Когда новая технология аккумуляторов совершит большой прорыв?

Можно сказать, что батарея является необходимостью в нашей жизни. Электронные продукты, такие как мобильные телефоны и компьютеры, неотделимы от батарей. Поэтому развитию аккумуляторной отрасли также уделяется большое внимание. Ученые также работают над разработкой новых аккумуляторов с более мощным накоплением энергии и более длительным сроком службы. В разных областях ученые разрабатывают батареи, которые больше подходят для этой области, потому что ни одна батарея не может подходить для всех областей.

Мир ждет прорыва в батареях. Почти во всех сферах электронной промышленности требуются батареи, которые ограничены выходной мощностью и сроком службы батареи.

«Развитие или продвижение аккумуляторов происходит намного медленнее, чем в других областях, что является ограничением самого аккумулятора.« Вы не можете рассчитывать, что аккумуляторы будут питать ваш телефон в течение недели или месяца », - сказал Стефано Пассерини, редактор журнала Journal of Мощность. Говоря прямо, максимальная энергия, запасенная в батарее, определяется присущими ей элементами ".

Но в этой области есть прогресс. Исследователи работают над увеличением плотности энергии (отношения объема к емкости), ценности, безопасности, воздействия на окружающую среду и пробного срока службы литий-ионных батарей, а также разрабатывают новые типы батарей.

Аккумуляторы в основном используются в трех отраслях: бытовая электроника, автомобили и энергосистемы.

«Я называю эти три отрасли тремя основными областями, в которых люди подключаются к батареям», - сказал Венкат Шривасан, заместитель директора по исследованиям и разработкам в Joint Energy'sJointCentre Energy Research. В каждом поле свои требования к батареям, поэтому используемые батареи могут (иногда) сильно отличаться. Телефону в вашем кармане нужен прочный, надежный аккумулятор, вес и стоимость не в счет. Для производства автомобильных аккумуляторов требуется много аккумуляторов, поэтому очень важны их стоимость и вес, а также срок утилизации (если Xintesila потребуется заменять новые аккумуляторы каждые два года, вы сойдете с ума). Батареи, используемые для хранения электроэнергии в домах и электрических сетях, не имеют высоких требований к весу или размеру.

В бытовой электронике - мобильных телефонах, компьютерах, фотоаппаратах, планшетах, дронах и даже часах - на протяжении десятилетий используются литий-ионные батареи из-за простоты их зарядки и высокой плотности энергии. В этих батареях решетки графита, заполненные ионами лития, образуют аноды. Оксиды образуют катод и соединены с противоположными портами, и оба разделены жидкими электролитами, которые пропускают ионы. Когда внешние порты подключены, окисление лития и ионы лития текут на катод. При зарядке все наоборот. Чем больше ионов лития может быть перенесено таким образом, тем больше мощность батареи. Независимо от срока службы батареи и безопасности, размер и простота использования литиевых батарей также очень популярны. Однако Пассерини заявил, что возможности для дальнейшей оптимизации литиевых батарей ограничены.

"Литиевые батареи сейчас почти на пределе", - сказал он. «Хотя мы говорили то же самое 10 лет назад, улучшения за последние 10 лет были немалыми».

В автомобильной промышленности аккумуляторы в конечном итоге определяют продолжительность жизни автомобилей, а также страх и беспокойство перед электромобилями. Чтобы решить эту проблему, инженеры и ученые пытаются заполнить аккумулятор большей емкостью по напряжению. Однако снижение емкости по напряжению обычно связано с химическими реакциями внутри батареи. Химические реакции, которые происходят с течением времени, будут постепенно увеличиваться, а емкость постепенно уменьшаться. Большое количество исследований было сосредоточено на поиске новых материалов и химикатов, которые могли бы помочь или заменить ионно-литиевые решетки или другие части батареи.

Сринивасан указал на некоторые потенциальные инновации, которые можно использовать не только в автомобилях: традиционную решетку анода графита можно заменить кремнием, в котором более чем в 10 раз больше ионов лития. Но кремний расширяется, когда поглощает ионы лития, поэтому исследователям необходимо решить эту проблему. Или литий может действовать как анод вместо решетки - но мы не знаем, как предотвратить его короткое замыкание во время зарядки. Производители батарей пытались решить эту проблему с тех пор, как литиевые батареи были представлены десятилетия назад. «Мы очень надеемся, что сможем решить эту 30-летнюю проблему сейчас», - сказал Сринивасан.

