нужно поднимать на несколько метров. Одна атмосфера составляет поднятие воды на 10 метров. Для трехэтажного дома этого значения вполне хватает. А если этажей много, то необходимо высокое давление. Иногда работники коммунальных сетей создают очень высокое давление, от которого приходят в негодность даже качественные образцы батарей.

Поэтому, при покупке лучше перестраховаться и приобрести радиаторы с большим запасом прочности по давлению. Тогда они выдержат любое давление, и будут работать долго. Давление в документации на радиаторы может указываться в МПа. Для пересчета в атмосферы это значение умножается на 10.

Параметры тепла

Половина тепла от алюминиевых батарей идет в виде тепловых лучей. Остальное тепло создает эффект конвекции. Воздушные слои движутся снизу радиатора наверх. Внутренняя часть радиаторов выполнена в виде ребер, за счет чего получается высокая теплоотдача.

Для секции радиатора указывают коэффициент теплоотдачи, который измеряется в ваттах. Батарея с межосевым расстоянием в 500 мм имеет теплоотдачу до 150 ватт от одной секции. Это значение умножается на количество секций, получается общая теплоотдача, по которой производится тепловой расчет помещения.

Необходимо помнить, что хорошая теплоотдача означает малую инерционность радиатора. Это сберегает финансовые средства, поэтому алюминиевые радиаторы стали лидером в плане создания экономии. После них идут чугунные классические радиаторы, затем биметаллический вид радиаторов, у которых большая инерционность, а теплоотдача меньше.

Виды дизайна

Нельзя сказать, что алюминиевые батареи блещут дорогим видом и роскошью. Однако, их дизайн имеет интересные воплощения. Конструкция выполнена с учетом разных интерьеров помещений домов и современных квартир. Люди часто делают выбор алюминиевых образцов, а не модных новинок с высокой стоимостью, не проверенных в работе.

Гарантийный срок

Производители дают гарантию на алюминиевые батареи до 20 лет. А некоторые широко известные фирмы указывают 25 лет гарантийного срока. При истечении срока гарантии не нужно сразу устанавливать новые радиаторы. Они могут еще долго служить. Внимательно следите за ними, не допускайте повреждений.

Характеристика радиаторов из алюминия:
  • Межосевое расстояние – 200-500 мм.
  • Эксплуатационное давление – до 16 атмосфер.
  • Тепловая мощность – до 212 ватт.
  • Вес секции – до 1,47 кг.
  • Вместимость секции 250-460 мл.
  • Максимальная температура воды – 110 градусов.
  • Срок гарантии – 10-15 лет.
Достоинства и недостатки
Преимущества
  • Экономичность.
  • Малая масса, положительное качество при монтаже.
  • Наличие регулятора температуры.
  • Простая установка.
  • Большая теплоотдача.
  • Оригинальный дизайн для элитных помещений.
Негативные стороны
  • Возможность протечки на стыках.
  • Неравномерность тепла по корпусу.
  • Низкая конвекция.
  • Срок работы сравнительно мал – 15 лет, хотя известные марки имеют срок выше.
  • Появление газов.
  • Требуют антикоррозийной обработки, покрытие оксидом. Химическая активность алюминия является основной негативной стороной батарей. При наличии реактивов в центральной сети стенки радиатора быстро разрушаются. Также резкие скачки давления отрицательно влияют на прочность стенок радиатора.

Зная об этих недостатках, такие батареи лучше использовать в автономном отоплении, в местах, где нет химических веществ в воде, давление стабильно.

Целесообразность применения алюминиевых батарей

Алюминий сам себя защищает, образуя защитную оксидную пленку. Оксидная пленка не пропускает теплоноситель, в отличие от коррозии стали. Такая пленка из оксида нормально существует при РН – 7-8. Это нейтральная среда. Если значение выше, то это щелочная среда, ниже – кислотная.

При отклонении значения баланса кислоты и щелочи, оксидная пленка на алюминии начинает размываться. Для защиты от этого начинает образовываться дополнительная пленка. От этого процесса выделяется водород, который является губительным фактором, разрушающим алюминий.

