Могут ли жидкостные батареи заменить литий-ионные батареи?

Новый тип жидкостных батарей был разработан командой Гарвардского университета. Команда заявила, что жидкостные батареи могут использоваться не только в смартфонах, но и в новых энергетических приложениях, включая возобновляемые источники энергии. В эпоху мобильных устройств технология аккумуляторов стала главным приоритетом, и даже эпохи мобильных устройств без аккумуляторов не существует. Однако в аккумуляторах мобильных устройств существуют такие проблемы, как слабая выносливость. Прорыв в аккумуляторных технологиях всегда был актуальной проблемой, которая сдерживала дальнейшее развитие мобильной эпохи. Таким образом, исследователи изучают более эффективные источники энергии для выработки электроэнергии в надежде повысить выносливость.

Фактически, жидкостные батареи не являются новой технологией и существуют с 1960-х годов. По сравнению с литиевыми батареями жидкостные батареи имеют некоторые преимущества. Однако эта технология находится в стадии исследований и разработок и не нашла практического применения. Причина в собственных ограничениях. Несмотря на препятствия, исследование должно продолжаться. Хотя люди используют относительно надежные новые аккумуляторные технологии, они также постоянно ищут более чистую энергию для обновления аккумуляторных технологий.

Во-первых, характеристики жидкостных батарей определяют преимущества, а в некоторых отношениях лучше литиевых.

Команду Гарварда возглавляли Майкл Азиз, профессор материаловедения и энергетических технологий, и Рой Гордон, профессор химии и материаловедения. Новая жидкостная аккумуляторная батарея, которую они исследовали, основана на органической молекуле в водном растворе с нейтральным pH для выработки электроэнергии, и ее безопасность и срок службы лучше, чем у нынешних аккумуляторных батарей.

Фактически, область жидкостных батарей не считается «пустошью». В 1960-х годах уже появилась батарея Redox системы железо-хром, и ее можно было рассматривать как предшественницу полностью ванадиевой батареи с жидкостным потоком. После многих лет исследований и разработок технология достигла большого прогресса и, как ожидается, будет запущена в коммерческое использование. По сравнению с литий-ионными аккумуляторами, этот жидкостный аккумулятор имеет преимущество.

Во-первых, его размер может быть большим или маленьким, а его конструкция гибкая.

Для систем хранения энергии наиболее важными факторами являются электричество и мощность. Как правило, ванадиевые жидкостные батареи могут выдерживать мощность в зависимости от размера реактора, а количество электричества пропорционально размеру резервуара для хранения энергии. Независимо от требований проекта к системе накопления энергии, проектировщик может гибко выполнить соответствующий проект и в любой момент внести коррективы.

С другой стороны, литий-ионные батареи покрыты материалами для аккумулирования энергии на поверхности коллектора, чтобы сформировать электроды. Их процессы и свойства фиксированы, и их сложно адаптировать к конкретным проектам. При двух относительных соотношениях преимущества жидкостных батарей очевидны.

Что еще более важно, жидкостные батареи расширяемы. Батарея жидкостного потока имеет практически одинаковую конструкцию и метод управления вне зависимости от емкости аккумулятора. Пока электролит накопителя энергии смешан равномерно, можно гарантировать постоянство SOC (глубины заряда и разряда).

Если вы хотите сделать литиевые батареи одинакового размера, вам необходимо сложить несколько батарей и использовать чрезвычайно сложную BMS (систему управления батареями) для управления температурой и SOC каждой батареи. При небольшой неосторожности перезарядка, чрезмерная разрядка и перегрев могут привести к поломке аккумулятора и даже к опасности, поэтому аккумуляторы смартфонов иногда взрываются.

Во-вторых, долгий срок службы жидкостных батарей.

В настоящее время срок службы литиевых батарей на рынке составляет около 1000 ~ 5000 раз. Основным принципом накопления энергии является встраивание и деинтеркаляция твердотельных электродов, что приводит к растрескиванию и истощению срока службы батареи.

Механизм зарядки и разрядки жидкостных батарей основан на изменении валентности, а не на физических изменениях в обычных батареях, поэтому срок службы чрезвычайно долгий. Кроме того, благодаря разделению ионообменных мембран между положительным и отрицательным полюсами полностью ванадиевые жидкостные батареи избегают возможности перекрестного заражения положительных и отрицательных электролитов из-за смешивания, которое длится дольше, чем у других жидкостных батарей.

В-третьих, безопасность жидкостных батарей чрезвычайно высока.

Как упоминалось в первом пункте, характеристики жидкостных батарей гарантируют их безопасность. Здесь нет опасности возгорания или взрыва, и не возникнет проблем с безопасностью даже при большом токе.

Кроме того, энергоэффективность жидкостных батарей достигает 75–80%, скорость запуска составляет всего 0,02 с, а компоненты батареи в основном изготовлены из дешевых углеродных материалов без необходимости использования драгоценных металлов в качестве катализаторов.

В настоящее время компании, производящие полностью ванадиевые жидкостные батареи по всему миру, в основном включают UniEnergyTechnologies из США, Gildemeister из Австрии, Sumitomo Electric Co., Ltd. из Японии и Dalian Rongke Energy Storage Technology Development Co., Ltd. из Китая.

Среди них компания Rongke Energy Storage Co., Ltd. имеет общую установленную мощность более 12 МВт полностью ванадиевых жидкостных батарей, что составляет 40% от общей установленной мощности в мире, а также имеет первый в мире крупногабаритный аккумулятор мощностью 5 МВт. -масштабный промышленный накопитель энергии, реально подключенный к сети. Это означает, что показатели Китая находятся на лидирующем в мире уровне.

