Химическое оксидирование алюминия в домашних условиях: Анодирование алюминия в домашних условиях (черное): технология

Оксидирование стали — основные промышленные способы и этапы

Оксидирование стали — процесс образования неактивной защитной пленки на поверхности металла. Подробное знакомство с тонкостями проведения процедуры, поможет разобраться какую из них можно выполнить самому.

Промышленные способы

Образование оксидной пленки на металлических поверхностях требует соблюдения определенных условий, применения специальных реагентов и растворов. В промышленных масштабах проведение работ осуществляется согласно существующим технологиям.

Химический способ оксидирования стали

Процесс основан на прохождении окислительно-восстановительной реакции. Защитный слой образуется под действием щелочей и солей кислот, выступающих в роли окислителей. Обработка изделий проводится при высоких и низких температурных режимах.

Горячий метод

Образование пленки осуществляется щелочным или кислым способом. В отсутствие щелочей процесс протекает 30 минут при температуре 98 – 100°C. Реагентом служат смеси, состоящие из фосфорной кислоты и азотнокислых солей кальция или бария. Защитная пленка, образуется из оксида железа и фосфатов.

Щелочное химическое оксидирование проводится в горячих растворах щелочей с окислителями. Изделия выдерживаются в них от 10 до 60 минут при температуре 135-145°C . Состав металла влияет на толщину оксидной пленки и скорость ее образования. Малоуглеродистые стали вступают в реакцию медленнее высокоуглеродистых сортов. Поэтому растворы для их обработки содержат большое содержание щелочи.

Холодный метод

Чернение осуществляется путем погружения стали в раствор при 15-25 °C. С развитием современных технологий в процессе холодного оксидирования стали применяться неагрессивные, водорастворимые концентраты, не имеющие запаха. Благодаря этому холодный способ приобрел ряд преимуществ.

• Метод подходит для деталей из разных видов сталей и чугунов: углеродистых и легированных, холодного и горячего проката, после ковки или штамповки и порошковых металлов.
• Отсутствуют затраты на разогрев ванны и поддержание температурного режима, приобретение и установку контрольно-измерительных приборов и мощной вентиляции помещений.
• Сохраняются размеры и прочностные характеристики обрабатываемых деталей.
• Отсутствует темный легко удаляемый налет и улучшается товарный вид. Обрабатываемые поверхности приобретают насыщенный черный цвет.
• Высокий уровень антикоррозионной защиты.
• Увеличивается производительность за счет сокращения времени на оксидирование с 30 минут до 55 секунд.
• Корректировка концентрации рабочего раствора не требует остановки процесса.

После образования защитного слоя изделия хорошо промываются, сушатся и подвергаются промасливанию. Обработка маслом повышает антикоррозионные свойства, износостойкость покрытия и придает ему насыщенный черный цвет. Оксидное покрытие, не пропитанное маслами покрывают краской.

Анодное оксидирование стали

В основе метода лежит электрохимическая реакция. Образование оксидного слоя происходит благодаря анодной поляризации в жидких или твердых электролитах. В отличие от гальванической обработки при анодировании не применяются вспомогательные составы на основе цинка и хрома. Пленка образуется из элементов, входящих в состав обрабатываемой поверхности. Электрохимический способ поддается регулировке. Это позволяет создать прочное покрытие с одинаковой толщиной по всей площади.

Данная технология подходит для поверхностей с высокой адгезией. В результате анодирования получают два вида оксидных слоев. При использовании кислых электролитов образуется пористая пленка. На нее впоследствии наносят лакокрасочное покрытие. В нейтральных растворах получается барьерная защита, не требующая дополнительной обработки.

Способы анодирования

При проведении электрохимического оксидирования учитывается сорт стали и состав сплава. Создание защитного слоя проводится несколькими способами.

Теплый метод. Его можно отнести к подготовительному этапу, за которым последует дополнительная обработка. При температуре в пределах 50°C образуется пористая поверхность. Прочность и антикоррозионную стойкость она приобретает после нанесения слоя краски.

Холодный метод. Для поддержания температурного режима в пределах 5°C по всему объему электролита проводят непрерывную циркуляцию. К достоинствам способа относится высокая скорость образования оксидной пленки. На растворение металла требуется больше времени, что позволяет сохранить размеры обрабатываемых изделий.

Твердое анодирование. Особенность данного метода заключается в использовании нескольких электролитов. Состав повышает прочность пленки, стойкость стали к коррозии и к воздействию агрессивных сред.

Преимущества анодированного металла:

• Оксидная пленка надежно защищает от воздействия влаги, кислот и щелочей.
• Высокая прочность оксидного слоя повышает стойкость стали к механическим воздействиям
• Анодированное покрытие обладает диэлектрическими свойствами.
• Изделия из обработанного металла соответствуют всем нормам экологической безопасности.
• На посуде, обработанной данным способом, образуется не пригорающее покрытие.
• Анодирование повышает декоративные качества стали. Добавление в электролит солей позволяет изменить цвет металла. Окрашенные изделия приобретают глубокие ровные оттенки.
• Электрохимическое оксидирование позволяет скрыть царапины, потертости и другие дефекты поверхности металла.

Термический способ

Процесс протекает в специальных печах с использованием водяного пара или кислорода. Данный метод исключает использование химикатов. Обработка деталей производится при строгом соблюдении температурных режимов. Они зависят от химического состава металла и марки стали. Толщина образовавшегося защитного слоя не превышает 2 микрона.

Низколегированные марки стали, и железо выдерживают в печах при 300-350 °С. Данный метод подходит для воронения стрелкового оружия и декоративной отделки металла.

Легированные стали оксидируют при температуре 700 °С. в течение 60 минут. Толщина образованной защитной пленки составляет 1 — 1,5 микрона. Способ позволяет сохранить размеры обрабатываемых изделий.

Магнитные сплавы железа и никеля прокаливают в течение полутора часов при температуре от 400 до 800°С. Таким образом происходит образование диэлектрических плёнок полупроводников.

Термическим оксидированием создают защитный слой на изделиях из кремния, используемых в электронике. Процедура проводится при повышенном давлении и температуре от 800 до 1200 °С.

Плазменное электролитическое оксидирование

Процесс заключается в поверхностной обработке металлов и сплавов при низких температурах в кислородной среде. Он основан на традиционном анодировании. Отличием способа является действие микроразрядов высокой и сверхвысокой частоты на обрабатываемую поверхность. Их термическое и плазмохимическое влияние на используемый электролит приводит к формированию оксидного слоя.

Методика позволяет получить слой с многофункциональной защитой поверхностей. В результате обработки образуются оксидные пленки с высокими декоративными показателями, повышенной изоляционной, коррозионной и тепловой стойкостью.

Толщина покрытия составляет 200 – 250 мкм. Детали, обработанные плазменным способом, применяются в полупроводниковых соединениях, диодах, транзисторах и интегральных микросхемах. Их используют для повышения чувствительности в фотокатодах.

Лазерное оксидирование

Образование защитного слоя в данном случае происходит под воздействием лазерного луча. Изделие погружается под заданный слой воды. Плотность потока, продолжительность процесса и величина энергии лазерного излучения подбирается так, чтобы в процессе оксидирования нагрев поверхности металла не превысил температуру перехода воды в пар.

При обработке используют импульсный, непрерывный и точечный режим воздействия лучей на металл. Установки, используемые для оксидации, работают в инфракрасном диапазоне.

Преимущества этого способа:

• Метод позволяет регулировать толщину и сохранить технические характеристики деталей.
• В результате обработки повышается коррозионная стойкость, прочность и долговечность изделий.
• Значительно увеличиваются диэлектрические свойства и декоративные качества.
• Снижается коробление при обработке сложных по форме, тонкостенных и труднодоступных участков.
• Расширяется количество металлов и сплавов, пригодных для данного вида оксидирования.
• Повышается скорость процесса без приближения к критическим значениям температур.

Оксидирование стали в домашних условиях

Повысить прочность металлических изделий и улучшить их декоративные качества можно своими руками. Стоит учитывать, что покрытие будет уступать по качеству защитным слоям, полученным при промышленном процессе.

Подготовительные действия

Перед проведением процедуры необходимо подготовить рабочее место, требуемые препараты и инструменты. Для создания безопасных условий проводятся следующие мероприятия.

1. Обеспечивается хорошая приточно-вытяжная вентиляция. Над местом проведения работ рекомендуется установить зонд.
2. Подготавливается рабочая емкость для полного погружения детали.
3. Изготавливается емкость из стекла, пластика или фаянса. Она необходима для приготовления растворов, нейтрализующих кислоту и щелочь.
4. Приобретаются защитные средства: резиновые перчатки, респиратор, очки для работы с химреактивами, брезентовые фартук.

Соблюдение правил техники безопасности поможет провести оксидирование без травм, ожогов и убережет от вредного действия паров кислот и щелочей. Приобрести предметы индивидуальной защиты можно в магазинах рабочей одежды.

Щелочное оксидирование

Использование данного метода – самый простой способ нанесения оксидного слоя в домашних условиях. Для обработки изделия массой до 1 килограмма потребуется 100 г каустической соды и 30 г натриевой селитры.

Этапы проведения работ:

1. В 1 литре воды растворяют 1кг каустика и 300 г селитры. Пропорции меняются в зависимости от требуемого объема реагента.
2. Обрабатываемую деталь помещают в емкость с приготовленной смесью. В растворе, разогретом до 140⁰С, выдерживают изделие в течение 30 минут.
3. После завершения процедуры проводят промывку от остатков рабочей смеси.
4. Очищенную деталь пропитывают машинным маслом и протирают ветошью.

Для выполнения оксидирования можно использовать растворы едкого калия или натрия. Содержание реагента в 1 литре воды должно быть не меньше 700 граммов. Процедура проводится по аналогии.

Равномерный слой оксидной пленки можно получить, если обрабатываемое изделие полностью находится в растворе. Для этого необходимо поддерживать постоянный уровень жидкости.

Кислотное оксидирование своими руками

Перед началом работ поверхность детали тщательно очищается, с нее удаляются все загрязнения и налет. После очистки проводится обезжиривание с помощью водки, чистого спирта или растворителя.

Поэтапное проведение работ.

1. Изделие помещают на 1 минуту в емкость с серной кислотой 5% концентрации. По истечении времени деталь промывают в кипяченой воде. Процедуру повторяют 2-3 раза.
2. Обрабатываемый материал несколько минут кипятят в растворе хозяйственного мыла.
3. Готовое изделие промывают, сушат и протирают машинным маслом. Его излишки удаляют ветошью.

После правильно выполненного оксидирования металлическая поверхность должна поменять цвет.

При отсутствии серной кислоты можно использовать смесь лимонной и щавелевой кислот. На 1 литр раствора берут по 2 грамма того и другого реагента. Кипячение в нем продолжают 20 минут. Обработанную деталь промывают слабощелочным раствором и пропитывают машинным маслом.

