Metalli-ilma-elektrokemiallinen kenno
| Metalli-ilma-akku | Teoreettinen ominaisenergia, Wh/kg (sisältäen hapen) |
Teoreettinen ominaisenergia, Wh/kg (ilman happea) |
Laskennallinen avojännite, V |
|---|---|---|---|
| Alumiini-ilma | 4300 | 8140 | 1.2 |
| Germanium-ilma | 1480 | 7850 | 1 |
| Kalsium-ilma | 2990 | 4180 | 3.12 |
| Rauta-ilma | 1431 | 2044 | 1.3 |
| Lithium-ilma | 5210 | 11140 | 2.91 |
| Magnesium-ilma | 2789 | 6462 | 2.93 |
| Kalium-ilma | 935 | 1700 | 2.48 |
| Natrium-ilma | 1677 | 2260 | 2.3 |
| Pii-ilma | 4217 | 9036 | 1.6 |
| Tina-ilma 1000 K:ssa | 860 | 6250 | 0.95 |
| Sinkki-ilma | 1090 | 1350 | 1.65 |
Litium-ilma Muokkaa
Litiummetallin huomattavan suuri energiatiheys (jopa 3458 Wh/kg) innoitti litium-ilma-akkujen suunnitteluun. Litium-ilma-akku koostuu kiinteästä litiumelektrodista, tätä elektrodia ympäröivästä elektrolyytistä ja happea sisältävästä ympäröivän ilman elektrodista. Nykyiset litium-ilma-akut voidaan jakaa neljään alaluokkaan käytetyn elektrolyytin ja sitä seuraavan sähkökemiallisen kennorakenteen perusteella. Nämä elektrolyyttiluokat ovat aprottinen, vesipitoinen, vesipitoisen ja aprottisen seos ja kiinteä olomuoto, joilla kaikilla on omat erilliset etunsa ja haittansa. Litium-ilma-akkujen tehokkuutta rajoittavat kuitenkin edelleen katodin epätäydellinen purkautuminen, latauksen ylipotentiaali, joka ylittää purkauksen ylipotentiaalin, ja komponenttien vakaus. Litium-ilma-akkujen purkautuessa muodostuva superoksidi-ioni (O2-) reagoi elektrolyytin tai muiden kennon komponenttien kanssa ja estää akun ladattavuuden.
Natrium-ilmaEdit
Natrium-ilma-akkuja ehdotettiin siinä toivossa, että niillä saataisiin ratkaistua superoksidiin liittyvä akun epävakaus litium-ilma-akuissa. Natriumilla, jonka energiatiheys on 1605 Wh/kg, ei ole yhtä suurta energiatiheyttä kuin litiumilla. Se voi kuitenkin muodostaa vakaata superoksidia (NaO2) sen sijaan, että superoksidille tapahtuisi haitallisia sekundaarireaktioita. Koska NaO2 hajoaa jossain määrin palautuvasti takaisin alkuainekomponenteiksi, tämä tarkoittaa, että natrium-ilma-akuilla on jonkinlainen luontainen kyky olla ladattavissa. Natrium-ilma-akut voivat toimia vain aprotisten, vedettömien elektrolyyttien kanssa. Kun DMSO-elektrolyytti stabiloitiin natriumtrifluorimetaanisulfonyymidillä, saatiin natrium-ilma-akkujen korkein syklistabiliteetti (150 sykliä).
Kalium-ilmaEdit
Kalium-ilma-akkuja ehdotettiin myös siinä toivossa, että niillä voitaisiin voittaa litium-ilma-akkujen superoksidiin liittyvä akun epävakaus. Vaikka kalium-ilma-akuilla on koskaan saavutettu vain kahdesta kolmeen lataus-purkaussykliä, ne tarjoavat poikkeuksellisen alhaisen ylipotentiaalieron, vain 50 mV.
Sinkki-ilmaEdit
Sinkki-ilmaparistoja käytetään kuulolaitteissa ja filmikameroissa.
Magnesium-ilmaEdit
Kalsium-ilmaEdit
Ei artikkelia; katso myös Kalsium: kemialliset ominaisuudet joidenkin ilman (hapen) reaktioiden osalta.
Aluminum-airEdit
Rauta-ilmaEdit
Rauta-ilma-akut ovat houkutteleva teknologia, jolla on potentiaalia sähköverkon laajuiseen energian varastointiin. Tämän teknologian pääraaka-aine on rautaoksidi (ruoste), jota on runsaasti, myrkytöntä, edullista ja ympäristöystävällistä. Useimmissa tällä hetkellä kehitteillä olevissa akuissa käytetään rautaoksidia (enimmäkseen jauheita) tuottamaan/varastoimaan vetyä Fe/FeO:n pelkistys/hapetusreaktion (redox-reaktio) avulla (Fe + H2O ⇌ FeO + H2). Yhdessä polttokennon kanssa tämä mahdollistaa sen, että järjestelmä toimii ladattavan akun tavoin, joka tuottaa H2O/H2:ta tuottamalla/kuluttamalla sähköä. Lisäksi tällä teknologialla on minimaalinen ympäristövaikutus, koska sitä voitaisiin käyttää varastoimaan ajoittaisista aurinko- ja tuulivoimanlähteistä saatavaa energiaa ja kehittämään energiajärjestelmä, jonka hiilidioksidipäästöt ovat vähäiset.
Järjestelmän toimintatapa voidaan aloittaa Fe/FeO-redox-reaktiolla, minkä jälkeen raudan hapettumisen aikana syntyvä vety voidaan kuluttaa polttokennossa yhdessä ilmasta saatavan hapen kanssa sähköä tuottaen. Kun sähköä on varastoitava, vety, joka syntyy vedestä toimimalla polttokennoa käänteisesti, kulutetaan rautaoksidin pelkistymisen aikana metalliseksi raudaksi. Näiden molempien syklien yhdistelmä saa järjestelmän toimimaan rauta-ilma-akkuina.
Teknologian rajoitukset johtuvat käytetyistä materiaaleista. Yleensä valitaan rautaoksidipulveripedit, mutta jauheiden nopea sintraantuminen ja pulverisoituminen rajoittavat kykyä saavuttaa suuri määrä syklejä, mikä johtaa pienempään kapasiteettiin. Muilla tällä hetkellä tutkittavilla menetelmillä, kuten 3D-tulostuksella ja pakkasvalulla, pyritään mahdollistamaan arkkitehtuurimateriaalien luominen, jotta redox-reaktion aikana tapahtuvat suuret pinta-alan ja tilavuuden muutokset olisivat mahdollisia.