Elektrochemische cel metaal-lucht
| Metaal-lucht batterij | Theoretische specifieke energie, Wh/kg (inclusief zuurstof) |
Theoretische specifieke energie, Wh/kg (zuurstof niet meegerekend) |
Gecalculeerde open-circuit spanning, V |
|---|---|---|---|
| Aluminium-lucht | 4300 | 8140 | 1.2 |
| Germanium-lucht | 1480 | 7850 | 1 |
| Calcium-lucht | 2990 | 4180 | 3.12 |
| ijzer-lucht | 1431 | 2044 | 1.3 |
| Lithium-lucht | 5210 | 11140 | 2.91 |
| Magnesium-lucht | 2789 | 6462 | 2.93 |
| Kalium-lucht | 935 | 1700 | 2.48 |
| Natrium-lucht | 1677 | 2260 | 2.3 |
| Silicium-lucht | 4217 | 9036 | 1.6 |
| Tin-lucht bij 1000 K | 860 | 6250 | 0.95 |
| Zink-lucht | 1090 | 1350 | 1,65 |
Lithium-luchtEdit
De opmerkelijk hoge energiedichtheid van lithiummetaal (tot 3458 Wh/kg) vormde de inspiratie voor het ontwerp van lithium-luchtbatterijen. Een lithium-luchtbatterij bestaat uit een vaste lithium-elektrode, een elektrolyt dat deze elektrode omgeeft, en een omgevingsluchtelektrode die zuurstof bevat. De huidige lithium-luchtbatterijen kunnen worden onderverdeeld in vier subcategorieën op basis van het gebruikte elektrolyt en de daaropvolgende elektrochemische celarchitectuur. Deze elektrolytencategorieën zijn aprotisch, waterig, gemengd waterig/waterig, en vast lichaam, die alle hun eigen voor- en nadelen hebben. Niettemin wordt de efficiëntie van lithium-luchtbatterijen nog steeds beperkt door onvolledige ontlading aan de kathode, een laadoverpotentiaal die hoger is dan de ontlaadoverpotentiaal, en de stabiliteit van de componenten. Tijdens de ontlading van lithium-lucht batterijen zal het gevormde superoxide-ion (O2-) reageren met de elektrolyt of andere celcomponenten en zal de batterij verhinderen oplaadbaar te zijn.
Natrium-luchtEdit
Natrium-lucht batterijen werden voorgesteld met de hoop de batterijinstabiliteit te overwinnen die geassocieerd wordt met superoxide in lithium-lucht batterijen. Natrium, met een energiedichtheid van 1605 Wh/kg, heeft niet zo’n hoge energiedichtheid als lithium. Het kan echter wel een stabiel superoxide (NaO2) vormen, in tegenstelling tot het superoxide dat schadelijke secundaire reacties ondergaat. Aangezien NaO2 tot op zekere hoogte omkeerbaar kan worden afgebroken tot de elementaire bestanddelen, betekent dit dat natrium-lucht-batterijen intrinsiek herlaadbaar zijn. Natrium-lucht-batterijen kunnen alleen functioneren met aprotische, watervrije elektrolyten. Wanneer een DMSO-elektrolyt werd gestabiliseerd met natriumtrifluormethaansulfonimide, werd de hoogste cyclusstabiliteit van een natrium-luchtbatterij verkregen (150 cycli).
Kalium-luchtEdit
Kalium-luchtbatterijen werden ook voorgesteld in de hoop de instabiliteit van de batterij geassocieerd met superoxide in lithium-luchtbatterijen te kunnen overwinnen. Hoewel slechts twee tot drie laad-ontlaad cycli ooit zijn bereikt met kalium-lucht batterijen, bieden zij een uitzonderlijk laag overpotentiaalverschil van slechts 50 mV.
Zink-luchtEdit
Zink-lucht batterijen worden gebruikt voor gehoorapparaten en filmcamera’s.
Magnesium-luchtEdit
Calcium-luchtEdit
Geen artikel; zie ook Calcium: chemische eigenschappen voor sommige lucht(zuurstof)reacties.
Aluminium-luchtEdit
IJzer-luchtEdit
Iron-lucht oplaadbare batterijen zijn een aantrekkelijke technologie met het potentieel van net-schaal energieopslag. De belangrijkste grondstof van deze technologie is ijzeroxide (roest), dat in overvloed aanwezig, niet-toxisch, goedkoop en milieuvriendelijk is. De meeste batterijen die momenteel worden ontwikkeld, maken gebruik van ijzeroxide (meestal poeders) om waterstof op te wekken/ op te slaan via de reductie/oxidatiereactie (redox) Fe/FeO (Fe + H2O ⇌ FeO + H2). In combinatie met een brandstofcel kan het systeem zich zo gedragen als een oplaadbare batterij die H2O/H2 produceert via de productie/het verbruik van elektriciteit. Bovendien heeft deze technologie minimale gevolgen voor het milieu, aangezien zij kan worden gebruikt voor de opslag van energie uit intermitterende zonne- en windenergiebronnen, waardoor een energiesysteem met lage kooldioxide-emissies kan worden ontwikkeld.
De manier waarop het systeem werkt, kan beginnen met gebruikmaking van de redoxreactie Fe/FeO, waarna de waterstof die ontstaat bij de oxidatie van ijzer kan worden verbruikt door een brandstofcel in combinatie met zuurstof uit de lucht om elektriciteit te produceren. Wanneer de elektriciteit moet worden opgeslagen, wordt de waterstof die door de omgekeerde werking van de brandstofcel uit water wordt gegenereerd, verbruikt tijdens de reductie van het ijzeroxide tot metallisch ijzer. De combinatie van deze beide cycli is wat het systeem doet werken als een ijzer-lucht oplaadbare batterij.
Beperkingen van deze technologie komen voort uit de gebruikte materialen. In het algemeen wordt gekozen voor ijzeroxidepoederbedden, maar de snelle sintering en verpulvering van de poeders beperken de mogelijkheid om een hoog aantal cycli te bereiken, wat resulteert in een lagere capaciteit. Andere methoden die momenteel worden onderzocht, zoals 3D-printen en vriesgieten, proberen de creatie van architectuurmaterialen mogelijk te maken om grote oppervlakte- en volumeveranderingen tijdens de redoxreactie mogelijk te maken.