Заключение

Оксидирование – один из самых действенных методов повышения антикоррозионной стойкости стали. За счет образования плотного защитного увеличивается прочность и долговечность изделий, повышаются диэлектрические свойства и декоративные качества.

Существуют доступные способы проведения работы в домашних условиях. Соблюдение правил работы с агрессивными веществами, и выполнение инструкций поможет без проблем провести процедуру самостоятельно.

Используемая литература и источники:

• Справочник металлурга и химика цветной металлопромышленности. Часть вторая / Д. Лиддель. — М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по черной и цветной металлургии
• Окрашивание полимерных материалов / А. Мюллер. — М.: Профессия, 2007.
• Химическая технология переработки редкометального сырья Кольского полуострова. — М.: Наука
• Статья на Википедии

Анодирование алюминия

 

Термины и понятия

Сначала о терминологии

Для краткости будем применять вместо «гостовских» эквивалентных наименований «анодное окисление» и «анодное оксидирование» более короткий, но с тем же смыслом, термин «анодирование», а вместо «гостовского» «анодно-окисное покрытие» – более простое и популярное «анодное покрытие».  

Что такое анодирование

Анодирование – это метод повышения коррозионной стойкости металлического изделия путем формирования слоя оксида на его поверхности. Изделие, которое обрабатывается, является в этом электролитическом процессе анодом. Анодирование повышает стойкость поверхности изделия к  коррозии и износу, а также обеспечивает более высокую адгезию для красок и клеящих веществ, чем просто «голый» алюминий.

Анодные покрытия могут также применяться как декоративные покрытия или в виде пористого покрытия, которое может впитывать различные красители, или в виде прозрачных покрытий, которые дают интерференционные эффекты при отражении света. Такие интерференционные покрытия применяют, например, на велосипедах или одежде велосипедистов, чтобы их можно было хорошо видеть ночью.

Как происходит анодирование

Процесс создания этого защитного оксидного покрытия происходит электролитически. Металлическое изделие, на котором нужно получить анодное покрытие (обычно алюминий) погружают в ванну с электролитическим раствором. В этой же ванне установлены катоды, обычно вдоль бортов ванны. Когда электрический ток проходит через раствор кислоты на катоде выделяется водород, а на аноде – кислород. Это приводит к тому, что на аноде – алюминиевом изделии – начинает расти оксидная пленка.

В зависимости от назначения анодного покрытия и применяемого процесса анодирования можно получать анодное покрытие с различными характеристиками. Анодное покрытие, которое  может вырастать на алюминиевом изделии,   способно иметь толщину в 100 раз больше, чем оксидное покрытие, которое образуется на алюминии естественным путем.

Поскольку металлическое изделие является «анодом» в этом электролитическом процессе, то весь этот процесс называют «анодированием».

 Анодирование металлов

Хотя на различных металлах, включая титан, гафний, цинк и магний, также могут формироваться анодное покрытие, обычно под анодированием подразумевают анодирование алюминия и его сплавов.

Зачем анодировать алюминий?

Популярность алюминия во многом связана с его хорошей естественной коррозионной стойкостью. Она достигается из-за высокого химического сродства алюминия к кислороду, то есть их большого взаимного стремления вступать друг с другом в реакцию с образованием оксида алюминия. Эта очень тонкая оксидная пленка мгновенно покрывает любую свежую поверхность алюминия сразу после ее контакта с воздухом. Однако в некоторых случаях необходимо иметь более высокую степень защиты (коррозионной или химической), модифицировать внешний вид поверхности (цвет, текстуру и т.п.) или создать заданные физические свойства поверхности (повышенная твердость, износостойкость или адгезия). В таких случаях прибегают к анодированию алюминия и алюминиевых сплавов.

Рисунок 1 – Схема процесса анодирования

Виды анодирования

Организация QUALANOD подразделяет анодирование алюминия на четыре основных типа с различными требованиями к их характеристикам и свойствам:

• архитектурное (строительное) анодирование
• декоративное анодирование
• промышленное анодирование
• твердое анодирование.

Анодные покрытия подразделяется на классы по их толщине:

• минимально допустимая средняя толщина и
• минимально допустимая локальная толщина.

Например, класс АА20 означает, что средняя толщина покрытия должна быть не менее 20 микрометров. Минимальная локальная толщина покрытия обычно должна быть не менее 80 % от минимальной средней толщины. Для класса АА20 это составляет 16 мкм.

Архитектурное анодирование

Это анодирование для производства архитектурной отделки изделий, которые постоянно находятся в наружных условиях и в стационарном состоянии. Самыми важными характеристиками анодированного изделия считается  внешний вид и длительный срок службы.

Для анодированного алюминия степень защиты от точечной (питтинговой) коррозии алюминия возрастает с увеличением толщины анодного  покрытия. Следовательно, срок службы архитектурного или строительного элементы в значительной степени от толщины анодного покрытия. Однако для получения более толстого анодного покрытия требуется значительно большие затраты электрической энергии.

Поэтому так называемое «переанодирование» не рекомендуется.

Архитектурное анодирование имеет следующие классы:

• АА10
• АА15
• АА20
• АА25

Выбор толщины анодного покрытия для наружных алюминиевых конструкций зависит от агрессивности атмосферы и обычно устанавливается в национальных нормах. Кроме того, применение некоторых красящих составов требует класса толщины 20 мкм или выше. Это нужно для достижения хорошего заполнения пор красителем и повышенной стойкости окрашенного покрытия к солнечному свету.

Декоративное

Этот тип анодирования алюминия предназначен для производства декоративной отделки изделий. Главным критерием качества является однородный или эстетически привлекательный внешний вид.

Декоративное анодирование имеет следующие стандартные классы толщины:

• АА03
• АА05
• АА10
• АА15

Промышленное и твердое

Промышленное анодирование алюминия применяют для производства функциональной отделки поверхности изделий, когда внешний вид является второстепенной характеристикой.

Целью твердого анодирования является получение покрытие с высокой износостойкостью или высокой микротвердостью.

Очень часто, например, в автомобилестроении или медицинском оборудовании, внешний вид изделия не имеет значения, но наиболее важной характеристикой является стойкость к износу и/или способность подвергаться эффективной чистке и иметь высокие гигиенические требования. В таких случаях именно эти свойства анодированного алюминия являются главными.

Если главным свойством является высокая износостойкость, применяют особый вид анодирования – твердое анодирование. Оно производится при пониженных, часто отрицательных, температурах электролита

Толщина промышленного и твердого анодного покрытия обычно составляет от 15 до 150 мкм. Резьбы и шлицы могут иметь покрытие до 25 мкм. Для получения высокой электрической изоляции часто требуется толщина анодного покрытия от 15 до 80 мкм. Покрытия толщиной 150 мкм применяют для ремонта деталей.

Технология

Электрохимия

Анодирование алюминия относится к электрохимическим процессам формирования стабильных оксидных покрытий (пленок) на поверхности металлов. Анодирование алюминия и алюминиевых сплавов может происходить с участием разнообразных электролитов с применением источников прямого или переменного тока или их комбинаций. При этом алюминиевое изделие (далее для определенности – профиль) всегда является анодом, то есть его подключают к положительному полюсу источника тока, а другой подходящий металл или сплав – катодом и его подключают к отрицательному полюсу (рисунок 1).

Анодные покрытия различают по типам электролитов, которые применяют при их получении. Покрытия бывают  пористыми, например, в фосфорном и сернокислом электролитах, а также так называемыми «барьерными» – совсем без пор. Барьерные анодные покрытия обладают высоким электрическим сопротивлением и их применяют, например, при изготовлении электрических конденсаторов.

Сернокислое анодирование

Обычным, наиболее популярным и широко применяемым для алюминиевых профилей в строительных конструкциях является сернокислое анодирование алюминия. Этот вид анодирования отличается высокой технологичностью и позволяет получать покрытия в широком интервале толщин. Сернокислое анодное покрытие применяют как без дополнительного окрашивания – его называют бесцветным, так и с последующим окрашиванием по одному из нескольких известных способов – его называют цветным анодированием. Заключительной операцией обычно всегда является операция наполнения (или уплотнения) пор.

Анодирование или окраска алюминия

Сернокислое анодное покрытие образуется в результате «реакции» алюминия с ионами раствора серной кислоты. Оно занимает больший объем, чем исходный  алюминий и поэтому в результате анодирования происходит увеличение толщины изделия. При сернокислом анодировании это увеличение составляет приблизительно одну треть от общей толщины покрытия. В этом заключается коренное отличие анодного покрытия от, например, порошкового (рисунок 2):

• анодное покрытие формируется из поверхностного слоя алюминия,
• порошковое покрытие – на поверхности алюминия.  

Рисунок 2 – Изменение толщины изделия при анодировании и
порошковом окрашивании 

Способы анодирования алюминия

Конкретный способ анодирования зависит от вида изделия.

Например, небольшие изделия или детали, могут анодировать «насыпью» в барабанах или корзинах. Профили длиной до 7 м, иногда до 10 м, анодируют на специальных навесках. Эти навески обычно представляют собой несколько токопроводящих стержней, рамок или каркасов, к которым прочно и достаточно жестко крепятся профили (см. рисунок 1). Прочное крепление профилей необходимо как для того, чтобы они, не свалились с навесок и прошли все циклы «окунания» и «полоскания» в ваннах, в том числе при интенсивном перемешивании растворов и промывочных вод (барботировании)/ Кроме того, что еще важнее, прочное крепление изделий к навескам должно обеспечивать постоянный и надежный электрический контакт профилей с положительным полюсом источника тока непосредственно в процессе анодирования.

Подготовка поверхности алюминия

Типичная линия анодирования алюминиевых профилей показана на рисунке 3.

На линию анодирования алюминиевые профили подают или прямо после прессования, или после предварительной механической подготовки поверхности (обработки стальными щетками, обработки дробью, полирования, шлифования и т. п.).

• Первой операцией процесса анодирования является навешивание профилей на навески. Навеска с алюминиевыми профилями обычно сначала проходит  щелочное обезжиривание, а затем щелочное травление для удаления с поверхности профилей различных загрязнений: масел, твердых частиц и оксидной пленки.
• После щелочного травления проводят обработку навески в ванне осветления (desmutting), чаще всего – сернокислой (80-100 г/л), для удаления с поверхности темных продуктов щелочного травления.
• Обработка в ваннах с рабочими растворами сопровождается тщательной промывкой изделий в воде, последняя промывка перед анодированием – в деминерализованной. После этого изделие, в принципе, готово к анодированию.

Рисунок 3 – Типичная линия ванн для анодирования алюминиевых профилей [1]

Матовое анодирование

При особых требованиях к анодированной поверхности проводят дополнительную обработку поверхности профилей: матовое травление, а также химическое или электрохимическое осветление. Матовое травление обычно проводят в щелочных ваннах специального химического состава. При этом поверхностный слой алюминия заданной толщины удаляется вместе с различными поверхностными дефектами, а поверхность становится матовой (рисунок 4).

 
Рисунок 4- Матовая и блестящая поверхность анодированного алюминия [3]

Матовая поверхность максимально рассеивает свет и делает «невидимыми» оставшиеся дефекты поверхности. Если готовая продукция должна иметь блестящую или зеркальную поверхность, то перед анодированием изделия подвергают химическому или электрохимическому осветлению. При этой процедуре с поверхности изделия удаляется алюминий и образуется очень гладкая поверхность с очень большой отражательной способностью.

Наполнение анодного покрытия

После анодирования профили или отправляют дальше по линии на окрашивание, или сразу направляют на наполнение пор, если это бесцветное анодирование. Операцию наполнения (или уплотнения) после бесцветного анодирования или цветного анодирования проводят затем, чтобы «закрыть», «закупорить» поры анодного покрытия. Эта операция является очень важной для обеспечения длительного сохранения внешнего вида анодированного изделия. После операции наполнения изделия при необходимости подвергают сушке, снимают с навесок и отправляют на приемку и упаковку.

Рисунок 5 – Гидротермическое наполнение анодного покрытия [2]

Контроль качества

Контроль толщины анодного покрытия

Обычно для приемо-сдаточного контроля качества анодированных алюминиевых профилей достаточно контроля внешнего вида, толщины анодного покрытия и качества наполнения. Толщина покрытия является одним из самых важных параметров и есть много методов ее измерения. Обычно толщину покрытия измеряют прибором, работающим на принципе вихревых токов. В спорных случаях применяют металлографические исследования поперечного сечения изделия.

Контроль наполнения анодного покрытия

Метод капли

Для быстрого контроля качества наполнения часто применяют один из вариантов так называемого «метода капли». В качестве контрольного или арбитражного испытания применяют методы потери массы образцов изделий.

Сущность неразрушающего «метода капли» заключается в оценке степени поглощения красителей анодированной поверхностью после того, как она была обработана соответствующим химическим реагентом. Различные варианты метода капли с предварительной кислотной обработкой поверхности устанавливают  стандарты ISO 2143:2010 (он же – EN ISO 2143:2010 и он же – бывший EN 12373-4) и ГОСТ 9.302-88.

Метод капли по ISO 2143:2010

Стандарт Qualonod [1] считает приемлемым степени (рейтинга) интенсивности пятна не ниже 2 (рисунок 6). Если рейтинг составляет 2, то стандарт требует выполнить испытания на потерю массы или выполнить повторное наполнение.

Рисунок 6 – Критерии качества наполнения по методу капли согласно ISO 2143:2010

Метод капли по ГОСТ 9.031-74

Вариант метода капли без предварительной кислотной обработки c двумя вариантами материала капли – красителя или масла – дает ГОСТ 9.031-74.

Метод потери массы

Испытание на потерю массы основано на установленном факте, что не наполненное или недостаточно наполненное анодное покрытие быстро растворяется в кислотной среде, тогда как хорошо наполненное покрытие выдерживает длительное погружение без заметного воздействия на него. Варианты метода изложены в стандартах ISO 3210:2010 (он же – EN ISO 3210:2010 и он же – бывший EN 12373-7), а также ГОСТ 9.302-88 и ГОСТ 9.031-74.

Источники:

1. Стандарт Qualanod (01.01.2018)
2. TALAT 5203.
3. Tom Hauge, Hydro Aluminium, IHAA Symposium, 2014, New York.

Чем очистить алюминий от окиси в домашних условиях: лучшие способы

Вопросы, как и чем очистить алюминий, актуальны для многих. Алюминиевые изделия отличаются легкостью, удобством и красивым блеском, однако в результате эксплуатации быстро темнеют, покрываются налетом или окисью, что портит эстетический вид и мешает полноценному использованию предмета. Дабы вернуть блеск и чистоту алюминию, используйте народные средства и специальную бытовую химию, соблюдайте рекомендации по уходу и эксплуатации.

Алюминий используется для изготовления посуды, автомобильных деталей, элементов мебели и др. Он устойчив к ржавчине, но подвержен нагару, известковому налету, потемнению и окислению

Общие рекомендации

Алюминий – мягкий металл, который требует бережного отношения во время эксплуатации и чистки. Чтобы почистить изделия от разного рода загрязнений и не повредить материал, следуйте простым рекомендациям:

1. Не используйте металлические скребки или щетки, жесткие мочалки или острые предметы. Данные инструменты повреждают поверхность, оставляют царапины и другие неэстетичные следы. После такой обработки посуды частички алюминия могут попадать в пищу, что негативно отразиться на вкусовых качествах блюда и его пользе.
2. Не проводите очистку изделий из алюминиевого сплава абразивными средствами (песком, порошком).
3. Кухонную утварь следует мыть только после остывания. Горячий металл при взаимодействии с водой деформируется, а вернуть его первоначальный вид самостоятельно практически невозможно.
4. Не применяйте для чистки агрессивные вещества – кислоты и щелочи. Они портят эстетический вид, а возникшая химическая реакция может привести к выделению токсинов или тяжелых металлов, опасных для здоровья.
5. Чтобы добиться желаемого эффекта, выбирайте метод очистки и чистящее средство с учетом типа и степени загрязнения.
6. Не мойте алюминиевую посуду в посудомойке. Перепады температур негативно действуют на металл, повышают риск деформации и коррозии.
7. Дабы изделие блестело, проводите полировку поверхности губкой, смоченной в растворе, приготовленном из буры и аммиака в соотношении 3:1.

Алюминиевые изделия требуют особого подхода к чистке и эксплуатации, чтобы избежать деформации, царапин и необратимой порчи

Не мойте алюминиевую посуду в посудомоечной машине.

Как очистить алюминий от окиси в домашних условиях

Алюминий подвержен окислению. При эксплуатации изделий слой окисла растет, что приводит к появлению темных пятен, которые покрывают всю поверхность или отдельные детали.

Чистить окись и черноту можно дома доступными народными средствами:

1. Сода. Растворите средство в небольшом количестве воды для получения кашицы. Нанесите смесь на пятно и обработайте поверхность круговыми движениями.
2. «Кока-Кола». Залейте предмет газировкой и через 1,5 часа вымойте его водой.
3. Щавель. В емкость, требующую очистки, выложите пучок свежего щавеля и залейте водой. Поставьте посуду на плиту и прокипятите смесь на слабом огне 30 минут. Слейте раствор и прополощите изделие.
4. Лимонная кислота. В кастрюле соедините 2 ст. л. лимонной кислоты и 1 л воды. Прокипятите раствор 15-25 минут в зависимости от степени загрязнения, а затем вымойте емкость чистой водой.
5. Яблоко. Натрите потемневший окисленный след половинкой фрукта и оставьте на полчаса, чтобы яблочная кислота подействовала. По истечении времени вымойте емкость моющим средством.

Пищевая сода эффективно борется с окислом и темными пятнами на алюминиевых поверхностях. Продукт подходит для локального применения или масштабной чистки крупногабаритных изделий

Горчичный порошок, уксус и соль

Для удаления черноты с наружных стенок изделия приготовьте смесь из равных частей поваренной соли, уксуса и сухого горчичного порошка. Перемешайте компоненты до однородной консистенции. При помощи губки нанесите смесь на загрязнения и через 15 минут смойте теплой водой.

Поваренная соль

Для очистки алюминия соедините 2 ст. л. соли и 1 ч. л. теплой воды. Смешайте компоненты и нанесите на губку. Вотрите смесь в место загрязнения, оставьте на полчаса, а затем вымойте кастрюлю.

Солевой раствор – безопасное средство для чистки алюминия, которое расщепляет загрязнения, выводит черноту и помогает справиться с нагаром

Кислоты

Для очистки алюминиевых изделий используйте продукты, содержащие натуральные кислоты: кефир, лимонный сок, простоквашу, огуречный рассол. Залейте выбранным средством емкость или деталь и оставьте на ночь. Утром прополощите изделие и вытрите насухо.

Избавиться от значительного почернения помогут очищающие средства на основе щавелевой кислоты. Нанесите препарат на поверхность, выждите время, указанное на упаковке, а затем смойте водой.

Винный камень

Оттереть потемнения можно при помощи винного камня. Для проведения чистки в 5 л теплой воды растворите 3 ст. л. средства и в полученном растворе замочите изделие на 2-3 часа. Удалите остатки грязи мягкой губкой, прополощите теплой водой и вытрите насухо.

Потемнения, грязные подтеки, нагар и прочие загрязнения портят эстетический вид алюминиевых изделий. Справиться с проблемами можно в домашних условиях, используя народные средства или специальную бытовую химию

Методы удаления нагара с алюминия

Нагар – распространенное явление для алюминиевой посуды. Удалить остатки пригоревшей пищи и вернуть изделию естественный блеск и чистоту довольно сложно, учитывая мягкость и капризность металла. Однако справиться с проблемой возможно, используя доступные средства и маленькие хитрости.

Зубной порошок

Дабы убрать нагар со дна кастрюли, обильно засыпьте его зубным порошком и немного сбрызните водой. Оставьте емкость в таком виде на ночь, а утром удалите загрязнения силиконовой лопаткой или мягкой губкой.

Хозяйственное мыло и уксус

Для очистки нагара воспользуйтесь следующим эффективным методом:

1. Подготовьте большую эмалированную кастрюлю, в которой свободно размести

-, Fe4 [Fe (CN) 6] 3, Nh5NO3, so42-, ch4cooh, cuso4 * 5h3o).

Степень окисления атома — это заряд этого атома после ионного приближения его гетероядерных связей. Степень окисления является синонимом степени окисления. Определить степень окисления по структуре Льюиса (рис. 1a) даже проще, чем по молекулярной формуле (рис. 1b). Степень окисления каждого атома может быть рассчитана путем вычитания суммы неподеленных пар и электронов, которые он получает от связей, из числа валентных электронов. Связи между атомами одного элемента (гомоядерные связи) всегда делятся поровну.

Рисунок 1. Различные способы отображения степеней окисления этанола и уксусной кислоты. R — это сокращение для любой группы, в которой атом углерода присоединен к остальной части молекулы связью C-C. Обратите внимание, что замена группы CH ₃ на R не изменяет степень окисления центрального атома. → Скачать изображение высокого качества

При работе с органическими соединениями и формулами с несколькими атомами одного и того же элемента легче работать с молекулярными формулами и средними степенями окисления (рис. 1d).Органические соединения можно записать таким образом, что все, что не изменяется до первой связи C-C, заменяется сокращением R (рис. 1c). В отличие от радикалов в органических молекулах, R не может быть водородом. Поскольку электроны между двумя атомами углерода распределены равномерно, группа R не изменяет степень окисления атома углерода, к которому она присоединена. Вы можете найти примеры использования на странице Разделите окислительно-восстановительную реакцию на две полураакции.

Правила присвоения степеней окисления

• Степень окисления свободного элемента всегда равна 0.
• Степень окисления одноатомного иона равна заряду иона.
• Фтору в соединениях всегда присваивается степень окисления -1.
• Щелочные металлы (группа I) всегда имеют степень окисления +1.
• Щелочноземельным металлам (группа II) всегда присваивается степень окисления +2.
• Кислород почти всегда имеет степень окисления -2, за исключением пероксидов (H ₂ O ₂ ), где она равна -1, и соединений с фтором (OF ₂ ), где она равна +2.
• Водород имеет степень окисления +1 в сочетании с неметаллами, но имеет степень окисления -1 в сочетании с металлами.
• Алгебраическая сумма степеней окисления элементов в соединении равна нулю.
• Алгебраическая сумма степеней окисления иона равна заряду иона.

Определение степени окисления органических соединений

• Степень окисления любого химически связанного углерода может быть определена путем добавления -1 для каждого дополнительного электроположительного атома (H, Na, Ca, B) и +1 для каждого еще электроотрицательного атома (O, Cl, N, P) и 0 для каждого атома углерода, непосредственно связанного с представляющим интерес углеродом.Например:

Как определить степень окисления элементов в соединении

[Депонировать фотографии]

В увлекательной науке химии есть понятие степени окисления, которое является числом для формулировки окислительно-восстановительных реакций.

Для краткости, в этой науке степень окисления означает условный заряд в атоме, который теряет или приобретает электроны, и эта цифра представляет собой метод расчета переноса электронов. Это число присваивается одному атому или группе атомов, и характеризует количество перераспределенных электронов, а также показывает принцип переноса электронов в результате определенной химической реакции.

[Депонировать фотографии]

Определить степень окисления одновременно легко и сложно — она ​​зависит от атомов и молекул, которые их составляют.Часто бывает, что атомы некоторых химических элементов могут иметь совершенно разную степень окисления.

Чтобы упростить процесс определения степени окисления, используются специальные простые правила, и любой, кто знает основы химии и математики, сможет без труда найти определенную степень окисления с их помощью. Мы всегда должны помнить, что часто степень окисления и валентность элемента равны друг другу.

Эта научная тема широко изучается в школе, поэтому, чтобы понять, как определить степень окисления, мы предлагаем вам прочитать эту статью.

Первый этап: определяем, является ли химическое вещество элементарным.

Степень окисления атомов, которые никак не взаимодействуют с другими атомами в результате химических процессов, равна нулю.

Этот принцип применяется к группе веществ, состоящей из отдельных свободных атомов.Это правило также применяется к химическим элементам, которые состоят из двухатомных или многоатомных молекул только одного элемента.

[Депонировать фотографии]

Например, железо Fe и кальций Ca имеют степень окисления ноль, потому что они состоят из одного элемента, который не связан химически с другими, как и многоатомные молекулы с одним и тем же типом атома, например, для озона O ì степень окисления также будет 0.

Расчет степени окисления в ионных соединениях

Степень окисления идентична заряду атомов или группы атомов. Этот принцип применим как к свободным ионам, так и к тем, которые входят в структуру химических соединений.

Например, степень окисления иона хлора равна -1, и если мы исследуем хлор в химическом соединении, например в соляной кислоте HCl, степень окисления этого элемента также будет -1.Так как ион водорода имеет степень окисления +1, заряд иона хлора равен -1, что означает, что его степень окисления равна -1.

[Депонировать фотографии]

Ионы металлов могут иметь много степеней окисления

Мы рассмотрим это на примере железа (Fe), потому что его ион может иметь заряд +2 и +3. Заряд ионов металлических элементов можно определить по заряду других ионов в химическом соединении, и в формулах записи этот заряд обозначается римскими цифрами, например, железо (II) имеет степень окисления +2.Здесь вы найдете потрясающие безопасные эксперименты с железом.

Как определить степень окисления соединения?

Как мы уже установили, состав должен быть нейтральным. Рассмотрим AlCl₃.

[Викимедиа]

Как мы уже говорили выше, заряд ионов в хлоре равен -1, а в этом соединении есть три атома хлора.Соответственно для компенсации минусов заряд алюминия должен быть +3.

Как определить степень окисления O₂?

Когда кислород находится в свободном состоянии (не вступая в реакцию с какими-либо элементами), степень окисления равна нулю (фактически, как и другие элементарные элементы).

Если кислород входит в состав любого гидроксида, например гидроксида водорода h3O2, он будет иметь степень окисления -1.

Если кислород взаимодействует с фтором (F), он будет иметь степень окисления +2.

Рассмотрим степень окисления водорода H

Этот химический элемент имеет степень окисления +1 (кроме молекулярного состояния водорода), но в исключительных случаях.

via GIPHY

Например, в воде H2O степень окисления водорода будет +1, потому что степень окисления кислорода равна -2, и поэтому все соединение, согласно правилам, имеет нейтральный заряд.

Но если мы возьмем NaH, степень окисления H будет -1, так как заряд натрия +1.

Как определить степень окисления фтора (F)

Хотя степень окисления химических элементов зависит в большинстве случаев от множества факторов, фтор всегда будет иметь степень окисления -1. Это связано с тем, что фтор имеет низкую электрическую отрицательность, то есть атомы F неохотно вырываются из собственных электронов, но интенсивно притягивают электроны других элементов.

Правило: сумма степеней окисления равна заряду химического элемента.

Сумма степеней окисления всех атомов соединения должна быть нейтральной. С помощью этого правила мы можем проверить, ошиблись ли мы при решении химической задачи.

Как определить степень окисления? Вот несколько полезных советов, которые помогут в решении проблем:

Таблица Менделеева пригодится, чтобы сделать расчет точным. Вы должны научиться правильно пользоваться им и различать, где находятся металлы и неметаллы.

Чтобы найти степень окисления металлов, которая часто имеет несколько соответствующих значений, вы должны определить их по степени окисления других атомов в соединении.

Если вы сложите все величины окисления атомов в химической связи, вы всегда получите нулевую степень окисления.

Наивысшая степень окисления элемента определяется с помощью таблицы Менделеева по группе, в которой он находится.

Металлы во всех соединениях имеют положительную степень окисления.

В соединениях с неметаллами водород имеет степень окисления +1, а степень окисления металлов — -1.

В соединениях кислород имеет степень окисления -2, за исключением H₂O₂, OF₂, K₂O₂.

[Депонировать фотографии]

Степени окисления неметаллов при соединении с атомами металлов всегда будут отрицательными, но при взаимодействии с атомами неметаллов они могут иметь положительную или отрицательную степень окисления.

Чтобы найти наивысшую степень окисления неметаллов, из числа 8 вычтите номер группы, в которой находится элемент, и наивысшая степень окисления со знаком плюс будет равна количеству электронов на внешнем слое. . Чтобы узнать количество электронов во внешнем слое, посмотрите на номер группы в периодической таблице.

чисел окисления

чисел окисления

Число окисления

---

Часто бывает полезно следить за химическими реакциями, наблюдая за изменениями в окислении. количество атомов в каждом соединении во время реакции.Показатели окисления также играют важную роль. важную роль в систематической номенклатуре химических соединений. По определению, окисление число атома — это заряд, который имел бы атом, если бы соединение состояло из ионы.

1. Степень окисления атома равна нулю в нейтральном веществе, содержащем атомы. всего одного элемента. Таким образом, атомы в O ₂ , O ₃ , P ₄ , S ₈ , и металлический алюминий имеют степень окисления 0.

2. Степень окисления простых ионов равна заряду иона. Окисление количество натрия в ионе Na ⁺ равно +1, например, а степень окисления хлор в ионе Cl ^— равен -1.

3. Степень окисления водорода равна +1, когда он сочетается с неметаллом как в CH ₄ , NH ₃ , H ₂ O и HCl.

4. Степень окисления водорода равна -1, когда он сочетается с металлом как в.LiH, NaH, CaH ₂ и LiAlH ₄ .

5. Металлы в группе IA образуют соединения (такие как Li ₃ N и Na ₂ S). в котором атом металла имеет степень окисления +1.

6. Элементы Группы IIA образуют соединения (такие как Mg ₃ N ₂ и CaCO ₃ ), в котором атом металла имеет степень окисления +2.

7. Кислород обычно имеет степень окисления -2.Исключения включают молекулы и многоатомные ионы, которые содержат связи O-O, такие как O ₂ , O ₃ , H ₂ O ₂ , и ион O ₂ ^2-.

8. Элементы группы VIIA часто образуют соединения (такие как AlF ₃ , HCl и ZnBr ₂ ), в котором неметалл имеет степень окисления -1.

9. Сумма степеней окисления нейтрального соединения равна нулю.

H ₂ O: 2 (+1) + (-2) = 0

10.Сумма степеней окисления многоатомного иона равна заряду ион. Степень окисления атома серы в ионе SO ₄ ^2- должна быть +6, например, потому что сумма степеней окисления атомов в этом ионе должна равно -2.

СО ₄ ^2- : (+6) + 4 (-2) = -2

11. Элементы в нижнем левом углу таблицы Менделеева. с большей вероятностью будут иметь положительную степень окисления, чем те, которые расположены в правом верхнем углу угол стола.Сера имеет положительную степень окисления в SO ₂ , для Например, потому что он ниже кислорода в периодической таблице.

СО ₂ : (+4) + 2 (-2) = 0

---

Frontiers | Алюминиево-ионный аккумулятор: экологичная и плодотворная концепция?

Введение

В 1900 году Томас А. Эдисон начал разработку новой батареи для электронных транспортных средств.Его последняя никель-железная батарея, запатентованная в США в 1901 году (Edison, 1901), стала самым коммерчески успешным продуктом его жизни. Ему потребовалось около 10 лет, более 50000 экспериментов и снятие с рынка первой версии батареи, прежде чем он придумал правильную комбинацию материалов, чтобы, наконец, предоставить лучшую коммерческую батарею, как обсуждали Дайер и Мартин ( 2010 г.): более легкая, надежная и до трех раз более «мощная» батарея, чем существующая свинцово-кислотная батарея.В настоящее время все громче звучат призывы к новой технологии скачка. В настоящее время литий-ионный аккумулятор является коммерческим продуктом с самой высокой энергоемкостью и энергоемкостью, но существует спрос на новый аккумулятор, демонстрирующий еще более высокую плотность энергии, лучшую безопасность и более низкую стоимость, особенно для электромобилей (EV), стационарных накопителей. , и мобильные устройства.

Однако для разработки нового химического состава аккумуляторов сегодня, особенно в Европе, необходимо учитывать определенные ограничения, чтобы получить устойчивую, ресурсоэффективную и, следовательно, основополагающую концепцию. В этой обзорной статье мы сначала описываем ограничения устойчивой и плодотворной химии батарей. Затем мы представляем оценку химических элементов с точки зрения отрицательных электродов и всесторонне мотивируем использование алюминия, но также указываем на связанные с этим проблемы. Во второй части мы классифицируем область применения алюминиевых аккумуляторов, определяем и представляем алюминиево-ионные аккумуляторы и резюмируем текущее состояние знаний. Наконец, мы критически рассматриваем существующие положительные электроды и твердые электролиты и представляем многообещающий путь для ускоренной разработки новых материалов.Обзор завершается рассмотрением проблем научной коммуникации в этой области.

Ограничения для нового химического состава аккумуляторов

В течение следующих нескольких лет создание электромобилей станет важным, если не самым важным фактором для создания новых химических компонентов аккумуляторных батарей, наряду с электрическими коммунальными службами и общественным транспортом. Политика Европы и, в частности, Китая с его огромным автомобильным рынком и интенсивными усилиями (инвестиции в миллиарды долларов) отражают это (Lienert et al., 2019). Ключом к более широкому распространению технологий электромобилей на рынке является снижение затрат и увеличение дальности действия электроэнергии, что потребует постоянного совершенствования химического состава аккумуляторов (Muldoon et al., 2014). Кроме того, «Решение 672» норвежского парламента обязывает все судоходные компании разрешать въезд в норвежские воды всемирного наследия только без вредных выбросов с 2026 года. Это также приведет к увеличению спроса на накопители энергии в морском секторе, поскольку другие страны последуют их примеру.Электроинструменты, а также медицинские инструменты и устройства способствуют увеличению потребности в хранении энергии.

С увеличением преобразования возобновляемой энергии солнца, воды, ветра и геотермальной энергии (в Германии около 36,2% спроса на электроэнергию было произведено из возобновляемых источников в 2017 году), временное хранение произведенной электроэнергии с помощью «стационарного хранилища» становится Это необходимо для того, чтобы перехватить как недостаточный или избыточный спрос, так и недостаточное или избыточное предложение в различных временных масштабах от миллисекунд до недель и месяцев. Кроме того, хранилище можно использовать для передачи большого количества энергии для регулирования частоты, потенциально предотвращая распространение системных нарушений и обеспечивая дополнительную гибкость для управления стабильностью вместо реакции на запрос или сброса нагрузки (Национальные академии наук, 2017). Поскольку количество хранимой энергии прямо пропорционально количеству активного материала, стоимость киловатт-часа является движущим фактором для новых химических компонентов батарей для этих стационарных хранилищ, которые потребляют на несколько порядков больше сырья.

Мировой спрос на такие накопители энергии постоянно растет. В 2016 году во всем мире было произведено около 460 ГВтч перезаряжаемых электрохимических элементов (Pillot, 2017). Ожидается, что годовой рост составит около 8% в целом и 25% для литий-ионных элементов (по отношению к доходам, указанным в евро). Помимо свинцово-кислотной технологии для использования в автомобильных аккумуляторах, литий-ионная технология также будет доминировать на рынке вторичных накопителей в следующем десятилетии из-за своего зрелого состояния. Преимущественно крупные электронные компании продвигают эту технологию, что также отражается в экспоненциально увеличивающемся количестве патентов.Литий-ионный аккумулятор по-прежнему является наиболее привлекательным и наиболее продаваемым аккумулятором, и в ближайшее время будут реализованы целевые значения 150 долларов США / кВтч, а его удельная энергия увеличилась почти в четыре раза с момента его коммерциализации в 1991 году. Кривая обучения , однако, в настоящее время плоская, и скоро будет достигнут физико-химический предел (Janek and Zeier, 2016; Thielmann, 2016). Важным недостатком литий-ионной системы является потребность в апротонном (неводном, органическом) жидком электролите для ионного переноса (Schnell et al., 2018). Многие из проблем, с которыми сталкиваются эти батареи — проблемы безопасности, снижение емкости, старение, громоздкий процесс заполнения и смачивания электролита во время производства, а также обширная процедура формирования — приводят к высоким затратам и могут быть связаны с этим жидким электролитом (Schnell et al. , 2018). Фактически, проблемы безопасности возникают из-за воспламеняемости растворителей, и было много случаев возгорания батарей (Feng et al., 2018). Поэтому Управляющий совет ИКАО (Международная организация гражданской авиации) решил запретить перевозку литий-ионных батарей в качестве груза на пассажирских самолетах.

По этим причинам новые прорывные технологии с более высокой безопасностью и более высокой теоретической плотностью энергии, чем существующие литий-ионные батареи (Schnell et al., 2018), такие как полностью твердотельные или высоковалентные батареи (Muldoon et al., 2014 ; Canepa et al., 2016; Schnell et al., 2018). Дорожная карта для литий-ионных аккумуляторов показывает, что использование литий-металлических отрицательных электродов внутри полностью твердотельных аккумуляторов является следующим важным шагом, предусмотренным для применения после 2025 года (Muldoon et al., 2014; Тильман, 2017; Schnell et al., 2018), поскольку он предлагает потенциал для резкого повышения плотности энергии и безопасности. Этот полностью твердотельный аккумулятор станет эталоном для всех будущих концепций аккумуляторов.

Тесно связано с устойчивым и принципиально новым химическим составом аккумуляторов, поэтому наличие (сырья) материалов и их наилучшее сочетание. Использование металлов с изобилием земли в качестве отрицательных электродов стало одной из самых острых проблем в последние годы (Zhao et al., 2018), поскольку компании, а также органы государственной власти все больше обеспокоены риском предложения минеральных ресурсов. Многочисленные элементы необходимы для всех видов использования в строительстве, производстве и даже в сфере обслуживания, которая может конкурировать с сектором аккумуляторных батарей. Таким образом, ресурсоемкие отрасли сталкиваются с рядом рисков в отношении надежности поставок: рост и волатильность цен считаются наиболее значимыми рисками (Bardt, 2016). Последнее становится особенно важным по мере того, как стоимость сотовой связи снижается до 100 долларов США / кВтч (Olivetti et al. , 2017).

В целом на нашей планете достаточно материальных ресурсов. Однако решающее значение для их использования имеет то, как развиваются цены на сырьевые товары, насколько доступны рынки, сколько энергии требуется для добычи и очистки, и какое воздействие на окружающую среду (CO ₂ и выбросы отходов, преобразование природы, спрос на воду и т. Д. ) ожидается, чтобы сделать эти ресурсы доступными для дальнейшей обработки. Например, для литий-ионной батареи было проведено несколько анализов (см., Например, Mohr et al., 2012; Olivetti et al., 2017). С растущим спросом на литий-ионные батареи, спрос на литий, кобальт, фосфор и другие металлы, используемые в этих батареях, также увеличится. Хотя кобальт и фосфор уже классифицируются ЕС как «критические», Olivetti et al. (2017) указали, что могут возникнуть проблемы с быстрым расширением использования материалов, связанных с литием и кобальтом, в краткосрочной перспективе.

Более того, разработка принципиально новой химии батарей также должна рассматриваться в гораздо более широком контексте. Для решения глобальных проблем, с которыми мы сталкиваемся, Организация Объединенных Наций провозглашает 17 «целей в области устойчивого развития» в качестве основы для достижения лучшего и более устойчивого будущего для всех (United Nations, 2015). С технической точки зрения необходимо разработать новые устойчивые технологии, технологии и, следовательно, химические продукты, которые учитывают производительность ресурсов и возобновляемые / чистые источники энергии. В частности, при стационарном хранении необходимо учитывать, что для производства батарей требуется огромное количество металлов и другого сырья.Из-за длительного срока службы батарей и множественного конечного использования эти металлы затем секвестрируются на несколько десятилетий и не могут быть немедленно переработаны для обеспечения значительных краткосрочных поставок (Видал и др., 2013; Оливетти и др., 2017). Кроме того, для разработки месторождений с более низкими концентрациями этих металлов расходуемая энергия становится ограничивающим фактором (более 10% мирового потребления энергии уже используется для добычи и обработки минеральных ресурсов; Vidal et al., 2013) и представляет собой важный риск на рынке аккумуляторов. Conditio sine qua non для того, чтобы промышленность по производству и применению аккумуляторов существовала и продолжала устойчиво, таким образом, эксплуатирует месторождения экологически безопасным и энергосберегающим способом.

Таким образом, необходимо разработать экологически безопасные и перспективные химические продукты для аккумуляторов с учетом указанных ограничений конечного пользователя, социальных и промышленных требований, политики и поставок сырья. Безусловно, любой химический состав аккумуляторов может внести вклад в диверсификацию рынка аккумуляторов. Если новый химический состав батареи покажет многообещающие характеристики, ее промышленное масштабирование будет «измерено» с учетом указанных проблем.Следовательно, химические элементы с высоким содержанием, такие как алюминий, должны быть в центре внимания химических исследований батарей. В следующем разделе химические элементы периодической таблицы были оценены с учетом этих ограничений.

Оценка концепции

Эта глава основана на статьях (Meutzner et al., 2018a; Schmid et al., 2018; Nestler et al., 2019b) и описывает полностью твердотельную батарею с металлическим отрицательным электродом. Для концептуальной разработки нового электрохимического накопителя энергии с оптимизацией ресурсов, окружающей среды и затрат была разработана система оценки, которая варьируется от потенциального материала для концепции накопления до его применения.

Химические элементы, используемые в основных компонентах батареи (отрицательный электрод, электролит, положительный электрод), являются основной отличительной чертой, и они составляют основу каждой концепции. Первый шаг в оценке и выборе элементов периодической системы до числа 94 — убедиться в их пригодности для устойчивой и плодотворной химии батарей. Существуют разные способы оценки материала, две из которых — «Оценка критичности» по ЕС ^{или «Индекс риска ресурсов» RRI (Bardt, 2016, 2017).ЕС оценивает, среди прочего, магний, фосфор, вольфрам и кобальт как критические. RRI указывает на текущий риск ресурсов для немецкой промышленности, при этом все элементы с индексом RRI от 16 до 25, такие как вольфрам (20,4), олово (17,8), магний (15,6) и кобальт (16,3), имеют считаться критическим. Фосфор (14,3), литий (12,3), алюминий (12,0) и свинец (9,5) в настоящее время имеют средний или низкий риск.}

Параметры, используемые для оценки элементов, можно очень широко разделить на две категории — электрохимия и экономика — и рейтинг может быть скорректирован в соответствии с поставленной задачей (см. Schmid et al., 2018). Здесь выбран отрицательный электрод: когда мы предполагаем полностью твердотельную батарею на основе кислородсодержащих соединений (при условии конструкции и значений, данных Schnell et al. (2018), твердый электролит Li ₇ La ₃ Zr ₂ O ₁₂ , и положительный электрод, состоящий из 70 об.% LiNi _0,8 Co _0,15 Al _0,05 O ₂ и 30 об.% Li ₇ La ₃ Zr ₂ O ₁₂ ), элемент с наибольшей долей помимо кислорода с 46 ат.-% — это подвижные частицы (и, следовательно, отрицательный электрод) с 33 ат.%, так как они находятся в отрицательном электроде, электролите и положительном электроде. Все остальные элементы составляют 21 ат.%. Для рейтинга каждый параметр оценивается в баллах. Сложив все оценки, можно сказать, что элемент с наибольшим номером является наиболее перспективным для использования в будущем. Согласно этому алгоритму, алюминий является кандидатом с наивысшим потенциалом для химического состава батареи на основе металлического отрицательного электрода (рис. 1), что соответствует Zhao et al.(2018).

