Как далеко литий от «настоящей» высокоэнергетической батареи?

Самым большим препятствием на пути крупномасштабной индустриализации чистых электромобилей является «беспокойство о пробеге». Суть проблемы - это удельная энергия аккумуляторной системы.

Существующая литий-ионная аккумуляторная система может рассматриваться только как «половина» высокоэнергетической батареи, поскольку ее высокая удельная энергия в основном основана на чрезвычайно низком потенциале электрода. В настоящее время некоторые виды материалов для положительных электродов из оксидов переходных металлов, которые продаются на рынке, не намного превосходят водные вторичные батареи с точки зрения рабочего напряжения или удельной емкости.

Следовательно, есть только два способа превратить литий в «настоящую» высокоэнергетическую батарею: увеличить рабочее напряжение батареи или увеличить удельную емкость положительных и отрицательных материалов. Однако из-за ограничений многих объективных факторов улучшение удельной энергии литий-ионных батарей приблизилось к узкому месту.

Теоретические расчеты показывают, что существующая система материалов с положительной и отрицательной полярностью с максимальной емкостью (тройной элемент с высоким содержанием никеля с отрицательным электродом из кремниевого углерода) имеет немного более высокую плотность энергии, около 300 Вт / кг. Из-за строгих ограничений многих технических показателей крупномасштабные силовые батареи сильно отличаются от небольших батарей 3С выбором материалов электродов, расположением системы, технологией Polar и конструкцией основной структуры. Эти факторы образуют даже одну и ту же положительную и отрицательную полярную коллокационную систему. Плотность энергии больших элементов питания намного ниже, чем у небольших батарей 3C.

То есть в обозримом будущем для системы высокоэнергетических литий-ионных аккумуляторных батарей, которая может быть коммерциализирована в больших масштабах, практически невозможно иметь плотность энергии более 250 Вт / кг. Эта удельная энергия системы предназначена для обычных бытовых легковых автомобилей. В реальных условиях и условиях нагрузки это диапазон более 300 км.

У Beyond LIB есть две ослепительные «новые звезды»: Li-S и Li-Air аккумуляторы. Фактически, это все старые системы, которые были переупакованы только в последние годы. Если мы внимательно посмотрим на эти две электрохимические системы, их основной проблемой по-прежнему является отрицательный электрод из металлического лития.

Аккумулятор Li-S должен решить проблему отрицательного электрода из металлического лития, иначе аккумулятор Li-S в основном теряет преимущество высокой энергии. В сочетании с уникальным «эффектом челнока с ионами серы» Li-S аккумуляторов автор не думает, что Li-S аккумуляторы будут иметь возможность практического применения в электромобилях. В будущем Li-S батареи могут найти применение в особых областях, таких как военные и дикие районы.

Идея и отправная точка Li-Air батареи не совпадают с Li-S батареями. Относится к категории воздушных батарей. Но, по моему личному мнению, элементы металл-воздух, особенно элементы вторичный металл-воздух, на самом деле объединяют в себе недостатки как вторичных, так и топливных элементов и усиливают недостатки. Вторичные воздушно-литиевые батареи связаны с большим количеством технических проблем, чем литий-ионные батареи.

Лично для меня следующий прорыв в области литий-ионных аккумуляторов может быть связан с твердотельными литий-ионными батареями, а не с литий-ионными, литий-воздушными или даже графеновыми батареями, которые в настоящее время сильно раздумывают. За счет использования металлического лития в качестве отрицательного электрода плотность энергии полностью твердотельных литий-ионных батарей будет значительно улучшена по сравнению с нынешними жидкими литий-ионными батареями (по оценке автора, фактическая плотность энергии может достигать 350 Втч / кг). Хорошая безопасность - еще одно преимущество твердотельных литий-ионных аккумуляторов.

Однако из-за характеристик ионного переноса твердых электролитов и проблем с сопротивлением поверхности раздела твердых электролитов и материалов положительного и отрицательного электрода определено, что коэффициент передачи должен быть его короткой пластиной. Кроме того, возможность вторичной переработки и температурные характеристики твердотельных батарей по-прежнему сталкиваются с серьезными проблемами.

Лично автор полагает, что цельнотвердые литий-ионные батареи могут быть использованы в небольших электронных устройствах 3C в будущем, и большие силовые элементы могут не подходить для их применения. Согласно текущим исследованиям и разработкам твердотельных литий-ионных аккумуляторов в мире, автор не верит в возможность крупномасштабной коммерциализации твердотельных литий-ионных аккумуляторов в ближайшие 5-10 лет.

Я хочу здесь подчеркнуть, что приведенное выше понимание и понимание безопасности и плотности энергии литиевого электричества требует значительного электрохимического опыта и передовых методов производства литиевого электричества. Из-за нехватки места автор здесь не занимается подробностями.

По сравнению с литий-ионными силовыми элементами и топливными элементами мы видим, что возможности для дальнейшего увеличения плотности энергии литий-ионных силовых элементов очень ограничены. Если вы подумаете об этом с точки зрения самых основных электрохимических принципов, эту проблему нетрудно понять. Увеличение плотности энергии вторичных батарей не соответствует закону Мура.

Новая химическая система энергоснабжения с более высокой плотностью энергии все еще находится на стадии фундаментальных исследований, и перспективы индустриализации все еще очень неопределенны. Собственно говоря, проблема плотности энергии PEMFC не очень важна. Даже если количество резервуаров для хранения водорода будет увеличено до самых простых, чтобы обеспечить пробег, эксплуатация будет относительно простой.

Мы также можем подумать с другой точки зрения, что вторичная батарея должна быть разработана в полностью герметичную систему и стремиться к тому, чтобы ее можно было обслуживать (для литиевой энергии это абсолютно необходимо), и именно потому, что вторичная батарея является герметичной системой, что делает невозможным он должен иметь высокую плотность энергии. Иначе в чем разница между закрытой высокоэнергетической системой и бомбой?

Из самого основного закона сохранения энергии смысла нет! С этой точки зрения легко понять, что увеличение плотности энергии литий-ионных батарей (фактически включая все системы вторичных батарей) будет очень ограниченным. Топливный элемент - это открытая система. Электрический реактор - это только место электрохимической реакции. Плотность энергии системы в основном зависит от количества водорода, хранящегося в системе хранения водорода.

Поскольку это открытая система, топливные элементы имеют больший потенциал для увеличения плотности энергии и по своей сути более безопасны. Это как раз то, чего нет у любой вторичной батареи. С точки зрения электрохимических устройств топливные элементы представляют собой более высокий уровень развития химических источников энергии, чем аккумуляторные батареи.

По сути, вторичная батарея, включая литий-ионную батарею, представляет собой устройство для хранения электроэнергии, а топливный элемент - это устройство для производства электроэнергии. Это наиболее существенное различие определяет различное расположение этих двух устройств в области применения.

Многие различные характеристики топливных элементов и вторичных элементов определяют, что вторичные элементы подходят для хранения энергии средней и малой мощности, в то время как топливные элементы более подходят для приложений с более высокой мощностью. Поэтому автор лично считает, что размещение литий-ионных аккумуляторов на электромобилях - это вспомогательное силовое устройство, а HEV и PHEV и небольшие чистые электромобили - его основные области применения.

Топливный элемент PEMFC с самого начала разрабатывался как крупномасштабный источник энергии и представляет собой настоящий «силовой элемент». Я хотел бы подчеркнуть здесь, что топливные элементы PEMFC и литий-ионные батареи не пересекаются в области применения. В электромобилях это взаимодополняющие отношения, а не кто кого заменяет.

Страница содержит содержимое машинного перевода.