Что изменилось с батареи на литиевую?

Пионер-разработчик батарей Уитингем сказал: «Мы знаем только немного меха». Поскольку мир прилагает все усилия, чтобы избавиться от зависимости от ископаемого топлива, батареи, вероятно, будут играть все более важную роль в нашей повседневной жизни, а литиевые батареи еще хуже.

Сможет ли аккумулятор в будущем конкурировать с емкостью бензина?

Три года назад научный журналист Фархад Манджу написал в американском онлайн-журнале статью, в которой говорилось, что «лучшая батарея спасет мир», но подзаголовок «парировал» заголовок со словами «очень плохо». Это невозможно ». Хотя автомобильный сектор только что выпустил Tesla S, Nissan LEAF, Chevrolet Volt и выпустил большое количество новых гибридных и чисто электрических транспортных средств, от экономичных автомобилей до двух роскошных гибридных Porsche.

Проблемы, которые предвидят Манойо и другие, многогранны: (1) автомобильные аккумуляторы очень дороги; (2) «плотность энергии» (количество энергии на единицу веса) кажется намного хуже, чем у бензина; (3) может быть опасность. Образующийся ключевой материал батареи, сам литий, нестабилен и превращается в порошок в воздухе. Одна из проблем заключается в том, что влага может взорваться. Другая проблема в том, что материал «изолирован» и существует вероятность «горячего пробоя» - быстрого нагрева до возгорания. Поэтому важно, чтобы литий хранился в прохладном и сухом месте.

Но последнее предупреждение объясняет, почему литий является привлекательным материалом для аккумуляторов: его опасная энергия - огромное преимущество. Таким образом, в аккумуляторных технологиях присутствует бесшумный литиевый «спринт», который постоянно совершенствуется. В последние годы, в связи с развитием аккумуляторов, автомобили, работающие на ископаемом топливе, стали «эстетическим» выбором, а не необходимостью для экономики. Наша городская сеть станет более сложной, предсказуемой, надежной и экономичной.

Разряд батареи

В автомобильном аккумуляторе произошел переход от свинцово-кислотного аккумулятора к литиевому, никель-кадмиевый фонарик - к портативному литий-ионному аккумулятору, а аккумулятор стал более эффективным. Без литий-ионного аккумулятора почти наверняка не будет «общества мобильных телефонов». Но если говорить о крупном оборудовании, таком как автомобили и электростанции, где мы можем спасти наши потребляющие энергию жизни, есть множество победителей, таких как система A123 и ее спонсоры, Fiskar Karma, Mori Energy, Avestor и Envia, которые когда-то приводили в действие систему Команда GM потеряла миллионы и еле вылетела из стартовых ворот.

Если кто-то понимает проблемы аккумуляторной революции, то именно этот человек начал битву за изобретение литий-ионных аккумуляторов компанией Exxon в конце 1970-х годов. Это М. Стэнли Уиттингем, ныне профессор химии в Бингемском университете на севере штата Нью-Йорк, предсказал, что «через 10 лет каждая машина станет гибридом или электромобилем».

Он считает, что есть много причин для оптимизма. Например, много ресурсов вкладывается в решение технических задач по созданию лучших батарей, от небольших начинающих небольших компьютерных компаний и колледжей до хорошо финансируемых университетов, таких как лаборатории Гарварда и Стэнфорда, а также крупных национальных лабораторий США, в том числе Агунг, Лоуренс Ливермор и Сан-Диего, а также лаборатории крупных компаний в Германии, Нидерландах, Франции, Японии, Южной Корее и Китае.

Также существует очевидная и срочная необходимость уменьшить потребность людей в выбросах парниковых газов. Заменяя энергию ископаемого топлива, батареи будут играть большую роль. Потребителям явно нужны возобновляемые источники энергии: например, продажи электромобилей и гибридных автомобилей стремительно растут.

Лучшие батареи предлагают две большие награды: во-первых, доступные электромобили, которые являются основой нашего будущего «мобильного общества»; во-вторых, более гибкие, децентрализованные электросети, потому что современные стационарные батареи будут дешевле. Цены обеспечивают электроснабжение наших домов и заводов.

