Может ли жидкостная батарея заменить литий-ионную батарею?

Группа исследователей из Гарвардского университета разработала новый тип жидкостного проточного аккумулятора. По словам команды, жидкостная батарея может использоваться не только в смартфонах, но и в новых энергетических приложениях, включая возобновляемые источники энергии.

В эпоху мобильных устройств технология аккумуляторов становится главным приоритетом. Можно даже сказать, что мобильной эры без батареи не будет. Однако в аккумуляторах мобильных устройств существуют такие проблемы, как слабое время автономной работы. Прорыв в аккумуляторных технологиях всегда был актуальной проблемой, которая ограничивает дальнейшее развитие мобильной эпохи. Поэтому исследователи ищут более эффективные источники электричества для повышения выносливости.

Фактически, жидкостные батареи не новы, они существуют с 1960-х годов. У жидкостных батарей есть некоторые преимущества перед литиевыми батареями. Однако эта технология находилась на стадии исследований и разработок, не находила практического применения, причина кроется в собственных ограничениях. Несмотря на препятствия, поиски продолжаются, поскольку люди продолжают находить более чистые источники энергии для улучшения аккумуляторных технологий, по-прежнему используя относительно безопасные новые аккумуляторные технологии.

Во-первых, характеристики жидкостного аккумулятора определяют преимущества, некоторые аспекты лучше, чем литиевая батарея.

Гарвардскую команду возглавляют Майкл Азиз, профессор материаловедения и энергетики, и Рой Гордон, профессор химии и материаловедения. Их новая жидкостная батарея, основанная на органических молекулах в нейтральном водном растворе PH, превосходит существующие аккумуляторные батареи с точки зрения безопасности и долговечности.

Фактически, область жидкостных батарей - это не «пустошь». В 1960-х годах появились железо-хромовые батареи REDOX, которые можно рассматривать как предшественников полностью ванадиевых жидкостных батарей. После многих лет исследований и разработок технология прошла долгий путь, и ожидается, что она станет коммерчески доступной. Такие жидкостные батареи действительно имеют преимущества перед литий-ионными.

Во-первых, масштаб может быть большим или маленьким, а дизайн - гибким.

Для систем хранения энергии наиболее важными факторами являются количество электричества и мощности. Обычно количество энергии, которое может выдержать проточная ванадиевая батарея, зависит от размера реактора, а количество заряда пропорционально размеру резервуара для хранения. Независимо от требований инженерного проекта системы накопления энергии, проектировщик может гибко проектировать и вносить коррективы в любое время.

Жидкостные батареи вместо литий-ионных? Между ними есть графен

На рисунке выше показана конструкция жидкостного проточного аккумулятора.

Напротив, ионно-литиевые батареи изготавливаются путем покрытия энергонакопительных материалов на поверхности жидкости коллектора для формирования электродов. Процесс и производительность фиксированы, что сложно подстроить под конкретные проекты. Напротив, преимущества жидкостных батарей очевидны.

Что еще более важно, батарея потока масштабируема. Независимо от того, сколько хранится жидкий проточный аккумулятор, его конструкция и способ управления практически одинаковы. Пока энергоаккумулирующий электролит смешан равномерно, можно гарантировать постоянство SOC (глубины зарядки и разрядки).

Чтобы сделать литиевую батарею того же размера, вам нужно сложить несколько батарей и использовать очень сложную BMS (систему управления батареями) для управления температурой и SOC каждой батареи. Небольшая неосторожность, перезаряд, переразряд, перегрев приведут к лому аккумулятора и даже вызовут опасность, поэтому аккумуляторы смартфонов иногда взрываются по важным причинам.

Во-вторых, длительное время автономной работы.

Текущий срок службы литиевых батарей на рынке составляет примерно 1000 ~ 5000 раз. Его основной механизм накопления энергии - это вставка и извлечение твердых электродов, которые могут легко сломаться и закончить срок службы батареи.

Механизм зарядки и разрядки жидкостного аккумулятора основан на изменении валентности, а не на физическом изменении обычного аккумулятора, поэтому срок его службы чрезвычайно велик. Более того, поскольку положительный и отрицательный электроды полностью ванадиевой проточной батареи разделены ионообменной мембраной, исключается возможность перекрестного заражения положительных и отрицательных электролитов из-за смешивания, а срок службы батареи полностью ванадиевой проточной батареи превышает у других проточных батарей.

В-третьих, жидкостные аккумуляторные батареи чрезвычайно безопасны.

Как упоминалось в первом пункте, характеристики жидкостных батарей обеспечивают их безопасность. Нет опасности возгорания или взрыва, и нет проблем с безопасностью даже при сильном токе.

Кроме того, энергоэффективность жидкостного аккумулятора достигает 75% ~ 80%, а начальная скорость составляет всего 0,02 с. Более того, большинство компонентов аккумуляторов изготовлены из дешевых углеродных материалов без использования драгоценных металлов в качестве катализаторов.

В настоящее время к мировым производителям ванадиевых проточных батарей относятся, в основном, UniEnergyTechnologies из США, Gildemeister из Австрии, Sumitomo Electric из Японии и Dalian Rongke Energy Storage Technology Development Co., LTD из Китая.

Среди них компания Rongke Energy Storage co., Ltd. достигла общей установленной мощности ванадиевых жидкостных батарей, превышающей 12 МВт, что составляет 40% от общей установленной мощности в мире. Кроме того, он также владеет первым в мире крупномасштабным промышленным накопителем энергии мощностью 5 МВт, которое фактически подключено к Интернету. Это означает, что Китай находится на лидирующем международном уровне по всем показателям.

