Алюминий в аккумуляторах вместо лития: почему все молчат об очевидных преимуществах?

Sep 24, 2021

Алюминиевый аккумулятор вместо литий-ионного: что мешает?

Объясняем, как обстоят дела на рынке с алюминиевыми аккумуляторами. Узнайте, есть ли у них перспективы превзойти литий-ионные.

С литием всегда было непонятно: батарей много, металла мало — не проще ли изобрести алюминиевые аккумуляторы? Ведь алюминий в избытке и он дешевле лития (цены на соединения, то есть карбонаты).

Рассказываем, почему не всё так просто с алюминиево-ионными аккумуляторами, как кажется.

Классификация алюминиевых аккумуляторов по схеме работы и типу электролита.

Отвечаем на вопросы по алюминиевому аккумулятору

Алюминиево-ионный аккумулятор (Al-ion battery, металлический алюминий выступает катодом) — это концепция альтернативной аккумуляторной технологии, занимает видное место среди лучших*.

* - европейское исследование приведено на EC.europa.eu.

Если коротко, то сейчас не хватает прогресса обратимой очистки и осаждения алюминия, чтобы Al-катоду соперничать с литий-ионными батареями. Не существует до сих пор и подходящих твёрдых электролитов и совместимых положительных электродов — без них характеристики сильно проигрывают существующим батареям (подробности в конце).

Это базовые знания о технологии. Теперь перейдём к частностям.

1. Почему нужно искать альтернативу литий-ионным?

На рынке перезаряжаемых аккумуляторов лидируют материалы:

• литий,
• свинец,
• кобальт,
• фосфор.

Литию, кобальту и фосфору уже прочат проблемы с поставками в обозримом будущем.

2. Алюминий — лучшая альтернатива литию?

Материалы для замены исследуют последние 30 лет. Идея создания твердотельной алюминиево-ионной батареи приходила учёным не раз.

Алюминий — первый по распространённости металл в недрах и третий после кислорода и кремния среди элементов.

Из 1 кг сырьевого алюминия добывают в два раза больше атомов, чем из лития. Мало того, предприятия по производству и переработке этого металла широко распространены и активно работают.

3. Есть ли список с главными преимуществами алюминиево-ионных аккумуляторов?

Есть. Мы собрали достоверные свойства, подтверждённые исследованиями. Ссылки на утверждения приводим в [квадратных скобках].

Тонкие настройки электрохимических свойств за счёт сплавляемости алюминиевого катода с большинством металлических элементов [источник «Extractive Metallurgy of Aluminum»];
Объёмная ёмкость выше в 4 раза, чем у лития (8 Ач/см3 против 2Ач/см3) [источник «Quest for nonaqueous multivalent secondary batteries: magnesium and beyond»];
Алюминий — лидер по объёмной ёмкости среди всех элементов [источник «An Overview and Future Perspectives of Aluminum Batteries»];
Безопасность твердотельных аккумуляторов с ионами алюминия и меньший экологический вред, чем от литиевой индустрии [источник «Separators and electrolytes for rechargeable batteries: Fundamentals and perspectives»];
Дешевизна за счёт широкого распространения материала, больших запасов в недрах и развитой инфраструктуры по добыче, переработке [источник «Историческая справка»].

4. Почему никто тогда не сделает такие замечательные аккумуляторы?

Если коротко, то их время ещё не пришло. Поясним, почему их появление сейчас преждевременно.

Всего по алюминиевым аккумуляторам существует более 2000* научных статей, по алюминиево-литиевым чуть более сотни [PDF-файл исследования]. Активнее других исследует Китай.

* - для сравнения, у литий-ионной технологии уже порядка 40 000 научных статей между 1990-м и 2020-м годами [источник].

Однако научные работы приводят успешные опыты, позитивные и многообещающие. Часто не хватает подробностей и пояснений, почему выбраны одни материалы, а не другие.

О реальных недостатках технологии говорят мало. Здесь и кроется причина отсутствия алюминиево-ионных аккумуляторов в продаже.

5. Какие недостатки алюминиево-ионных аккумуляторов мешают?

Мы составили список, с чем учёные не смогли справиться. Ожидаются решения с технологическим прогрессом. Но вместе с тем усовершенствоваться будут и другие типы аккумуляторов, включая Li-ion, которые вновь оставят Al-ion позади.

• Быстро деградирует ёмкость — внутри аккумулятора алюминий необратимо разрушается коррозией (движущая сила напряжения препятствует сохранению оксидной плёнки на поверхности);
• Малый срок службы из-за уменьшения доли электролита по причине химических реакций на поверхности алюминиевого катода и металлических анодов при любых жидкостных химических составах;
• Не найдены материалы (пока) для решения этих проблем — совместимые твердотельные электролиты и твёрдые изоляторы;
• Тонкоплёночные технологии не развиты — теоретически они способны помочь преодолеть недостатки;
• Даже если случится прогресс твердотельных электролитов и тонкоплёночных технологий, то придёт он сначала в литий-ионные аккумуляторы с развитой инфраструктурой и рынком.

Коротко подытожим про Al-ion

В итоге алюминиево-ионные аккумуляторы всё время плетутся позади литий-ионных. При всех своих плюсах (доступность катодного металла в недрах и его дешевизна, ёмкость) они быстро деградируют и мало служат.

Новые материалы электролитов, сепараторов и анодов могли бы помочь решить проблемы алюминиевых аккумуляторов, но всё ещё исследуются.

Почему нет замены Li-ion?

Для самостоятельного изучения рекомендуем работу «The Aluminum-Ion Battery: A Sustainable and Seminal Concept», разработанную усилиями учёных со всего мира, включая Россию.

Есть ли у вас подобные необычные вопросы об аккумуляторах? Напишите. Мы ждём ваши сообщения и ВКонтакте @NeovoltRu.

Подпишитесь на нашу группу, чтобы узнавать новости из мира автономности гаджетов, об их улучшении и прогрессе в научных исследованиях аккумуляторов. Подключайтесь к нам в Facebook и Twitter. Мы также ведём насыщенный блог в «Дзене» и на Medium — заходите посмотреть.