Практика показывает, что разрушение алюминиевой секции происходит быстрее под влиянием эффекта «шампанского», то есть, образования водорода. Особенно это происходит, когда отсутствует теплоноситель. Многие удивляются, почему алюминиевые батареи лопаются в июне, в летние месяцы. По существующим правилам летом должна быть закрыта запорная арматура, во избежание гидроудара. Но, нельзя забывать при этом, открывать воздухоотводный клапан.

В результате теплоноситель протухает, в нем накапливаются бактерии, водород. Секции батареи перекрыты кранами. Водород разрывает корпус батареи. От разрушения не спасают даже усилители секций. Отрываются самые слабые места батареи.

Можно ли алюминиевые батареи ставить в центральную систему отопления? Можно, если будет соблюдаться баланс щелочи и кислоты в пределах 7-8. Это невозможно при центральном отоплении. Возможны промывки системы с кислотами, щелочами. Алюминий не рекомендован для таких систем по причине невозможности контроля РН.

Внутри батареи также скапливается много окалины, металлической стружки. При установке автоматического автоотводчика воздуха возможен быстрый выход его из строя. Воздушный автоотводчик работает по принципу игольчатого клапана и поплавка. Если игла заклинит от осевшего налета из окалины, то при подаче воды в начале отопительного сезона вашу квартиру затопит. Лучше использовать простой ручной клапан.

Похожие темы:

electrosam.ru

Новые алюминий-воздушные батареи не надо заряжать

Южнокорейские ученые создали новый тип батарей для электромобилей. Плотность энергии в них выше, чем у бензинового двигателя, и они намного безопаснее и дешевле литий-ионных. Кроме того, они полностью решают проблему долгой зарядки.

Революционная разработка принадлежит ученым Национального института науки и технологий Ульсана. Созданные ими алюминий-воздушные аккумуляторы после отработки ресурса надо просто менять, что исключает многочасовую подзарядку. По сути, процесс напоминает заправку автомобиля с ДВС. Только заправляется он не бензином, а алюминием, сообщает EurekAlert.

Прорыв совершила команда под руководством профессора Джефила Чо. Результаты исследования опубликованы в одном из самых престижных научных изданий Nature Communications.

От литий-ионных аккумуляторов новый тип батареи отличается большей эффективностью, дешевизной и безопасностью.

При этом алюминий-воздушный аккумулятор нельзя заряжать. После его разрядки, необходимо просто заменить электролит и окислившуюся алюминиевую пластину на новые.

Это во много раз сокращает время на «заправку» электромобиля. Алюминиевая батарея сделает электрокар похожим на автомобиль на обычном топливе — только экологически чистым.

При этом плотность энергии в новом аккумуляторе выше, чем у бензиновых двигателей. «Бензин имеет плотность энергии 1700 Вт*ч/кг, в то время как наша алюминий-воздушная батарея — 2500 Вт*ч/кг», — говорит Чо.

«Это означает, что из 1 кг алюминия мы можем собрать аккумулятор, который позволяет электромобилю проезжать до 700 км», — поясняет ученый.

Такие показатели делают новую электрическую силовую установку более энергоэффективной, чем двигатели внутреннего сгорания.

Электричество в такой батарее вырабатывается за счет реакции алюминия с кислородом в воздушном потоке. Прежние модели алюминий-воздушных аккумуляторов были слишком дорогими из-за использования драгоценных металлов в аноде. Команде южнокорейских ученых удалось решить эту проблему, заменив платину наночастицами серебра, которое в 50 раз дешевле. Помимо этого, им удалось избавиться и от других ограничений — накоплени побочных продуктов реакции и растворения драгметалла в воздушном электроде.

В итоге энергоэффективность новой батареи удалось увеличить в 17 раз по сравнению с показателями обычных алюминий-воздушных аккумуляторов.

Тем не менее, ученые пока осторожно высказываются по поводу перспектив коммерциализации технологии. Дело в том, что при всей своей эффективности и безопасности новый аккумулятор имеет большой экономический минус. Для перехода на него придется с нуля строить инфраструктуру по «заправке» электромобилей алюминием и менять всю технологию их производства.

