Elektrokemisk cell av metall och luft

Litium-luftRedigera

Den anmärkningsvärt höga energitätheten hos litiummetall (upp till 3458 Wh/kg) inspirerade till utformningen av litium-luftbatterier. Ett litium-luftbatteri består av en fast litiumelektrod, en elektrolyt som omger denna elektrod och en omgivande luftelektrod som innehåller syre. Nuvarande litium-luft-batterier kan delas in i fyra underkategorier baserat på den elektrolyt som används och den efterföljande elektrokemiska cellarkitekturen. Dessa kategorier av elektrolyter är aprotiska, vattenhaltiga, blandade vattenhaltiga/aprotiska elektrolyter och fasta elektrolyter, som alla har sina egna fördelar och nackdelar. Trots detta begränsas effektiviteten hos litium-luftbatterier fortfarande av ofullständig urladdning vid katoden, överpotential vid laddning som överstiger överpotential vid urladdning och komponentstabilitet. Under urladdning av litium-luft-batterier reagerar den bildade superoxidjonen (O2-) med elektrolyten eller andra cellkomponenter och hindrar batteriet från att vara uppladdningsbart.

Natrium-luftEdit

Natrium-luft-batterier föreslogs med förhoppningen att övervinna den instabilitet i batteriet som är förknippad med superoxid i litium-luft-batterier. Natrium, med en energitäthet på 1605 Wh/kg, har inte lika hög energitäthet som litium. Det kan dock bilda en stabil superoxid (NaO2) i stället för att superoxiden genomgår skadliga sekundära reaktioner. Eftersom NaO2 i viss utsträckning bryts ned reversibelt tillbaka till grundämnena innebär detta att natrium-luft-batterier har en viss inneboende kapacitet att vara uppladdningsbara. Natrium-luftbatterier kan endast fungera med aprotiska, vattenfria elektrolyter. När en DMSO-elektrolyt stabiliserades med natriumtrifluormetansulfonimid uppnåddes den högsta cykelstabiliteten hos ett natrium-luftbatteri (150 cykler).

Kalium-luftEdit

Kalium-luftbatterier föreslogs också med förhoppningen att övervinna den instabilitet i batteriet som är förknippad med superoxid i litium-luftbatterier. Även om endast två till tre laddnings- och urladdningscykler någonsin har uppnåtts med kalium-luftbatterier erbjuder de en exceptionellt låg överpotentialskillnad på endast 50 mV.

Zink-luftEdit

Zink-luftbatterier används till hörapparater och filmkameror.

Magnesium-luftEdit

Kalcium-luftEdit

Ingen artikel; se även Kalcium: kemiska egenskaper för vissa reaktioner med luft (syre).

Aluminium-luftEdit

Järn-luftEdit

Ejärn-luft uppladdningsbara batterier är en attraktiv teknik med potential för energilagring i nätskala. Den viktigaste råvaran i denna teknik är järnoxid (rost) som är rikligt förekommande, giftfri, billig och miljövänlig. De flesta av de batterier som utvecklas just nu använder järnoxid (mestadels pulver) för att generera/lagra vätgas via Fe/FeO-reduktions/oxidationsreaktionen (redoxreaktionen) (Fe + H2O ⇌ FeO + H2). Tillsammans med en bränslecell gör detta att systemet kan fungera som ett uppladdningsbart batteri som skapar H2O/H2 genom produktion/förbrukning av elektricitet. Dessutom har denna teknik minimal miljöpåverkan eftersom den skulle kunna användas för att lagra energi från intermittenta sol- och vindkraftskällor och utveckla ett energisystem med låga koldioxidutsläpp.

Sättet som systemet fungerar på kan börja med att använda Fe/FeO-redoxreaktionen, sedan kan vätgasen som skapas under oxidationen av järn förbrukas av en bränslecell i kombination med syre från luften för att skapa elektricitet. När elen måste lagras förbrukas vätgas som genereras från vatten genom att bränslecellen drivs i omvänd riktning under reduktionen av järnoxiden till metalliskt järn. Kombinationen av båda dessa cykler är det som gör att systemet fungerar som ett uppladdningsbart järn-luft-batteri.

Begränsningar av denna teknik kommer från de material som används. I allmänhet väljs järnoxidpulverbäddar, men den snabba sintringen och pulveriseringen av pulvren begränsar möjligheten att uppnå ett stort antal cykler, vilket resulterar i en lägre kapacitet. Andra metoder som för närvarande undersöks, t.ex. 3D-utskrift och frysgjutning, syftar till att möjliggöra skapandet av arkitekturmaterial för att möjliggöra stora yt- och volymförändringar under redoxreaktionen.

Silicon-airEdit