Рисунок 1 . Результат оценки элементов до числа 94. Максимально возможное значение — 22. Светлые цвета относятся к экономическим и экологическим аспектам, а темные цвета относятся к электрохимическим аспектам. Алюминий занимает первое место в качестве отрицательного электрода для полностью твердотельных алюминиево-ионных батарей.

В настоящее время, помимо иона трехвалентного алюминия, щелочные металлы, такие как натрий и калий (Elia et al., 2016), и некоторые другие подвижные ионы, такие как двухвалентный кальций и магний, имеют большое значение для вторичных постлитиевых высоковалентных ионных батарей. (Нестлер и др., 2019а). Недавний обзор Canepa et al. (2016) утверждает, что большая часть исследований высоковалентных ионов проводится на неводном магнии (около 81%), на 15% — на цинке, 3% — на кальции и 1% — на других, включая алюминий (а также стронций). и барий). Использование высоковалентных ионов увеличивает количество электронов, участвующих в электрохимическом процессе, и, таким образом, в принципе, приводит к высоким значениям емкости. Это учитывается используемым алгоритмом.

Основываясь на оценке, мы предполагаем, что концепция полностью твердотельной аккумуляторной батареи на основе алюминия (высоковалентные ионы) представляется весьма перспективной для удовлетворения будущих потребностей.Здесь металлический алюминий используется в качестве отрицательного электрода с возможностью обмена тремя электронами во время электрохимического процесса (Al → Al ³⁺ + 3e ^— ). Фактически, алюминий обладает одной из самых высоких теоретических объемных емкостей среди всех элементов. Очень убедительное представление об использовании алюминия в качестве отрицательного электрода в батарее на основе алюминия уже было сделано Muldoon et al. (2014) и Elia et al. (2016) (рисунок 2). Соответственно, он предлагает большой потенциал объемной емкости в четыре раза выше по сравнению с литием (8.0 по сравнению с 2,0 Ач / см ³ ), а гравиметрические емкости сопоставимы (3,0 против 3,8 мАч / г). Плотность энергии (объемная емкость, умноженная на полезное напряжение) аккумуляторной батареи становится важной, когда имеется ограниченный объем для монтажа. Поэтому высокая плотность энергии более желательна для мобильных устройств (таких как электромобили, вспомогательные роботы или электроинструменты). Чем портативнее устройство (например, персональная электроника), тем меньше места доступно для его аккумулятора, а плотность энергии играет решающую роль (Muldoon et al., 2014). При том же объеме батареи на основе алюминиево-металлического отрицательного электрода автомобиль потенциально может иметь в два-шесть раз больший запас хода по сравнению с коммерческими литий-ионными батареями (при условии, что это батареи с жидким электролитом, а также твердотельные литий-ионный аккумулятор с рабочим напряжением 3 В, а также алюминиево-ионный твердотельный аккумулятор с напряжением 1,7 В).

Рисунок 2 . Сравнение гравиметрической и объемной емкости, стандартного восстановительного потенциала и обилия металлических отрицательных электродов в земной коре, используемых или предлагаемых для применения в электрохимических системах хранения (Fleischer, 1953; U.С. Геологическая служба, 2015). Рисунок воспроизведен с разрешения Elia et al. (2016) © 2016 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Вайнхайм.

Следует отметить, что отрицательный электрод металл-алюминий имеет менее отрицательный стандартный восстановительный потенциал по сравнению с другими интересными кандидатами (рис. 2), что указывает на возможное ограничение в первом приближении. Более внимательный взгляд на алюминий покажет обнадеживающие особенности его использования, однако он также столкнется с проблемами, которые обсуждаются в следующей главе.

Алюминий

Сырье, изобилие, ресурсы, производство и переработка

Высокое содержание алюминия около 8 мас.% Делает его самым распространенным металлом в земной коре и третьим по распространенности элементом после кислорода и кремния (см. Рис. 2). Согласно Бардту (2017) и ЕС ^{, алюминий не считается критическим с точки зрения соотношения запасов к производству, политического риска и рисков поставок, поскольку он поступает из разных источников.Из-за своего неблагородного характера он редко встречается как самородный металл в виде силикатов алюминия. Таким образом, чистый алюминий необходимо производить из полезных ископаемых или путем переработки из лома. Боксит является наиболее важным минералом для производства первичного алюминия: 1 кг алюминия можно получить из 4 кг боксита (Habashi, 2003; Ostojic et al., 2014). Концентрация алюминия в соответствующем сырье более чем на два порядка выше по сравнению с литием, что важно с точки зрения перемещаемого количества почвы для добычи полезных ископаемых.Что касается% — параметра выбора для использования в батареях, — тем не менее, из 1 кг сырья можно добыть более чем в два раза больше атомов алюминия по сравнению с литием. Это еще одно преимущество использования алюминия в качестве металлического отрицательного электрода в батареях.}

На каждом континенте есть свои предприятия по добыче, производству и переработке. Последнее особенно важно: для того, чтобы значительно снизить потребность в энергии при производстве алюминия, на раннем этапе была создана инфраструктура утилизации.Что касается энергий диссоциации связи Δ _f H ²⁹⁸ для связи Al – O, а также для связи Al – Al, 512 (4) против 186 (9) кДж / моль (Dean, 1999) соответственно Становится понятным, что энергопотребление всего процесса производства алюминия из алюминиевого лома можно сократить на 95% (Habashi, 2003). Таким образом, сегодня 35% спроса на алюминий обеспечивается за счет вторичного вторичного алюминия.

Алюминиевая промышленность, однако, отвечает за около 1% антропогенных выбросов парниковых газов, из которых около 40% приходится на сам процесс производства алюминия (прямые выбросы) и около 60% — на производство электроэнергии (косвенные выбросы) получение металлического алюминия (Международный институт алюминия, 2009 г.).Около 1 кг алюминия производит (5–40) кг выбросов CO ₂ . Следовательно, системное мышление важно для увеличения производства алюминия и для любых алюминийсодержащих применений, принимая во внимание возобновляемые источники энергии, чтобы сократить выбросы и потребление невозобновляемых энергоносителей. Здесь производство алюминия можно рассматривать как один из этапов цепочки создания добавленной стоимости алюминиево-ионных аккумуляторов: хранение и транспортировка электроэнергии через металл-алюминий от места производства (гидроэлектростанции, ветряные или фотоэлектрические парки) до место его использования.Из-за высокого спроса на электроэнергию большинство производственных предприятий расположены рядом с (гидроэлектрическими) электростанциями. Для производства 1 кг алюминия необходимы температура около 1000 ° C, а также (9–12) кВт / ч электроэнергии с эффективностью процесса (85–95)% (Habashi, 2003). Теоретически из алюминиево-ионной батареи можно извлечь около 5 кВтч на кг (см. Таблицу 1).

Таблица 1 . Сравнение характеристик алюминия с литием, эталонным элементом (цифры, выделенные жирным шрифтом, указывают на выгодные значения).

Следует отметить, что для производства лития из минералов применяются температуры до 1150 ° C (Tran, Luong, 2015; Schmidt, 2017). Впоследствии металлический литий, как и алюминий, также производится электролизом расплавленных солей в электролитической ячейке с использованием хлорида лития при температурах порядка 500 ° C (Mahi et al., 1986; Kipouros and Sadoway, 1998) и с потребление электроэнергии (32–40) кВтч на кг. Кроме того, аналогичные экологические проблемы, такие как образование нежелательных газов и их объемов, возникают во время процессов электролиза как алюминия, так и лития.Точные расчеты выбросов парниковых газов при производстве металлического лития, похоже, пока отсутствуют.

Принимая во внимание эти данные числа, затрачиваемая электрическая энергия примерно в три-пять раз ниже для алюминия по сравнению с литием, обеспечивая такую ​​же теоретическую гравиметрическую или объемную емкость металлического отрицательного электрода в батарее.

Объемные и поверхностные свойства, коррозия

Алюминий кристаллизуется в пространственной группе Fm3¯m с параметром решетки a = 4 при комнатной температуре.04950 (12) (Witt, 1967), который стабилен до температуры плавления (Hatch, 1984). Согласно FIZ Karlsruhe GmbH (2018), никаких других алюминиевых конструкций не известно; однако структурный фазовый переход был вызван интенсивным лазерным излучением (Guo et al., 2000). Эта структурная стабильность делает алюминий интересным отрицательным электродом. На данный момент более 18000 из примерно 194000 записей о соединениях на основе алюминия с двумя и более компонентами внесены в базу данных неорганических кристаллических структур (FIZ Karlsruhe GmbH, 2018).Это обеспечивает большое количество кристаллических структур для разработки принципов проектирования алюминиево-ионных проводников. Большинство металлических элементов легко сплавляются с алюминием, и могут образовываться самые разнообразные интерметаллические фазы (Hatch, 1984). Это важно для настройки электрохимических свойств алюминия как компонента батареи. Считается, что алюминий приближается к «идеальному» металлу или свободному электронному газу (Nakashima et al., 2011). Три валентных электрона, образующие свободный электронный газ, придают алюминию превосходную электропроводность, равную 37.7 МС ​​/ см (удельное сопротивление 26,5 нОм · см), что составляет примерно 65% от сопротивления меди (Hatch, 1984). Учитывая соответствующие электрические сопротивления алюминия и меди, при таком же электрическом сопротивлении проводника алюминиевый проводник имеет на 30% меньший вес по сравнению с медью. Это также делает алюминий идеальным кандидатом для уже используемых токоприемников (Myung et al., 2011). Соответственно, теплопроводность алюминия при 237 Вт / мК приближается к 59% от теплопроводности меди (Hatch, 1984), что также делает алюминий отличной частью батареи для передачи или распределения тепла из-за заряда или разряда батареи. .