Может быть, литий можно полностью заменить. Исследователи стремятся заменить его натрием или магнием, а совместный исследовательский центр по хранению энергии использует компьютерное моделирование для изучения катода, который использует определенные оксидные материалы в качестве магниевых анодов. Магний очень полезен, потому что его структура позволяет каждому атому принимать два электрона, что в два раза увеличивает заряд, который может хранить магний.

PrashantJain и его коллеги из Университета Иллинойса изучают еще один компонент литиевых батарей: электролиты. Электролиты - это жидкости, которые заполняют пространство между катионами (положительно заряженными ионами) и анионами (отрицательно заряженными ионами) и позволяют заряженным частицам течь. Давно известно, что некоторые твердые материалы, такие как селенид меди, также пропускают поток ионов, но не могут работать с мощным оборудованием достаточно быстро. Джейн, доцент химии, и его ученики разработали суперионное твердое вещество, состоящее из наночастиц селенида меди с различными свойствами. Он позволяет заряженным частицам течь со скоростью, сопоставимой со скоростью жидких электролитов.

Потенциальные преимущества этой технологии двоякие: безопасность и жизненный цикл. Если текущий литий-ионный аккумулятор поврежден, аккумулятор закорачивается и нагревается, а затем жидкость испаряется, ничто не препятствует быстрому высвобождению энергии. Твердые вещества предотвращают короткое замыкание и могут использовать цельнометаллические аноды для обеспечения большей энергоемкости. Кроме того, в повторяющихся циклах жидкий электролит растворяет катод и анод, что является основной причиной невозможности зарядки аккумулятора.

«Все эти постепенные улучшения на самом деле привели к некоторому прогрессу. Но никогда не было прорыва, который потряс бы мир. Твердые электролиты обладают такой же способностью к передаче, как и жидкости, - сказал Джайн. - Но это создает проблемы с безопасностью. Может быть, нам нужно использовать твердые электролиты. Откройте мозговую дыру. Одним махом сделайте то, что полностью заменит жидкий электролит. "

Rongyujiaoshouyuehan · gudenuofu, один из первых соавторов литиевых батарей в Техасском университете, применяет другой подход к твердотельным электролитам, опубликовав и зарегистрировав патент на батареи со стеклянным электролитом. Пропитав стекло литием или натрием, Гуденаф смог ускорить прохождение тока, а также использовать твердые аноды для предотвращения коротких замыканий и увеличения энергоемкости.

Все эти исследования повлияют на аккумуляторы в наших карманах и автомобилях. Но есть и третье применение батареи, и ее влияние глобально.

MelanieSanford использует инструменты моделирования для различных типов батарей (больших жидких проточных ячеек Redox), которые накапливают электричество от возобновляемых источников энергии и выделяют энергию, когда производство энергии ветра и солнца недоступно. Уровень производства и потребления энергии в ночное время поможет возобновляемой энергии выйти за пределы своей роли в качестве резервного источника энергии.

Эдисон в Южной Калифорнии уже тестирует аккумуляторную батарею с автомобильными батареями Tesla, но, поскольку батарея является традиционной литиевой батареей, ее стоимость слишком высока, чтобы ее можно было широко продвигать на глобальном уровне возобновляемых источников энергии. Кроме того, ограничения сетевых аккумуляторов сильно отличаются от ограничений автомобилей. Вес и размер - не проблема, но цены и жизненный цикл - это вопросы, которые необходимо учитывать.

В жидкостных батареях Redox материал для хранения энергии хранится в большом контейнере в виде жидкости, которая затем перекачивается в батарею меньшего размера и вступает в реакцию с аналогами с противоположными зарядами. Компьютерное моделирование позволило лаборатории Сэнфорда настроить органические молекулы, увеличив их емкость на тысячи - эти молекулы остаются стабильными от менее суток до нескольких месяцев.

«Энергосистема требует сверхдешевых материалов, потому что батареи, о которых мы говорим, очень большие», - сказал Сэнфорд. «Мы говорим о ветряных электростанциях и складах для аккумуляторов такого же размера».

По словам Сэнфорда, инновационное направление в основном заключается в разработке новых материалов, которые можно использовать в аккумуляторах, с помощью материаловедения. С другой стороны, инновации требуют от инженеров создания систем, которые делают эти материалы более эффективными. И то и другое незаменимо, но еще одним узким местом будет процесс от исследования до производства.

«Каждый должен понимать, что никакая батарея не может использоваться во всех сценариях», - сказал Пассерини. «Очевидно, что даже если вы только улучшить производительность 10 <УНКА> или 20 <УНК>, это удивительно. Мы должны продолжить наши исследования в этой области, и ученые нуждаются в вашей поддержке.»

Страница содержит содержимое машинного перевода.