Прекращение беспокойства о пробеге

Первоначально предложенные электрические и гибридные автомобили были скромными, с пробегом от 40 до 100 миль на одной зарядке (за исключением дорогостоящих электромобилей Tesla с пробегом 265 миль) и только в идеальных условиях. Однако второе поколение скоро достигнет 200 миль. Крупная южнокорейская компания LGChem поставляет аккумуляторные батареи для Chevrolet Volt и Ford Focus, а ее обновленная литий-ионная конструкция, как сообщается, позволит этим автомобилям проехать 200 миль в 2016 году. Председатель и главный акционер Tesla Electric Илон Маск заявил, что его компания в августе этого года работал над новыми батареями, увеличив запас хода компании до 500 миль.

В то же время стоимость аккумуляторов снижается. По данным исследовательской компании Navigant, пять лет назад цена на аккумуляторы для ноутбуков составляла около 1000 долларов за киловатт-час, а сегодня цены близки к 250 долларам за киловатт-час. В июле 2012 года компания McKinsey сообщила, что цена на современные литий-ионные аккумуляторы для автомобилей упадет с 500 долларов за киловатт-час в 2011 году до 160 долларов за киловатт-час. По словам Фавхана, объем аккумуляторов увеличится с 12 миллиардов долларов сегодня до 75 миллиардов долларов к 2020 году.

В ближайшем будущем автомобили с аккумуляторными батареями будут конкурировать с автомобилями с бензиновым двигателем по стоимости. Маск однажды сказал, что «Святой Грааль» с батарейным питанием стоит 100 долларов за километр - он рассчитывает, что он будет реализован «через пять-семь лет». Тесла работает с Panasonic Corporation в Японии над строительством «фабрики аккумуляторов» стоимостью 5 миллиардов долларов в Спарксе, штат Невада, для производства современных батарей, которые будут прибыльными в больших масштабах. Ожидается, что он будет производить 500 000 аккумуляторных батарей в год, что вдвое превысит мировое производство литий-ионных аккумуляторов.

Мощный BYD Цинь

Батарея состоит из трех основных компонентов: два электрода, анод (отрицательно заряженный) и катод (положительно заряженный) и промежуточный электролит (или обычно известный как аккумуляторная жидкость). Происходит химическая реакция, которая замыкает контур батареи (то есть включает выключатель света), электроны текут от анода, проходят через электролит в катод и проходят через лампу, выполняя работу. Ионный поток идет в обратном направлении. Конечным результатом является нейтральное состояние, и батарея либо выбрасывается, либо перезаряжается.

Большинство автомобильных аккумуляторов теперь являются перезаряжаемыми и используют литий в какой-то форме в качестве электрода, кобальт или углерод в качестве другого электрода и оксид алюминия в качестве электролита. Но исследователи стремятся к следующему важному этапу развития технологии аккумуляторов, чтобы изучить прогресс «от ползания к бегу». Некоторые важные достижения продемонстрировали надежду на успех, поскольку плотность энергии в три-пять раз больше, чем у ионов лития, которые, согласно теоретическим стандартам платины, служат топливом даже больше, чем бензин.

Самая смелая концепция - литий-воздушный. Избавьтесь от традиционного металла в качестве катода, замените его углеродом, полностью восстановите батарею и извлеките атомы кислорода из воздуха, чтобы заменить оксид в электролите. Команда Массачусетского технологического института (MIT) предложила катод, состоящий из нанопроволок. Это очень крошечная структура, построенная из одного атома, фактически сделанная из генетического варианта вируса. Это очень сложный материал, и конструкция лаборатории оказывается в два раза мощнее типичной литий-ионной батареи и быстрее заряжается.

По мере развития химии аккумуляторов новые материалы, подобные этому, станут ключевыми. Графен, ультратонкий (толщиной всего с атом) однослойный углерод, был первоначально изготовлен двумя российскими учеными в Манчестерском университете в 2003 году (и получил с этой целью Нобелевскую премию по физике в 2010 году) и разработан в качестве электрода. материал. Его прочность, гибкость и проводимость удивительны, и его можно производить в больших масштабах и дешево, заказав онлайн по 5 долларов за грамм. В аккумуляторе это может значительно сократить время зарядки и увеличить емкость накопления энергии. Системы XG Science и SciNode от Северо-Западного университета и Аргоннской национальной лаборатории, расположенной в Мичигане, США, работают с графеновыми батареями. Согласно SciNode, его анод обеспечивает в три раза больше накопительной способности, чем обычный уголь. По сообщению китайского информационного агентства «Синьхуа», у компании также может быть проект по графену.

Графен представляет собой сотовую решетку с атомным соотношением, состоящую из атомов углерода.

Другой многообещающий вариант - это литий-серная конструкция, которая заменяет дорогой кобальт дешевой серой и обеспечивает чрезвычайно высокую удельную энергию. Ученые из национальных лабораторий Беркли предложили конструкцию, которая удваивает плотность энергии литий-ионных батарей с потенциальной стоимостью всего 100 долларов за кВтч. Требуются дополнительные исследования, но этот метод очень заманчив и, как говорят, побеждает бензин.

Кроме того, конструкция из фосфата железа вообще не требует лития. В Китае автопроизводитель BYD выпустил на рынок такси E6, работающее на железо-фосфатных батареях, с пробегом в 185 миль. Он основан на батарее, которую BYD называет Fe (символ элемента железа). BYD «Qin» - это гибридный автомобиль с максимальной выходной мощностью 223 кВт и немного меньшей мощностью S-типа. Согласно тесту, проведенному компанией, после 10 000 циклов зарядки и разрядки Fe-аккумулятор все еще сохраняет 70% своей емкости. Это 27 лет ежедневной подзарядки.

Электротакси производства Shenzhen BYD Auto Company

Придерживайтесь этого, "до рассвета"

В то же время, возможно, мы приближаемся к золотому веку «фиксированного хранения энергии». Нет необходимости перемещать батареи без требований к весу, а это означает, что разработчики могут использовать более тяжелые, менее уникальные и дешевые материалы. Такие батареи обеспечивают резервное питание, чтобы сделать сеть более надежной и избежать скачков пиковой стоимости энергии, собирая непиковые возобновляемые источники энергии ветряных турбин и солнечных панелей, и, следовательно, по низкой цене.

Эта тенденция дизайна отражает проделанную работу над автомобилем, но есть существенные исключения. Компания Aquion Energy, штаб-квартира которой находится в Питтсбурге, специализируется на микросетях и частично готовых решениях в области энергетики, включая солнечную, ветровую или другие возобновляемые источники энергии в отдаленных районах. Стоимость продвинутой батареи примерно такая же, как и у старомодной свинцово-кислотной батареи, но срок ее службы увеличился вдвое.

В Массачусетском технологическом институте (MIT) Дональд Садоуей и его команда разработали твердотельные батареи, которые прослужили долгое время. По их словам, масштабировать легко. Материал обычный и недорогой, но конструкция полностью новаторская: он остается полностью жидким, ускоряет электронный и ионный обмен, а сама батарея хранится при высоких температурах, полагаясь на строгую изоляцию для поддержания температуры 350 ° F или выше, но при этом производит энергия при КПД 75%. , более чем в два раза больше двигателя внутреннего сгорания. AMBRI (ранее Liquid Metal Battery Company), базирующаяся в Кембридже, производит аккумулятор, который, как говорят, прослужит десятилетия и почти не ухудшает характеристики. Ожидается, что даже при полном разряде мощность 10 000 циклов будет составлять 98%. Это огромный успех. В следующем году прототип будет отправлен в четыре штата для полевых испытаний.

На этот раз конкуренция составит конкуренцию местным энергокомпаниям, а передовых аккумуляторов в этом месте нет. Если вы делаете «пиковый» и добавляете дополнительную мощность в сеть во время пикового спроса, ставка может удвоиться или даже утроиться (обычно во второй половине дня), и место будет платить лично.

Конечно, впереди еще долгий путь. Как сказал пионер батарей Уайтингем: «Мы знаем только немного меха». Поскольку мир прилагает все усилия, чтобы избавиться от зависимости от ископаемого топлива, батареи, вероятно, будут играть все более важную роль в нашей повседневной жизни и могут помочь спасти планету.

Страница содержит содержимое машинного перевода.