Алюминий в качестве источника энергии. Воздушно-алюминиевый элемент, батарея на основе воздушно- алюминиевого элемента и способ эксплуатации батареи

Кандидат технических наук Е. КУЛАКОВ, кандидат технических наук С. СЕВРУК, кандидат химических наук А. ФАРМАКОВСКАЯ.

Энергоустановка на воздушно-алюминиевых элементах занимает лишь часть багажника автомобиля и обеспечивает дальность его пробега до 220 километров.

Принцип действия воздушно-алюминиевого элемента.

Работой энергоустановки на воздушно-алюминиевых элементах управляет микропрецессор.

Малогабаритный воздушно-алюминиевый элемент на солевом электролите может заменить четыре батарейки.

Наука и жизнь // Иллюстрации

Энергоустановка ЭУ 92ВА-240 на воздушно-аллюминиевых элементах.

Человечество, судя по всему, не собирается отказываться от автомобилей. Мало того: автомобильный парк Земли может в скором времени увеличиться примерно вдвое - главным образом за счет массовой автомобилизации Китая.

Между тем несущиеся по дорогам машины выбрасывают в атмосферу тысячи тонн угарного газа - того самого, присутствие которого в воздухе в количестве, большем десятой доли процента, для человека смертельно. А помимо угарного газа - и многие тонны окислов азота и прочих ядов, аллергенов и канцерогенов - продуктов неполного сгорания бензина.

Во всем мире давно ведется поиск альтернатив автомобилю с двигателем внутреннего сгорания. И наиболее реальной из них считается электромобиль (см. "Наука и жизнь" №№ 8, 9, 1978 г.). Первые в мире электромобили были созданы во Франции и в Англии в самом начале 80-х годов прошлого века, то есть на несколько лет раньше, чем автомобили с двигателями внутреннего сгорания (ДВС). И появившийся, например, в 1899 году в России первый самодвижущийся экипаж был именно электрическим.

Тяговый электродвигатель в таких электрических автомобилях получал питание от непомерно тяжелых батарей свинцовых аккумуляторов с энергоемкостью всего лишь около 20 ватт-часов (17,2 килокалории) на килограмм. Значит, для того, чтобы "прокормить" двигатель мощностью в 20 киловатт (27 лошадиных сил) хотя бы в течение часа, требовался свинцовый аккумулятор массой в 1 тонну. Эквивалентное же ему по запасенной энергии количество бензина занимает бензобак емкостью всего в 15 литров. Вот почему лишь с изобретением ДВС производство автомобилей стало быстро расти, а электромобили десятилетиями считались тупиковой ветвью автомобилестроения. И только возникшие перед человечеством экологические проблемы заставили конструкторов вернуться к идее электромобиля.

Сама по себе замена ДВС электродвигателем, конечно, заманчива: при одной и той же мощности электродви гатель и массой полегче, и в управлении проще. Но даже теперь, спустя более чем 100 лет после первого появления автомобильных аккумуляторов, энергоемкость (то есть запасенная энергия) даже самых лучших из них не превышает 50 ватт-часов (43 килокалории) на килограмм. И потому весовым эквивалентом бензобака остаются сотни килограммов аккумуляторных батарей.

Если же учесть необходимость многочасовой зарядки аккумуляторов, ограниченное число циклов заряд-разряд и, как следствие, относительно короткий срок службы, а также проблемы с утилизацией отслуживших батарей, то приходится признать, что на роль массового транспорта аккумуляторный электромобиль пока непригоден.

Настал, однако, момент сказать, что электродвигатель может получать энергию и от другого рода химических источников тока - гальванических элементов. Наиболее известные из них (так называемые батарейки) работают в переносных приемниках и диктофонах, в часах и карманных фонариках. В основе работы такой батарейки, так же, как и любого другого химического источника тока, лежит та или иная окислительно-восстановительная реакция. А она, как известно из школьного курса химии, сопровождается передачей электронов от атомов одного вещества (восстановителя) к атомам другого (окислителя). Такую передачу электронов можно осуществить через внешнюю цепь, например, через лампочку, микросхему или мотор, и тем самым заставить электроны работать.

