Batterie aluminium-air - Aluminium–air battery

Batterie aluminium-air
Énergie spécifique 1300 (pratique), 6000/8000 (théorique) W·h /kg
Densité d'énergie N / A
Puissance spécifique 200 W /kg
Tension nominale de la cellule 1,2 V

Les batteries aluminium-air ( batteries Al-air) produisent de l'électricité à partir de la réaction de l' oxygène de l' air avec l' aluminium . Elles ont l'une des densités d'énergie les plus élevées de toutes les batteries, mais elles ne sont pas largement utilisées en raison des problèmes de coût élevé des anodes et d'élimination des sous-produits lors de l'utilisation d'électrolytes traditionnels. Cela a limité leur utilisation à des applications principalement militaires. Cependant, un véhicule électrique avec des batteries en aluminium a le potentiel jusqu'à huit fois l'autonomie d'une batterie lithium-ion avec un poids total nettement inférieur.

Les batteries aluminium-air sont des piles primaires , c'est-à-dire non rechargeables. Une fois que l'anode en aluminium est consommée par sa réaction avec l'oxygène atmosphérique au niveau d'une cathode immergée dans un électrolyte à base d'eau pour former de l'oxyde d' aluminium hydraté , la batterie ne produira plus d'électricité. Cependant, il est possible de recharger mécaniquement la batterie avec de nouvelles anodes en aluminium issues du recyclage de l'oxyde d'aluminium hydraté. Un tel recyclage serait essentiel si les batteries aluminium-air devaient être largement adoptées.

Les véhicules à moteur en aluminium font l'objet de discussions depuis plusieurs décennies. L'hybridation atténue les coûts et, en 1989, des essais sur route d'une batterie hybride aluminium-air/ plomb-acide dans un véhicule électrique ont été signalés. Une fourgonnette hybride rechargeable alimentée en aluminium a été présentée en Ontario en 1990.

En mars 2013, Phinergy a publié une démonstration vidéo d'une voiture électrique utilisant des cellules aluminium-air parcourue 330 km à l'aide d'une cathode spéciale et d'hydroxyde de potassium. Le 27 mai 2013, le journal télévisé du soir de la chaîne israélienne 10 a montré une voiture avec une batterie Phinergy à l'arrière, revendiquant une autonomie de 2 000 kilomètres (1 200 mi) avant que le remplacement des anodes en aluminium ne soit nécessaire.

Électrochimie

La demi-réaction d' oxydation de l' anode est Al + 3OH
Al(OH)
3
+ 3e -2,31 V.

La demi-réaction de réduction cathodique est O
2
+ 2H
2
O
+ 4e 4OH
+0.40V.

La réaction totale est 4Al + 3O
2
+ 6H
2
O
4Al(OH)
3
+2,71 V.

Une différence de potentiel d' environ 1,2 volt est créée par ces réactions et est réalisable en pratique lorsque l'hydroxyde de potassium est utilisé comme électrolyte. L'électrolyte d'eau salée atteint environ 0,7 volts par cellule.

La tension spécifique de la cellule peut varier en fonction de la composition de l'électrolyte ainsi que de la structure et des matériaux de la cathode.

D'autres métaux peuvent être utilisés de manière similaire, tels que le lithium-air , le zinc-air , le manganèse-air et le sodium-air, certains avec une densité énergétique plus élevée. Cependant, l'aluminium est attrayant en tant que métal le plus stable.

Commercialisation

Problèmes

L'aluminium comme "carburant" pour les véhicules a été étudié par Yang et Knickle. En 2002, ils concluent :

Le système de batterie Al/air peut générer suffisamment d'énergie et de puissance pour les autonomies et l'accélération similaires aux voitures à essence... le coût de l'aluminium comme anode peut être aussi bas que 1,1 USD/kg tant que le produit de réaction est recyclé . L'efficacité énergétique totale pendant le processus du cycle dans les véhicules électriques (VE) Al/air peut être de 15 % (étape actuelle) ou de 20 % (projetée), comparable à celle des véhicules à moteur à combustion interne (ICE) (13 %). La densité énergétique de la batterie de conception est de 1300 Wh/kg (présent) ou 2000 Wh/kg (projeté). Le coût du système de batterie choisi pour l'évaluation est de 30 USD/kW (présent) ou de 29 USD/kW (projeté). Une analyse du cycle de vie des VE Al/air a été menée et comparée aux VE plomb/acide et nickel métal hydrure (NiMH). Seuls les véhicules électriques Al/air peuvent avoir une autonomie de déplacement comparable à celle des ICE. D'après cette analyse, les VE Al/air sont les candidats les plus prometteurs par rapport aux ICE en termes d'autonomie, de prix d'achat, de coût du carburant et de coût du cycle de vie.

Des problèmes techniques restent à résoudre pour rendre les batteries Al-air adaptées aux véhicules électriques. Les anodes en aluminium pur sont corrodées par l'électrolyte, de sorte que l'aluminium est généralement allié avec de l'étain ou d'autres éléments. L'alumine hydratée qui est créée par la réaction cellulaire forme une substance semblable à un gel à l'anode et réduit la production d'électricité. C'est une question abordée dans les travaux de développement sur les cellules Al-air. Par exemple, des additifs qui forment l'alumine sous forme de poudre plutôt que de gel ont été développés.

Les cathodes à air modernes se composent d'une couche réactive de carbone avec un collecteur de courant à grille de nickel , un catalyseur (par exemple, du cobalt ) et un film de PTFE hydrophobe poreux qui empêche les fuites d'électrolyte. L'oxygène de l'air traverse le PTFE puis réagit avec l'eau pour créer des ions hydroxyde. Ces cathodes fonctionnent bien mais elles peuvent être chères.

Les batteries Al-air traditionnelles avaient une durée de vie limitée car l'aluminium réagissait avec l'électrolyte et produisait de l'hydrogène lorsque la batterie n'était pas utilisée, bien que ce ne soit plus le cas avec les conceptions modernes. Le problème peut être évité en stockant l'électrolyte dans un réservoir à l'extérieur de la batterie et en le transférant dans la batterie lorsqu'il est nécessaire pour l'utiliser.

Ces batteries peuvent être utilisées, par exemple, comme batteries de réserve dans les centraux téléphoniques et comme sources d' alimentation de secours .

Les batteries aluminium-air peuvent devenir une solution efficace pour les applications marines pour leur haute densité énergétique, leur faible coût et l'abondance d'aluminium, sans émissions au point d'utilisation (bateaux et navires). Phinergy Marine , RiAlAiR et plusieurs autres sociétés commerciales travaillent sur des applications commerciales et militaires en milieu marin.

La recherche et le développement sont en cours sur des électrolytes alternatifs plus sûrs et plus performants tels que les solvants organiques et les liquides ioniques.

Voir également

Les références

Liens externes