Что касается его широкого использования, а также разработки новых приложений, споры о том, безвреден ли алюминий, все еще продолжаются. До сих пор отсутствуют адекватные данные по оценке риска, подразумевающие отсутствие доказательств того, что алюминий вреден для человеческого организма ни из-за проникновения через кожу, ни при проглатывании (Всемирная организация здравоохранения, 1997; Bundesinstitut für Risikobewertung, 2014; Европейская комиссия, 2014). Литий, напротив, при контакте с воздухом реагирует на кислый гидроксид лития и считается токсичным при проглатывании (Aral and Vecchio-Sadus, 2008).Ткачева и др. (2015) сообщили, что литий может накапливаться в тканях мозга, что потенциально объясняет его действие как стабилизатора настроения . Однако подробные исследования недоступны из-за отсутствия нормативов по литию (Ткачева и др., 2015). Это делает алюминий еще более интересным материалом для батарей. Следует отметить, что соединения, изготовленные из алюминия или лития, могут обладать другой токсичностью.

Одной из самых серьезных проблем, связанных с использованием алюминия в качестве активного материала батареи, является его сродство к кислороду и, следовательно, окисление формирующейся поверхности алюминия, которая подвергается воздействию кислорода, воды или другого окислителя (Hatch, 1984; Vargel , 2004).Энтальпия образования Δ _f H ⁰ твердого оксида при стандартных условиях

2Al + 3 / 2O2 → Al2O3, (1)

составляет -1,675 кДж / моль, что выше, чем для реакции окисления железа до Fe ₃ O ₄ (-1,121 кДж / моль) (для Li ₂ O оно составляет -599,1 кДж / моль) ( Линстром и Маллард, 2017). Таким образом, в стандартных условиях алюминий мгновенно (<1 мс) образует очень тонкий однородный и непрерывный аморфный поверхностный слой Al ₂ O ₃ толщиной порядка (2–10) нм (Vargel, 2004).Толщина пленки увеличивается в три раза в присутствии водяного пара, но скорость образования не зависит от парциального давления кислорода (Hatch, 1984). Этот диэлектрический, а также амфотерный оксидный слой ведет себя как жидкость под действием напряжения и, следовательно, обладает способностью к самовосстановлению (Yang et al., 2018). Оксидный слой сжимается по отношению к нижележащему алюминию и может выдерживать деформацию без разрушения (Vargel, 2004). Обычно оксидная пленка стабильна в диапазоне 90–159, pH 90–160, равном примерно 4.От 0 до 8,6 (Deltombe and Pourbaix, 1958; Hatch, 1984).

С одной стороны, это обеспечивает отличную стойкость к окружающей среде, например к окисляющим средам, таким как воздух, вода и т. Д., Что является преимуществом при транспортировке и обращении с алюминием (металлический литий будет сталкиваться с более выраженными проблемами коррозии во время обработки и доставки на производство места). Более того, это выгодно, когда алюминий используется в качестве токосъемника для (литий-ионных) батарей (Myung et al., 2011). Очень тонкий оксидный слой не препятствует электропроводности, но добавляет контактное сопротивление 35 кОм (Oh et al., 1999). Эффект туннелирования реализует электрическую проводимость (Накаи и Миядзаки, 1964). С другой стороны, это создает барьер для сольватации алюминия (см. Энергии диссоциации связи выше), что создает проблему при использовании металлического алюминия в качестве отрицательного электрода. Таким образом, этот природный оксид влияет на электрохимическое поведение (перенапряжение) алюминия. Второй слой обычно образуется поверх оксидного слоя в результате реакции с соседними газами и жидкостями; сплошной оксидный слой, ближайший к поверхности металла, превращается в гидроксилированную пленку на границе раздела твердое тело / газ (Hatch, 1984).

Поведение алюминия в окислительных средах можно визуализировать в первом приближении на так называемой диаграмме Пурбе (Deltombe and Pourbaix, 1958; Vargel, 2004). В электрохимии диаграмма Пурбе также известна как диаграмма потенциала ( E _H ) — pH и может рассматриваться как эквивалент хорошо известных фазовых диаграмм. Он рассчитывается по уравнению Нернста. На диаграмме показаны возможные стабильные (равновесные) фазы, например, в системе алюминий-вода (Vargel, 2004; Ashby, Jones, 2012).Существуют условия, при которых алюминий не подвержен коррозии («невосприимчивость») из-за отсутствия движущей силы отрицательного напряжения. Алюминий может вызвать коррозию («коррозию»), потому что существует движущая сила напряжения, которая препятствует образованию стабильной оксидной пленки на поверхности. В качестве третьей возможности алюминий может не подвергаться коррозии («пассивации»), потому что, несмотря на наличие движущей силы напряжения, на поверхности образуется стабильная оксидная пленка (это может быть или не быть эффективным барьером для коррозии).

Сначала мы хотим рассмотреть чистую воду с областью устойчивости, ограниченной пунктирными линиями на рисунке 3.Вне этой области вода нестабильна и разлагается. Выше линии (b) кислород выделяется в соответствии с реакцией

6h3O → 4h4O ++ O2 (г) + 4e-, (2)

ниже линии (а), водород выделяется в соответствии с реакцией

2h3O + 2e- → h3 (г) + 2OH-. (3)

Если присутствует алюминий, диаграмма Пурбе становится более сложной. В сильно кислых и сильнощелочных условиях соответственно на поверхности происходит собственное выделение газа до тех пор, пока алюминий или вода не будут израсходованы при растворении Al ³⁺ или AlO2–.Это передаёт амфотерную природу алюминия. Между pH от 4 до 8,6 гидраргиллит Al ₂ O ₃ · H ₂ O является стабильной фазой, и образуется пассивирующий слой, защищающий алюминий. Действительно, считается, что эта пленка отвечает за успешное использование алюминия во многих приложениях, где может использоваться пассивация (например, в качестве токоприемников в батареях с жидким электролитом). Если потенциал достаточно низкий, сам алюминий невосприимчив к коррозии.Скорость коррозии алюминия в чистой воде чрезвычайно мала, хотя движущая сила коррозии очень велика (> +2,8 В) (Ashby and Jones, 2012).

Рисунок 3 . Диаграмма Пурбе алюминия в воде при 25 ° C, показывающая его коррозионные свойства. На нем изображены основные реакции окисления / восстановления алюминия в водных системах. За пределами желтой области разрушается вода, а не металл. Можно видеть, что вторичная алюминий-ионная батарея с металлическим алюминием в качестве отрицательного электрода на основе водной системы будет невозможна, так как алюминий не может быть нанесен как при низком, так и при высоком уровне pH .Также не может быть растворен в среде pH . Следовательно, могут быть реализованы только системы первичных батарей (см. Раздел «Водные или первичные алюминиевые батареи»). Перерисовано из Deltombe and Pourbaix (1958), Vargel (2004) и Ashby and Jones (2012).

Алюминий в качестве отрицательного электрода имеет несколько преимуществ по сравнению с литием, а также недостатки, которые суммированы в таблицах 1, 2 и на рисунке 4. Кроме того, это наиболее часто используемый металл в мире без примесей железа, с которым легко работать в холодную погоду. или в жарких условиях, и предлагает простое обращение в окружающей среде.Следовательно, ожидается, что маркетинг технологии алюминиевых батарей станет проще по сравнению с технологией литиевых батарей (Zhang et al., 2018).

Таблица 2 . Сильные стороны и проблемы алюминия в качестве отрицательного электрода в батарее (по сравнению с литием).

Рисунок 4 . Преимущества использования алюминия в качестве материала аккумулятора (отрицательный электрод, токоприемник, корпус).

Алюминиево-ионный аккумулятор

В литературе термин «алюминиево-ионный аккумулятор» используется для различных систем, в которых используется алюминий.В настоящее время отсутствует четкая категоризация в отношении того, что до сих пор не проводились исследования в этой области (см. Ниже). Мы предлагаем разделить их по категориям, как показано на рисунке 5. Строго говоря, алюминиево-ионные аккумуляторы — это лишь подмножество всех вариантов, опубликованных на данный момент. Как указывает Кравчик и др. (2017), «алюминиево-ионный аккумулятор» характеризуется однонаправленным потоком ионов Al ³⁺ от одного электрода к другому. В следующем разделе мы ограничиваем термин «алюминиево-ионный аккумулятор» именно этими системами.Принимая во внимание литературу, опубликованную по этому вопросу, можно выделить четыре типа вторичных алюминиевых батарей и три конструкции алюминиево-ионных батарей, схематически изображенных также на рисунке 5.

Рисунок 5 . Категоризация алюминиевых аккумуляторов в зависимости от схемы их работы и типа используемого электролита. Другие типы батарей — это двухионные батареи (Zhao et al., 2018). Ниже показаны различные возможные конструкции вторичных алюминиево-ионных аккумуляторов. (A) Эта конструкция не использует весь потенциал алюминия, поскольку отрицательный электрод является либо сплавом, либо неметаллом.В конструкциях (B, C), в качестве отрицательного электрода используется металлический алюминий, в (B), используется жидкий и (C), — твердый электролит.

Чтобы использовать высокие теоретические плотности энергии алюминиево-ионного аккумулятора (13,36 Втч / см ³ , что в 1,6 раза выше, чем у бензинового 8,6 Втч / см ³ ), металлический отрицательный электрод из чистого алюминия необходимо использовать. Для этой цели также требуется стабильный электролит в отношении окна электрохимической стабильности.Твердый электролит может решить большинство проблем, связанных с недостатками высококоррозионных или нестабильных жидких электролитов. Наконец, необходимо идентифицировать положительный электрод, который обеспечивает высокую емкость, высокое напряжение и, следовательно, высокую плотность энергии. И для положительного электрода, и для (твердого) электролита ионная проводимость имеет большое значение. Когда новый материал демонстрирует достаточную ионную проводимость, электронная проводимость решает, будет ли такой материал использоваться в качестве твердого электролита (электронный изолятор) или в качестве положительного электрода (электронный проводник).Следует отметить, что электронно изолирующий материал может быть преобразован в положительный электрод, если, например, смешан с графитом или черным углеродом, и окислительно-восстановительная реакция может иметь место в составляющем элементе, а электрический проводник может быть легирован для уменьшения электропроводности. .

Следовательно, одной из основных задач на этом все еще раннем этапе исследований должно быть, прежде всего, определение материалов с достаточной ионной проводимостью, состоящих из некритических элементов. В следующем разделе акцент делается на этих материалах.

