Βελτίωση λειτουργίας μπαταριών μετάλλου-αέρα

• Κύριος συγγραφέας: Μπασιάκος, Κωνσταντίνος
• Άλλοι συγγραφείς: Basiakos, Konstantinos
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2022
• Θέματα: Μπαταρίες; Αλουμίνιο; Νανοδομημένος γραφίτης; Ηλεκτρολύτες; Παρεμποδιστές; Batteries; Aluminum; Carbon black; Electrolytes; Inhibitors

Ένα από τα σημαντικότερα ζητήματα που ταλανίζουν την ανθρωπότητα στον 21ο αιώνα και ειδικότερα τα τελευταία χρόνια αποτελεί το ενεργειακό πρόβλημα. Όσο αυξάνεται ο παγκόσμιος πληθυσμός και βελτιώνεται το βιοτικό επίπεδο, τόσο αυξάνονται και οι ενεργειακές ανάγκες, δίχως όμως τα ενεργειακά αποθέματα να επαρκούν ώστε να καλύψουν τις ανάγκες σε όλο τον πλανήτη. Η ζήτηση έχει ξεπεράσει την προσφορά, καθώς έως σήμερα το μεγαλύτερο ποσοστό της ενέργειας που καταναλώνεται προέρχεται από συμβατικές πηγές ενέργειας, όπως π.χ. τα ορυκτά καύσιμα, τα οποία δυστυχώς δεν είναι ανεξάντλητα. Ικανός και αποτελεσματικός τρόπος αντιμετώπισης της ενεργειακής κρίσης είναι η αξιοποίηση των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, για τις οποίες προβλέπεται ότι γύρω στα μέσα του αιώνα, θα αποτελούν την πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη πηγή ενέργειας. Από τη μία πλευρά, οι Α.Π.Ε. χαρακτηρίζονται από βιωσιμότητα και από το γεγονός ότι είναι φιλικά προσκείμενες στο περιβάλλον, από την άλλη όμως, δεν είναι εκμεταλλεύσιμες και διαθέσιμες για χρήση κάθε χρονική στιγμή εξαιτίας διαφόρων παραγόντων όπως π.χ. οι καιρικές συνθήκες και η γεωγραφική θέση στη Γη. Συνεπώς, κρίνεται επιτακτική η αποθήκευση της ενέργειας, ώστε να μπορέσει να αξιοποιηθεί όταν η παραγωγή της δεν είναι εφικτή. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκαν οι μπαταρίες αλουμινίου-αέρα, οι οποίες ανήκουν στην ευρύτερη κατηγορία των μπαταριών μετάλλου-αέρα και αποτελούν ένα ηλεκτροχημικό σύστημα αποθήκευσης ενέργειας. Το συγκεκριμένο είδος μπαταριών προσομοιάζει τη λειτουργία των στοιχείων καυσίμου, στα οποία το μέταλλο, σε αυτήν την περίπτωση το αλουμίνιο, είναι το «καύσιμο», στο οποίο είναι αποθηκευμένη η χημική ενέργεια μέσω της ηλεκτρόλυσης του οξειδίου του αλουμινίου σε καθαρό αλουμίνιο, η οποία στη συνέχεια μετατρέπεται σε ηλεκτρική με την παρουσία ενός οξειδωτικού παράγοντα, συνήθως του οξυγόνου. Σκοπός της εργασίας ήταν η βελτίωση της λειτουργίας του συγκεκριμένου είδους μπαταριών, έτσι ώστε να επιτευχθεί παραγωγή μεγαλύτερων ποσοτήτων ρεύματος. Στο πειραματικό μέρος, η συσκευή που χρησιμοποιήθηκε για τις μετρήσεις ήταν κατασκευασμένη από Plexiglas, ως άνοδος χρησιμοποιήθηκε το εμπορικό κράμα αλουμινίου Al-6061, η κάθοδος αποτελείτο από φορέα υφάσματος άνθρακα επιστρωμένο με πάστα νανοδομημένου γραφίτη ενώ ο ηλεκτρολύτης που χρησιμοποιήθηκε σε μεγαλύτερο ποσοστό ήταν υδατικό διάλυμα καυστικού καλίου. Διεξήχθησαν πειράματα γραμμικής βολταμετρίας σάρωσης και χρονοποτενσιομετρίας μέσω ενός ποτενσιοστάτη. Εξετάστηκαν διάφορες παράμετροι που επηρεάζουν τη λειτουργία ενός κελιού αλουμινίου-αέρα, όπως η φύση του ηλεκτρολύτη, η συγκέντρωση του, η αναγωγική επιφάνεια καθώς και ο καταλύτης της καθόδου. Σχετικά με τον ηλεκτρολύτη, τα αποτελέσματα των μετρήσεων έδειξαν ότι τα αλκαλικά δια-λύματα αποτελούν τους καταλληλότερους ηλεκτρολύτες για τα συγκεκριμένα κελιά καυσίμου, στα οποία η αύξηση της συγκέντρωσης τους σήμανε και αύξηση στις παραγόμενες ποσότητες ρεύματος. Επιπλέον, προστέθηκαν στον ηλεκτρολύτη ενώσεις που καλούνται παρεμποδιστές, συγκεκριμένα το οξείδιο του ψευδαργύρου και το κασσιτερικό νάτριο, οι οποίες συνέβαλαν στον περιορισμό της διάβρωσης του αλουμινίου και της παραγωγής του υδρογόνου. Η αύξηση και η γεωμετρία της αναγωγικής επιφάνειας παίζουν καθοριστικό ρόλο στη λειτουργία και απόδοση μιας μπαταρίας αλουμινίου-αέρα, κάτι το οποίο επιβεβαιώθηκε με την προσθήκη ενός δεύτερου υφάσματος άνθρακα στην κάθοδο και την επίτευξη μεγαλύτερης παραγωγής ρεύματος. Λαμβάνοντας υπόψη τους καταλύτες, μελετήθηκαν διάφορες προσμίξεις της πάστας με οξείδια μετάλλων, εκ των οποίων πιο αποτελεσματική παρουσιάστηκε η πρόσμιξη με το διοξείδιο του μαγγανίου, λόγω της μεγάλης ειδικής επιφάνειας. Τα αποτελέσματα ήταν ιδιαιτέρως ενθαρρυντικά και υπέδειξαν πως οι μπαταρίες αλουμινίου-αέρα είναι ικανές για χρήση σε ποικίλες εφαρμογές, με συνεχή βελτίωση των μερών που τις απαρτίζουν και με την προϋπόθεση ότι στο μέλλον θα βρεθεί λύση για το κύριο μειονέκτημα τους, το οποίο είναι η οξείδωση του αλουμίνιου που οδηγεί στην κατανάλωση του και καθιστά αδύνατη την ηλεκτρική επαναφόρτιση του κελιού.