Aluminium-Luft-Batterie: Wie funktionieren sie?
Batterien können ziemlich schwer sein. Dieser Nachteil verhindert, dass Batterien in vielen verschiedenen Geräten und Anwendungen als Energiequelle verwendet werden, bei denen ein geringes Gewicht entscheidend ist.
Eine Aluminium-Luft-Batterie überwindet dieses Problem. Sie verwendet Luft als Kathode, was ihr Gewicht erheblich reduziert.
In einer Aluminium-Luft-Batterie wird Aluminium als Anode und Luft (das Sauerstoff in der Luft) als Kathode verwendet. Dies führt zu einer sehr hohen Energiedichte – also Energie pro Gewichtseinheit der Batterie – im Vergleich zu anderen herkömmlichen Batterien.
Trotzdem wird die Aluminium-Luft-Batterie nicht kommerziell produziert, hauptsächlich aufgrund der hohen Produktionskosten der Anode sowie Problemen mit der Korrosion der Aluminium-Anode durch Kohlendioxid in der Luft. Daher beschränkt sich die Nutzung dieser Batterie hauptsächlich auf militärische Anwendungen.
Die hohe Energiedichte der Aluminium-Luft-Batterie bedeutet, dass sie ein hohes Potenzial für den Einsatz in Elektrofahrzeugen haben.
Die Herstellung einer Aluminium-Luft-Batterie ist recht einfach – und kann mit einfachen Haushaltsgegenständen durchgeführt werden. Wir werden eine DIY (Do It Yourself)-Anleitung zur Herstellung einer Aluminium-Luft-Batterie durchgehen.
Aluminium-Luft-Batterie-Experiment
Für die experimentelle Herstellung benötigen wir,
Aluminiumfolie.
Sättigtes Salzwasser
Filterpapier
Feiner Kohlenstaub.
Zwei kurze Stücke elektrischer Drähte und
Einen leuchtenden Dioden (LED).
Verfahren zur Herstellung einer einfachen Aluminium-Luft-Batterie
Nehmen Sie ein Stück Aluminiumfolie und legen Sie es auf einen Tisch. In einem Topf bereiten Sie eine sättigte Salzwasserlösung zu. Nehmen Sie ein Stück Filterpapier. Tauchen Sie das Filterpapier in die sättigte Salzlösung. Dann legen Sie das getränkte Filterpapier über die Aluminiumfolie. Streuen Sie nun etwas feinen Kohlenstaub auf das Filterpapier. Legen Sie einen nicht isolierten Draht in den Kohlenstaub und bedecken Sie ihn mit einem weiteren Stück salzgetränktem Filterpapier gleicher Größe. Rollen Sie das Ganze jetzt so fest, dass kein Kohlenstaub direkt die Aluminiumfolie berührt und der isolierte Teil des Drahtes aus einem Ende der Rolle herauskommt. Nehmen Sie jetzt einen weiteren Draht und befestigen Sie den nicht isolierten Teil des Drahtes an der Aluminiumfolie. Wenn wir jetzt eine niedrig belastete Leuchtdiode (LED) mit diesen beiden Leitern (einem vom Kohlenstaub und dem anderen von der Aluminiumfolie) verbinden und die Rolle mit unseren Fingern drücken, wird die LED leuchten.
Funktionsprinzip der Aluminium-Luft-Batterie
Wie in der Abbildung rechts gezeigt, hat eine Aluminium-Luft-Batterie eine Luft-Kathode, die aus silberbasierter Katalysator hergestellt sein kann und hilft, CO2 daran zu hindern, in die Batterie einzudringen, aber sie lässt O2 in das Elektrolyt eindringen. Dann reagiert dieses Sauerstoff mit H2O in KOH-Elektrolytlösung, nimmt Elektronen aus der Lösung und erzeugt OH–-Ionen. Diese Ionen assoziieren dann mit der Aluminium-Anode und bilden Al(OH)3 und geben Elektronen ab. Diese Elektronen fließen dann von der Luft-Kathode über die externe Schaltung zur Aluminium-Anode, um den Mangel an Elektronen in der Elektrolytlösung aufgrund der Reduktionsreaktion der Kathode auszugleichen.
Chemische Reaktion der Aluminium-Luft-Batterie
Vier Aluminium-Atome reagieren mit drei Sauerstoff-Molekülen und sechs Wassermolekülen und produzieren vier Aluminiumhydroxide
Gleichung der Aluminium-Luft-Batterie
Die Anoden-Oxidation (Halbzellenreaktion),
Die Kathoden-Reduktion (Halbzellenreaktion),
Gesamtreaktion,
Phinergy, ein bekannter israelischer Entwickler, konzentriert sich auf die Nutzung von Metall-Luft-Batterien wie Aluminium-Luft-Batterien und Zink-Luft-Batterien. Das Besondere an Metall-Luft-Batterien ist, dass sie Sauerstoff aus der Umgebungsluft aufnehmen. Die Aluminium-Luft-Batterie hat eine sehr hohe Energiedichte, die bis zu 300 Wh pro Pfund Aluminium beträgt. Ihre Leistungs-Dichte ist ebenfalls sehr hoch, etwa 30 Watt/Pfund.
Diese Art von Batterie kann nicht elektrisch wieder aufgeladen werden. Grundsätzlich handelt es sich um eine Primärzelle. Allerdings kann die Schwierigkeit des Wiederaufladens durch mechanisches Wiederaufladen überwunden werden. Das mechanische Wiederaufladen der Aluminium-Luft-Zelle erfolgt durch den Austausch der Aluminium-Elektrode. Durch diesen Prozess kann die Batterie von einer entladenen Zellenstapelung in ihren vollständig geladenen Zustand zurückversetzt werden.
Aufgrund ihrer hohen Energiedichte und Leistungsdichte sowie der Möglichkeit des mechanischen Wiederauf ladens könnte die Aluminium-Luft-Batterie in naher Zukunft die am besten geeignete Alternative zum Erdöl für Automobile sein. Diese Batterien haben auch einen sehr geringen Umweltimpact.
Der Hauptnachteil dieser Technologie ist die Reaktion von CO2 mit Aluminium. Aluminium wird sehr leicht durch Korrosion beeinträchtigt, wenn CO2 in der Luft vorhanden ist. Dieses Problem kann durch die Einführung einer speziellen Luft-Elektrode überwunden werden, die CO2 daran hindert, die Aluminiumplatte zu erreichen. Phinergy hat eine Luft-Elektrode mit silberbasierter Katalysator entwickelt, die diese Struktur ermöglicht, dass O2 in die Aluminiumplatte eindringen kann und CO2 daran hindert, einzudringen.
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