Перейти к содержимому
Форум химиков на XuMuK.ru
  • Сейчас на странице   0 пользователей

    Нет пользователей, просматривающих эту страницу

dk_

Электролит для алюминиево-ионной батареи

Рекомендуемые сообщения

Здравствуйте!

 

Прочитал недавно статью о разработке алюминиево-ионной батареи, использующей в качестве электролита ионную жидкость и безводный хлористый алюминий. Материал катода - секрет фирмы, пишут что графит, скорее всего это или графитовая фольга или углеткань.

 

Алюминий-ионные батареи со сверхбыстрой зарядкой

 

Вообще такие статьи уже достаточно давно появляются

 

Батареи с ионной жидкостью – прорыв среди аккумуляторов

 

 

 

Вот тут есть маленькая картинка, на которой весь процесс показан со всеми формулами, если увеличить, то все детали достаточно разборчиво видны - http://www.nature.com/nature/journal/v520/n7547/carousel/nature14340-f1.jpg

 

nature14340-f1.jpg

 

Это иллюстрация из статьи - An ultrafast rechargeable aluminium-ion battery

 

 

 

Я хотел спросить - можно ли заменить ионную жидкость использованную в эксперименте ( 1-этил-3-метилимидазолий хлорид ([EMIm]/Cl) ) смесью диэтилового эфира с безводным хлористым алюминием (AlCl3)?

 

Вроде бы пишут, что использование электролита из безводного хлористого железа и этилового эфира достаточно широко применяется для гальванического покрытия алюминием, то есть в принципе должно работать.

 

Я бы использовал те же реактивы, что описаны в статье, но они малость дороговаты для экспериментов из чистого любопытства. Нашел вот такой приблизительный аналог и хотел бы узнать - можно ли такой электролит использовать как замену ионной жидкости в алюминиево-ионной батарее?

 

В химии я, если что, чайник, нутром чую, что скорее всего полуреакции на катоде и аноде будут другие, но доказать не могу :) Решил спросить у тех кто разбирается.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение

Вы практически этим хотите заниматься? Проводимость растворов в эфире довольно низка для работы нормального аккумулятора (у него низкое значение диэлектрической постоянной), но для чистого любопытства - а кто запрещает? Но аккум будет маломощным - не позволит снимать большие токи (если вообще будет...)

 

Материал катода - да, это важно. Графит и разные его ипостаси применяются в литий-ионных аккумуляторах, поскольку могут интеркалировать литий между слоев графита. В последнее время для этого предлагают кремний (хотя это явно дороже). Будет ли между слоев графита лезть алюминий, я просто не знаю. Может.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение

Вот здесь написано про различные составы, в основном водные, но неводные также имеются "Использование алюминия в низкотемпературных химических источников тока" А. М. Скундин.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение

Вы практически этим хотите заниматься?

 

Надо как proof of concept. Если будет фурычить, то можно попробовать начать головомойку с имидазолиевыми катионами и прочими ужасами. Их вроде используют в целлюлозном производстве, но цены какие-то совершенно негуманные на них. Вроде ничего сложного - катион из имидазола с дополнительными группами и анион в виде хлорида, а цена чуть ли не на вес драгметалла. Наверное редко используется просто.

 

Мне это стало интересно потому что я насмотрелся как делают воздушно-алюминиевые элементы питания. Там все очень просто:

 

1) Лист алюминиевой фольги

2) Лист промокательной бумаги

3) Графитовая крошка или толченый активированный уголь

4) 12-15% раствор поваренной соли

5) Два провода - один к фольге, второй в углеродный электрод.

 

Всё. Собирается вот так - 

 

С ионной жидкостью в виде 1-этил-3-метилэмидазолия хлорида это не намного сложнее:

 

 

вся сложность с получением этого имидазолиевого хлорида. Если бы их продавали хотя бы по 25 грамм, жаба бы не так душила, а так почти 1000 евро за 250 гр. - дороговато. А меньше пока не нашел.

 

Но аккум будет маломощным - не позволит снимать большие токи (если вообще будет...)

 

Ну то есть в принципе можно сделать электролит в виде раствора хлорида алюминия в этиловом эфире, залить его в воздушно-алюминиевый элемент и попробовать потыкать в него крокодилами? В смысле такая конструкция в принципе может и позволить себя перезарядить?

 

Вот здесь написано про различные составы, в основном водные, но неводные также имеются "Использование алюминия в низкотемпературных химических источников тока" А. М. Скундин.

 

Ok, спасибо.

 

Ага, вот кажется это должно подойти:

 

 

Из других систем подходящими свойствами (термостабильностью, способностью растворять многие соли металлов, слабой координацией к ионам металлов) обладает такой растворитель как диметилсульфоксид. В смеси AlCl3-LiCl (2:1), растворенной в диметилсульфоксиде, алюминий обратимо осаждается и растворяется, что позволяет считать этот растворитель подходящим для перезаряжаемых алюминиевых элементов.

 

 

 

http://www.sgu.ru/sites/default/files/journal/izvestia/pdf/2013/12/27/20050101.pdf

Вот еще важные детали:

 

Aluminum non-aqueous electrolyte secondary cell 

 

Abstract

An aluminum non-aqueous electrolyte secondary cell having excellent rechargeable characteristics and comprising an aluminum or an aluminum alloy negative electrode, characterized in that it comprises a negative electrode made from aluminum or an aluminum alloy, a non-aqueous electrolyte containing a non-aqueous solvent with an aluminum halide and an organic halide dissolved therein, and a positive electrode containing FeS.sub.2 as the active material.

Inventors: Noda; Kazuhiro (Kanagawa, JP), Endo; Eishi (Kanagawa, JP), Takahashi; Kenichi (Kanagawa, JP) Assignee: Sony Corporation (Tokyo, JP)  Appl. No.: 08/409,033 Filed: March 23, 1995

 

US Patent # 5,554,458. Aluminum non-aqueous electrolyte secondary cell - Patents.com

 

То есть состав электролита такой как приведен выше, анод - алюминий или его сплав (то есть можно просто алюминий). А вот с катодом немного сложнее - он должен содержать в качестве активного вещества FeS2, вот как описан приблизительный состав такого электрода в статье А.М.Скундина:

 

Катодом служит пирит FeS2, дешевый материал, который в отличии от MnO2, обладает в данных условиях хорошими зарядно-разрядными характеристиками (его применяют в смеси с графитом и политетрафторэтиленом).

 

 

Политетрафторэтилен сейчас чаще всего называют фторопластом. Пирит - железный колчедан. Только не совсем понятно как такой электрод собирать, но скорее всего размолоть и смешать. Или пирит с графитом смешать и завернуть во фторопласт. В общем надо поискать еще.

Ага, ну вот, как я и говорил:

 

EXAMPLE 

A mixture comprising 85% by weight of pyrite (FeS.sub.2) as the activating material, 10% by weight of graphite as the electrically conductive material, and 5% by weight of pulverized polytetrafluoroethylene as the binder was shaped under pressure into a Mo current collector to obtain a positive electrode.

US Patent # 5,554,458. Aluminum non-aqueous electrolyte secondary cell - Patents.com

 

То есть берется 85% по весу порошка пирита, 10% по весу графитового порошка и 5% фторопластового порошка, как связующее, все перемешивается и прессуется/спекается в электрод.

 

Ну, в принципе не очень сложно. Я думаю к самодельщикам копирасты даже по закону никаких претензий иметь не могут.

И вот тут еще похоже список подходящих ионных жидкостей:

 

Specifically mentioned as the quaternary ammonium salt are, for example,

tetramethylammonium chloride,

trimethylethylammonium chloride,

trimethylphenylammonium chloride,

trimethylbenzylammonium chloride,

tetraethylammonium chloride,

triethylmethylammonium chloride,

triethylphenylammonium chloride,

triethylbenzylammonium chloride,

N,N-dimethylpyrrolidinium chloride,

N-n-butylpyridinium chloride,

and 1-ethyl-3-methylimdazolium chloride. 

Изменено пользователем dk_

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение

Ой, ну че вы ведесь на эти буржуинские изыски - им же науку надо "подвигать" и гранты получить, а не дело сделать, чего ведетесь-то...

 

Проще надо жить, проще, и без всякой интеркаляции(кстати от какого русского корня словечко? ;) ) ;)

 

 

Найдите обычный рецепт алюминиевой гальваники - там вроде тупо ксилол использовался - но были вроде грабли с изомерами и расслоением электролита(точно помню статья была в каком-то толстом российском околонаучном сборнике, я из него 99% бумаги по прямому назначению пустил, на большее он не пригоден был, как и вся совковая наука ;)  Но местами было и несколько полезных статей - вроде этой - хотя конечно на науку они не тянули и не понимаю как туда вообще прошли.. но это были единственно полезнные статьи во всем сборнике ;) )

 

Vladimir

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение

Ой, ну че вы ведесь на эти буржуинские изыски - им же науку надо "подвигать" и гранты получить, а не дело сделать, чего ведетесь-то...

 

Проще надо жить, проще, и без всякой интеркаляции(кстати от какого русского корня словечко? ;) ) ;)

 

 

Найдите обычный рецепт алюминиевой гальваники - там вроде тупо ксилол использовался - но были вроде грабли с изомерами и расслоением электролита(точно помню статья была в каком-то толстом российском околонаучном сборнике, я из него 99% бумаги по прямому назначению пустил, на большее он не пригоден был, как и вся совковая наука ;)  Но местами было и несколько полезных статей - вроде этой - хотя конечно на науку они не тянули и не понимаю как туда вообще прошли.. но это были единственно полезнные статьи во всем сборнике ;) )

 

Vladimir

 

Не, ну подождите, у алюминиевой гальваники одна проблема - восстановление алюминия. По удельной плотности энергии первичные алюминиевые элементы в несколько раз лучше литий-ионных. Вы хотите сказать что у вас есть рецепт водного электролита для перезаряжаемого алюминиевого гальванического элемента? И молчите? Так делитесь скорее, а то по ксилолу ничего не находится :)

 

По-моему очень перспективное направление, если удастся повторить фокус стендфордских исследователей - очень простые в изготовлении, безопасные и недорогие аккумуляторы, в кустарном исполнении не уступающие свинцово-кислотным, а в более продвинутом - литий-ионным. А то все вложились в литий/кадмий/свинец а на алюминий с ионными жидкостями забили. Вот оно и не растет. А так - мечта самодельщика. Можно например делать источники питания в любом форм-факторе. Воздушно-алюминиевые тоже можно, но у них задолбаешься аноды менять.

А еще, используя электролит из диметилсульфоксида с безводным хлористым алюминием и безводным хлористым литием можно трибогальванически осаждать люминь, или наоборот - стирать. Очень удобно.

 

Забыл добавить - диметилсульфоксид еще называют димексидом, он продается в аптеках как противовоспалительное средство для наружного применения. Только нужен не водный раствор, а 100%, обычно он так и идет, а в инструкции указывается в каких пропорциях его разбавлять, но лучше уточнять.

 

А хлорид алюминия используется чаще всего в стоматологии как гемостатический препарат, так и называется - гемостат. Жаль никак его оттуда не достанешь чтобы без воды. Безводный технический продают бочками по 250кг. Вот, спрашивается, зачем мне бочка?

 

______________________________________________________________________________________

 

Правда есть одна трудность:

 

В смеси AlCl3-LiCl (2:1), растворенной в диметилсульфоксиде, алюминий обратимо осаждается и растворяется, что позволяет считать этот растворитель подходящим для перезаряжаемых алюминиевых элементов (на примере β -фазы сплава Li-Al)[66].

 

 

Похоже что для безводного электролита на основе димексида нужен анод в виде алюминиево-литиевого сплава. Ну, для меня в принципе не проблема расплавить алюминий в микроволновке и легировать его 2% лития, добытого из батареек :) Но это конечно несколько усложняет задачу и делает результат не таким красивым, как при чистых графитовом и алюминиевом электродах. В любом случае можно будет сначала попробовать с чисто алюминиевым электродом.

_________________________________________________________________________________________

 

Вопрос знатокам: если электропроводность раствора NaCl в димексиде приблизительно в 2,5-3 раза хуже чем электропроводность водного раствора соли - это к чему? Делать было нечего, растворил в воде немного соли и в димексиде, а потом потыкал мультиметром. В димексиде соль растворяется плохо, но растворяется.

Изменено пользователем dk_

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение

Ну что за люди. Просил безводный хлорид алюминия, прислали шестиводный гидрат. Вот кто они после этого? Балбесы они. Ну что делать, смешал с димексидом и залил в батарейку из фольги, промокашки и толченого активированного угля. Где-то за три-четыре минуты током 3,3В заряжается до 1В, потом в течении 2-3 минут сам разряжается где-то до 0,06В. Наверное просто фиговый конденсатор получился.


А вообще, похоже что работает, только напряжение очень маленькое - где-то 0,1-0,06В. Надо батарею из таких пакетов набрать, на лампочках с моторчиками проверить.


А вот еще что пишут:

 

High strength steel has been coated electrochemically by Al in an acidic ionic liquid composed of 1-ethyl -3- methylimidazolium chloride and AlCl3.

 

 

То есть это уже известный способ нанесения гальванических покрытий из алюминия.

 

http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/294713

 

Но цены там - это за угол забежать, 100 евро за 100 грамм хлорида. Правда чистота 99,99%, но все равно, ему красная цена - 50 центов за кило. Хотя с другой стороны это хорошо - на хлорид 1-этил-3-метилимидазолия 95% цены примерно такие же - 1кг 420 евро, а 100грамм - 140 евро (http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/30764). То есть это все продиктовано лабораторными нормами отпуска. Неплохо. Глядишь и правда взлетят эти батарейки.

 

О, вот даже готовый электролит продается:

 

742872 ALDRICH

 

1-Ethyl-3-methylimidazolium chloride-aluminum chloride  

 

Synonym: AICl3-EMIC, Aluminum chloride-1-Ethyl-3-methylimidazolium chloride, EMIM Cl AlCl3

 
  • Linear Formula (C6H11ClN2)2 · (AlCl3)3

  • Molecular Weight 693.26

 

Price and Availability

 

SKU-Pack Size       Availability                                                        Price (EUR) Quantity    

742872-100G         Estimated to ship on 31.08.15                               244.50

 

742872-1KG          Only 1 left in stock (more on the way) -FROM     725.00

 

 

 

 

 

 

 

 

А в качестве катода могли еще пористый графит использовать:

 

Carbon Nanofoam

 

Properties of Nanocellular Carbon Foam

 

Properties of Carbon Nanofoam

Available Ranges Density 0.25 - 1.0 g/cm3

Surface Area, BETtd> 400 m2/g*

Avearge Pore Size 0.7 nm*

Electrical Resistivity 0.010 - 0.040 ohm-cm

Capacitance 30 F/g*

Thermal Conductivity 0.089 W/m°K**

Gas Permeability 1.47 x 10-10** * at Density of 0.8 g/cm3 * at Density of 0.26 g/cm3 * Measured at room temperature in helium
 

 

Не сказать, чтоб совсем задаром, но в принципе достаточно доступно:

 

Carbon Paper: 3.5" x 10"
Paper Grades

 
Type 1

5 sheets        $132.00

10 sheets      $198.00

50 sheets      $627.00

100 sheets    $1188.00

 
Type 2

5 sheets        $165.00

10 sheets      $247.50

50 sheets      $781.00

100 sheets    $1485.00

 

https://mkt-intl.com/materials/aerogel/order-form/


Вообще я читал срачи дискуссии по поводу этих элементов на англоязычных сайтах, там оппоненты иногда напирали на то, что это не аккумулятор, а суперконденсатор. Теперь понятно почему - у него скорее всего в качестве катода используется углеродный аэрогель, как в ионисторах. Но ионисторы могут перезаряжаться до опупения, ни о каком ограничении на 7500 циклов перезаряда речи не идет. Стало быть это все-таки обычный аккумулятор с "ионисторным" катодом, а его преимущество перед сегодняшними ионисторами в удельной емкости и наверное еще в низком саморазряде. То есть теоретически это аккумулятор с удельной плотностью энергии равной удельной плотности свинцово-ксилотного аккумулятора, но заряжающийся за несколько минут и обладающий примерно в десять раз более длительным сроком службы.


Вообще, графитовый аэрогель с площадью поверхности 400м2/г получить конечно непросто, но пишут что всякие органические материалы вроде тростникового сахара или древесины можно прожарить в печке и получить площадь поверхности до 100-150м2/г.

Изменено пользователем dk_

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение

Ну в общем первый опыт смешивания димексида с тем, что по идее должно быть хлоридом алюминия, выглядит немного не так, как по идее это должно выглядеть, то есть просто раствориться и все. Вместо этого то, что должно быть хлоридом алюминия (сухие продолговатые изогнутые комки желтоватого цвета размером от 0,5 до 1,5 см., дымящие на воздухе с резким едким запахом хлорки), после смешивания с димексидом выдали такую реакцию, что я долго не знал как потушить стакан, служивший пробиркой. Потом накрыл стеклянной банкой и гореть перестало, образовав пористую сырую липкую массу серого цвета, так же дымящую на воздухе с выделением не менее резко пахнущего пара/дыма (чувствовалось через респиратор). Масса хорошо растворилась в воде и в таком виде была отправлена в канализацию. Димексида было около 20мл, хлорида - чайная ложка. Я наверное с хлоридом переборщил? А так бы оно пошипело немного и успокоилось, а не стало фейерверк устраивать?

 

Вонь после этих опытов стоит конечно знатная - похоже на смесь хлорки с карбидом.


UPD. Да, надо было просто не сыпать столько хлорида. Правда растворяется он в димексиде плохо, и вообще непонятно какая часть "хлорида" растворяется, потому что там наверняка уже и другие соединения образовались и при растворении начинается реакция с выделением газа (и тепла). Но если положить в 25мл. димексида крупинку размером 2х3х4 мм., то гореть и шипеть оно не будет, а образует полупрозрачный, молочного оттенка раствор с белым комковатым осадком. Фиг его знает что это такое получилось, если раствор AlCl3 в диметилсульфоксиде, тогда оk, можно заливать в батарею, а если нет - ну тогда тоже можно заливать в батарею, просто она работать не будет.

 

Хотя я уже находил несколько англоязычных источников, где такой раствор хлорида алюминия в димексиде использовали как электролит для нанесения алюминиевых покрытий. Но там про такие ужасы никто ничего не писал. Вот например тут - Electrodeposition of Aluminum Layers with Controlled Structures from Dimethylsulfone-based Baths (Fabrication of bright aluminum coatings and porous aluminum layers by electrodeposition)


Ладно, ну их нафиг эти опыты, проще готовый электролит купить.


А графитовый электрод с развитой поверхностью (теоретически до 500м2/гр) без аэрогелей можно получить из порошка терморасщепленного (терморасширенного) графита (используется для производства огнеупорных красок, сорбентов и изоляционных материалов), если нагреть его например в железной ложке над горелкой (пока он не распухнет), а потом аккуратно спрессовать в необходимую форму уменьшив в объеме приблизительно в два раза. Он сохраняет проницаемость и при этом относительно неплохо держит форму без связующих. Если завернуть его в мембрану или поместить в жесткий ячейистый корпус из пластика то получится хороший самодельный электрод с площадью поверхности близкий к аэрогелевому.

Изменено пользователем dk_
  • Like 1

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение

Замена хлорида алюминия БВ. на его гидрат в химии это как .. ээ замена пива на мочу.

Попробуйте на каком-нибудь хлориде магния или цинка бв потренироваться, они доступные.

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение

Замена хлорида алюминия БВ. на его гидрат в химии это как .. ээ замена пива на мочу.

Попробуйте на каком-нибудь хлориде магния или цинка бв потренироваться, они доступные.

 

Вот у меня сейчас обратный процесс происходит и разница примерно такая же :) Хотя воняет этот новый электролит так, что скоро ассинезаторы прибегут (мухи уже слетелись). Но вообще результаты довольно интересные. Похоже что это действительно безводный хлорид, просто его слишком часто открывали. Я заменил в батарейке порошковый катод (размолотый активированный уголь) на графитовую фольгу толщиной примерно 1мм. из прессованного терморасщепленного графита, а всю остальную конструкцию оставил такой же. Если раньше батарейки держали заряд 0,1В, то сейчас они держат заряд около 1В. И держат уже довольно долго. Я сейчас доделаю третью батарейку, включу их в параллель и подключу к ним светодиод - интересно сколько времени он продержится. Судя по тому сколько он уже "тлеет" от двух батареек - есть надежда что от трех он будет светить поярче и подольше.

 

А вообще конечно лучше такие вещи (электролит) готовить имея хоть какой-то опыт и знания, а не вот так, как обычно :)

Не, фигня, не светит как предполагалось. Скорее всего это из-за электролита, потому что на третью батарейку у меня уже чистого электролита не хватило и я забирал со второй фракцией. Электролит после отстаивания расслаивается на две фракции - верхняя мутноватый бесцветный раствор и вторая молочно-белая взвесь не-пойми-чего. Делится примерно пополам. На первые две батарейки пошла верхняя фракция, а на третью уже вперемешку первая и вторая. Скорее всего из-за этого и такой результат не впечатляющий. надо еще набодяжить этого зелья. Ну это уже потом как-нибудь. Три батарейки подключенные последовательно (я там обшибся выше - не параллельно а последовательно) дают напряжение 1,8В. Кто-то сачкует, короче.

 

В общем похоже что действительно использование в электролитах с хлоридом алюминия неводных растворителей и графитовых катодов с интеркалированием в графит хлоридов и с осаждением на анод алюминия - вполне себе не очередной враньюз, а очень даже рабочая схема, объединяющая в себе достоинства суперконденсаторов и аккумуляторов. Не знаю, получится ли у меня собрать такое на уровне рабочего элемента питания из дешевых компонентов (диметилсульфоксид вместо хлорида 1-этил-3-метилимидазолия), но пока тенденция вполне положительная.

 

Гораздо проще конечно купить сразу готовый имидазолиевый электролит с растворенным в нем хлоридом алюминия (ссылку я выше приводил) и налепить из него батареек. Но похоже покупка этого реактива обойдется в не меньшую головомойку чем поиск замены для безводного растворителя.

 

Короче похоже что вполне рабочая штука, можно пробовать собрать самому. Я еще немного над ней поиздеваюсь, сейчас надо выяснить какая у них емкость и скорость заряда. Пока что больше одной-двух минут не заряжал. И еще я не знаю нафига я это делаю, но я в каждый электролит добавляю поваренную соль. Ну то есть теперь-то знаю, но просто раньше добавлял от балды. Надо это для того, чтобы при осаждении алюминия на аноде формировалось рыхлое пористое покрытие, больше будет контакт с электролитом. Лучше если соль размолота практически в пудру. А, нет, вру, не от балды, я поначалу рассчитывал на то, что им возможно получится заменить хлорид лития. Но как сейчас видно хлорид лития тут вроде пока не нужен.

 

post-112796-0-41111200-1436571356_thumb.jpg

Изменено пользователем dk_

Поделиться сообщением


Ссылка на сообщение

Создайте аккаунт или войдите в него для комментирования

Вы должны быть пользователем, чтобы оставить комментарий

Создать аккаунт

Зарегистрируйтесь для получения аккаунта. Это просто!

Зарегистрировать аккаунт

Войти

Уже зарегистрированы? Войдите здесь.

Войти сейчас

×