С этой целью окислительно-восстановительную реакцию проводят как бы в два приема - разбивают ее, так сказать, на две полуреакции, протекающие одновременно, но в разных местах. На аноде восстановитель отдает свои электроны, то есть окисляется, а на катоде окислитель эти электроны принимает, то есть восстанавливается. Сами же электроны, перетекая с катода на анод через внешнюю цепь, как раз и совершают полезную работу. Процесс этот, разумеется, небесконечен, поскольку и окислитель, и восстановитель постепенно расходуются, образуя новые вещества. И в результате источник тока приходится выбрасывать. Можно, правда, непрерывно или время от времени выводить из источника образовавшиеся в нем продукты реакции, а взамен подавать в него все новые и новые реагенты. Они в этом случае выполняют роль топлива, и именно потому такие элементы носят название топливных (см. "Наука и жизнь" № 9, 1990 г.).

Эффективность подобного источника тока определяется прежде всего тем, насколько удачно выбраны для него и сами реагенты, и режим их работы. С выбором окислителя особых проблем нет, поскольку окружающий нас воздух состоит более чем на 20% из прекрасного окислителя - кислорода. Что же касается восстановителя (то есть горючего), то с ним дело обстоит несколько сложнее: его приходится возить с собой. И потому при его выборе приходится прежде всего исходить из так называемого массо-энергетического показателя - полезной энергии, выделяемой при окислении единицы массы.

Наилучшими в этом отношении свойствами обладает водород, вслед за которым идут некоторые щелочные и щелочноземельные металлы, а затем - алюминий. Но газообразный водород пожаро- и взрывоопасен, а под большим давлением способен просачиваться через металлы. Сжижать его можно лишь при очень низких температурах, а хранить - достаточно сложно. Щелочные и щелочноземельные металлы тоже пожароопасны и, кроме того, быстро окисляются на воздухе и растворяются в воде.

У алюминия ни одного из этих недостатков нет. Всегда покрытый плотной пленкой оксида, он при всей своей химической активности почти не окисляется на воздухе. Алюминий сравнительно дешев и нетоксичен, его хранение не создает никаких проблем. Вполне разрешима и задача его введения в источник тока: из металла-горючего изготавливают анодные пластины, которые периодически - по мере их растворения - заменяют.

И, наконец, электролит. Он в данном элементе может быть любым водным раствором: кислотным, щелочным или солевым, поскольку алюминий реагирует и с кислотами, и со щелочами, а при нарушении оксидной пленки растворяется и в воде. Но использовать предпочтительнее щелочной электролит: это проще для проведения второй полуреакции - восстановления кислорода. В кислой среде он восстанавливается тоже, но лишь в присутствии дорогостоящего платинового катализатора. В щелочной же среде можно обойтись куда более дешевым катализатором - оксидом кобальта или никеля или активированным углем, которые вводятся непосредственно в пористый катод. Что же касается солевого электролита, то он обладает меньшей электропроводностью, а выполненный на его основе источник тока - примерно в 1,5 раза меньшей энергоемкостью. Поэтому в мощных автомобильных батареях целесообразно применять щелочной электролит.

У него, однако, тоже есть недостатки, главный из из которых - коррозия анода. Идет она параллельно с основной - токообразующей - реакцией и растворяет алюминий, преобразуя его в алюминат натрия с одновременным выделением водорода. Правда, с мало-мальски ощутимой скоростью эта побочная реакция идет лишь при отсутствии внешней нагрузки, именно потому воздушно-алюминиевые источники тока нельзя - в отличие от аккумуляторов и батареек - долго держать заряженными в режиме ожидания работы. Раствор щелочи в этом случае приходится из них сливать. Но зато при нормальном токе нагрузки побочная реакция почти неощутима и коэффициент полезного использования алюминия достигает 98%. Сам же щелочной электролит отходом при этом не становится: отфильтровав от него кристаллы гидроксида алюминия, этот электролит можно снова заливать в элемент.

Есть в применении щелочного электролита в воздушно-алюминиевом источнике тока и еще один недостаток: в процессе его работы расходуется довольно много воды. Это повышает концентрацию щелочи в электролите и могло бы постепенно изменять электрические характеристики элемента. Существует, однако, такой интервал концентраций, в котором эти характеристики практически не меняются, и если работать именно в нем, то достаточно лишь время от времени добавлять в электролит воду. Отходов в привычном смысле этого слова при работе воздушно-алюминиевого источника тока не образуется. Ведь получаемый при разложении алюмината натрия гидроксид алюминия - это просто белая глина, то есть продукт не только абсолютно чистый экологически, но и весьма ценный как сырье для многих отраслей промышленности.

Именно из него, например, обычно производят алюминий, сначала нагревая до получения глинозема, а затем подвергая расплав этого глинозема электролизу. Поэтому есть возможность организовать замкнутый ресурсосберегающий цикл эксплуатации воздушно-алюминиевых источников тока.

