Pile à air d'aluminium : Comment fonctionnent-elles?
Batteries peuvent être assez lourdes. Ce désavantage empêche les batteries d'être une source d'énergie dans de nombreux appareils et applications où la légèreté est cruciale.
Une batterie aluminium-air surmonte ce problème. Elle utilise l'air comme cathode, réduisant ainsi considérablement son poids.
Dans une batterie aluminium-air, l'aluminium est utilisé comme anode, et l'air (l'oxygène de l'air) est utilisé comme cathode. Cela se traduit par une densité énergétique - c'est-à-dire l'énergie produite par unité de poids de la batterie - très élevée comparativement aux autres batteries conventionnelles.
Malgré cela, la batterie aluminium-air n'est pas produite commercialement, principalement en raison du coût élevé de production de l'anode, ainsi que des problèmes de corrosion de l'anode d'aluminium due au dioxyde de carbone dans l'air. En raison de cela, l'utilisation de cette batterie est principalement limitée aux applications militaires.
La haute densité énergétique de la batterie aluminium-air signifie qu'elles ont un fort potentiel d'utilisation dans les véhicules électriques.
Fabriquer une batterie aluminium-air est assez simple - et peut être fait avec des objets ménagers simples. Nous allons passer en revue un guide DIY (Do It Yourself) pour fabriquer une batterie aluminium-air.
Expérience de Batterie Aluminium-Air
Pour créer cette expérience, nous avons besoin de,
Feuille d'aluminium.
Solution saturée d'eau et de sel
Papier absorbant
Poussière fine de charbon.
Deux petits morceaux de fils électriques et
Un diode électroluminescente.
Procédure de Fabrication d'une Batterie Aluminium-Air Simple
Prenez une feuille d'aluminium et étalez-la sur une table. Dans un pot, préparez une solution saturée d'eau et de sel. Prenez un morceau de papier absorbant. Imbibez le morceau de papier absorbant avec la solution saturée de sel. Étalez ensuite le morceau de papier absorbant imbibé sur la feuille d'aluminium. Saupoudrez ensuite de la poussière fine de charbon sur le papier absorbant. Après avoir placé un fil électrique non isolé dans la poussière de charbon, couvrez-le avec un autre morceau de papier absorbant imbibé de la même taille. Enroulez ensuite le tout de manière à ce que la poussière de charbon ne touche pas directement la feuille d'aluminium et que la partie isolée du fil électrique sorte d'un bout de l'enroulement. Prenez ensuite un autre fil et fixez la partie non isolée du fil à la feuille d'aluminium. Si vous connectez une diode électroluminescente de faible puissance (LED) avec ces deux fils (un du charbon et l'autre de la feuille d'aluminium) et appuyez sur l'enroulement avec vos doigts, la LED s'allumera.
Principe de Fonctionnement de la Batterie Aluminium-Air
Comme indiqué dans la figure, une batterie aluminium-air possède une cathode à air qui peut être fabriquée à partir d'un catalyseur à base d'argent et qui aide à bloquer le CO2 pour entrer dans la batterie mais permet à l'O2 d'entrer dans l'électrolyte. L'oxygène réagit alors avec l'H2O dans la solution d'électrolyte KOH, prend des électrons de la solution et crée des ions OH–. Ces ions se lient ensuite à l'anode d'aluminium et créent de l'Al(OH)3 et libèrent des électrons. Ces électrons circulent ensuite de l'anode à air vers la cathode d'aluminium à travers le circuit externe pour compenser le manque d'électrons dans la solution d'électrolyte dû à la réaction de réduction de la cathode.
Réaction Chimique de la Batterie Aluminium-Air
Quatre atomes d'aluminium réagissent avec 3 molécules d'oxygène et 6 molécules d'eau pour produire 4 hydroxydes d'aluminium.
Équation de la Batterie Aluminium-Air
L'oxydation de l'anode (demi-réaction),
La réduction de la cathode (demi-réaction),
Réaction totale,
Phinergy, une société israélienne bien connue spécialisée dans l'utilisation de batteries métal-air comme la batterie aluminium-air et la batterie zinc-air. La particularité des batteries métal-air est qu'elles prennent leur oxygène de l'air ambiant. La batterie aluminium-air a une très haute densité énergétique, elle peut atteindre 300 Wh par livre d'aluminium. Sa densité de puissance est également très élevée, environ 30 Watt/livre.
Ce type de batterie ne peut pas être rechargée électriquement. Il s'agit fondamentalement d'une batterie primaire. Cependant, la difficulté de recharge peut être surmontée par un processus de recharge mécanique. La recharge mécanique de la cellule aluminium-air est effectuée en remplaçant l'électrode d'aluminium. Dans ce processus, la batterie peut être ramenée à son état complètement chargé à partir d'une pile de cellules déchargées. En raison de sa haute densité énergétique et de puissance, ainsi que de la facilité de recharge mécanique, la batterie aluminium-air pourrait être l'alternative la plus appropriée au carburant pétrolier pour les automobiles dans un avenir proche. Ces batteries ont également un impact environnemental très faible.
Le principal inconvénient de cette technologie est la réaction du CO2 avec l'aluminium. L'aluminium est très facilement affecté par la corrosion en raison de la présence de CO2 dans l'air. Ce problème peut être surmonté en introduisant une électrode spéciale à air qui peut empêcher le CO2 d'atteindre la feuille d'aluminium. Phinergy a développé une électrode à air avec un catalyseur à base d'argent, cette structure permet à l'O2 d'entrer dans la feuille d'aluminium et empêche le CO2 d'entrer.
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