アルミニウム空気二次電池の構造や特性について簡単にまとめました
### アルミニウム空気二次電池の作り方と特性
**アルミニウム空気二次電池**とは、アルミニウムと塩水を含む備長炭を使用して電位を生み出す電池です。アルミニウムが酸化し、電子を放出することで負極となります。以下にその特性と仕組みを紹介します。
1. **電池の基本構造**:
- **負極**: アルミニウム箔が使用されます。
- **正極**: 備長炭にステンレスメッシュを使用します。
2. **動作原理**:
- アルミニウムが酸化して電子を放出し、負極として機能します。
- ステンレスメッシュが酸素を取り入れ、正極として機能します。
- この仕組みにより、0.6ボルトの電圧が発生します。
3. **問題点**:
- アルミ箔が酸化によってボロボロになり、電池としての寿命が短いです。
- 電解液は腐食性が高く、金などの金属をも腐食させる可能性があります。
4. **改良のアイデア**:
- 最初の充電でアルミ箔に鉄リンをめっきすることで、耐久性を向上させる。
- アルミの代わりに亜鉛を使用することで、安定性を高める。
5. **電圧**:
- 備長炭とステンレスメッシュの間に0.2Vの起電力が生まれます。
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このように、アルミニウム空気二次電池は安価で大容量の電池を目指して研究が進められています。しかし、現状では腐食や耐久性の問題が課題となっています。より安定した材料や新しい技術の導入により、今後の改良が期待されます。
Create an aluminum-air rechargeable battery.
An electric potential is created between the aluminum and the binchotan containing salt water. The aluminum oxidizes and dissolves to become the negative electrode that emits electrons. The dissolved aluminum seems to accumulate at the interface with the charcoal as an oxide. Also, the aluminum foil is torn apart with many small holes. For this reason, the battery works for a short time. The voltage is about 0.6 volts.
If a stainless steel mesh is used for the positive electrode on the side that collects electricity from the binchotan, an electromotive force of about 0.2 V is generated between the charcoal and the stainless steel. The charcoal is the negative and the stainless steel mesh is the positive electrode. The stainless steel is the electrode on the side that takes in oxygen and passes it on, while the charcoal is on the side that receives oxygen and is oxidized.
The charcoal appears to work differently at the aluminum interface and at the interface with the stainless steel mesh. The charcoal works almost identically to ink and salt water hardened with agar. It also works similarly to a sponge with iron salt or salt water on it and hardened with agar.
Aluminum ion batteries are said to be one of the multivalent ion batteries, which have more valence than alkali metal ions such as lithium ions and can increase energy density.
The electrolyte in aluminum batteries is highly corrosive. The electrolyte used in aluminum batteries is highly corrosive, even corroding gold. A battery in which kimchi is placed on top of gold plating sandwiched between aluminum foil will melt the aluminum foil and corrode the gold plating. In a battery in which copper and aluminum are sandwiched together, the copper side becomes green-blue and corrodes.
Not only chemical corrosion, but also electrochemical local battery action oxidizes aluminum and other metals.
There are many problems with making your own batteries, and you can't solve them all by yourself. There is no special material available. Unless you have your own original point of view and materials, you will not be able to keep up with other battery researchers.
The goal of batteries has been to create small and thin batteries. A lightweight, high-density battery. The goal of aluminum batteries is to create cheap, high-capacity batteries. Thinness is advantageous for capacitors, but not necessarily necessary for batteries. On the other hand, thick batteries can be hindered by unused active materials. Even in thick batteries, the active material used for reaction seems to be only a small portion in contact with the interface.
A 0.8 V battery can be made from aluminum, charcoal, and stainless steel. If the battery can be repeatedly charged and discharged with high capacity, it will be a success. First, we will try to make a clean battery and charge it. We will evaluate the charge-discharge characteristics of the battery and observe what changes appear in the battery.
In a lithium-ion battery, lithium iron phosphate serves as the positive electrode and graphite as the negative electrode. The lithium iron phosphate takes in lithium ions, and the redox reaction that desorbs lithium ions from the graphite is used for discharge.
A battery with an aluminum foil anode, graphite, and iron phosphate cathode, in that order, would be inexpensive and provide high performance.
To prevent the aluminum foil from falling apart, the aluminum foil should be plated during the first charge of the rechargeable battery. Plating iron phosphorus. If the chemical states of iron and phosphorus are different, such as the oxygen-rich cathode side and the reduced anode side, a potential difference is likely to be created between the iron phosphorus on the cathode and the iron phosphorus on the anode.
The outline of the aluminum battery is gradually becoming clear. I think zinc is more stable than aluminum. We would like to approach that as well.
アルミニウム空気二次電池を作る。
アルミニウムと塩水を含む備長炭の間には電位が生まれる。アルミニウムが酸化して溶けて電子を出す負極になる。溶けたアルミニウムは酸化物として炭との界面に蓄積するようだ。またアルミ箔は小さな穴がいくつも空いてボロボロになる。このため、電池として働く時間は短い。電圧は0.6ボルトほどだ。
備長炭から集電する側の正極にステンレスメッシュを用いると、炭とステンレスの間に0.2Vほどの起電力が生まれる。炭がマイナスとなってステンレスメッシュが正極だ。ステンレスが酸素を取り入れて受け渡す側の電極で、炭が酸素を受け取って酸化される側になる。
炭はアルミニウム界面とステンレスメッシュとの界面で異なる働きをしているように見える。炭は墨汁、塩水を寒天で固めたものとほぼ同じ働きをする。またスポンジに鉄塩や食塩水を付けて寒天で固めたものとも似た働きをする。
アルミニウムイオン電池は多価イオン電池の一つと言われ、リチウムイオンのようなアルカリ金属のイオンより価数が多く、エネルギー密度を上げられるとされる。
アルミニウム電池の電解液は腐食性が高い。金をも腐食するような電解液だ。金めっきの上にアルミ箔で挟み込んだキムチを置く電池は、アルミ箔が溶けるとともに金めっきも腐食してしまう。銅とアルミで挟み込んだ電池では銅側が緑青となって腐食する。
化学的な腐食だけでなく電気化学的な局所電池の働きでアルミや他の金属が酸化していく。
電池自作の問題点はたくさんあって全部を一人では解決できない。特別な材料が用意できるわけじゃない。なにか自分のオリジナルの着眼点や材料素材がないと他の電池研究にはまったく追いつけない。
電池は小さく薄い電池を作ることが目標にされてきた。軽くて高密度な電池だ。アルミニウム電池が目指すのは安くて大容量な電池だ。薄さはキャパシタには有利だが、電池には必ずしも必要ない。一方で厚い電池は使われない活物質が邪魔になる可能性がある。厚い電池でも反応に使われる活物質は界面に接しているわずかな部分のようだ。
アルミ、炭、ステンレスを使う電池で0.8Ｖの電池はできる。その充電放電が繰り返し大容量でできれば成功だ。まずは、きれいな電池をつくってみて、充電してみる。その充電放電の特性を評価するのと、電池にどんな変化が現れるのかを観察する。
リチウムイオン電池ではリン酸鉄リチウムが正極になって、黒鉛が負極になる。このリン酸鉄リチウムがリチウムイオンを取り込み、黒鉛からリチウムイオン脱離する酸化還元反応が放電に使われる。
アルミ箔負極、黒鉛、リン酸鉄正極の順並べる電池なら安くて高性能が望めそうだ。
アルミ箔がボロボロにならないような工夫としては、二次電池の最初の充電でアルミ箔の上にめっきをすることだ。鉄リンをめっきする。正極のリン酸鉄と負極の鉄リンの比較で、酸素の多い正極側と、還元された負極側というように鉄とリンの化学状態が異なっていれば、その間に電位差ができそうだ。
すこしずつアルミ電池の概要が固まってきている。アルミより亜鉛を使うほうが安定だと思う。そちらもアプローチしたい。