Но гидроксид алюминия обладает и самостоятельной коммерческой ценностью: он необходим при производстве пластмасс и кабелей, лаков, красок, стекол, коагулянтов для очистки воды, бумаги, синтетических ковров и линолеумов. Его используют в радиотехнической и фармацевтической промышленности, при производстве всякого рода адсорбентов и катализаторов, при изготовлении косметики и даже ювелирных изделий. Ведь очень многие искусственные драгоценные камни - рубины, сапфиры, александриты - выполняются на основе оксида алюминия (корунда) с незначительными примесями хрома, титана или бериллия соответственно.

Стоимость "отходов" воздушно-алюминиевого источника тока вполне соизмерима со стоимостью исходного алюминия, а масса их при этом в три раза больше массы исходного алюминия.

Почему же, несмотря на все перечисленные достоинства кислородно-алюминиевых источников тока, они так долго - до самого конца 70-х годов - всерьез не разрабатывались? Всего только потому, что они не были востребованы техникой. И лишь с бурным развитием таких энергоемких автономных потребителей, как авиация и космонавтика, военная техника и наземный транспорт, ситуация изменилась.

Начались разработки оптимальных композиций анод - электролит с высокими энергетическими характеристиками при низких скоростях коррозии, подбирались недорогие воздушные катоды с максимальной электрохимической активностью и большим сроком службы, рассчитывались оптимальные режимы как для длительной эксплуатации, так и для короткого времени работы.

Разрабатывались и схемы энергетических установок, содержащие, кроме собственно источников тока, и ряд вспомогательных систем - подачи воздуха, воды, циркуляции электролита и его очистки, терморегулирования и пр. Каждая из них сама по себе достаточно сложна, и для нормального функционирова ния энергоустановки в целом потребовалась микропроцессорная система управления, которая задает алгоритмы работы и взаимодействия всем остальным системам. Пример построения одной из современных воздушно-алюминиевых установок представлен на рисунке (стр. 63.): на нем толстыми линиями обозначены потоки жидкостей (трубопроводы), а тонкими - информационные связи (сигналы датчиков и команд управления.

В последние годы Московским государственным авиационным институтом (техническим университе том) - МАИ совместно с научно-производственным комплексом источников тока "Альтернативная энергетика" - НПК ИТ "АльтЭН" создан целый функциональный ряд энергетических установок на основе воздушно-алюминиевых элементов. В том числе - экспериментальная установка 92ВА-240 для электромобиля. Ее энергоемкость и, как следствие, пробег электромобиля без подзарядки оказались в несколько раз выше, чем при использовании аккумуляторов - как традиционных (никель-кадмиевых), так и вновь разрабатываемых (серно-натриевых). Некоторые удельные характеристики электромобиля на этой энергоустановке приведены на прилегающей цветной вкладке в сравнении с характеристиками автомобиля и электромобиля на аккумуляторах. Сравнение это, однако, требует пояснений. Дело в том, что для автомобиля учтена лишь масса топлива (бензина), а для обоих электромобилей - масса источников тока в целом. В связи с этим необходимо заметить, что электродвигатель имеет значительно меньший вес, чем бензиновый, не требует трансмиссии и в несколько раз экономнее расходует энергию. Если учесть все это, то окажется, что реальный выигрыш нынешнего автомобиля будет в 2-3 раза меньшим, но все же пока достаточно большим.

Есть у установки 92ВА-240 и другие - чисто эксплуатационные - преимущества. Перезарядка воздушно-алюминиевых батарей вообще не требует электросети, а сводится к механической замене отработанных алюминиевых анодов новыми, на что уходит не более 15 минут. Еще проще и быстрей происходит замена электролита для удаления из него осадка гидроксида алюминия. На "заправочной" станции отработанный электролит подвергают регенерации и используют для повторной заправки электромоби лей, а отделенный от него гидроксид алюминия направляют на переработку.

Помимо электромобильной энергоустановки на воздушно-алюминиевых элементах теми же специалистами создан целый ряд малых энергоустановок (см. "Наука и жизнь" № 3, 1997 г.). Каждую из этих установок можно механически перезаряжать не менее 100 раз, и число это определяется в основном ресурсом работы пористого воздушного катода. А срок хранения этих установок в незаправленном состоянии вообще не ограничен, поскольку потерь емкости при хранении нет - саморазряд отсутствует.