Множество компаний и исследовательских центров по всему миру пытаются найти альтернативу взрывоопасным и достаточно дорогим литий-ионным батареям. Например, миллиардер и известный хирург Патрик Синьсян, увлекшийся чистой энергетикой, обещает уже в следующем году начать поставки воздушно-цинковых батарей

hightech.plus

Алюминиевая батарея — отличное дополнение для электромобиля / Habr

Компания Phinergy первой в мире сумела изготовить воздушно-алюминиевую батарею, пригодную для эксплуатации в автомобиле. 100-килограммовая батарея Al-Air содержит достаточно энергии, чтобы обеспечить 3000 км хода компактного легкового автомобиля. Phinergy провела демонстрацию технологии с Citroen C1 и упрощённой версией батареи (50 пластин по 500 г, в корпусе, наполненном водой). Машина проехала 1800 км на одном заряде, останавливаясь только для пополнения запасов воды — расходуемого электролита (видео).

Алюминий не заменит литий-ионные аккумуляторы (он не заряжается от розетки), но великолепно дополняет их. Ведь 95% поездок автомобиль совершает на короткие расстояния, где достаточно стандартных аккумуляторов. Дополнительная батарея обеспечивает бэкап на случай, если аккумулятор разрядился или если нужно далеко ехать.

Воздушно-алюминиевая батарея генерирует ток за счёт химической реакции металла с кислородом из окружающего воздуха. Алюминиевая пластина — анод. С двух сторон ячейка покрыта пористым материалом с серебряным катализатором, который фильтрует CO2. Металлические элементы медленно деградируют до Al(OH)3.

Химическая формула реакции выглядит так:

4 Al + 3 O2 + 6 H2O = 4 Al(OH)3 + 2,71 В

Это не какая-то сенсационная новинка, а хорошо известная технология. Её давно используют военные, поскольку такие элементы обеспечивают исключительно большую плотность энергии. Но раньше инженерам никак не удавалось решить проблему с фильтрацией CO2 и сопутствующей карбонизацией. Компания Phinergy утверждает, что решила проблему и уже в 2017 году можно производить алюминиевые батареи для электромобилей (и не только для них).

Литий-ионные аккумуляторы Tesla Model S весят около 1000 кг и обеспечивают пробег 500 км (в идеальных условиях, в реальности 180-480 км). Скажем, если сократить их до 900 кг и добавить алюминиевую батарею, то масса машины не изменится. Дальность хода от аккумулятора снизится на 10-20%, зато максимальный пробег без зарядки увеличится аж до 3180-3480 км! Можно доехать от Москвы до Парижа, и ещё что-то останется.

В чём-то это похоже на концепцию гибридного автомобиля, но здесь не требуется дорогой и громоздкий двигатель внутреннего сгорания.

Недостаток технологии очевиден — воздушно-алюминиевую батарею придётся менять в сервисном центре. Наверное, раз в год или чаще. Впрочем, это вполне заурядная процедура. Компания Tesla Motors в прошлом году показывала, как аккумуляторы Model S меняют за 90 секунд (любительское видео).

Другие недостатки — энергозатратность производства и, возможно, высокая цена. Изготовление и переработка алюминиевых батарей требует большого количества энергии. То есть с экологической точки зрения их использование только повышает общее потребление электроэнергии во всей экономике. Но зато потребление более оптимально распределяется — оно уходит из крупных городов в отдалённые районы с дешёвой энергией, там находятся ГЭС и металлургические заводы.

Неизвестно и то, сколько будут стоить такие элементы питания. Хотя сам алюминий — дешёвый металл, но катод содержит дорогое серебро. Phinergy не рассказывает, как именно изготовляет запатентованный катализатор. Возможно, это сложный техпроцесс.

Но при всех своих недостатках воздушно-алюминиевая батарея всё равно кажется очень удобным дополнением к электромобилю. По крайней мере, как временное решение на ближайшие годы (десятилетия?), пока не исчезнет проблема ёмкости аккумуляторов.

В Phinergy, тем временем, экспериментируют с «перезаряжаемой» воздушно-цинковой батареей. Она вообще работает тысячи часов без особой химической деградации, поскольку окисление цинка — обратимый процесс.

Похожие научные разработки ведутся и в России.

habr.com

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *