Американские инженеры создали алюминий-воздушный аккумулятор, практически полностью защищенный от саморазряда. Для этого разработчики предложили после использования аккумулятора менять электролит в нем на полимерное масло с помощью помпы. Эксперименты с прототипом показали, что благодаря такой процедуре саморазряд снижается до 0,02 процента в месяц, рассказывают авторы статьи, опубликованной в Science.

Алюминий-воздушный аккумулятор представляет собой гальванический элемент, в котором электрический ток вырабатывается благодаря реакции алюминиевого анода с кислородом из воздуха и водой из электролита. С электрохимической точки зрения такие аккумуляторы одноразовые, однако в конструкции многих из них предусмотрена возможность замены анода для «перезарядки». Главное преимущество таких аккумуляторов перед самыми распространенными типами аккумуляторов, в том числе литий-ионными, заключается в их крайне высокой плотности энергии. Благодаря этому, к примеру, электромобили с такими аккумуляторами могут проезжать несколько тысяч километров на одном цикле работы алюминий-воздушного аккумулятора.

Но из-за не до конца решенных технологических недостатков пока аккумуляторы такого типа не получили широкого распространения. Один из таких недостатков заключается в их быстром саморазряде из-за коррозии алюминиевого анода, который может составлять несколько десятков процентов за месяц. Для решения этой проблемы инженеры предлагали множество решений, таких как легирование электродов или модификация состава электролита, но, как правило, эти методы снижают плотность энергии аккумулятора или другие важные параметры.

Группа инженеров из Массачусетского технологического института под руководством Дугласа Харта (Douglas Hart) предложила новую конструкцию алюминий-воздушного аккумулятора, позволяющую снизить коррозию анода почти до нуля и при этом сохранить высокие характеристики аккумулятора. Разработанный инженерами аккумулятор состоит из анода, сделанного из алюминиевой фольги с чистотой 99,999 процента, и катода, состоящего из углеродных и марганцевых частиц, никелевой сетки и полимерной мембраны, пропускающей кислород из атмосферы. Электроды разделены сепаратором из тефлона, специально обработанного для получения гидрофильных и олеофобных свойств. В качестве электролита используется вода и гидроксид натрия, а также антикоррозийная добавка в виде гексагидроксостанната натрия.

Схема обычного (A) и нового (B и C) алюминий-воздушного аккумулятора/Brandon Hopkins et al. / Science, 2018

Принцип предотвращения коррозии анода заключается в том, что после использования аккумулятора в полость между анодом и сепаратором, где обычно располагается электролит, закачивается перфторполиэфировое масло. На прокачивание масла до практически полного удаления электролита требуется 50 секунд и 50 милливатт мощности. При необходимости использовать аккумулятор происходит обратный процесс и в рабочую область закачивается электролит.

Распределение массы в аккумуляторе/Brandon Hopkins et al. / Science, 2018

Разработчики провели четырехнедельный эксперимент, сравнивая работу нового аккумулятора и обычного алюминий-воздушного аккумулятора без замены электролита на масло. Каждый будний день они включали аккумуляторы на пять минут и снимали показания. В результате обычный аккумулятор перестал работать через три дня, а новый продержался 24 дня, выдавая в рабочие периоды напряжение 1,22 вольта. Согласно расчетам инженеров, максимальная плотность энергии нового аккумулятора составляет 900 ватт-часов на килограмм.