Хотя жидкостная аккумуляторная батарея имеет так много преимуществ и имеет определенный масштаб производства и применения, в настоящее время она не была введена в коммерческое использование и не вышла на потребительский рынок в больших масштабах, поскольку у самой жидкостной проточной аккумуляторной батареи есть много ограничений.

Во-вторых, проточная батарея не поступила в продажу, есть свои ограничения.

В качестве системы хранения энергии жидкостные батареи все еще находятся на экспериментальной стадии в ветроэнергетике и других крупных областях хранения энергии, которые трудно использовать в коммерческих целях. Новая жидкостная батарея, изучаемая Гарвардским университетом, также находится на стадии исследований и разработок, поэтому мы можем сначала изучить ограничения основной ванадиевой батареи в существующей жидкостной батарее.

Теоретически соединения ванадия могут использоваться в качестве добавок в существующих литиевых батареях, подобно тому, для чего используется графен.

Однако пятивалентные ионы ванадия в положительном растворе ванадиевой батареи осаждают высокотоксичное вещество, называемое пентоксидом ванадия, когда температура превышает 45 градусов. Осаждение этого материала может закупорить проточный канал, покрыть углеродное войлочное волокно, ухудшить работу реактора и, в конечном итоге, привести к утилизации батареи. Более того, пятиокись ванадия, высокотоксичное вещество, может иметь серьезные последствия.

Кроме того, полнопоточные ванадиевые батареи чрезвычайно дороги. Например, аккумуляторная батарея мощностью 5 кВт требует общих вложений в размере 406 000 юаней в стоимость основных материалов, а также дополнительных инвестиций во вторичные материалы и затраты на рабочую силу.

Наконец, жидкостные батареи имеют очень низкую плотность энергии, около 40 Вт · ч / кг, и, поскольку они жидкие, они занимают много места.

Исходя из вышеупомянутых ограничений, жидкостную батарею трудно применять в больших масштабах и продавать.

Открытие жидкостных батарей представляет собой стремление к поиску новых источников энергии, но технология еще недостаточно развита. Напротив, технология графеновых батарей относительно безопасна и уже используется в интеллектуальных устройствах, и люди постоянно ищут более чистые источники энергии для выработки электричества.

В-третьих, наличие технологии звуковых аккумуляторов открывает больше возможностей в будущем.

Среди новейших технологий производства аккумуляторов технология графеновых аккумуляторов является относительно стабильной. В конце прошлого года Huawei представила первую литий-ионную батарею с использованием графеновой технологии на 57-й конференции по аккумуляторным батареям в Японии. С помощью новой высокотемпературной технологии аккумулятор может увеличить верхний предел температуры литий-ионного аккумулятора на 10 градусов, а срок его службы в два раза больше, чем у обычного литий-ионного аккумулятора.

Графен кажется более надежным, чем разрабатываемые новые жидкостные батареи. Конечно, у самого графена есть свои ограничения, но он уже используется в умных устройствах.

Таким образом, на следующем этапе для улучшения технологии аккумуляторов графен будет больше использоваться. На пути развития аккумуляторных технологий невозможно добиться успеха в одночасье, но лучшие результаты должны быть достигнуты за счет постепенного перехода от звуковых и зрелых технологий.

Конечно, это не означает, что мир аккумуляторных технологий может почивать на лаврах. Напротив, для того, чтобы аккумуляторные технологии больше не мешали развитию мобильной эпохи, необходимо смелее использовать всю возможную энергию для обеспечения прогресса аккумуляторных технологий. Были исследования, и был достигнут прогресс.

Например, команда из университета Пенсильвании разработала новый способ производства электроэнергии, используя разницу между углекислым газом, выделяемым электростанциями, работающими на ископаемом топливе, и концентрацией углекислого газа в воздухе. Устройство, называемое «проточная ячейка», обеспечивает среднюю плотность мощности 0,82 Вт на квадратный метр, что примерно в 200 раз выше, чем в предыдущем приближении. Исследование опубликовано в последнем номере журнала «Экология и технологии».

Точно так же финские ученые добились определенного прогресса в использовании кинетической энергии, тепла и солнечной энергии для питания своих устройств. Исследователи разработали сегнетоэлектрический материал под названием KBNNO, который преобразует тепло и давление в электричество. Исследователи из Университета Оулу в Финляндии использовали кристаллические структуры перовскита для извлечения энергии из нескольких источников и надеются собрать еще больше.

Оборудование несложно в изготовлении, и как только будут найдены лучшие материалы, технология может быть готова к коммерческому использованию в ближайшие несколько лет. Если это видение будет реализовано, нам, возможно, больше не нужно будет подключать наши мобильные устройства к розетке, чтобы заряжать их, а вместо этого мы получим непрерывный поток электричества от естественной энергии для достижения настоящей энергетической чистоты.

Основываясь на приведенных выше результатах, мы можем сделать оптимистичный прогноз, что в будущем появятся новые технологии в области аккумуляторов, которые могут повысить эффективность аккумулятора, время автономной работы и другие факторы. При разработке аккумуляторных технологий и любых технологий нам нужны как зрелые, так и смелые инновации, их сочетание может лучше способствовать дальнейшему развитию мобильной эпохи.

Страница содержит содержимое машинного перевода.