Batteria all'alluminio e aria: Come funzionano?
Batterie possono essere piuttosto pesanti. Questo svantaggio impedisce alle batterie di essere una fonte di energia in molte applicazioni e apparecchiature diverse dove è cruciale essere leggeri.
Una batteria all'alluminio-aria supera questo problema. Utilizza l'aria come catodo, riducendo significativamente il suo peso.
In una batteria all'alluminio-aria, l'alluminio viene utilizzato come anodo, e l'aria (l'ossigeno presente nell'aria) come catodo. Ciò comporta che la densità energetica – cioè l'energia prodotta per unità di peso della batteria – sia molto alta rispetto ad altre batterie convenzionali.
Nonostante ciò, una batteria all'alluminio-aria non viene prodotta commercialmente, principalmente a causa del costo elevato di produzione dell'anodo, nonché dei problemi di corrosione dell'anodo di alluminio dovuti al biossido di carbonio nell'aria. A causa di ciò, l'uso di questa batteria è limitato principalmente a applicazioni militari.
La alta densità energetica delle batterie all'alluminio-aria significa che hanno un alto potenziale per essere utilizzate in veicoli elettrici.
Realizzare una batteria all'alluminio-aria è piuttosto semplice – e può essere fatto utilizzando oggetti di uso quotidiano. Verrà presentata una guida fai-da-te (Do It Yourself) per la realizzazione di una batteria all'alluminio-aria.
Esperimento con la Batteria all'Alluminio-Aria
Per creare questo esperimento abbiamo bisogno di,
Foglio di alluminio.
Soluzione saturata di acqua e sale
Carta assorbente
Polvere di carbone fine.
Due piccoli pezzi di fili elettrici e
Un diodo emettitore di luce.
Procedura per Realizzare una Semplice Batteria all'Alluminio-Aria
Prendi un pezzo di foglio di alluminio e stendilo sul tavolo. In un recipiente prepara una soluzione saturata di acqua e sale. Prendi un pezzo di carta assorbente. Immergi il pezzo di carta assorbente nella soluzione salina saturata.
Poi stendi il pezzo di carta assorbente inzuppato sopra il foglio di alluminio. Ora metti un po' di polvere di carbone fine sulla carta assorbente. Dopo aver posizionato un filo elettrico non isolato nella polvere di carbone, coprilo con un altro pezzo di carta assorbente inzuppata di soluzione salina della stessa dimensione. Ora avvolgi il tutto strettamente in modo che la polvere di carbone non tocchi direttamente il foglio di alluminio e che la parte isolata del filo elettrico sporga da un'estremità dell'avvolgimento. Ora prendi un altro filo e fissa la parte non isolata del filo al foglio di alluminio. Ora, se colleghiamo un diodo emettitore di luce (LED) a bassa potenza con questi due fili (uno dal carbone e l'altro dall'alluminio) e premiamo l'avvolgimento con le dita, il LED si accenderà.
Principio di Funzionamento della Batteria all'Alluminio-Aria
Come mostrato nella figura a destra, una batteria all'alluminio-aria ha un catodo aereato che può essere realizzato con un catalizzatore a base d'argento e aiuta a bloccare il CO2 dall'entrare nella batteria, ma permette all'O2 di entrare nell'elettrolita. Quindi, questo ossigeno reagisce con H2O nella soluzione elettrolitica KOH, prende elettroni dalla soluzione e crea ioni OH–. Questi ioni poi si associano all'anodo di alluminio e creano Al(OH)3 e rilasciano elettroni. Questi elettroni poi fluiscono dal catodo aereato all'anodo di alluminio attraverso il circuito esterno per compensare la mancanza di elettroni nella soluzione elettrolitica a causa della reazione di riduzione del catodo.
Reazione Chimica della Batteria all'Alluminio-Aria
Quattro atomi di alluminio reagiscono con 3 molecole di ossigeno e 6 molecole di acqua e producono 4 idrossidi di alluminio
Equazione della Batteria all'Alluminio-Aria
L'ossidazione dell'anodo (mezza reazione),
La riduzione del catodo (mezza reazione),
Reazione totale,
Phinergy, un noto sviluppatore israeliano focalizzato sull'utilizzo di batterie metallo-aria come la batteria all'alluminio-aria e la batteria all'zinco-aria. La peculiarità delle batterie metallo-aria è che prendono ossigeno dall'aria ambiente. La batteria all'alluminio-aria ha una densità energetica molto alta, fino a 300 Wh per ogni libbra di alluminio. La sua densità di potenza è anche molto alta, intorno a 30 Watt/lb.
Questo tipo di batteria non può essere ricaricato elettricamente. In pratica, si tratta di una batteria primaria. Tuttavia, la difficoltà di ricarica può essere superata con un processo di ricarica meccanica. La ricarica meccanica della cella all'alluminio-aria viene effettuata sostituendo l'elettrodo di alluminio. Con questo processo, la batteria può essere riportata alle sue condizioni completamente caricate partendo da celle scariche.
A causa delle sue alte densità di energia e potenza, e della facilità di ricarica meccanica, la batteria all'alluminio-aria potrebbe essere l'alternativa più adatta al carburante a petrolio per i veicoli automobilistici nel futuro prossimo. Queste batterie hanno anche un impatto ambientale molto basso.
Il principale svantaggio di questa tecnologia è la reazione del CO2 con l'alluminio. L'alluminio si corrompe molto facilmente a causa della presenza di CO2 nell'aria. Questo problema può essere superato introducendo un elettrodo aereato speciale che può impedire al CO2 di raggiungere il foglio di alluminio. Phinergy ha sviluppato un elettrodo aereato con un catalizzatore a base d'argento e questa struttura permette all'O2 di entrare nel foglio di alluminio e impedisce al CO2 di entrare.
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