Разработка алюминиевых батарей

В 2017 году подразделение TechVision компании Frost Sullivan (2017) впервые объявило об алюминиево-ионной батарее как одну из потенциальных систем постлитиевых батарей. Среднегодовой рост числа патентных заявок в мире с 2010 по 2016 год составил около 29%. Подача патентов на алюминиевые батареи началась только в 2013 году. Главный патентообладатель — Китай. Южная Корея, Северная Америка и все чаще Европа также становятся важными игроками. Однако в Европе исследовательская деятельность невысока.За исключением проекта ALION, этот тип аккумуляторов пока не входит в технологическую направленность Европейской комиссии. Пока нет компаний или стартапов, непосредственно участвующих в этой технологии аккумуляторов, что указывает на то, что эта батарея все еще находится на начальной стадии. За последние 5-10 лет исследования алюминиевых батарей стали более обширными. Если до 2016 года было опубликовано около 66 научных статей об алюминиево-ионной батарее, то в 2017 году — 55 статей (для сравнения, в 2017 году только по литий-ионной батарее было опубликовано около 8000 статей).Большинство статей было из Китая (53%) и США (15%), тогда как из всех остальных стран было меньше 8%. Большинство исследований сосредоточено на ионных жидкостях и интеркалирующих материалах (положительных электродах), некоторые из которых имеют дело с водными системами. Обзоры алюминиевой батареи представлены, например, в работах Li and Bjerrum (2002), Muldoon et al. (2014), Элиа и др. (2016), Зафар и др. (2017), Zhang et al. (2018) и Nestler et al. (2019a). Поисковый термин «алюминиево-ионный аккумулятор» приводит к примерно 2200 публикациям до 2017 г. ^{, что связано с неточным определением алюминиевых аккумуляторов и их упоминанием в контексте высоковалентных аккумуляторов.}

Впервые о том, что алюминий был заявлен как «необычное применение» для батарей (в качестве положительного электрода) в гальванической батарее вместе с цинком (ртутью) в разбавленной серной кислоте в качестве электролита — первичного элемента, — сообщил М. Юло ( Дюма, 1855 г.). В качестве отрицательного электрода алюминий впервые был использован в ячейке Buff в 1857 году (Li and Bjerrum, 2002; Muldoon et al., 2014). В 1893 году амальгамированный алюминиево-цинковый сплав был предложен для использования в качестве отрицательного электрода в ячейке с углеродом в качестве положительного электрода (Li and Bjerrum, 2002), за которым последовало использование алюминия или амальгамированного алюминия в тяжелых условиях деполяризованного хлора. батарейки (Li, Bjerrum, 2002).В 1950-х годах водные электролиты рассматривались для использования в аккумуляторных элементах Leclanché с алюминиевым отрицательным электродом и положительным электродом из MnO ₂ (Muldoon et al., 2014). Хотя эти различные элементы можно классифицировать как первичные, с 1970-х годов были проведены значительные исследования по разработке вторичных алюминиевых батарей (Li and Bjerrum, 2002). За последние 30 лет исследования, посвященные вариантам перезаряжаемых аккумуляторов, столкнулись с многочисленными проблемами, такими как разрушение материала электродов, низкое напряжение разряда ячейки, емкостное поведение без плато разрядного напряжения, высокая скорость саморазряда, недостаточный срок службы при быстром снижении емкости и перезаряжаемости (Muldoon et al., 2014; Lin et al., 2015; Liu et al., 2017), а также противоречивые результаты исследований (см. Ниже и Nestler et al., 2019a). Чтобы создать алюминиевую батарею с существенно более высокой плотностью энергии, чем литий-ионная батарея, требуется полный обратимый перенос трех электронов между Al ³⁺ и единственным металлическим центром положительного электрода (как в алюминиево-ионной батарее), как необходимо высокое рабочее напряжение и длительный срок службы (Muldoon et al., 2014). Однако на сегодняшний день об этом не сообщается.

Водная или основная алюминиевая батарея

Несмотря на низкую стоимость, простоту эксплуатации и снижение воздействия на окружающую среду, алюминиевые батареи на основе водных или протонных систем обладают фатальными недостатками, такими как образование пассивирующей оксидной пленки dec

Окисление и восстановление | Информационный бюллетень Smore

1. Конструируется гальванический элемент, подобный изображенному на рис. 20.5. Одна полуячейка состоит из алюминиевой полосы, помещенной в раствор Al (NO3) 3, а другая — из никелевой полосы, помещенной в раствор NiSO4.Общая реакция:

2Al (s) + 3Ni2 + (aq) → 2Al3 + (aq) + 3Ni (s)

(a) Что окисляется, а что восстанавливается?

(b) Запишите две полураакции, которые происходят в двух полуячейках.

(c) Какой электрод является анодом, а какой — катодом?

(d) Укажите обозначения электродов

(e) Протекают ли электроны от алюминиевого электрода к никелевому электроду или от никеля к алюминию?

(f) В каком направлении катионы и анионы перемещаются через раствор? Предположим, что Al не покрыт оксидом.

2. (a) Какой электрод гальванического элемента, катод или анод, соответствует более высокой потенциальной энергии электронов? б) Каковы единицы измерения электрического потенциала? Как эта единица соотносится с энергией, выраженной в джоулях? (c) Что особенного в стандартном потенциале клетки?

3. Используя данные в Приложении E, рассчитайте стандартную ЭДС для каждой из следующих реакций:

(a) h3 (g) + F2 (g) → 2H + (aq) + 2F- (aq)

( б) Cu + 2 (водн.) + Ca (т. е.) → Cu (т.) + Са + 2 (водн.)

(в) 3Fe2 + (вод.) → Fe (т.) + 2Fe3 + (вод.)

(г) 2ClO3 — (водн.) + 10Br- (водн.) + 12H + (водн.) → Cl2 (г) + 5Br2 (l) + 6h3O (l)

4.Учитывая следующие полуреакции и соответствующие стандартные потенциалы восстановления:

AuBr- (aq) + 3e ‘→ Au (s) + 4Br- (aq) E ° красный = -0,858 В

Eu3 + (aq) + e’ → Eu2 + (водный) E ° красный = -0,43 В

IO- (водный) + h3O (l) + 2e ‘→ I- (водный) + 2OH- (водный) E ° красный = +0,49 В

(a) Запись уравнение для комбинации этих полуреакций, которое приводит к наибольшей положительной ЭДС, и вычислить значение. (b) Напишите уравнение для комбинации этих полуреакций, которая приводит к наименьшей положительной ЭДС, и вычислите значение.

5. Из каждой из следующих пар веществ используйте данные в Приложении E, чтобы выбрать более сильный окислитель:

(a) Cl2 (g) или Br2 (l) (b) Zn2 + (водный) или Cd2 + (водный)

(c) Cl- (водн.) Или ClO3- (водн.) (D) h3O2 (водн.) Или O3 (g)

6. На основании данных в Приложении E, (a) какой из следующих окислителей является наиболее сильным окислителем? агент и какой самый слабый в кислом растворе: Br2, h3O2, Zn, Cr2O72-? (b) Какой из следующих восстановителей является более сильным восстановителем, а какой наименее слабым в кислых растворах: F-, Zn, N2H5 +, I2, NO?

Окислительно-восстановительные реакции: окисление и восстановление

2. Образование
3. Наука
4. Химия
5. Окислительно-восстановительные реакции: окисление и восстановление

Окислительно-восстановительные реакции — реакции, в которых происходит одновременный перенос электронов от одного химического вещества к другому — действительно состоят из двух разных реакций: окисление , (потеря электронов) и восстановление, (усиление электронов).

Электроны, которые теряются в реакции окисления, — это те же электроны, которые приобретаются в реакции восстановления. Эти две реакции обычно называют полуреакциями ; общая реакция называется окислительно-восстановительной реакцией ( красный мк / окс ).

Окисление

Вы можете использовать три определения окисления:

• Потеря электронов

• Прирост кислорода

• Потеря водорода

Потеря электронов

Один из способов определить окисление — это реакция, в которой химическое вещество теряет электроны при переходе от реагента к продукту.Например, когда металлический натрий реагирует с газообразным хлором с образованием хлорида натрия (NaCl), металлический натрий теряет электрон, который затем приобретается хлором.

Следующее уравнение показывает, что натрий теряет электрон:

Когда он теряет электрон, химики говорят, что металлический натрий окисляется до катиона натрия. (Катион представляет собой ион с положительным зарядом из-за потери электронов.)

Реакции этого типа довольно часто встречаются в электрохимических реакциях , реакциях, в которых производится или используется электричество.

Приток кислорода

Иногда в некоторых реакциях окисления очевидно, что кислород был получен при переходе от реагента к продукту. Реакции, в которых прирост кислорода более очевиден, чем прирост электронов, включают реакции горения ( горение ) и ржавчины железа. Вот два примера.

Сжигание угля:

Ржавчина железа:

В этих случаях химики говорят, что углерод и металлическое железо окислились до двуокиси углерода и ржавчины соответственно.

Потеря водорода

В других реакциях окисление лучше всего можно рассматривать как потерю водорода. Метиловый спирт (древесный спирт) может окисляться до формальдегида:

При переходе от метанола к формальдегиду соединение превратилось из четырех атомов водорода в два.

Редукция

Как и окисление, есть три определения, которые вы можете использовать для описания восстановления:

• Прирост электронов

• Потеря кислорода

• Прирост водорода

Прирост электронов

Редукция часто рассматривается как усиление электронов.Например, в процессе гальваники серебра на чайник катион серебра восстанавливается до металлического серебра за счет усиления электрона. Следующее уравнение показывает, что катион серебра приобретает электрон:

Когда он получает электрон, химики говорят, что катион серебра был восстановлен до металлического серебра.

Потеря кислорода

В других реакциях восстановление легче рассматривать как потерю кислорода при переходе от реагента к продукту. Например, железная руда (в первую очередь ржавчина) восстанавливается до металлического железа в доменной печи в результате реакции с оксидом углерода:

Железо потеряло кислород, поэтому химики говорят, что ион железа был восстановлен до металлического железа.

Получение водорода

В некоторых случаях восстановление можно также описать как увеличение количества атомов водорода при переходе от реагента к продукту. Например, оксид углерода и газообразный водород можно восстановить до метилового спирта:

В этом процессе восстановления CO получил атомы водорода.

Убыток одного — прибыль другого

Ни окисление, ни восстановление не могут происходить без друг друга. Когда эти электроны теряются, что-то должно их получить.

Рассмотрим, например, чистое ионное уравнение (уравнение, показывающее только химические вещества, которые изменяются в ходе реакции) для реакции с металлическим цинком и водным раствором сульфата меди (II):

Эта полная реакция состоит из двух полуреакций, показанных ниже.

Полуреакция окисления — потеря электронов:

Полуреакция восстановления — выигрыш электронов:

Цинк теряет два электрона; катион меди (II) получает те же два электрона.Zn окисляется. Но без этого катиона меди (окислитель ) ничего не произойдет. Это необходимый агент для протекания процесса окисления. Окислитель принимает электроны от окисляемого химического вещества.

Катион меди (II) восстанавливается по мере приобретения электронов. Соединение, доставляющее электроны, называется восстановителем . В этом случае восстановителем является металлический цинк.

Окислитель — это восстанавливаемый компонент, а восстанавливающий агент — это окисляемый компонент.И окислитель, и восстановитель находятся на левой (реагирующей) стороне окислительно-восстановительного уравнения.

.