В небольших по мощности воздушно-алюминиевых источниках тока можно использовать для приготовления электролита не только щелочь, но и обычную поваренную соль: процессы в обоих электроли тах протекают аналогично. Правда, энергоемкость солевых источников в 1,5 раза меньше, чем щелочных, но зато пользователю они причиняют гораздо меньше хлопот. Электролит в них получается совершенно безопасным, и работу с ним можно доверить даже ребенку.

Воздушно-алюминиевые источники тока для питания маломощной бытовой техники выпускаются уже серийно, и цена их вполне доступна. Что же касается автомобильной энергоустановки 92ВА-240, то она пока существует только в опытных партиях. Один ее экспериментальный образец номинальной мощностью 6 кВт (при напряжении 110 В) и емкостью 240 ампер-часов стоит около 120 тысяч рублей в ценах 1998 года. По предварительным расчетам, эта стоимость после разворачивания серийного производства снизится по крайней мере до 90 тысяч рублей, что позволит выпускать электромобиль ценою не намного большей, чем автомобиль с двигателем внутреннего сгорания. Что же касается стоимости эксплуатации электромобиля, то она и теперь вполне сопоставима со стоимостью эксплуатации автомобиля.

Дело остается за малым - произвести более глубокую оценку и расширенные испытания, а затем при положительных результатах начинать опытную эксплуатацию.

Батареи это устройства, преобразующее химическую энергию в электрическую энергию. Они имеют 2 электрода, между ними идет химическая реакция, которую используют или производят электроны. Электроды связаны между собой раствором называемым электролитом, с помощью которого ионы могут перемещаться, совершая электрическую цепь. Электроны образуются на аноде и могут проходить через внешнюю цепь на катод, это движение электронов электрического тока, которые могут быть использованы для совершения работы простых устройств.
В нашем случае батарея может быть сформирована с помощью двух реакций: (1) реакции с алюминием, который генерирует электроны на один электрод, и (2) реакции с кислородом, что использует электроны на другом электроде. Чтобы помочь электронам в батарее, получить доступ к кислороду в воздухе, вы можете сделать вторым электродом материал, который может проводить электричество, но не является активным, например уголь, который состоит в основном из углерода. Активированный уголь очень пористый и это порой приводит к большой площади поверхности, которая подводится воздействию атмосфер. Один грамм активированного угля может быть большей площади, чем целое футбольное поле.
В этом опыте вы можете построить аккумулятор , который использует эти две реакции и самое удивительное, что эти батареи могут питать небольшой мотор или лампочку. Для этого вам понадобится: алюминиевая фольга, ножницы, активированный уголь, металлические ложки, бумажные полотенца, соль, маленькая чашечка, вода, 2 электрических провода с зажимами на концах и небольшое электрическое устройство, такое как двигатель или светодиод. Отрежьте кусочек алюминиевой фольги размером, что составит примерно 15Х15см. , подготовьте насыщенный раствор, смесь соли в небольшой чашке с водой пока соль не перестанет растворяться, сложите бумажное полотенце на четверть и пропитайте его рассолом. Положите это полотенце на фольгу, добавьте около ложки активированного угля на вершину бумажного полотенца, налейте рассол на уголь, чтобы смочить его. Будьте уверены, что уголь является мокрым повсюду. Чтобы не прикасаться к воде напрямую вы должны меть 3 слоя как в бутерброде. Подготовьте свои электрические устройства для использования, один конец электрического провода прикрепите к загрузке, а другой конец провода подключим к алюминиевой фольге. Плотно прижмем второй провод к куче угля и смотрим, что происходит, если аккумулятор работает нормально, то вполне вероятно, что вам понадобится еще один элемент для включения вашего устройства. Попробуйте увеличить площадь контакта между вашим проводом и древесным углем, сложив батарею и сильно сдавив. Если вы используете двигатель, вы также можете ему помочь стартонуть крутанув вал пальцами.
Первая современная электрическая батарея была сделана из ряда электрохимических ячеек и называется вольтовым столбом. Повторите шаг первый и третий, чтобы построить дополнительный алюминиево-воздушный элемент , соединив 2 или 3 воздушно-алюминиевых элемента друг с другом вы получите более мощный аккумулятор. Используйте мультиметр для измерения напряжения и тока полученного с вашей батареи.
Как нужно изменить вашу батарею, чтобы она стала давать большее напряжение или больший ток – рассчитайте выходную мощность от вашего аккумулятора путем произведения его напряжения и тока. Попробуйте подключить и другие устройства к вашему аккумулятору.

