Al−Air Batteries: Fundamental Therm

Al−Air Batteries: Fundamental Thermodynamic Limitations from First-Principles Theory
ABSTRACT: The Al−air battery possesses high theoretical specific energy (4140 W h/ kg) and is therefore an attractive candidate for vehicle propulsion. However, the experimentally observed open-circuit potential is much lower than what bulk thermodynamics predicts, and this potential loss is typically attributed to corrosion. Similarly, large Tafel slopes associated with the battery are assumed to be due to film
formation. We present a detailed thermodynamic study of the Al−air battery using density functional theory. The results suggest that the maximum open-circuit potential of the Al anode is only −1.87 V versus the standard hydrogen electrode at pH 14.6 instead of the traditionally assumed −2.34 V and that large Tafel slopes are inherent in the electrochemistry. These deviations from the bulk thermodynamics are intrinsic to the electrochemical surface processes that define Al anodic dissolution. This has contributions from both asymmetry in multielectron transfers and, more importantly, a large chemical stabilization inherent to the formation of bulk Al(OH)3 from surface intermediates. These are fundamental limitations that cannot be improved even if corrosion and film effects are completely suppressed.
Rising worldwide energy demand, coupled with climate change associated with usage of fossil fuels, motivates the search for alternative, renewable energy sources. In particular, the widespread implementation of an electrified transportation system is highly desirable because the majority of petroleum, which accounts for one-third of the worldwide primary energy source, is used in vehicle propulsion. Current state-of-the-art electric vehicles (EVs) principally utilize the Li ion battery, which is the battery possessing the highest practical specific energy that has been sufficiently developed to be feasible for transportation. However, the aforementioned practical specific energy is still very low (∼200 W h/kg) compared to that of
gasoline in an internal combustion engine (∼1300 W h/kg), and thus, current EVs are greatly limited by their range. In
addition, large format Li-ion batteries are presently prohib- itively expensive for mass-market adoption of EVs and have safety concerns related to using flammable nonaqueous electrolytes. In principle, metal−air batteries could circumvent these limitations as they possess much larger maximum
theoretical specific energies (MTSEs) due to eliminating the necessity of cathode material storage, and they are projected to be less costly than Li-ion batteries. The nonaqueous Li−air battery has received a great deal of attention over the past few years due to its extremely high MTSE, 11680 W h/kg.
However, it currently has many technical limitations1,2 and similar safety concerns to those of the Li-ion battery due to the use of flammable electrolytes. An alternative is to use aqueous metal−air batteries with compatible metals (i.e., metals that do not react violently with water), which could also provide all of the advantages without the safety concerns.
Al, being the most abundant metal in earth’s crust and possessing very low molecular mass, is an attractive candidate for these aqueous metal−air batteries. The Al−air system is described by the overall reaction Al + 3/4O2 + 3/2H2O → Al(OH)3 (U0 = 2.70 V), and its MTSE is 4140 W h/kg including the mass of water.3 Thus, the Al−air battery has considerable potential for improvement in practical specific energy and hence EV range over that possible with a Li-ion battery. Moreover, the Al−air battery is capable of outputting high current densities and therefore could be used in high- power applications.4 Concentrated alkaline (NaOH/KOH) electrolytes are most commonly used with this system.4,5 The discharge product, Al(OH)3, is an intermediate in the Bayer process, the principal industrial process of Al metal production, and therefore, an infrastructure already exists for recycling the battery materials.6 Furthermore, although the aqueous Al−air battery is not electrically rechargeable, given the existing extensive Al refining/recycling economy, a primary battery would be convenient for the consumer as entire battery packs could be replaced quickly at refilling stations.
We first summarize the current understanding of aqueous bulk electrochemistry relevant to the Al−air battery with the

Kết quả (Việt) 1:

Al−Air pin: Cơ bản hạn chế nhiệt từ đầu tiên-nguyên tắc lý thuyếtTóm tắt: Pin Al−air sở hữu cao năng lượng lý thuyết cụ thể (4140 W h / kg) và do đó là một ứng cử viên hấp dẫn cho xe đẩy. Tuy nhiên, tiềm năng mở mạch quan sát bằng thực nghiệm là thấp hơn nhiều so với những gì số lượng lớn nhiệt động lực học dự đoán, và thiệt hại tiềm năng này thường là do sự ăn mòn. Tương tự như vậy, lớn các sườn núi Tafel liên kết với pin được giả định là do filmhình thành. Chúng tôi trình bày một nghiên cứu chi tiết nhiệt của pin Al−air bằng cách sử dụng mật độ lý thuyết chức năng. Các kết quả đề nghị rằng mạch mở tối đa tiềm năng của Al anode là chỉ −1.87 V so với các điện cực hidro tiêu chuẩn ở pH 14.6 thay vì theo truyền thống giả −2.34 V và lớn Tafel dốc được cố hữu trong điện hóa học. Các độ lệch từ nhiệt động lực học với số lượng lớn là nội tại để các điện bề mặt quá trình đó define Al anodic giải thể. Điều này có sự đóng góp của cả hai không đối xứng trong multielectron chuyển và, quan trọng hơn, một ổn định hóa học lớn vốn có đến sự hình thành của số lượng lớn Al (OH) 3 từ bề mặt trung gian. Đây là những hạn chế cơ bản mà không thể được cải thiện ngay cả khi ăn mòn và film effects hoàn toàn bị đàn áp.Rising worldwide energy demand, coupled with climate change associated with usage of fossil fuels, motivates the search for alternative, renewable energy sources. In particular, the widespread implementation of an electrified transportation system is highly desirable because the majority of petroleum, which accounts for one-third of the worldwide primary energy source, is used in vehicle propulsion. Current state-of-the-art electric vehicles (EVs) principally utilize the Li ion battery, which is the battery possessing the highest practical specific energy that has been sufficiently developed to be feasible for transportation. However, the aforementioned practical specific energy is still very low (∼200 W h/kg) compared to that ofgasoline in an internal combustion engine (∼1300 W h/kg), and thus, current EVs are greatly limited by their range. Inaddition, large format Li-ion batteries are presently prohib- itively expensive for mass-market adoption of EVs and have safety concerns related to using flammable nonaqueous electrolytes. In principle, metal−air batteries could circumvent these limitations as they possess much larger maximumtheoretical specific energies (MTSEs) due to eliminating the necessity of cathode material storage, and they are projected to be less costly than Li-ion batteries. The nonaqueous Li−air battery has received a great deal of attention over the past few years due to its extremely high MTSE, 11680 W h/kg.Tuy nhiên, nó hiện nay có nhiều mối quan tâm an toàn kỹ thuật limitations1, 2 và tương tự với pin Li-ion do việc sử dụng các chất điện phân flammable. Một thay thế là sử dụng pin dung dịch nước metal−air với tương thích kim loại (tức là, kim loại phản ứng mãnh liệt với nước), các cũng có thể cung cấp tất cả những lợi thế mà không có những mối quan tâm an toàn.Al, là kim loại phổ biến nhất trong vỏ trái đất và có khối lượng phân tử rất thấp, là một ứng cử viên hấp dẫn cho các pin dung dịch nước metal−air. Hệ thống Al−air được mô tả bởi toàn bộ phản ứng Al + 3/4O2 + 3/2H2O → Al (OH) 3 (U0 = 2,70 V), và MTSE của nó là 4140 W h/kg bao gồm khối lượng của water.3 vì vậy, Al−air pin có tiềm năng đáng kể để cải thiện thực tế specific năng lượng và do đó EV dao động trong đó có thể với một pin Li-ion. Hơn nữa, Al−air pin có khả năng outputting cao hiện tại mật độ và do đó có thể được sử dụng trong quyền lực cao applications.4 tập trung kiềm chất điện phân (NaOH/KOH) là phổ biến nhất được sử dụng với system.4,5 này sản phẩm xả, Al (OH) 3, là một trung gian trong quá trình Bayer, quá trình công nghiệp chính của Al sản xuất kim loại, và do đó, cơ sở hạ tầng đã tồn tại để tái chế pin materials.6 Furthermore , mặc dù Al−air pin dung dịch nước không phải là sạc điện, cung cấp sẵn có mở rộng Al refining/tái chế nền kinh tế, một pin chính sẽ là thuận tiện cho người tiêu dùng như toàn bộ pin có thể được thay thế nhanh chóng tại các refilling trạm.Chúng tôi chính tóm tắt sự hiểu biết hiện tại của dung dịch nước với số lượng lớn điện hóa có liên quan đến pin Al−air với các

Kết quả (Việt) 2:

