Batterie à air en aluminium - fonctionnement et applications

Qu'est-ce qu'une batterie aluminium-air ?

Les batteries aluminium-air sont un type de pile à combustible spéciale qui utilise l'aluminium comme matériau actif de l'électrode positive et l'oxygène de l'air comme matériau actif de la cathode.

Par rapport à pile ternaire au lithiumLa batterie aluminium-air a une énergie plus élevée. Son énergie spécifique théorique peut atteindre 4000 Wh-kg-1, et l'énergie spécifique réelle peut généralement atteindre 320-400 Wh-kg-1, soit environ 6-8 fois celle des batteries plomb-acide et 5 fois celle des batteries nickel-hydrure métallique.

Les batteries aluminium-air présentent les avantages d'une grande capacité, d'une énergie spécifique élevée, d'un poids léger et d'une longue durée de vie. Elles peuvent répondre aux besoins des équipements électriques en matière de systèmes de batteries à courant et à puissance élevés.

Principe de la batterie à air en aluminium

La batterie aluminium-air est composée d'une électrode négative en alliage d'aluminium, d'une électrode d'air (électrode positive), d'un électrolyte neutre ou alcalin et d'un boîtier de batterie. Sa structure est illustrée à la figure 1.

Pendant le processus de décharge de la batterie, l'aluminium est continuellement consommé et Al(OH)3 est généré, et l'oxygène se diffuse vers l'interface de réaction triphasée de l'électrode à air pour subir une réaction de réduction. L'équation de base de cette réaction est la suivante

Électrode négative : Al 3OHˉ → Al(OH)3 3eˉ (1)

Électrode positive : O2 2H2O 4eˉ→ 4OHˉ (2)

Réaction totale de la pile : 4Al 3O2 6H2O → 4Al(OH)3 (3)

Structure de la batterie à air en aluminium

Les batteries aluminium-air ont une puissance de décharge élevée et s'accompagnent d'une production d'Al(OH)3 et de chaleur. Une structure de batterie fiable et raisonnable est nécessaire pour garantir un fonctionnement sûr et stable de la batterie.

Ces dernières années, les chercheurs ont conçu toute une série de nouvelles structures de batteries modulaires capables d'assurer une production ininterrompue. Elle peut facilement recycler les électrodes métalliques et remplacer les composants des électrodes, et peut également drainer l'électrolyte dans la batterie lorsque celle-ci ne fonctionne pas.

En même temps, il élimine l'autodécharge de la batterie et l'évolution de l'hydrogène et prolonge la durée de vie de la batterie. En outre, grâce à la conception optimisée de la structure de la batterie, le poids de la batterie est réduit et sa densité énergétique spécifique est augmentée, ce qui permet de répondre aux exigences des applications commerciales.

Applications de la batterie à air en aluminium

Ces dernières années, de nouveaux résultats de recherche ont été obtenus dans des domaines tels que les catalyseurs de réduction de l'oxygène, la modification des alliages d'aluminium et les systèmes structurels des batteries. Les performances des batteries aluminium-air ont été améliorées et leurs applications se sont progressivement développées.

Actuellement, les pays européens et américains utilisent des batteries aluminium-air à électrolytes neutres dans des équipements portables, des stations de base de communication et des installations de génie maritime.

Les piles alcalines aluminium-air sont utilisées dans les véhicules à moteur, les moniteurs sous-marins, les torpilles à longue portée et les installations de plongée.

Le robot sous-marin norvégien HUGIN3000 utilise l'oxygène produit par la décomposition du peroxyde d'hydrogène comme gaz de réaction pour les batteries aluminium-air. Le robot sous-marin n'a besoin de transporter que 18 à 20 kg de peroxyde d'hydrogène pour fonctionner en continu pendant 48 heures sous une charge nominale de 900W.

Les États-Unis ont lancé des batteries aluminium-oxygène pour les véhicules sous-marins sans pilote et la propulsion des torpilles, avec une énergie spécifique de 440 Wh/kg, atteignant ainsi un niveau pratique.

En outre, les batteries aluminium-air ont également de vastes perspectives d'application dans le domaine des véhicules électriques.

Les premières estimations indiquent qu'un camion moyen consommera 14 kg d'aluminium et 25 litres d'eau pour chaque 400 km parcourus.

Si le bloc d'aluminium de l'électrode négative pèse 68 kg et que le taux d'utilisation de l'aluminium est de 85%, l'électrode négative peut parcourir 1 600 km. De l'eau est ajoutée tous les 400 km, comme pour le ravitaillement d'un véhicule à carburant pendant la même durée de conduite.

Actuellement, les pays européens et américains développent vigoureusement des batteries aluminium-air comme sources d'énergie pour les véhicules électriques, ce qui leur permet de tirer pleinement parti des avantages des piles à combustible et des batteries et de promouvoir le développement de l'industrie des véhicules électriques.

Des percées techniques sont nécessaires pour les batteries à air en aluminium

Il y a une vingtaine d'années, les scientifiques ont prédit que la combinaison des batteries aluminium-air et des xEV serait l'une des technologies les plus prometteuses pour les futures voitures particulières en termes d'autonomie, de prix d'achat, de coût du carburant et de coût du cycle de vie.

Les performances et la rentabilité des batteries en font une alternative économique aux combustibles fossiles. Les batteries aluminium-air ont une autonomie similaire à celle des voitures à essence, actuellement estimée à 1 600 kilomètres par réservoir.

Pourquoi cette technologie a-t-elle été si lente à attirer l'attention du public ?

Pendant longtemps, le principal obstacle à la commercialisation de cette technologie a été la technologie elle-même. En raison de problèmes d'application technique tels que la corrosion de l'anode ou le colmatage des pores.

L'application pratique des batteries aluminium-air se heurte encore à certaines difficultés techniques, qui nécessitent des recherches approfondies sur des aspects tels que la modification de l'anode en aluminium, le développement du catalyseur de réduction de l'oxygène, la préparation de l'électrode à air et l'optimisation de la conception de la structure de la batterie.

En 2020, les scientifiques pensent toujours que les performances médiocres et le coût élevé des cathodes, anodes, électrolytes et autres composants des batteries rendent la technologie inadaptée à la mise à l'échelle et à la commercialisation.

Conclusion et perspectives

En tant que nouveau solution de batterie Avec une énergie spécifique élevée, les batteries aluminium-air peuvent être largement utilisées dans les domaines militaires et civils tels que les alimentations de secours, les alimentations portables, les véhicules électriques et les véhicules sous-marins.

Afin de répondre aux exigences de la promotion et de l'utilisation des batteries aluminium-air, il est nécessaire de se concentrer sur le développement de catalyseurs à base de métaux non nobles ayant une activité catalytique élevée. Les travaux de recherche connexes peuvent se poursuivre sur les chélates organiques métalliques et les catalyseurs à base d'oxyde de manganèse.

Parmi elles, les méthodes d'alliage offrent de bonnes perspectives d'amélioration de l'activité et de la résistance à la corrosion de l'aluminium. Il est nécessaire de continuer à améliorer la formule de dopage et de la compléter par une technologie de traitement thermique des alliages d'aluminium afin d'améliorer les propriétés globales de l'aluminium.

À l'avenir, les performances des batteries aluminium-air seront probablement progressivement améliorées, et leur application industrielle pourrait également être progressivement réalisée.