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 CO 2 . Металлические элементы медленно деградируют до Al(OH) 3 .

Химическая формула реакции выглядит так:

4 Al + 3 O 2 + 6 H 2 O = 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 CO 2 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»

Phinergy, израильский стартап, продемонстрировал алюминий-воздушный аккумулятор, который способен питать электромобиль до 1000 миль (1609 км). В отличие от других метал-воздушных батарей, о которых мы писали в прошлом, алюминий-водушная батарея Phinergy потребляет алюминий как топливо, таким образом предоставляя прирост энергии в таком количестве, что впору тягаться с газом или дизелем. Phinergy заявляет, что подписали контракт с глобальным автопроизводителем для "массового производства" батарей в 2017 году.

Метал-воздушные батареи отнюдь не новая идея. Цинк-воздушные батареи широко используются в слуховых аппаратах, и поетнциально способны помочь с . IBM заняты работой над литий-воздушной батареей, которая, как и у Phinergy, нацелена на длительное снабжение . В последние месяцы выяснилось, что натрий-воздушные батареи также имеют право на жизнь. Во всех трех случаях, воздух - тот самый компонент, который делает батареи такими желанными. В обычной батарейке, химическая реакция исключительно внутреннего характера, потому они, как правило, очень плотные и тяжелые. В метал-воздушных батареях, энергия получается путем окисления металла (лития, цинка, алюминия) кислородом, окружающим нас, а не заключенного в батарее. В результате получается более легкая и простая батарея.

Алюминий-воздушная батарея Phinergy является новинкой по двум причинам: во-первых, компания, очевидно, нашла способ предотвращения коррозии алюминия углекислым газом. Во-вторых, батарея на самом деле питается алюминием, как топливом, медленно преобразуя простой алюминий в диоксид алюминия. Прототип алюминий-воздушной батареи Phinergy состоит из как минимум 50 алюминиевых пластин, каждая из которых предоставляет энергию на 20 миль езды. После 1000 миль, пластины необходимо механически перезарядить - эвфемизм простому физическому удалению пластин из батареи. Алюминий-воздушные батареи необходимо пополнять водой каждый 200 миль, чтобы восстановить уровень электролита.

В зависимости от вашей точки зрения, механическая зарядка и прекрасна, и ужасна. С одной стороны, вы даете машине жизнь еще на 1000 миль, грубо говоря, поменяв батарейку; с другой стороны, покупать новую батарею для каждой тысячи миль, мягко говоря, не очень экономно. В идеале, это все, скорее всего, опустится до вопроса цены аккумулятора. Учитывая сегодняшний рынок, килограмм алюминия стоит $2, а набор из 50 пластин в 25 кг. Путем несложных подсчетов, получаем, что "перезарядка" машины обойдется в $50. $50 за поездку на 1000 миль это, по правде говоря, неплохо, при сравнении с $4 за галлон газа, которого хватит на 90 миль. Диоксид алюминия можно перерабатывать назад в алюминий, однако, это не дешевый процесс.

Химические источники тока со стабильными и высокими удельными характеристиками - одно из важнейших условий развития средств связи.

В настоящее время потребность пользователей электроэнергии для средств связи покрывается, в основном, за счет применения дорогостоящих гальванических элементов или аккумуляторов.

Аккумуляторы являются относительно автономными источниками электропитания, поскольку нуждаются в периодическом заряде от сети. Зарядные устройства, применяемые для этой цели, имеют высокую стоимость и не всегда способны обеспечить благоприятный режим заряда. Так, аккумулятор Sonnenschein, изготовленный по технологии dryfit и имеющий массу 0,7 кг, а емкость 5 А·ч, заряжается в течение 10 часов, причем при заряде необходимо соблюдать нормативные значения тока, напряжения и времени заряда. Заряд проводится сначала при постоянном токе, затем при постоянном напряжении. Для этого применяются дорогостоящие зарядные устройства с программным управлением.

Абсолютно автономными являются гальванические элементы, но они, как правило, имеют низкую мощность и ограниченную емкость. По исчерпании заложенной в них энергии они утилизируются, загрязняя окружающую среду. Альтернативой сухим источникам являются воздушно-металлические механически перезаряжаемые источники, некоторые энергетические характеристики которых приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Параметры некоторых электрохимических систем

Электро-химическая система	Теоретические параметры		Практически реализуемые параметры
		Удельная энергия, Вт·ч/кг	Напряжение, В	Удельная энергия, Вт·ч/кг
Воздушно-алюминиевая
Воздушно-магниевая
Воздушно-цинковая
Никель-металлгидридная
Никель-кадмиевая
Марганцево-цинковая
Марганцево-литиевая

Как видно из таблицы, воздушно-металлические источники, в сравнении с другими широко применяемыми системами, обладают наибольшими теоретическими и практически реализуемыми энергетическими параметрами.

