Краткое описание альтернатив силовым аккумуляторам

Плотность энергии, цикл и безопасность аккумуляторных батарей становятся технической проблемой, которая ограничивает дальнейшее продвижение транспортных средств на новой энергии.

Металло-воздушная батарея

В настоящее время используемый на рынке литий-железо-фосфатный аккумулятор 330 В / 60 Ач имеет мощность всего 19,8 кВтч и вес 230 кг, а фактическая плотность энергии составляет всего 86 Втч / кг. Если масштабировать аккумулятор до 60 кВтч (около 400 км), он будет весить неприемлемо 700 кг. Национальным комитетом по стандартам определено как одно из двух ведущих предприятий по зарядке большой мощности.

Все отечественные электрические автобусы заявляют, что имеют запас хода до 300 километров, но в настоящее время чистый электрический автобус использует 12 аккумуляторных блоков (около 3600 кг). Электрический автобус без кондиционера может проехать только 110–120 километров. Ехать можно только 80 километров, а средний дневной пробег автобуса составляет 250 километров. Из-за безопасности аккумулятора невозможно глубоко заряжать и разряжать. Таким образом, фактическая доступная энергия составляет менее половины номинальной энергии батареи.

Приведенные выше факты говорят о том, что в настоящее время отечественных мобильных аккумуляторов недостаточно 。

В Китае были разработаны и вышли на рынок металлические и воздушные батареи, алюминиевые и воздушно-цинковые батареи, а исследования воздушно-литиевых батарей все еще остаются пустыми.

Алюминиевый воздушный аккумулятор

Алюминиевая воздушная батарея имеет следующие особенности:

Плотность энергии высока: теоретическая плотность энергии составляет 8100 Втч / кг, а фактическая плотность энергии превышает 350 Втч / кг.

Простота в эксплуатации, длительный срок службы: металлические электроды можно заменить механически, управление батареями простое, а срок службы зависит только от срока службы кислородного электрода.

Батарея имеет различные конструкции: она может быть сконструирована как первичная батарея или вторичная батарея, а металлический положительный электрод может быть пластинчатого, клиновидного или пастообразного типа, а электролит может циркулировать или не циркулировать.

Циркулярная экономика: батарея потребляет алюминий, кислород и воду для образования оксидов металлов. Последнюю можно уменьшить за счет возобновляемых источников энергии, таких как энергия воды, ветра и солнца. Для обычных автомобилей на 100 км расходуется 3 кг алюминия и 5 л воды, а стоимость переработки составляет менее 10 юаней.

Экологичность и защита окружающей среды: отсутствие ядовитых газов, отсутствие загрязнения окружающей среды. Соответствующее сырье: Алюминий - самый распространенный металл на Земле, и его цена невысока. Промышленные запасы мировой алюминиевой промышленности превышают 25 миллиардов тонн, что может удовлетворить потребности автомобильной промышленности в аккумуляторных батареях для электромобилей.

Основные технологии исследования алюминиево-воздушной батареи: изготовление электрода из алюминиевого сплава, исследование коррозии и пассивация положительного электрода; подготовка воздуходиффузионного электрода и исследование каталитического материала для восстановления кислорода; исследования системы подготовки и обработки электролита, подавления коррозии положительного электрода и уменьшения поляризации, повышения эффективности батареи; система циркуляции электролита, система гарантии циркуляции воздуха и система терморегулирования аккумуляторной батареи; механическая зарядка, механическая замена нового положительного электрода после положительного разряда сплава, централизованная регенерационная обработка продуктов разряда и электролита, переработка.

По имеющимся данным, отечественные научно-исследовательские институты сотрудничали с предприятиями по запуску алюминиево-воздушных батарей электромобилей с плотностью энергии более 350 Втч / кг. Батарея была интегрирована, и ее емкость достигла более 5000 Ач, которые могут выйти на рынок.

Цинково-воздушная батарея

В настоящее время удельная мощность воздушно-цинковой батареи, разработанной учреждением, составляет 101,4 Вт / кг, энергетического топливного элемента - 90,9 Вт / кг, первый на 11,6% выше, чем второй; Плотность энергии воздушно-цинковой батареи составляет 218,4 Втч / кг, а топливного элемента - 197,7 Втч. / кг, первое на 10,5% выше, чем второе.