Al-Air Pin: Hạn chế nhiệt động cơ bản của First-Nguyên tắc Theory
TÓM TẮT: Pin Al-không sở hữu năng lượng cụ thể lý thuyết cao (4140 W h / kg) và do đó là một ứng cử viên hấp dẫn cho chiếc xe đẩy. Tuy nhiên, tiềm năng mở mạch thực nghiệm quan sát được là thấp hơn nhiều so với những gì dự đoán số lượng lớn nhiệt động lực học, và mất khả năng này thường được quy cho sự ăn mòn. Tương tự như vậy, Tafel dốc lớn kết hợp với pin được giả định là do fi lm
hình. Chúng tôi trình bày một nghiên cứu nhiệt động chi tiết của pin Al-không khí bằng cách sử dụng mật độ lý thuyết chức năng. Kết quả cho thấy tiềm năng mạch hở tối đa của anode Al chỉ -1,87 V so với điện cực hydro tiêu chuẩn là ở pH 14.6 thay vì truyền thống giả định -2,34 V và Tafel dốc lớn đều nằm sẵn trong điện hóa. Những sai lệch so với nhiệt động lực lượng lớn là thực chất đến quá trình bề mặt điện hóa mà de fi ne Al anốt giải thể. Điều này có sự đóng góp của cả hai bất đối xứng trong chuyển multielectron và, quan trọng hơn, một sự ổn định hóa chất lớn gắn liền với sự hình thành của hàng loạt Al (OH) 3 từ trung gian bề mặt. Đây là những hạn chế cơ bản mà không thể được cải thiện ngay cả khi ăn mòn và fi lm e các dự ff đang đè bẹp hoàn toàn.
Rising trên toàn thế giới nhu cầu năng lượng, cùng với biến đổi khí hậu liên quan đến việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch, thúc đẩy việc tìm kiếm thay thế, các nguồn năng lượng tái tạo. Đặc biệt, việc thực hiện phổ biến của một hệ thống giao thông vận tải fi ed electri là rất mong muốn bởi vì phần lớn xăng dầu, chiếm một phần ba của các nguồn năng lượng sơ cấp trên toàn thế giới, được sử dụng trong xe đẩy. Nhà nước-of-the-nghệ thuật xe điện hiện tại (EVs) chủ yếu sử dụng các pin ion Li, đó là pin sở hữu fi Speci năng lượng c thực tế cao nhất mà đã được su ffi ciently phát triển có tính khả thi để vận chuyển. Tuy nhiên, thực tế Speci năng lượng fi c nói trên vẫn còn rất thấp (~200 W h / kg) so với
xăng dầu trong động cơ đốt trong (~1300 W h / kg), và do đó, EVs hiện đang hạn chế rất nhiều bởi phạm vi của họ. Trong
Ngoài ra, khổ lớn các loại pin Li-ion là hiện nay Nghiêm cấm việc itively đắt cho việc thông qua thị trường đại chúng của EVs và có mối quan tâm về an toàn liên quan đến sử dụng fl điện nonaqueous ammable. Về nguyên tắc, pin kim loại-không khí có thể phá vỡ những hạn chế như họ sở hữu tối đa lớn hơn nhiều
lý thuyết Speci fi c năng lượng (MTSEs) do loại bỏ sự cần thiết của việc lưu trữ tài liệu cathode, và họ được dự báo sẽ ít tốn kém hơn so với pin Li-ion. Pin Li-air nonaqueous đã nhận được rất nhiều sự chú ý trong vài năm qua do MTSE cực cao, 11680 W h / kg.
Tuy nhiên, hiện tại có nhiều limitations1,2 kỹ thuật và mối quan tâm an toàn tương tự như những người của Li -ion ​​pin do việc sử dụng các chất điện ammable fl. Một cách khác là sử dụng pin kim loại-không khí dung dịch nước với các kim loại tương thích (ví dụ, các kim loại mà không phản ứng mãnh liệt với nước), mà cũng có thể cung cấp tất cả những lợi thế mà không có những mối quan tâm về an toàn.
Al, là kim loại có nhiều nhất trong lớp vỏ trái đất và sở hữu khối lượng phân tử rất thấp, là một ứng cử viên hấp dẫn đối với các loại pin kim loại-không khí lỏng. Hệ thống Al-khí được mô tả bởi các phản ứng tổng Al + 3 / 4O2 + 3 / 2H2O → Al (OH) 3 (U0 = 2,70 V), và MTSE của nó là 4140 W h / kg bao gồm cả khối lượng của water.3 vậy , pin Al-không khí có tiềm năng đáng kể để cải thiện thiết thực Speci fi c năng lượng và do đó EV phạm vi hơn mà có thể với một pin Li-ion. Hơn nữa, pin Al-không khí có khả năng xuất ra mật độ cao hiện tại và do đó có thể được sử dụng trong điện cao applications.4 Tập trung kiềm (NaOH / KOH) điện thường được sử dụng với điều này system.4,5 Các sản phẩm xả, Al (OH) 3, là một chất trung gian trong quá trình Bayer, quá trình công nghiệp chủ yếu của sản xuất kim loại Al, và do đó, một cơ sở hạ tầng đã tồn tại để tái chế các materials.6 pin Hơn nữa, mặc dù pin Al-không khí dung dịch nước không phải là bằng điện có thể sạc lại, trao rộng Al tái fi nền kinh tế ning / tái chế hiện có, một pin tiểu học sẽ tiện lợi cho người tiêu dùng như toàn bộ gói pin có thể được thay thế một cách nhanh chóng ở lại trạm fi lling.
Chúng tôi Fi đầu tiên tóm tắt những hiểu biết hiện tại của dung dịch nước với số lượng lớn điện hóa học có liên quan đến pin Al-không khí với