אלומיניום כקולט זרם קתודה
אלומיניום הוא החומר הסטנדרטי עבור קולטי זרם קתודיות בסוללות ליתיום-כיון שהוא יוצר שכבת תחמוצת דקה,-פסיבית עצמית, המתנגדת לקורוזיה בפוטנציאל ההפעלה הגבוה של קתודות, בדרך כלל 3-4.5 וולט, שבה נחושת מתחמצנת ומתכלה. האלומיניום מציע גם יתרונות מעשיים: הצפיפות שלו של כ-2.7 גרם/ס"מ³ נמוכה בכ-60% מנחושת, מה שמפחית את משקל הסוללה עבור כלי רכב חשמליים ואלקטרוניקה ניידת, והוא זול משמעותית מנחושת, מה שמוריד את עלויות הייצור לייצור בקנה מידה גדול.- בעוד שהמוליכות החשמלית של האלומיניום נמוכה מזו של הנחושת, היא נשארת מספיקה עבור קולטי קתודה, וטיפולי משטח כגון רדיד מצופה-פחמן משפרים עוד יותר את העברת האלקטרונים. רדיד אלומיניום בעובי 10-20 מיקרון מספקים את המשיכות הדרושה לעיבוד אלקטרודה מגלגל לגלגול.
צפיפות אנרגיה וניהול תרמי
שימוש בקולטי זרם אלומיניום קלים ורכיבים מבניים משפר את צפיפות האנרגיה הגרבימטרית של ערכות סוללות, עם עליות מדווחות של כ-15-20% בהשוואה לעיצובים כבדים יותר. המוליכות התרמית של האלומיניום, כ-237 W/(m·K), הופכת אותו ליעיל לקירור צלחות, מחליפי חום ובתי סוללות המווסתים את טמפרטורת התא ומונעים בריחה תרמית. תעלות קירור אלומיניום שחולצות וצלחות קרות הן סטנדרטיות באריזות סוללות לרכב חשמלי, וסגסוגות מסדרת 6xxx בעלת חוזק גבוה יוצרות מארזים קלים המגנים על התאים תוך שחרור מקום לחומרים פעילים. משטחי אלומיניום מצופים אנודייז או מצופים מפחיתים קורוזיה אלקטרוליטים ושומרים על ביצועים יציבים לאורך זמן.
אתגרים ומיצגים
התגובתיות של האלומיניום בכימיה מסויימת מציבה אתגרים. באלקטרוליטים מימיים, כמו בסוללות אוויר-אלומיניום, אלומיניום מגיב עם מים ליצירת אלומיניום הידרוקסיד ומשחרר מימן, אשר מפרק את האנודה; מעכבים והרכבי אלקטרוליטים אופטימליים מפחיתים תגובה טפילית זו. בסביבות עשירות בכלוריד, עלולה להתרחש קורוזיה בבור, וציפויים מגנים כגון שכבות תחמוצת אנודייז או מחסומי תחמוצת גרפן חוסמים את חדירת הכלוריד. במתחים גבוהים, שכבת התחמוצת המבודדת מגבירה את ההתנגדות של המשטחים, אשר מופחתת באמצעות סגסוגות מוליכות או רדיד- מצופה פחמן. קורוזיה גלוונית במערכות מרובות-מתכת נשלטת באמצעות שכבות ביניים מבודדות, ופריקה עצמית-בתאי אוויר-אלומיניום מופחתת באמצעות עיצוב אלקטרוליטים ואנודות בננו.
חידושי סגסוגת וציפוי
חידושים מבוססי אלומיניום-משפרים את ביצועי האנודה והקתודה כאחד. סימום אלומיניום מייצב מבני קתודה על בסיס ניקל-בסוללות אבץ מימיות-ניקל, ומפחית את הפירוק באלקטרוליטים אלקליין. סגסוגות ניקל-אלומיניום משפרות את קינטיקה של תגובה במערכות אלקטרוכימיות הקשורות למימן-. החלפת אלומיניום בתחמוצות שכבות עבור סוללות נתרן- מייצבת את מבנה הגביש ומשפרת את יציבות המחזור, בעוד שציפויים משטחי תחמוצת אלומיניום מדכאים פירוק מנגן ומאריכים את חיי הקתודה. סגסוגות אלומיניום המיוצרות באופן תוסף עם מבנים אוקטיים בקנה מידה ננומטרי מספקות עמידות לזחילה בטמפרטורות גבוהות עבור בתי סוללות ורכיבי ניהול תרמי.
אלומיניום-סוללות אוויר
סוללות אלומיניום-ממנפות את צפיפות האנרגיה האלקטרוכימית הגבוהה של האלומיניום לאחסון אנרגיה ראשונית, אך המסחור עומד בפני מספר מכשולים. קורוזיה טפילית של האנודה גורמת לאובדן קיבולת במהלך האחסון, וסגסוגות מגן או ציפויים מוסיפים עלות ומורכבות. הפחתת חמצן דורשת זרזים יעילים, וחלופות זולות יותר מתכלות במהירות, ומפחיתות את חיי המחזור. תוצרי לוואי של פריקה כגון משקעי אלומיניום הידרוקסיד וסתימת אלקטרודות, הדורשים ניהול אלקטרוליטים, ורוב מערכות האוויר האלומיניום- הן חד פעמיות- מכיוון שחמצון האלומיניום אינו מתהפך בקלות. תשתית לרכיבים סטנדרטיים ומיחזור עדיין מתפתחת, ולכן סוללות אלו מתאימות ביותר ליישומים שבהם חיי מדף ארוכים וצפיפות אנרגיה גבוהה עולים על עלות ההחלפה.
שאלות נפוצות
שאלה 1: מדוע משתמשים באלומיניום במקום בנחושת עבור קולטי זרם קתודה?
אלומיניום מתנגד לקורוזיה בפוטנציאלים הגבוהים של הקתודה שבה נחושת תתחמצן, והוא קל יותר ופחות יקר. נחושת משמשת בצד האנודה, כאשר אלומיניום יסויג עם ליתיום.
ש 2: באיזה עובי של רדיד אלומיניום משתמשים בסוללות?
רדיד אספן זרם קתודה הם בדרך כלל בעובי של 10-20 מיקרון, דקים מספיק כדי למקסם את צפיפות האנרגיה בעוד שהם חזקים מספיק לעיבוד גליל-לגליל.
ש 3: כיצד אלומיניום מסייע בניהול תרמי הסוללה?
המוליכות התרמית הגבוהה של האלומיניום הופכת אותו ליעיל לקירור צלחות, צלחות קרות וגופי קירור שמסירים חום מהתאים, עוזרים במניעת בריחת תרמית והארכת חיי המחזור.
ש 4: האם סוללות אוויר-אלומיניום נטענות?
רוב סוללות האלומיניום המסחריות-האוויר הן מערכות ראשוניות- לשימוש חד פעמי מכיוון שקשה להפוך את תגובת החמצון מאלומיניום. קיימים אבות טיפוס נטענים אך כיום מתמודדים עם יעילות נמוכה וחיי מחזור קצרים.
ש 5: האם ניתן למחזר אלומיניום בסוללה?
כֵּן. ניתן לשחזר רכיבי אלומיניום מסוללות, כולל קולטי זרם, בתים ומבני קירור, באמצעות זרמי מיחזור אלומיניום, התומכים ביעדי כלכלה מעגלית לאחסון אנרגיה.