Хотя жидкостные батареи имеют так много преимуществ и имеют определенный масштаб производства и применения, они еще не увидели крупномасштабных коммерческих вложений и вышли на потребительский рынок из-за ограничений самих жидкостных батарей.

Во-вторых, жидкостные батареи не могут быть коммерциализированы, и у них есть много ограничений.

В качестве системы накопления энергии жидкостные батареи все еще находятся на экспериментальной стадии в области накопления энергии ветра, и коммерческое использование еще более затруднено. Новые жидкостные батареи, изученные выше Гарвардским университетом, также находятся в стадии разработки. Сначала мы можем изучить ограничения основных ванадиевых батарей в жидкостных батареях.

Теоретически соединения ванадия можно использовать в качестве добавок в существующих литиевых батареях, что аналогично использованию графена.

Однако пятивалентные ионы ванадия в положительном электроде ванадиевой батареи будут осаждать высокотоксичное вещество, называемое пентоксидом ванадия, при температуре выше 45 градусов. Осаждение этого вещества заблокирует путь потока, покроет углеродное войлочное волокно, ухудшит работу электрического реактора и, в конечном итоге, приведет к утилизации батареи. Что еще более важно, пятиокись ванадия, высокотоксичное вещество, может иметь серьезные последствия.

Кроме того, полностью ванадиевые жидкостные батареи требуют чрезвычайно высоких затрат. Например, жидкостная батарея мощностью 5 киловатт требует общей стоимости 406 000 основных материалов, плюс дополнительный ввод вторичных материалов и затраты на рабочую силу.

Наконец, жидкостные батареи имеют очень низкую плотность энергии, около 40 Вт · ч / кг, и эти батареи жидкие, поэтому они покрывают большую площадь.

Исходя из вышеупомянутых ограничений, жидкостные батареи трудно применять в больших масштабах и труднее коммерциализировать.

Исследование жидкостных батарей представляет собой решимость человечества постоянно искать новые источники энергии, но эта технология еще недостаточно развита. Напротив, технология графеновых батарей использовалась в интеллектуальных устройствах, и люди постоянно ищут более чистую энергию для производства электроэнергии.

В третьих. Технология безопасных аккумуляторов коммерчески доступна, и в будущем есть больше возможностей

В современной развивающейся технологии батарей технология графеновых батарей относительно безопасна. В конце прошлого года Huawei представила свой первый литий-ионный аккумулятор с использованием графеновой технологии на 57-й конференции по аккумуляторным батареям в Японии. В аккумуляторах этого типа используется новая высокотемпературная технология, позволяющая увеличить верхнюю температуру литий-ионных аккумуляторов на 10 градусов, а срок их службы вдвое больше, чем у обычных литий-ионных аккумуляторов.

Графен кажется более надежным, чем новая проточная батарея, которая все еще находится в стадии разработки. Конечно, сам графен имеет некоторые ограничения, но он применяется в умных устройствах.

Таким образом, в текущей ситуации графен будет больше использоваться на следующем этапе модернизации аккумуляторных технологий. При разработке аккумуляторных технологий невозможно сделать это в одночасье, и постепенный переход через звуковые и зрелые технологии должен привести к лучшим результатам.

Конечно, это не означает, что в области аккумуляторных технологий может наблюдаться застой в плане стабильности. Напротив, для того, чтобы аккумуляторные технологии больше не мешали развитию мобильной эпохи, необходимо смелее использовать всю возможную энергию для развития аккумуляторных технологий. Были проведены соответствующие исследования, и был достигнут прогресс.

Например, исследовательская группа из Пенсильванского университета недавно разработала новый метод производства электроэнергии, который использует разницу концентраций между углекислым газом, выбрасываемым электростанцией на ископаемом топливе, и углекислым газом в воздухе для выработки электроэнергии. Это устройство, получившее название «проточная ячейка», обеспечивает среднюю плотность мощности 0,82 Вт на квадратный метр, что примерно в 200 раз превышает значение, полученное с помощью предыдущих методов аппроксимации. Результаты исследования опубликованы в последнем выпуске журнала Environmental Science and Technology.

Точно так же финские ученые также добились определенного прогресса в изучении того, как использовать кинетическую энергию, тепловую энергию и солнечную энергию для питания оборудования. Исследователи разработали сегнетоэлектрический материал под названием KBNNO, который преобразует тепло и давление в электричество. Исследователи из Университета Оулу (Университет Лоо) в Финляндии использовали кристаллические структуры перовскита для извлечения энергии из нескольких источников энергии и надеются собрать больше энергии с помощью исследований.

Процесс производства такого оборудования несложный, и как только будут найдены лучшие материалы, можно будет коммерциализировать технологию в следующие годы. Если бы это произошло, нам, возможно, не пришлось бы подключать мобильные устройства к розеткам для их зарядки, а вместо этого мы получали бы постоянный поток электричества из естественной энергии, чтобы сделать их по-настоящему чистыми.

Из приведенных выше результатов мы можем делать оптимистичные прогнозы. В будущем в области аккумуляторов появятся новые технологии. Они могут увеличить коэффициент использования и срок службы батарей. При разработке аккумуляторных технологий и даже любых технологий необходимо неуклонно развиваться и совершенствоваться, но также необходимы смелые и авангардные инновации. Сочетание этих двух вещей может лучше способствовать дальнейшему развитию мобильной эпохи.

Страница содержит содержимое машинного перевода.