Воздушно-металлические системы были реализованы значительно позже, а их разработка до сих пор ведется менее интенсивно, чем источников тока других электрохимических систем. Однако испытания опытных образцов, созданных отечественными и иностранными фирмами, показали их достаточную конкурентоспособность.

Показано, что сплавы алюминия и цинк могут работать в щелочных и солевых электролитах. Магний - лишь в солевых электролитах, причем его интенсивное растворение идет как при генерировании тока, так и в паузах.

В отличие от магния алюминий в солевых электролитах растворяется лишь при генерировании тока. Для цинкового электрода наиболее перспективны щелочные электролиты.

Воздушно-алюминиевые источники тока (ВАИТ)

На основе алюминиевых сплавов созданы механически перезаряжаемые источники тока с электролитом на основе поваренной соли. Эти источники абсолютно автономны и могут использоваться для электропитания не только средств связи, но и для заряда аккумуляторов, питания различной бытовой аппаратуры: радиоприемников, телевизоров, кофемолок, электродрелей, светильников, электрофенов, паяльников, маломощных холодильников, центробежных насосов и пр. Абсолютная автономность источника позволяет использовать его в полевых условиях, в регионах, не имеющих централизованного электроснабжения, в местах катастроф и стихийных бедствий.

Заряд ВАИТ производится в течение считанных минут, которые необходимы для заливки электролита и/или замены алюминиевых электродов. Для заряда нужна лишь поваренная соль, вода и запас алюминиевых анодов. В качестве одного из активных материалов используется кислород воздуха, который восстанавливается на катодах из углерода и фторопласта. Катоды достаточно дешевы, обеспечивают работу источника в течение длительного времени и, поэтому оказывают незначительное влияние на стоимость генерируемой энергии.

Стоимость электроэнергии, получаемой в ВАИТ, определяется, в основном, лишь стоимостью периодически заменяемых анодов, в нее не включается стоимость окислителя, материалов и технологических процессов, обеспечивающих работоспособность традиционных гальванических элементов и, поэтому, она в 20 раз ниже стоимости энергии, получаемой от таких автономных источников как щелочные марганцево-цинковые элементы.

Таблица 2 - Параметры воздушно-алюминиевых источников тока

Тип батареи	Марка батареи	Число элементов		Масса электролита, кг	Емкость по запасу электролита, А·ч	Масса комплекта анодов, кг	Емкость по запасу анодов, А·ч	Масса батареи, кг
Погружаемые
Заливаемые

Длительность непрерывной работы определяется величиной потребляемого тока, объемом залитого в элемент электролита и составляет 70 - 100 А·ч/л. Нижний предел определяется вязкостью электролита, при которой возможен его свободный слив. Верхний предел соответствует снижению характеристик элемента на 10-15%, однако по его достижении для удаления электролитной массы необходимо применение механических устройств, которые могут повредить кислородный (воздушный) электрод.

Вязкость электролита возрастает по мере его насыщения взвесью гидроксида алюминия. (Гидроксид алюминия встречается в природе в виде глины или глинозема, является прекрасным продуктом для производства алюминия и может быть возвращен в производство).

Замена электролита осуществляется в считанные минуты. С новыми порциями электролита ВАИТ может работать до исчерпания ресурса анода, который при толщине 3 мм составляет 2,5 А·ч/см 2 геометрической поверхности. Если аноды растворились, их в течение нескольких минут заменяют новыми.

Саморазряд ВАИТ очень мал, даже при хранении с электролитом. Но в силу того, что ВАИТ в перерыве между разрядами может храниться без электролита - его саморазряд ничтожен. Ресурс работы ВАИТ ограничен сроком службы пластмассы, из которой он изготовлен ВАИТ без электролита может храниться до 15 лет.

В зависимости от требований потребителя ВАИТ может быть модифицирован с учетом того, что 1 элемент имеет напряжение 1 В при плотности тока 20 мА/см 2 , а ток снимаемый с ВАИТ определяется площадью электродов.

Проведенные в МЭИ(ТУ) исследования процессов, протекающих на электродах и в электролите, позволили создать два типа воздушно-алюминиевых источников тока - заливаемые и погружаемые (табл. 2).

