Как литиевые батареи требуют большой емкости

Мы с нетерпением ждем новой эры повсеместного использования чистой энергии. Как одна из отличительных черт этой эпохи, люди хотят видеть новые автомобили, такие как электромобиль Tesla, бегающими по всей улице. Вместо бензина он питается от литиевых батарей, полностью заряженных электричеством. К тому времени заправочные станции по обе стороны дороги будут заменены зарядными станциями. Последние новости заключаются в том, что Шанхай объявил, что предоставит электромобилям Tesla бесплатную лицензию и поддержит их в ускорении строительства станций наддува в Китае.

Однако, когда вы поймете, что батареи, используемые в электромобилях, принципиально не отличаются от батареек в вашем телефоне, радость от светлого будущего может быть покрыта облаком. То, о чем часто грустят участники сотовой связи, - это время автономной работы. Мобильные телефоны многих людей полны утром и полны днем. Наполнять их нужно один раз в сутки. Ноутбуки также имеют эту проблему, и они могут разрядиться через несколько часов. Полезность электромобилей ставится под сомнение тем фактом, что их нужно часто перезаряжать, когда они находятся недалеко. Единственный электромобиль Tesla Model S на рынке, самая оснащенная модель, которая, как утверждается, проходит 480 километров после полной зарядки, уже является выдающимся достижением.

Почему батареи «недолговечны»? В определенном пространстве величина энергии, которую может хранить материал, называется «плотностью энергии». Судя по рейтингу плотности энергии, батарея почти внизу. Если использовать в качестве индикатора энергию, вырабатываемую на килограмм, наше ежедневное потребление бензина может достигать 50 МДж, в то время как средний уровень литиевых батарей составляет менее 1 МДж. Батареи других типов также имеют очень низкий уровень заряда. Очевидно, что мы не можем сделать объем батареи бесконечно большим; Чтобы увеличить емкость аккумулятора, мы можем сосредоточиться только на увеличении удельной энергии аккумулятора, но это сложно. Что такого сложного в этой технологии? Репортер взял интервью у Лиуруна, доцента химии в Чжэцзянском университете, и взял литий-ионную батарею (литиевую батарею) в качестве примера, чтобы раскрыть секрет внутренней структуры батареи.

Электролиты важны.

Батарея может обеспечивать энергию за счет передачи электронов. Батарея подключена к цепи, переключатель включен, и ток включен. В этот момент электроны выйдут из отрицательного полюса и пройдут по цепи к положительному полюсу. При этом электроника будет поддерживать ваш мобильный телефон или управлять электромобилем Tesla.

Электроны литиевой батареи поставляются литием. Итак, с литием в батарее, не повысится ли плотность энергии? К сожалению, для того, чтобы литий-ионный аккумулятор был перезаряжаемым, его внутренняя структура должна быть за счет плотности энергии. Лиурун отметил, что внутренняя структура литиевых батарей включает электролиты, материалы отрицательных электродов, материалы положительных электродов и диафрагму. Каждый из них имеет свои особые технологические требования, выполняет уникальную функцию и незаменим. Эта структура ограничивает увеличение плотности энергии литиевых батарей.

Во-первых, электролит, который незаменим в транспортном трубопроводе аккумуляторной батареи. «Когда батарея разряжается, атом лития теряет электроны и становится ионом лития. В это время он перемещается от одного полюса батареи к другому и бежит обратно, когда батарея заряжена», - сказал Лиурун. Движение ионов лития на двух полюсах батареи является ключом к переработке литиевых батарей, а электролит гарантирует их свободное перемещение. Электролитическая жидкость подобна речной воде, ион лития подобен рыбе. Если русло реки высохло и рыба не может добраться до другого берега, литиевая батарея не будет работать должным образом.

Электролит также замечателен, потому что он несет только ионы лития, а не электроны, что гарантирует, что батарея будет разряжаться только при подключении цепи. В то же время, в зависимости от электролита, движение ионов лития упорядоченное и четкое, так что электроны всегда движутся в одном направлении, так что образуются электрические токи.

Положительные и отрицательные полюса для стабильности

Электролит не дает энергии, и он не мал, но в литиевых батареях он совершенно незаменим. Так почему же не может быть меньше негативных материалов на основе графита? Графит - это материал, из которого делают стержни карандашей, и он не отвечает за получение электронов. «Чтобы убедиться, что зарядка не ошиблась», - сказала Лиурун.

При зарядке ионы лития прыгают с положительного полюса в электролит и возвращаются к отрицательному, где электроны становятся атомами лития и собираются, чтобы подготовиться к следующему разряду. Однако сам литий является хорошим проводником электронов. Позже ионы лития, возможно, не достигли отрицательного полюса, и они получили электроны от своих предшественников, которые превратились в атомы лития. Таким образом, атомы лития могут расти в батарее, как сорняки, и превращаться в кристаллы. Этот процесс называется «кристаллизацией». Резкий рост кристаллов лития в конечном итоге приведет к повреждению диафрагмы и короткому замыканию батареи.

Чтобы решить эту проблему, ученые создали негативные материалы из графита, используя его поверхностные пустоты, такие как небольшая комната, чтобы атомы лития безопасно оставались внутри и не взаимодействовали друг с другом. В результате атомы лития оседают, но плотность энергии батареи снова падает.

Аналогичные причины применимы и к положительному электроду батареи. Чтобы поддерживать стабильность и порядок батареи, материал положительного электрода также был специально разработан. Не все ионы лития возвращаются к отрицательному полюсу при зарядке. Около половины ионов лития останется. Это также снижает удельную энергию батареи.

Проблема большой емкости

Объективно литиевые батареи имеют небольшой размер, легкий вес, длительный срок службы, низкую стоимость, безопасность и экологичность, и их можно использовать в течение более длительного периода времени при более коротком времени зарядки ... Это уже чрезвычайно высокий уровень качественный аккумулятор, который люди нашли в настоящее время .. Однако ученые всегда стремятся к совершенству. Лиурун сказал, что ключом к улучшению является поиск лучших положительных и отрицательных материалов для увеличения плотности энергии батареи.

Возможными альтернативами отрицательным материалам являются литий-кремниевые сплавы, плотность энергии которых почти в десять раз выше, чем у графита. Еще важнее найти более стабильные позитивные материалы. Литий-кобальт сейчас используется в основном. Этот материал очень дорогой, но его стабильность и удельная энергия неудовлетворительны. Ученые изучают возможность замены его оксидом железа или марганца.

Возможно ли в обозримом будущем получить аккумулятор большей емкости? Ученые все еще работают над литием. Поскольку литий участвует в реакции с большой долей электронов, металлический литий имеет большую плотность энергии. И литий-серные батареи, и литий-воздушные батареи имеют теоретические возможности. Это батареи, но они могут обеспечить столько же энергии, сколько бензин. Однако практическое развитие и продвижение по-прежнему сталкивается с множеством проблем.

Похоже, что вас интересуют электромобили, все же нужно временно смириться с тем, что пробег на некоторое время будет заряжаться. Ученые из Нью-Йорка недавно разработали новое изобретение, в котором солнечные панели используются для создания крышки люка, которая позволяет электромобилям парковаться на дороге в любое время для зарядки. Это хорошая новость для Tesla, не правда ли?

Страница содержит содержимое машинного перевода.