Цинково-воздушная батарея имеет характеристики низкого содержания углерода и сокращения выбросов: 3,5 тонны цинкового топлива расходуют столько же энергии, сколько 1 тонна дизельного топлива, а сеть мощностью 2145 кВт может производить 1 тонну цинкового топлива. В 2010 году Китай потребил 156 миллионов тонн дизельного топлива и 71 миллион тонн бензина. Если 50% из них будет заменено цинковым топливом, они могут сократить 317,78 миллиона тонн CO2, 11,39 миллиона тонн CO, 1,68 миллиона тонн HC и 1 140 500 тонн NOx.

Алюминиевые / магниево-воздушные батареи должны решить две проблемы, которые являются многообещающими для электромобилей: пятикратное увеличение удельной мощности; устранение загрязнения при переработке алюминия / магния и значительное сокращение энергии, используемой при подготовке материала.

Водородно-кислородные топливные элементы имеют следующие проблемы: электролизное производство водорода потребляет слишком много энергии; транспортировка водородных автомобилей мала и опасна, например, трубопроводный транспорт, утечка может достигать 40%; водород в резервуарах для хранения водорода на транспортном средстве в настоящее время составляет только от 3 до 5% массы резервуара; нет катализатора, который действительно мог бы заменить платину.

Например, автомобиль Mercedes-Benz Citaro на кислородно-водородных топливных элементах потребляет 17 водорода на 100 километров, а потребление электроэнергии на килограмм топлива составляет 64-72 кВтч, что соответствует потреблению электроэнергии от 1091 до 1227 кВтч на 100 километров. Следовательно, необходимо значительно снизить энергозатраты на производство водорода.

До решения вышеупомянутых проблем коммерциализация водородно-кислородных топливных элементов не представлялась возможным. Кроме того, Соединенные Штаты и Канада прекратили исследования и разработки автомобильных кислородных топливных элементов.

Литий-воздушные батареи все еще находятся на ранней стадии исследований. Проблемы, которые необходимо решить, включают: предотвращение хронической утечки диафрагмы с помощью двух электролитов; повышение полезной температуры органического электролита; поиск золотого и платинового катализатора, который может заменить текущее использование; Как предотвратить проникновение водяного пара, чтобы вызвать взрыв при замене литиевого топлива; как утилизировать неиспользованный литий и гидроксид лития; как снизить потребление энергии циркулирующим гидроксидом лития.

Исходя из вышеизложенной ситуации, некоторые эксперты считают, что воздушно-цинковая батарея - не лучший аккумулятор, но наиболее практичный аккумулятор.

Литий-серная батарея

Типичные производители литий-серных аккумуляторов в мире включают Sion Power, Polyplus, Moltech в США, Oxis в Великобритании и Samsung в Южной Корее. Литий-серная батарея Polyplus емкостью 2,1 Ач имеет удельную энергию 420 Втч / кг или 520 Втч / л.

В Китае Tianjin Electronics 18, Институт химических исследований, Университет Цинхуа, Шанхайский университет Цзяотун, Национальный оборонный университет науки и технологий, Уханьский университет, Пекинский технологический институт проводят исследования литий-серных батарей. Было обнаружено, что циклическая стабильность литий-серных батарей была вызвана разрядным растворением положительного активного материала и нестабильностью поверхности металлического лития, электрической изоляции самой серы и продуктов ее разряда (5x10-30S / см). Плохо, использование активных материалов низкое.

Катодный материал литий-серной батареи включает пористый углерод, такой как крупный мезопористый углерод, активированный уголь, углеродный гель и т. Д., Углеродные нанотрубки, наноструктурированные проводящие полимерные материалы, такие как MWCNT, PPy, PANi / PPy и т. Д. И PAN.

Крупный мезопористый углерод

Крупный мезопористый углерод может образовывать паразитный комплекс углерод-сера, заполняя элементарную серу. Использование большого объема пор (> 1,5 см ³ / г) углерода для обеспечения высокой заполняющей способности серы для достижения высокой емкости; использовать поверхностную плотность углерода высокого (> 500 см ² / г) адсорбировать разряд продукты, повысить стабильность цикла. Использование углерода с высокой проводимостью (несколько См / см). Улучшает электрическую изоляцию элементарной серы, улучшает использование серы и скорость заряда и разряда батареи.

Процесс получения крупного мезопористого углерода состоит в следующем: использование нано-CaCO3 в качестве шаблона, фенольной смолы в качестве источника углерода, карбонизация, активация в CO2, нанесение трафарета HCL и промывка водой. Поверхностная плотность была 1215 см ² / г, объем пор составлял 9,0 см ³ / г, а удельная электропроводность составила 23 См / см. Затем его обрабатывали вместе с серой при высокой температуре 300 ° C для получения материала LMC / S, в котором S составляла 70%.

Поскольку низковольтная платформа серного электрода тесно связана с вязкостью электролита, чем выше вязкость, тем ниже низковольтная платформа; чем выше отношение проводимости к вязкости, тем лучше электрохимические характеристики аккумулятора. Поэтому оптимальный состав электролита - 0,65 М LiTFSI / DOL + DME (объемное соотношение 1: 2).

Желатиновый клей обладает хорошей адгезией и диспергируемостью. Не растворяется и не плавится в электролите литий-серной батареи. Он может способствовать полному окислению полисульфид-ионов до элементарной серы во время зарядки, что может улучшить разрядную емкость литий-серных батарей.

Пористый электрод изготавливается с помощью процесса «сублимационной сушки, образования пор кристаллов льда», который может обеспечить глубокую инфильтрацию электролита и уменьшить потерю активного реакционного центра из-за покрытия продукта разряда.

Если взять в качестве примера литий-серную батарею емкостью 1,7 Ач, плотность энергии составляет 320 Втч / кг и при 100% -ном разряде разряда, цикл составляет 100 раз, степень сохранения емкости составляет около 75%, а эффективность цикла достигает 70%. В первый год уровень саморазряда составляет около 25%, а средний ежемесячный уровень саморазряда составляет от 2 до 2,5%; емкость разряда при 0 ° C достигает 90% от нормальной температурной емкости, а допуск при -20 ° C составляет 40% от нормальной температурной емкости; Когда аккумулятор разряжен / перезаряжен, аккумулятор не воспламеняется и не взрывается. Когда аккумулятор перезаряжается, он вздувается, и внутри образуются пузыри.

Вулканизированный полипропилен

Тип полимерной литиевой батареи с 800 мАч / г сульфидного полипропилена (SPAN) в качестве материала положительного электрода, плотность энергии мелкодисперсных литиевых / сульфидных полипропиленовых батарей превышает 240 Вт · ч / кг, и этот мелкодисперсный сульфидный полипропиленовый материал имеет сверхнизкую стоимость и низкие показатели. потребление энергии. Кроме того, батареи из графитового / сульфидного полипропилена будут сильным кандидатом в большие литиевые батареи.

Литиевая вторичная батарея, основанная на обратимой электрохимической реакции, может быть проводящим полимером за счет легирования и дедопирования серы, а также вулканизации пиролизованного полипропилена.

Емкость батареи из вулканизированного полипропилена больше, чем у литиевой батареи, основанной на обратимой электрохимической реакции. Особые характеристики заряда и разряда указывают на то, что сульфидная батарея намного превосходит механизм литиевой батареи.

Исследования показали, что когда глубокий разряд достигает 0 В, емкость разряда / заряда составляет от 1502 мАч / г до 1271 мАч / г, после чего цикл стабилизируется между 1 В и 3 В. Рабочие характеристики цикла стабильны в диапазоне от 0,1 В до 3 В, а емкость составляет 1000 мАч / г.

При перезарядке напряжение внезапно падает до 3,88 В, а затем стабилизируется на отметке 2 В. После перезарядки продолжить зарядку невозможно, что указывает на то, что аккумулятор имеет присущую ему безопасность перезарядки.

Верхний предел напряжения для зарядки составляет 3,6 В. Когда напряжение зарядки достигает 3,8 В, он больше не может продолжать зарядку; когда напряжение достигает 3,7 В, его нельзя перезарядить после 3 циклов.

Кроме того, две сульфидно-литиевые батареи имеют почти такое же напряжение разряда, что и литий-кобальтатно-литиевые батареи, поэтому они обладают хорошей взаимозаменяемостью.

Напряжение зарядки и емкость такой батареи увеличиваются при понижении температуры. Разрядная емкость при 60 ° C и -20 ° C составила 854 и 632 мАч / г соответственно. Полимерный анод имеет рабочую температуру выше -20 ° C.

Зарядное напряжение и емкость будут уменьшаться с увеличением плотности тока. При плотности тока 55,6 мА / г емкость составила 792 мАч / г; когда плотность тока составляла 667 мА / г, емкость составляла 604 мАч / г. Это указывает на то, что аккумулятор может работать в состоянии с высокой плотностью тока.

Сульфидный электрод увеличивается в объеме при разряде (интеркалирован ионами лития) и сжимается при заряде (ион де лития). После первого разряда толщина положительного электрода увеличивается примерно на 22%. Изменения толщины металлического литиевого отрицательного электрода и сульфидного положительного электрода компенсируют друг друга, чтобы гарантировать, что общая толщина батареи не изменится слишком сильно. Проводящие полимеры также обладают такими же свойствами. В исследовании EIS была измерена и установлена эквивалентная схема.

Из-за различной структуры сульфидированного пиролизованного полипропилена (SPAN) и пиролитического полипропилена (PPAN) первый может оставаться стабильным при температуре выше 600 ° C.

Прототип полимерной литиевой батареи с использованием сульфидированного полипропилена в качестве положительного электрода и литиевой фольги в качестве отрицательного электрода имеет размер 4x40x26 мм3 и плотность энергии 246 Втч / кг или 401 Втч / л.

Кроме того, в эксперименте по использованию графита в качестве отрицательного электрода литий-серной батареи в камере с сухим воздухом или инертным газом диафрагма Celgard с 2400 отверстиями используется в качестве разделителя, который помещается между положительным и отрицательным электродами для образования ячейка, а отрицательный электрод и сепаратор разделены. Между листами находится литиевая фольга толщиной 100 мкм, которую затем заполняют 1 M электролитом LiPF6-EC / DEC и, наконец, запечатывают в кнопочную ячейку. Показана характеристическая кривая. Кривые заряда и разряда после добавления Li2.6Co0.4N.

Среди двух вышеупомянутых методов безопаснее использовать в качестве отрицательного электрода графит, чем металлический литий; сульфидный положительный электрод перед литированием образуется электрохимическим литированием; между сульфидно-графитовой батареей и сульфидно-литиевой батареей есть напряжение 0,2 В. Бедные; сульфидные / графитовые батареи имеют более стабильный срок службы.

Полиакрилонитрил, вулканизированный углеродными нанотрубками

Серосодержащий композитный материал положительного электрода из сополимера полиакрилонитрила, выращенного на поверхности углеродной нанотрубки, представляет собой спеченный продукт из полиакрилонитрила B-типа, серы и 5% углеродных нанотрубок. МУНТ диаметром около 20 нм проникают между частицами, уменьшая размер вторичных частиц, формируя хороший структурный каркас и проводящую сеть. По мере увеличения содержания углеродной трубки начальная емкость уменьшается, но стабильность цикла и быстродействие электрода улучшаются.

Таким образом, помимо фосфата лития и железа, страны по всему миру активно исследуют больше батарей с высокой плотностью энергии, таких как металл-воздушные батареи и литий-серные батареи. Такие батареи имеют низкую стоимость, низкое энергопотребление и высокую плотность энергии. Металло-воздушная батарея имеет плотность энергии 3500 Втч / кг, а литий-серная батарея имеет плотность энергии 2600 Втч / кг.

Американская компания Laiden Energy Company разработала токоприемник, который может безопасно работать при высоких температурах на основе более высокой плотности энергии, чем существующие литиевые батареи, и очень подходит для электромобилей.

Leiden Energy заменила алюминиевый коллектор и гексафторфосфат лития, используемые в традиционных аккумуляторных электролитах, графитовыми коллекторами и сульфитом натрия, чтобы продлить срок службы батарей при работе при температурах выше 60 ° C. Более того, плотность энергии новой батареи на 50% выше, чем у литиевых батарей, используемых в электромобилях.

Новый аккумулятор с сульфинамидом натрия

Американская компания Laiden Energy разработала токоприемник, который может безопасно работать при высоких температурах на основе более высокой плотности энергии, чем существующие литиевые батареи, и очень подходит для электромобилей.

Leiden Energy заменила алюминиевый коллектор и гексафторфосфат лития, используемые в традиционных аккумуляторных электролитах, графитовыми коллекторами и сульфитом натрия, чтобы продлить срок службы батарей при работе при температурах выше 60 ° C. Более того, плотность энергии новой батареи на 50% выше, чем у литиевых батарей, используемых в электромобилях.

Страница содержит содержимое машинного перевода.