Алюминиевые аккумуляторы. Устройство и отличия. Особенности

С момента появления батарей, позволяющих накапливать и сохранять электрическую энергию, люди задумывались о том, как делать это более эффективно и без излишних издержек. За последние 30-40 лет сначала появились литий-ионные батареи, считающиеся большим достижением в области создания экономичных накопителей электричества. Сегодня инженерная мысль вплотную подошла к тому, чтобы получить и начать использовать в практических целях так называемые «алюминиевые аккумуляторы».

Благодаря появлению совершенно новой технологии хранения и восстановления заряда предполагается выпускать изделия, отличающиеся высокой скоростью подзарядки и еще меньшей себестоимостью. По утверждению изобретателей алюминиевых батарей они смогут полностью заменить как широко распространенные сегодня литий-ионные аналоги, так и опасные для здоровья людей щелочные АКБ.

Чем алюминиевые аккумуляторы лучше существующих литий-ионных

Наибольшим спросом в мире сегодня пользуются литий-ионные батареи, что объясняется множеством достоинств этих изделий. Среди них особо выделяются следующие неоспоримые преимущества:

Высокий показатель плотности заряда.
Низкий уровень саморазряда (не более 4-6% в месяц).
Способность работать в широком диапазоне температур (от -20°C до +50°C).
Незначительная масса и сравнительно большое количество допустимых циклов заряда и разряда банок (порядка тысячи).

Несмотря на эти преимущества, литий-ионные аккумуляторы не могут считаться идеальным вариантом. Они имеют ряд существенных недостатков, среди которых особое внимание обращают на себя их взрывоопасность и сравнительно высокая стоимость. Именно поэтому специалистами всего мира сегодня ведутся поиски материалов, способных заменить часть их компонентов элементами, менее дорогими и опасными с эксплуатационной точки зрения.

В качестве одного из возможных вариантов такой замены в свое время рассматривалось химическое соединение графита и литий-кобальт-оксида. Но добиться каких-либо положительных результатов в этом направлении так и не удалось. Сегодня большинство специалистов сходятся во мнении о том, что алюминиевые аккумуляторы, содержащие металл в смеси с литием – самый подходящий вариант безопасного и сравнительно дешевого изделия. На данный момент такие батареи не поступают в продажу, поскольку их разработка сегодня находится на стадии исследовательских работ.

Из отчетов специалистов стало известно, что возгорание алюминиевого аккумулятора невозможно даже в случае, если его полностью просверлить насквозь. Также отмечается, что новые изделия перезаряжаются значительно быстрее всех уже существующих и известных аналогов.

Aliuminievye akkumuliatory 2

Достоинства и недостатки перспективных батарей

Если сравнивать алюминиевые аккумуляторы с их литий-ионными аналогами – окажется, что к числу достоинств этих устройств можно отнести:

Возможность получения емкостных показателей, значительно превышающих те же параметры для аккумулирующих изделий другого типа (практически в два раза).
Длительные сроки эксплуатации с сохранением номинального напряжения после большого количества циклов заряда-разряда.
Экологическая чистота.
Сравнительно низкая стоимость изделий при условии наладки их серийного производства.

Дешевизна аккумуляторных устройств этого типа объясняется широким распространением алюминия и его значительными запасами в недрах Земли. Помимо этого использование алюминия обходится дешево по причине отработанных технологий по добыче исходного сырья и его последующей переработке.

Недостатки этого направления проявляются в тех сложностях, с которыми приходится сталкиваться специалистам при создании полноценного алюминиевого аккумулятора. К числу наиболее проблемных мест, встречающихся при разработке новых изделий, относят:

Необходимость подбора особого материала, замедляющего ускоренный распад катода аккумулятора.
Низкие показатели рабочего напряжения отдельных банок (всего 0,53 В).
Достаточно быстрый разряд во время длительного хранения.

Последний недостаток таких аккумуляторов объясняется тем, что их алюминиевый анод необратимо разрушается из-за коррозии металла. Вместе с тем высокая скорость обменных процессов на поверхности положительного электрода препятствует удержанию на ней защитной оксидной пленки. Ко всему перечисленному следует добавить незначительное число разрядно-зарядных циклов (не более 100), по завершении которых батарея теряет в мощности от 25 до 28%.