Заливаемые ВАИТ

Заливаемые ВАИТ состоят из 4-6 элементов. Элемент заливаемого ВАИТ (рис. 1) представляет собой прямоугольную емкость (1), в противоположных стенках которой установлен катод (2). Катод состоит из двух частей, электрически соединенных в один электрод шиной (3). Между катодами располагается анод (4), положение которого фиксируется направляющими (5). Конструкция элемента, запатентованного авторами /1/, позволяет уменьшить отрицательное влияние образующегося в качестве конечного продукта гидроксида алюминия, за счет организации внутренней циркуляции. С этой целью элемент в плоскости, перпендикулярной плоскости электродов, разделен перегородками на три секции. Перегородки выполняют также роль направляющих анод полозков (5). В средней секции располагаются электроды. Выделяющиеся при работе анода пузырьки газа поднимают вместе с потоком электролита взвесь гидроксида, который опускается на дно в двух других секциях элемента.

Рисунок 1 - Схема элемента

Подвод воздуха к катодам в ВАИТ (рис. 2) осуществляется через зазоры (1) между элементами (2). Крайние катоды защищены от внешних механических воздействий боковыми панелями (3). Непроливаемость конструкции обеспечивается применением быстро снимаемой крышки (4) с уплотнительной прокладкой (5) из пористой резины. Натяг резиновой прокладки достигается прижатием крышки к корпусу ВАИТ и фиксацией ее в этом состоянии с помощью пружинных фиксаторов (на рисунке не показаны). Сброс газа осуществляется через специально разработанные пористые гидрофобные клапаны (6). Элементы (1) в батарее соединены последовательно. Пластинчатые аноды (9), конструкция которых разработана в МЭИ , имеют гибкие токосъемы с элементом разъема на конце. Разъем, ответная часть которого соединена с блоком катодов, позволяет быстро отсоединять и присоединять анод при его замене. При подсоединении всех анодов элементы ВАИТ соединяются последовательно. Крайние электроды соединены с борнами (10) ВАИТ также посредством разъемов.

1- воздушный зазор, 2 - элемент, 3 - защитная панель, 4 - крышка, 5 - катодная шина, 6 - прокладка, 7- клапан, 8 - катод, 9 - анод, 10 - борн

Рисунок 2 - Заливаемый ВАИТ

Погружаемый ВАИТ

Погружаемый ВАИТ (рис. 3) представляет собой вывернутый на изнанку заливаемый ВАИТ. Катоды (2) развернуты активным слоем наружу. Емкость элемента, в которую заливался электролит, делится на две перегородкой и служит для раздельной подачи воздуха к каждому катоду. В зазоре, через который подавался к катодам воздух, установлен анод (1). ВАИТ же активируется не заливкой электролита, а погружением в электролит. Электролит предварительно заливается и хранится в перерыве между разрядами в баке (6), который разделен на 6 не связанных между собой секций. В качестве бака используется моноблок аккумулятора 6СТ-60ТМ.

1 - анод, 4 - катодная камера, 2 - катод, 5 - верхняя панель, 3 - полозок, 6 - электролитный бак

Рисунок 3 - Погружаемый воздушно-алюминиевый элемент в панели модуля

Такая конструкция позволяет быстро разбирать батарею, удаляя модуль с электродами, и манипулировать при заливке и выгрузке электролита не с батареей, а с емкостью, масса которой с электролитом составляет 4,7 кг. Модуль объединяет 6 электрохимических элементов. Элементы крепятся на верхней панели (5) модуля. Масса модуля с комплектом анодов 2 кг. Последовательным соединением модулей набирались ВАИТ из 12, 18 и 24 элементов. К недостаткам воздушно-алюминиевого источника можно отнести довольно высокое внутреннее сопротивление, низкую удельную мощность, нестабильность напряжения во время разряда и провал напряжения при включении. Все указанные недостатки нивелируются при использовании комбинированного источника тока (КИТ), состоящего из ВАИТ и аккумулятора.

Комбинированные источники тока

Разрядная кривая "заливаемого" источника 6ВАИТ50 (рис. 4) при заряде герметизированного свинцового аккумулятора 2СГ10 емкостью 10 А·ч характеризуется, как и при питании других нагрузок, провалом напряжения в первые секунды при подключении нагрузки. В течение 10 -15 минут напряжение возрастает до рабочего, которое остается постоянным в течение всего разряда ВАИТ. Глубина провала определяется состоянием поверхности алюминиевого анода и его поляризацией.