Как было найдено оптимальное сочетание материалов для алюминиевого АКБ

После нескольких лет напряженной исследовательской работы инженерам удалось решить часть проблем и получить совершенно новый тип АКБ на основе алюминия. Его отличительная характеристика – высокий показатель стабильности заряда и возможность поддержания рабочего напряжения на требуемом уровне. Добиться этого удалось за счет удачно найденного сочетания алюминиевого анода с катодом из трехмерной графитовой пены. К такому оригинальному решению специалисты пришли после целого ряда экспериментов с самыми различными материалами.

После нахождения такого сочетания в качестве эксперимента исследователи поместили в полимерный пакет следующий набор элементов:

Анод на основе алюминия.
Графитовый катод.
Ионный электролит, не опасный для человека и состоящий в основном из активных солевых растворов.

После этого к анодным и катодным клеммам подсоединялся регистрирующий ток стрелочный прибор. По величине отклонения стрелки на шкале индикатора можно было судить о кондициях собранной конструкции. Проведенные с пробным образцом опыты полностью подтвердили правильность найденного учеными решения по выбору материала анода.

Aliuminievye akkumuliatory 3

Описание опытов по проверке параметров новых аккумуляторов

Для проверки стойкости новых батарей к механическим воздействиям те же специалисты проделывали следующий примечательный опыт. Они брали два образца и сравнивали по этому показателю литий – ионные АКБ и алюминиевые аккумуляторы. Для этого к каждому из них подключалась лампочка на 12 В, которая начинала гореть в полный накал.

Затем специалисты с помощью механической дрели просверливали в том и другом образце отверстие, после чего лампочка на литий-ионной батарее сразу же гасла. При проделывании той же операции с алюминиевыми образцами подключенная к ним лампа продолжала гореть. На основании этого опыта был сделан вывод о том, что после механического повреждения алюминиевые аккумуляторы способны какое-то время работать без видимых отклонений от нормального режима. При этом им не угрожают такие опасные последствия, как возгорание или разрыв корпуса на части.

Еще один важный результат, полученный в ходе исследований новых батарей – их очень быстрая зарядка, сравниться с которой не может ни один из существующих аналогов. Для подтверждения этого факта бралась литий-ионная батарея от обычного смартфона, после чего к ней подключалось зарядное устройство. Для ее полной зарядки (на 100%) обычно требовалось как минимум 4 часа. Когда те же самые операции проделывались с экспериментальным алюминиевым аккумулятором – на его полное восстановление расходовалась всего одна минута. Таким образом, скорость зарядки возрастала в сотни раз (4х60/1=240).

Отдельно исследовалась длительность (предельные сроки) эксплуатации новой аккумуляторной батареи, которым при разработке уделили особое внимание. У наиболее удачных образцов литий-ионных изделий, известных сегодня, этот показатель не превышает примерно 1000 разрядно-зарядных циклов.

Новые алюминиевые аккумуляторы позволили увеличить его почти в 7,5 раз, что продлило их эксплуатационный ресурс до недостижимых ранее 7500 циклов. Причем этот показатель был получен только на начальном этапе проведения экспериментов с опытными образцами!

Перспективы развития новой технологии

К числу особенностей и преимуществ алюминий-ионных аккумуляторов также относят возможность изготовления гибкого корпуса (ранее опытным путем было установлено, что ему не страшны деформации). Из этого следует вывод о том, что такое изделие предположительно может устанавливаться в любых гибких гаджетах (как в уже работающих, так и в еще только разрабатываемых образцах).

Сегодня перспективность разработки и внедрения в производство батарей с анодно-катодной парой из алюминия и графита ни у кого не вызывает сомнений. Основное направление их будущего применения – аккумулирование электроэнергии с целью питания особо важных и стратегических объектов, имеющих государственное значение. К ним чаще всего относят медицинские учреждения, космические системы и атомные электростанции.

В перспективе алюминиевые аккумуляторы при их массовом производстве смогут полностью заменить миниатюрные элементы типа «АА» и «ААА», напряжение которых предположительно увеличится с 1,5 до 2,0 В. В этом также сказывается оригинальность новой конструкции батареи, способной расширить возможности ее практического применения и повысить эффективность накопления электрического заряда.