Рисунок 4 - Разрядная кривая 6ВАИТ50 при заряде 2СГ10

Как известно, процесс заряда аккумулятора протекает только в том случае, когда напряжение на источнике, отдающем энергию, выше, чем на аккумуляторе. Провал же начального напряжения ВАИТ приводит к тому, что аккумулятор начинает разряжаться на ВАИТ и, следовательно, на электродах ВАИТ начинают протекать обратные процессы, которые могут привести к пассивации анодов.

Для предотвращения нежелательных процессов в цепь между ВАИТ и аккумулятором устанавливается диод. В этом случае разрядное напряжение ВАИТ при заряде аккумулятора определяется не только напряжением аккумулятора, но и падением напряжения на диоде:

U ВАИТ = U АКК + ΔU ДИОД (1)

Введение в цепь диода приводит к увеличению напряжения как на ВАИТ, так и на аккумуляторе. Влияние наличия диода в цепи иллюстрирует рис. 5, на котором представлено изменение разности напряжений ВАИТ и аккумулятора при заряде аккумулятора попеременно с диодом в цепи и без него.

В процессе заряда аккумулятора в отсутствии диода разность напряжений имеет тенденцию к уменьшению, т.е. снижению эффективности работы ВАИТ, в то время как в присутствии диода разность, а, следовательно, и эффективность процесса имеет тенденцию к возрастанию.

Рисунок 5 - Разность напряжений 6ВАИТ125 и 2СГ10 при заряде с диодом и без него

Рисунок 6 - Изменение токов разряда 6ВАИТ125 и 3НКГК11 при электропитании потребителя

Рисунок 7 - Изменение удельной энергии КИТ (ВАИТ - свинцовый аккумулятор) с увеличением доли пиковой нагрузки

Для средств связи характерно потребление энергии в режиме переменных, в том числе пиковых, нагрузок. Такой характер потребления был смоделирован нами при электропитании потребителя c базовой нагрузкой 0,75 А и пиковой 1,8 А от КИТ, состоящего из 6ВАИТ125 и 3НКГК11. Характер изменения токов генерируемых (потребляемых) составляющими КИТ, представлен на рис. 6.

Из рисунка видно, что в базовом режиме ВАИТ обеспечивает генерацию тока, достаточную для питания базовой нагрузки и заряда аккумулятора. В случае пиковой нагрузки потребление обеспечивается током, генерируемым ВАИТ и аккумулятором.

Проведенный нами теоретический анализ показал, что удельная энергия КИТ является компромиссной между удельной энергией ВАИТ и аккумулятора и возрастает с уменьшением доли пиковой энергии (рис. 7). Удельная мощность КИТ выше удельной мощности ВАИТ и возрастает с увеличением доли пиковой нагрузки.

Выводы

Созданы новые источники тока на основе электрохимической системы "воздух-алюминий" с раствором поваренной соли в качестве электролита, энергоемкостью около 250 А·ч и с удельной энергией свыше 300 Вт·ч/кг.

Заряд разработанных источников осуществляется в течение нескольких минут путем механической замены электролита и/или анодов. Саморазряд источников ничтожен и поэтому до активации они могут храниться в течение 15 лет. Разработаны варианты источников, отличающиеся способом активации.

Исследована работа воздушно-алюминиевых источников при заряде аккумулятора и в составе комбинированного источника. Показано, что удельная энергия и удельная мощность КИТ являются компромиссными величинами и зависят от доли пиковой нагрузки.

ВАИТ и КИТ на их основе абсолютно автономны и могут использоваться для электропитания не только средств связи, но и питания различной бытовой аппаратуры: электромашин, светильников, маломощных холодильников и пр. Абсолютная автономность источника позволяет использовать его в полевых условиях, в регионах, не имеющих централизованного электроснабжения, в местах катастроф и стихийных бедствий.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Патент РФ № 2118014. Металло-воздушный элемент./ Дьячков Е.В., Клейменов Б.В., Коровин Н.В.,// МПК 6 Н 01 М 12/06. 2/38. прогр. 17.06.97 опубл. 20.08.98
2. Korovin N.V., Kleimenov B.V., Voligova I.A. & Voligov I.A.// Abstr. Second Symp. on New Mater. for Fuel Cell and Modern Battery Systems. July 6-10. 1997. Montreal. Canada. v 97-7.
3. Коровин Н.В., Клейменов Б.В. Вестник МЭИ (в печати).

Работа выполнена в рамках программы "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники"