Плотность энергии новой твердотельной батареи в 3,5 раза выше, чем у Tesla

Инженеры компании Samsung сообщили о создании твердотельного литий-металлического аккумулятора с плотностью энергии 900 Вт*ч/л. Это минимум в 3 раза превосходит плотность энергии лучших на сегодняшний день литиевых аккумуляторов. При этом новый аккумулятор намного безопаснее аналогов. Его появление совершит революцию в электромобилях — позволит снизить на 50% размер аккумуляторов (это половина веса и треть стоимости электрокаров), увеличив при этом пробег машин вдвое.

Исследователи из компании Samsung опубликовали работу с описанием твердотельной литий-металлической батареи нового поколения. Как сообщает Clean Technica, плотность энергии у нее намного выше, чем у традиционных литий-ионных аккумуляторов. К тому же, за счет отсутствия электролита, такая конструкция более безопасна.

Долгое время основной проблемой литий-металлических аккумуляторов оставалось нарастание дендритов на анодах. В Samsung нашли способ справиться с ней — серебряно-углеродное напыление на поверхности анода. Слоя толщиной 5 микрометров оказалось достаточно, чтобы защитить батарею от разрушения.

Новый подход позволил довести плотность энергии в аккумуляторах до 900 Вт*ч/л.

Для сравнения: лучшие литий-ионные батареи сегодня имеют плотность энергии в районе 250 Вт*ч/кг. Ежегодно за счет совершенствования технологий удается улучшать этот показатель примерно на 5%. Еще несколько лет назад плотность энергии аккумуляторов Tesla была 180 Вт*ч/кг. Прорыв инженеров Samsung приведет к революции в аккумуляторах для всех вариантов их использования — от электромобилей и смартфонов до промышленных систем хранения энергии.

Плотность хранения энергии, достигнутая инженерами Samsung, резко приблизила аккумуляторы к такому традиционному источнику энергии, как бензин — у него этот показатель 2 900 Вт*ч/кг.

Разумеется, прежде чем технология станет основой для коммерческих устройств, необходимо будет провести множество дополнительных исследований. Однако если учесть, что разработкой занимается одна из крупнейших технологических компаний в мире, путь из лаборатории в производственные цеха может занять не годы, а месяцы.

В случае успеха литий-металлические батареи можно будет использовать во всех видах электроники. В частности, они позволят ускорить распространение электромобилей: можно будет одновременно уменьшить вес батарей и в тоже время существенно увеличить дальность пробега на одной зарядке.

Например, можно будет без проблем уменьшить объем батарей на 50%, увеличив при этом почти в 2 раза их мощность и соответственно дальность пробега.

Применение таких батарей в смартфонах, планшетах и прочих гаджетах позволит также уменьшить их вес за счет более компактного аккумулятора, но при этом они смогут работать без подзарядки в разы дольше.

Исследователи из США разработали литий-ионную батарею, которая сочетает стабильность и высокую плотность энергии. При этом число циклов заряда и разряда превысило 4000 — этого хватит, чтобы электромобиль с такой батареей проехал 1,6 млн км.

ТИПЫ СОВРЕМЕННЫХ ЛИТИЕВЫХ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

Когда говорят о литиевых батарейках или аккумуляторах, то чаще всего даже не догадываются, что их в последние пару лет появилось чуть ли не десяток разновидностей, каждая из которых представляет из себя литий с различными добавками других химических элементов, в итоге существенно отличающихся друг от друга.

Давайте разберёмся в их типах и начнём с классики:

Li-ion батареи

Литий-ионные аккумуляторы — это классические перезаряжаемые аккумуляторов, в которой ионы лития перемещаются от отрицательного электрода к положительному электроду во время разряда и обратно при зарядке. Литий-ионные АКБ широко распространены в бытовой электронике. Они являются одним из самых популярных типов аккумуляторных батарей для портативной электроники, с одной из лучших энергетической плотностью, отсутствие эффекта памяти и медленной потери заряда, когда он не используется (низкий саморазряд).

Эта серия охватывает цилиндрические и призматические типоразмеры аккумуляторов. Li-ion имеет наивысшую плотность мощности среди любого аккумулятора старого типа. Очень легкий вес и большой цикл жизни делает его идеальным продуктом для многих решений.

LTO батареи

Литий-титанат (титанат лития) — это относительно новый класс литий-ионных АКБ — (подробнее читайте тут). Он характеризуется очень длинным жизненным циклом, который измеряется в тысячах циклов. Литий-титанат свинца является также очень безопасным и сравним в этом плане с фосфатом железа. Энергетическая плотность ниже, чем у других литий-ионных источников тока и его номинальное напряжение 2.4 В.

Эта технология отличается очень быстрой зарядкой, низким внутренним сопротивлением, очень высоким жизненным циклом и отличной выносливостью (также безопасностью). LTO нашел свое применение в основном в электромобилях и наручных часах. В последнее время она начинает находить применение в мобильных медицинских устройствах, благодаря своей высокой безопасности. Одна из особенностей технологии заключается в том, что используются нанокристаллы на аноде вместо углерода, что обеспечивает гораздо более эффективную площадь поверхности. К сожалению, эта батарея имеет более низкие напряжения, чем другие типы литиевых АКБ.

Особенности:

• Удельная энергия: около 30-110Wh/кг
• Плотность энергии: 177 Вт * ч/л
• Удельная мощность: 3,000-5,100 Вт/кг
• Разряд КПД: примерно 85%; зарядки эффективность более 95%
• Энергия-цена: 0.5 Вт/доллар
• Срок годности: >10 лет
• Саморазряд: 2-5 %/месяц
• Долговечность: 6000 циклов до 90% емкости
• Номинальное напряжение: от 1,9 до 2,4 В
• Температура: от -40 до +55°C
• Метод зарядки: используется стабильный постоянный ток, затем постоянное напряжение до тех пор, пока не достигнет порога.

Химическая формула: Li4Ti5O12 + 6LiCoO2 < > Li7Ti5O12 + 6Li0.5CoO2 (Е=2,1 В)

Li-Polymer батареи

Литий-полимер имеет бОльшую плотность энергии в плане веса, чем литий-ионные АКБ. В очень тонких ячейках (до 5 мм) литий-полимер обеспечивает высокую объемную плотность энергии. Великолепная стабильность в перенапряжениях и высоких температурах.

Эта серия аккумуляторов может производиться в диапазоне от 30 до 23000 мА/ч, корпуса призматического и цилиндрического типов. Литий-полимерные аккумуляторы имеют ряд преимуществ: большую плотность энергии по объему, гибкость в размерах ячеек и более широкий запас прочности, с превосходной стабильностью напряжения даже на высокой температуре. Основные области применения: портативные плееры, Bluetooth, беспроводные устройства, КПК и цифровые камеры, электрические велосипеды, GPS навигаторы, ноутбуки, электронные книги.

Особенности:

• Номинальное напряжение: 3,7 В
• Зарядное напряжение: 4,2±0,05 В
• Ток заряда, скорость: 0.2-10С
• Предельное напряжение разряда: 2.5 В
• Скорость разряда: до 50С
• Выносливость в циклах: 400 циклов

LiFePO4 батареи

Литий-фосфат железа имеет хорошие характеристики безопасности, длительный срок службы (до 2000 циклов), и невысокую стоимость производства. LiFePO4 батареи хорошо подходят для высоких токов разрядки, например военной техники, электроинструментов, электровелосипедов, мобильных компьютеров, ИБП и солнечных энергетических систем.

В качестве нового анодного материала для литий-ионных аккумуляторов, lifepo4 был впервые представлен в 1997 году и постоянно совершенствуется до настоящего времени. Он привлек внимание экспертов благодаря его надежной безопасности, долговечности, низкого воздействия на окружающую среду при утилизации, и удобных зарядно-разрядных характеристик. Многие специалисты утверждают, что lifepo4 аккумуляторы являются на сегодняшний день лучшим вариантом для автономного питания электроники.

Li-SO2 батареи

Литий диоксид серы (батарея Li и SO2) — эти батареи имеют высокую плотность энергии и хорошую устойчивость к разряду на высокой мощности. Такие элементы используются в основном в военке, метеорологии и космонавтике.

Аккумуляторы на базе литий диоксида серы с металлическим литиевым анодом (самый легкий из всех металлов) и жидким катодом, содержащим пористый углеродный токосъемник с наполнением диоксида серы (SO2) выдают напряжение 2.9 В и имеют цилиндрическую форму.

Особенности:

• Высокое рабочее напряжение, стабильное на протяжении большей части разряда
• Чрезвычайно низкий саморазряд
• Работоспособность в экстремальных условиях 
• Широкий рабочий температурный диапазон (-55°C до +65°С)

Li-MnO2 батареи

Литий-диоксид марганца (батарея Li-MnO2) — такие аккумуляторы обладают легким металлическим литиевым анодом и твердым катодом из диоксида марганца, погруженный в неагрессивный, нетоксичный органический электролит. Этот тип батареи соответствуют RoHS ЕС и характеризуется большой емкостью, высокой допустимой разрядкой и длинной продолжительностью службы.

Li-MnO2 широко используется в резервных источниках питания, аварийных радиобуях, пожарных сигнализациях, электронных системах контроля доступа, цифровых фотоаппаратах, медицинском оборудовании. 

Особенности:

• Высокая плотность энергии
• Очень стабильное напряжение разрядки
• Более чем 10-ти летний срок хранения
• Рабочая температура: -40 до +60°С

Li-SOCL2 батареи

Хлорида тионил лития (литий-SOCl2) батареи обладают легким металлическим литиевым анодом и жидким катодом, содержащий пористый углеродный токосъемник наполненный тионилхлоридом (SOCl2). Батарея Li-SOCL2 идеально подходят для автомобильных устройств, медицинской техники, а также военных и аэрокосмических устройств. Они имеют самый широкий диапазон рабочих температур от -60 до + 150°С.

Особенности:

• Высокая плотность энергии
• Долгий срок годности при хранении
• Широкий температурный диапазон
• Хорошая герметизация
• Стабильное разрядное напряжение

Li-FeS2 батареи

Аккумуляторы и батареи Li-FeS2 расшифровываются как литий-железодисульфидные. Информация про них будет добавлена позже.

Аккумуляторы: плотность энергии

Автор: Юлиюс Мацкерле (Julius Mackerle)
Источник: «Современный экономичный автомобиль» [1]
14645 0

Масса и размеры резервуара, бака или аккумулятора с энергоносителем, используемым для привода автомобиля, не должны быть большими. С этой точки зрения, наиболее удобны бензин и дизельное топливо. Но после исчерпания запасов ископаемого топлива заменить их источниками энергии с такими же массогабаритными параметрами будет очень трудно. Известные в настоящее время аккумуляторы не удовлетворяют многим современным требованиям, поэтому ведется интенсивный поиск их новых видов, однако достигнутые результаты являются пока малообещающими.

Хотя атомная энергия обладает наибольшей плотностью, способы ее высвобождения очень сложны, а обеспечение защиты от вредного влияния радиоактивного излучения в небольших установках настолько затруднительно, что все преимущества первоначального источника энергии обесцениваются, так как сами установки отличаются чрезвычайной сложностью, большими размерами и массой.

Разумеется, полностью отрицать возможность прямого использования атомной энергии для привода автомобиля нельзя, однако полученные в настоящее время результаты не дают достаточного стимула для продолжения поисков. Преобразование тепловой энергии ядерного излучения в электрическую для транспортных средств наиболее приемлемо, но пока это осуществимо только на стационарных атомных электростанциях [2]. Ниже приведена плотность энергии, запасаемой в различных аккумуляторах.

Плотность энергии в различных аккумуляторах

Тип аккумулятора	Плотность энергии, Вт∙ч/кг
Маховик из стали	20—40
Маховик из материала «Кевлар»	70—120
Свинцовый	30—35
Никель-кадмиевый	40—60
Никель-металл-гидридный	60—80
Серебряно-цинковый	100
Литий-ионный	100—150
Литий-полимерный	150—200
Тепловой LiF	470
Гидрид FeTi	470
Гидрид NiMg	940
Гидрид MgH2 (5 % H2)	1800
Водород	33000
Бензин	11000

Относительно высокой плотностью энергии обладает тепловой аккумулятор на фтористом литии LiF, который удалось применить, например, в двигателе Стирлинга. В отличие от электрических аккумуляторов тепловой аккумулятор имеет длительный срок службы.

Последнее обновление 13.06.2012
Опубликовано 08.06.2012

Читайте также

Сноски

1. ↺ Мацкерле Ю. Современный экономичный автомобиль/Пер. с чешск. В. Б. Иванова; Под ред. А. Р. Бенедиктова. — М.: Машиностроение, 1987. — 320 с.: ил.//Стр. 299 — 301 (книга есть в библиотеке сайта). – Прим. icarbio.ru
2. ↺ Этот способ преобразования энергии применяется также в больших судовых энергетических установках. – Прим. ред. А. Р. Бенедиктова

Комментарии

Что происходит на рынке сохранения энергии

Аккумуляторы принципиально важны для будущего электромобилей и энергетики в целом. РБК Тренды разбирались, как работает отрасль и в чем ее главная проблема

В традиционной энергетике (ТЭС, АЭС, ГЭС) самой важной составляющей систем была турбина, которая преобразовывала энергию источника в механическую для ее дальнейшего применения. Однако при развитии возобновляемых ветряной и солнечной энергетики на первый план выходят накопители энергии, которые позволят эффективно сохранять полученную энергию. Автомобили будущего тоже не смогут обходиться без эффективных батарей.

Типы энергетических систем

Для захвата энергии, ее сохранения и дальнейшего использования доступны разнообразные технологии. Самыми распространенными считаются системы аккумулирования электрической и тепловой энергии. Такие системы бывают нескольких типов:

• Электрооборудование

Наибольший темп роста хранения энергии за последнее десятилетие пришелся на электрические системы, такие как батареи и конденсаторы. Конденсаторы — это устройства, которые хранят электрическую энергию в виде заряда, накопленного на металлических пластинах. Когда конденсатор подключен к источнику питания, он накапливает энергию, а при отключении от источника высвобождает ее. Батарея же для хранения энергии использует электрохимические процессы. Конденсаторы могут высвобождать накопленную энергию с гораздо большей скоростью, чем батареи, поскольку для химических процессов требуется больше времени.

В системах хранения механической энергии используются базовые идеи физики, которые преобразуют электрическую энергию в кинетическую для хранения и затем преобразуют ее обратно в электрическую для потребления. Такие системы представляют собой большие гидроаккумулирующие плотины, механические маховики и накопители сжатого воздуха.

Плотина Братской ГЭС (Фото: wikipedia.org)

Накопители сжатого воздуха (Фото: electricalschool.info)

Накопление тепловой энергии позволяет хранить ее и использовать позже, чтобы сбалансировать потребность в энергии между дневным и ночным временем или при смене сезонов. Чаще всего это резервуары с горячей или холодной водой, либо расплавленными солями, ледяные хранилища и криогенная техника.

Проект накопителя тепловой энергии с водным хранилищем (Фото: Affiliated Engineers)

Используются обычно при хранении водорода. В них электрическая энергия применяется для выделения водорода из воды посредством электролиза. Затем газ сжимается и хранится для будущего использования в генераторах, работающих на водороде, или в топливных элементах. Этот метод является достаточно энергозатратным. Для конечного использования сохраняется всего 25% энергии.

В разных сферах промышленности и технологий используются различные типы аккумуляторов с отличающимся химических составом. Литий-кобальтовые батареи, более легкие и с высоким напряжением для быстрой зарядки, применяются в смартфонах и прочей бытовой технике. Более выносливые и габаритные литий-титанатные батареи устанавливают в общественном транспорте, в частности, в электробусах. На электростанциях используют малоемкие, но пожаробезопасные литий-фосфатные ячейки.

30-летняя технология

Самыми популярными аккумуляторами энергии по-прежнему остаются литий-ионные. В 2021 году исполнилось 30 лет с момента выхода в продажу первых таких аккумуляторов Sony.

Первые литий-ионные батарейки Sony (Фото: Sony)

Первые прототипы литий-ионных батарей появились еще в 1980-е годы. Тогда физик Джон Гуденаф предложил использовать в батарейках кобальтат лития. В 2019 году он получил за свою идею нобелевскую премию.

Читайте также: Батарея Нобеля: как Джон Гуденаф создал новые отрасли в химии и экономике

В 2000-х годах с ростом производства электромобилей спрос на батареи резко вырос. Тогда в аккумуляторах начали применять железофосфат, который обеспечивает меньшую емкость, но может работать на более высоких токах и не выделяет кислород при высокой температуре. Все это делает аккумуляторы более безопасными, но не решает всех их проблем.

В чем минусы литий-ионных аккумуляторов

• Высокая пожароопасность

При перегреве батарея может взорваться. Для этого достаточно повреждения ее оболочки. Так произошло со смартфонами серии Samsung Galaxy Note 7, в которых из-за тесноты корпуса оболочка аккумулятора со временем перетиралась, внутрь попадал кислород, и устройство загоралось. Именно это побудило авиакомпании требовать перевозить литий-ионные батареи только в ручной клади.

Возгорание смартфона Samsung Galaxy Note 7

• Чувствительность к температурам

Охлаждение и перегрев сильно влияют на параметры аккумулятора. Идеальной считается температура среды +20 °C. При любых отклонениях батарея отдает устройству меньший заряд.

В литий-ионных батареях невозможно хранить энергию годами. Литий-ионные ячейки в неактивном состоянии теряют по 3-5% заряда в месяц, то есть, треть заряда в год.

Литий-ионные батареи в неактивном состоянии подвержены старению. Их рекомендуют хранить заряженными до половины емкости.

Эксперименты в отрасли

Химические источники тока основаны на окислительно-восстановительной реакции между элементами. Литий идеально подходит для этой роли: он обеспечивает оптимальное сочетание напряжения, нагрузки тока и энергетической плотности.

Самыми востребованными являются литий-кобальтовые батареи для потребительской мобильной техники. Они имеют напряжение 3,6 В при сохранении высокой энергоемкости, чего достаточно для зарядки смартфонов. Другие виды литиевых батарей имеют меньшее напряжение, и запитать от них современный смартфон невозможно. Если же пытаться объединить батареи в ячейки, чтобы сделать их более мощными, то вырастут габариты.

Производители уже неоднократно пытались представить разработки-альтернативы литий-ионным батареям в смартфонах.

Так, в 2007 году американский стартап Leyden Energy решил использовать новый электролит и кремниевый катод для литий-ионных батареек. Это позволило увеличить устойчивость аккумуляторов к высоким температурам до 300 °C. Но компании так и не удалось создать аккумулятор со стабильными характеристиками — показатели энергоемкости и устойчивости менялись от экземпляра к экземпляру.

Стартап SolidEnergy, в который инвестировала GM, разрабатывает перезаряжаемые литий-металлические батареи. Они обладают удвоенной энергоемкостью по сравнению с литий-кобальтовыми. Но главной проблемой литий-металлических аккумуляторов остается безопасность. Поскольку в их состав входит чистый металлический литий, он действует активнее, чем ионы лития, а это повышает риск возгорания. Компания разработала специальный электролит, снижающий эту опасность. Но в смартфонах и бытовой электронике таких батарей мы пока не увидим.

Батареи Solid Energy (Фото: nikkei.com)

Toyota работала над серно-магниевыми батареями. Но оказалось, что их невозможно использовать более 50 циклов, так как емкость этих аккумуляторов после этого падает вдвое. Тогда в состав батареи внедрили литий-ионную добавку и довели срок ее службы до 110 циклов. Работы над аккумулятором продолжаются, и пока неясно, получится ли внедрить его в производство.

Компании, которые стремятся предложить аналог литий-ионных батарей, сталкиваются с трудностями.

Главная проблема при создании новых технологий хранения энергии заключается в том, что при улучшении какого-то одного параметра ухудшаются остальные.

Кроме того, крупные компании больше заинтересованы в производстве литий-ионных аккумуляторов, которые отвечают потребностям их продукции. Lux Research сообщала, что вложила в исследование хранения энергии около $4 млрд, а стартапам, создающим «технологии нового поколения», в среднем, досталось по $40 млн. Tesla вложила около $5 млрд в Gigafactory, занимающуюся литий-ионным производством. А США намерены дополнительно субсидировать такое производство, чтобы стать более независимой от внешних рынков страной.

Проблемы рынка

В 2021 году цена кобальта выросла на 40% из-за роста спроса со стороны производителей электромобилей. Основные месторождения кобальта находятся в Демократической Республике Конго. Однако в стране постоянно возникают перебои в цепочках поставок, а также зафиксированы случаи использования детского труда, что оттолкнуло многие компании.

По данным Fastmarkets, цены на самый дорогой в мире металл для производства аккумуляторов в марте 2021 года выросли до $42 за 1 кг. Аналитики предрекают, что к концу 2021 года они достигнут $57, а в 2024 году составят уже $80.

Международное энергетическое агентство отмечает, что в 2020 году продажи электромобилей подскочили на 40%, а в первом квартале 2021 года они выросли вдвое по сравнению с аналогичным периодом прошлого года.

Эндрю Миллер, директор по продуктам Benchmark Mineral Intelligence, говорит, что рынок пока наблюдает рост цен на кобальт, но к концу 2021 года может столкнуться с реальным дефицитом предложения.

Существует еще одна проблема, связанная с пандемией коронавируса и ее последствиями. В связи с сохраняющимся дефицитом чипов на глобальном рынке их также недополучают производители электромобилей.

Крупнейшие мировые автопроизводители признали дефицит микрочипов в начале 2021 года. Nissan, Honda и Ford были вынуждены сократить объемы выпускаемых автомобилей и закрыть некоторые свои заводы. Hyundai Motor был вынужден приостановить сборку автомобилей в Южной Корее. Позднее, в апреле, Ford и General Motors начали выпускать электромобили в некомплектном состоянии. Производители пообещали, что добавят нужную электронику в свои авто, когда появится такая возможность.

Гендиректор Tesla Илон Маск связал рост цен в цепочках поставок с удорожанием стоимости электромобилей Model 3 и Model Y. Однако, по его мнению, дефицит микрочипов продлится недолго.

Пути решения

Автоконцерн General Motors в сотрудничестве с SolidEnergy Systems организовал прроизводство аккумуляторов Ultium для своих электромобилей. Они будут включать жидкий электролит, аноды на базе графита и катоды с комбинацией никеля, кобальта, марганца и алюминия. Это снизит потребность в дефицитных металлах, а также позволит удвоить плотность хранения заряда в аккумуляторах без ущерба для безопасности. Цена аккумуляторов при этом опустится на 50‒60%, их масса сократится. GM рассчитывает снизить стоимость хранения 1 кВт‧ч электроэнергии с $150 до $100 к 2025 году.

В Китае появляется все больше электромобилей на альтернативных литий-железо-фосфатных аккумуляторах. Они дешевле и менее токсичные, однако имеют меньшую емкость. Их используют Tesla Model 3, китайский автопроизводитель BYD, а скоро начнет внедрять Volkswagen. Но пока на ЛЖФ-аккумуляторы приходится всего 14% рынка, а к 2030 году этот показатель составит от 15% до 20%.

Tesla и Volkswagen также обещают в ближайшие годы сократить использование кобальта. В 2020 году Илон Маск провел специальную онлайн-презентацию под названием Tesla Battery Day, в ходе которой он заявил, что в течение трех лет Tesla наладит серийное производство нового поколения аккумуляторов, которые будут существенно мощнее и долговечнее нынешних, а обойдутся вдвое дешевле (примерно в $25 000).

Новая аккумуляторная батарея Tesla 4680 имеет в шесть раз большую мощность, чем предшественники, и в пять раз большую энергоемкость. При этом ее размер составляет всего 46х80 мм. Tesla решила проблему терморегулирования, создав конструкцию цилиндрической формы, и внедрила новые технологии, чтобы сократить путь прохождения энергии внутри конструкции.

Новая батарея Tesla (Фото: Tesla)

Успешный гибрид

Пока ведутся разработки альтернатив литий-ионным аккумуляторам, компании ищут пути более эффективного сохранения энергии. Успешным вариантом использования усовершенствованных литий-ионных батарей стало их встраивание в гибридные энергетические системы.

В промышленной энергетике такие системы получили развитие в 2020-е годы. Они позволяют объединить преимущества нескольких способов аккумулирования и сохранения энергии. Одним из ярких примеров являются аккумуляторные станции Tesla.

Первую такую станцию построила Tesla в Южной Австралии в 2017 году. Строительство заняло всего три месяца. Компания обещала, что при превышении этого срока страна получит батарею бесплатно.

Станция Tesla в Южной Австралии (Фото: electrek.co)

Hornsdale Power Reserve построена на промышленных литий-ионных аккумуляторах Tesla Powerpack и инверторах, произведенных на Gigafactory. Она имеет мощность 100 МВт и может обеспечивать электричеством более 30 тыс. домохозяйств. Станция обеспечила снижение расходов на эксплуатацию сети региона примерно на 90%. За первые дни ее работы расходы на обслуживание сети снизились на $1 млн.

Южная Австралия получает энергию преимущественно из солнечных батарей и ветрогенераторов. Но иногда необходимо задействовать газогенераторы, подключенные к паровым турбинам, и вырабатывать недостающую часть энергии.

Аккумуляторная батарея Tesla накапливает энергию, когда она подается в сеть региона в избытке, а потом отдает ее обратно, когда возникает дефицит. Таким образом, потребность в газогенераторах отпадает.

Кроме того, батарея реагирует на перепады в электросети. Когда произошло внезапное отключение угольной электростанции Loy Yang A 3, станция Tesla среагировала на 4 секунды быстрее, чем резервный генератор частотного контроля и вспомогательных услуг (FCAS) в Квинсленде.

По расчетам чиновников, емкость батареи составляет около 2% от условной емкости всей сети, однако это дает 55% экономии на эксплуатационных расходах.

У системы есть и минусы. Станция включается всего на несколько минут, поэтому неизвестно, сколько циклов заряда выдержат ее батареи, прежде чем их придется заменить.

Тем не менее, в Австралии уже запланировано строительство подобных аккумуляторных систем в Южной Австралии, на Северной территории, в Квинсленде и Новом Южном Уэльсе.

Теперь Tesla собирается подключить гигантскую батарею к электросети Техаса. Компания строит станцию хранения энергии мощностью более 100 МВт в техасском Англтоне.

Батареи Tesla в Техасе (Фото: Tesla)

Батарея сможет обеспечивать энергией около 20 тыс. домов. Детали конструкции пока не разглашаются, а сам проект держится в секрете.

В Нидерландах в 2020 году была введена в эксплуатацию гибридная система накопления энергии из литий-ионных аккумуляторов производства швейцарской компании Leclanché и механических накопителей от голландского разработчика S4 Energy. Литий-ионные батареи имеют мощность 8,8 МВт и емкость 7,12 МВт·ч, они работают вместе с шестью шестью маховиковыми системами KINEXT общей мощностью 3 МВт. Таким образом, объект аккумулирует 1 ГВт энергии, которую использует местный системный оператор TenneT для стабилизации энергосистемы. Маховики позволят продлить срок службы батарей как минимум до 15 лет.

В других странах подобные проекты находятся на стадии разработки и внедрения. Подробнее о них РБК Тренды расскажут в следующем материале.

Перспективы рынка аккумуляторов

Исследователи Европейского патентного ведомства и Международного энергетического агентства в 2020 году проанализировали зарегистрированные с 2000 по 2018 годы патенты на изобретения и разработки в сфере аккумуляторных батарей и накопителей энергии. Они сделали вывод, что за последние десять лет число патентов в сфере хранения электроэнергии росло существенно быстрее других сфер. Выяснилось также, что оно еще в 2011 году превысило число патентов из области батарей для мобильной бытовой электроники меньшей емкости.

Согласно подсчетам авторов работы, пристальное внимание к литий-ионным технологиям привело к тому, что с 2010 года аккумуляторы для электромобилей подешевели почти на 90%, а для стационарных установок в электроэнергетике — на две трети.

Девять из десяти крупнейших обладателей патентов — это азиатские компании. Семь из них во главе с Panasonic и Toyota базируются в Японии, а еще две — Samsung и LG — Electronics в Южной Корее. Единственный представитель другого региона — немецкий концерн Bosch — занял пятое место.

То, что в этом направлении активно идет развитие, подтверждает и исследование BloombergNEF, аналитики которого выяснили, что средняя цена литий-ионных аккумуляторов упала с $688 до $137 за киловатт-час за 2013−2020 годы. Они прогнозируют, что к 2023 году цены будут близки к $100 за кВт·ч.

Средняя цена литий-ионных аккумуляторов

Средняя цена на аккумуляторы для электромобилей составила $126/кВт·ч. Таким образом, стоимость батарейного блока в общей цене автомобиля снизилась до 21%.

К 2030 году стоимость аккумуляторов может снизиться до $58 за кВт·ч за счет новых технологических достижений.

Ученые совершили прорыв в повышении энергетической плотности натриево-ионных аккумуляторов

Исследователи из Токийского университета науки сделали еще один шаг на пути вывода на рынок натриево-ионных аккумуляторов следующего поколения. Они смогли достичь более высокой плотности хранения энергии в натриево-ионных батареях, чем в литий-ионных батареях.

На сегодняшний день литий-ионные батареи получили наиболее широкое распространение среди аккумуляторных батарей. Они обладают высокой плотностью хранения энергии, но не могут похвастаться показателями долговечности или стабильности. Они также имеют конкурентоспособную цену и поддерживают быструю зарядку. Но литий и другие входящие в их состав материалы, такие как кобальт и медь, являются относительно редкими, а потому постоянно растущий спрос на них может привести к проблемам со снабжением.

Натрий – это шестой по распространённости на Земле элемент. Его запасы практически не ограничены. Потому натриево-ионные батареи могут стать более доступной альтернативой. Но имеются некоторые проблемы с их коммерческой жизнеспособностью. И, судя по всему, исследователи смогли решить данную проблему. Они нашли энергоэффективный метод производства нового углеродного материала для натриево-ионных батарей с очень высокой ёмкостью хранения натрия. Исследование было сосредоточено на синтезе твёрдого углерода, высокопористого материала, который служит отрицательным электродом перезаряжаемых батарей, путём использования оксида магния (MgO) в качестве неорганической матрицы наноразмерных пор внутри твёрдого углерода.

«После многочисленных экспериментальных и теоретических анализов исследователи выяснили оптимальные условия и ингредиенты для производства твёрдого углерода с ёмкостью 478 мАч/г, что является самым высоким показателем для этого типа материала», — говорится в сообщении Tokyo University of Science.

Ёмкость этого недавно разработанного твёрдого углеродного электродного материала превосходит ёмкость графита (372 мАч/г), который в настоящее время используется в качестве материала для отрицательного электрода в литий-ионных батареях. При этом графит не работает в натриево-ионных батареях.

Несмотря на то, что натриево-ионная батарея с таким отрицательным электродом из твёрдого углерода теоретически будет работать при разнице напряжений на 0,3 В меньше, чем стандартная литий-ионная батарея, её более высокая ёмкость обеспечит гораздо большую плотность хранения энергии (1600 Втч/кг против 1430 Втч/кг), что даёт увеличение плотности энергии на 19%.

Однако потребуются дальнейшие исследования, чтобы убедиться, что предлагаемый материал действительно обеспечивает длительный срок службы, характеристики ввода-вывода и работу при низких температурах в натриево-ионных батареях.

Источник: electrek

IBM создала емкий, безопасный и дешевый аккумулятор со сверхбыстрой зарядкой

19 Декабря 2019 13:2019 Дек 2019 13:20 | Поделиться Исследовательское подразделение IBM разработало аккумулятор нового типа. Он дешевле существующих литий-ионных аналогов, менее огнеопасны и заряжаются до 80% за пять минут, а компоненты для их производства можно получить из самой обычной морской воды.

Аккумуляторы без тяжелых металлов

Специалисты IBM Research разработали аккумулятор из новых материалов, который по ряду характеристик значительно превосходит широко распространенные сегодня литий-ионные батареи. Об этом говорится в сообщении, размещенном в блоге исследовательского подразделения компании (IBM Research) на ее официальном сайте.

В сегодняшних аккумуляторах, которые используются в ряде устройств: от фитнес-браслетов и смартфонов до электромобилей, часто применяются тяжелые металлы, в частности кобальт и никель. Например, в литий-ионных аккумуляторах катод (отрицательный электрод) может выполняться из кобальтата лития или никелата лития. Сами по себе эти металлы могут представлять угрозу как здоровью человека, так и окружающей среде. Кроме того, их запасы ограничены, а при добыче кобальта, по данным Financial Times, используются детский труд.

Новая технология IBM предполагает создание аккумулятора на базе трех новых материалов, среди которых тяжелых металлов нет. Химический состав материалов, из которых выполнены анод, катод и жидкий электролит, исследователи не раскрывают, однако уверяют, что необходимые материалы могут быть получены из обыкновенной морской воды и то, что они значительно дешевле используемых в современных литий-ионных батареях.

Преимущества новой технологии

По словам специалистов IBM Research их разработка превосходит литий-ионную технологию по многим важным параметров. Так, если верить ученым, их аккумулятор сможет заряжаться до уровня 80% за пять минут, при этом вероятность воспламенения такого устройства значительно ниже по сравнению с литий-ионными аналогами. У последних меньшая температура возгорания.

Исследователь, работающий с системой дифференциальной электрохимической масс-спектроскопии в IBM Research, которая измеряет количество газа, выделившегося из элемента батареи во время зарядки/разрядки

Энергетическая плотность новинки сопоставима с передовыми образцами литий-ионных аккумуляторов (более 800 Вт*ч/л), а ее энергоэффективность превышает 90%.

Кроме того, исследователи утверждают, что проведенные ими тесты показали возможность применения этой технологии при изготовлении аккумуляторов с весьма продолжительным сроком службы, однако не приводят каких-либо конкретных данных на этот счет.

Сферы применения аккумуляторов IBM

Исследователи полагают, что продукция на основе разработанной ими технологии может найти применение в энергетике, автомобиле- и авиастроении.

Несмотря на то, что исследования находятся на ранней стадии, IBM Research заключила контракты на совместную разработку нового поколения аккумуляторов и инфраструктуры для их совершенствования и производства с Mercedes-Benz Research, Central Glass (производитель электролитов) и Sidus (производитель аккумуляторных батарей).

Не без помощи искусственного интеллекта

IBM Research также сообщает, что в своей работе команда использует технологию искусственного интеллекта (ИИ), называемую семантическим обогащением. Она применяется для дальнейшего улучшения характеристик батареи путем выявления наиболее подходящих и безопасных материалов.

Альтернативные разработки

Существуют и другие технологии, способные заменить собой литиевые аккумуляторы и положить конец их далеко не самым экологичным и этичным производству и утилизации.

Бессерверные вычисления: хайп или новая парадигма облачного бизнеса?

Новое в СХД

В декабре 2018 г. CNews писал о том, что ученые Иллинойского университета в Чикаго разработали новую технологию производства аккумуляторных батарей для мобильных устройств, в основе которой лежит принцип использования неупорядоченных частиц оксида магния и непосредственно магниевого анода.

Еще одна группа американских ученых, на этот раз из Калифорнийского технологического университета, создала аккумулятор на основе фторидов – химических соединений фтора с другими элементами таблицы Менделеева. Подобные АКБ в теории характеризуются способностью держать заряд до восьми раз дольше в сравнении с литий-ионными и литий-полимерными. Опять же, они намного безопаснее оных ввиду неподверженности влиянию повышенной температуры окружающей среды или нагреву во время подзарядки.

В ноябре 2018 г. стало известно, что в Китае стартовало производство аккумуляторов с твердым электролитом, которые в обозримом будущем могут стать частью мобильной техники и транспортных средств. Предполагалось, что они придут на смену литий-ионным батареям за счет большей компактности и безопасности.

Дмитрий Степанов

Ученые создали алюминиевые аккумуляторы с удвоенной мощностью

Новости

1 октября 2019, 16:59

Ученые создали алюминиевые аккумуляторы с удвоенной мощностью

Шведские и словенские ученые смогли удвоить плотность энергии алюминий-органического аккумулятора. Производство аккумуляторов из такого доступного материала, как алюминий, позволит снизить расходы и ущерб окружающей среде, а применять их можно будет для хранения солнечной или ветровой энергии.

Исследователи из Технологического университета Чалмерса в Швеции и Национального института химии в Словении добились прогресса в разработке алюминий-органического аккумулятора. Их разработка вдвое превосходит по плотности энергии предыдущие образцы алюминиевых аккумуляторов. Как и в них, анод в новом аккумуляторе изготовлен из алюминия, но материалом катода служит не графит, а органический материал на основе антрахинона.

По мнению разработчиков идеи, применение батарей на основе алюминия имеет ряд преимуществ. У них в теории высокая плотность энергии, а индустрия и для производства, и для утилизации дешевого материала уже создана. По сравнению с современными литий-ионными батареями изготовление алюминиевых экономически выгоднее.

«Вдобавок наша новая концепция обладает в два раза большей энергетической плотностью, чем самые современные алюминиевые аккумуляторы», — заявил профессор Патрик Йоханссон с факультета физики Чалмерса.

Раньше в конструкции алюминиевых батарей применяли алюминиевый анод и графитовый катод. Однако графит не позволял сделать элементы с достаточно высоким КПД. Поэтому ученые заменили его на органический катод из углеродной молекулы антрахинона. Эта молекула накапливает носители положительного заряда, что повышает энергетическую плотность аккумулятора.

Пока коммерчески доступных алюминиевых батарей не существует, даже исследований на их тему немного. Нынешние алюминиевые аккумуляторы вдвое уступают по емкости литий-ионным. Но исследователи из Швеции и Словении собираются преодолеть этот разрыв. Для этого им придется найти более эффективный электролит и разработать другой механизм зарядки.

Однако сам алюминий в принципе лучше переносит заряд, чем литий, поскольку он многовалентный, то есть каждый ион «компенсируется» несколькими электронами. Кроме того, такие батареи наносят значительно меньше ущерба природе.

Новый тип батарей на основе алюминия разработали в Южной Корее. Плотность энергии в них выше, чем у бензинового двигателя, и они намного безопаснее и дешевле литий-ионных. А заряжать их вообще не придется.

Ранее ЭлектроВести писали, что создана первая полностью перезаряжаемая батарея на двуокиси углерода. 

Читайте самые интересные истории ЭлектроВестей в Telegram и Viber

Батарея

Сравнение плотности энергии

Рисунки на этой странице были получены из разного количества источников при различных условиях. Сравнение аккумуляторных элементов затруднено, и любое фактическое сравнение должно использовать проверенные данные для конкретной модели аккумулятора.

Батареи

работают по-разному из-за различных процессов, используемых разными производителями. Даже ячейка другой модели от того же производителя будет работать по-разному в зависимости от того, для чего они оптимизированы.

Вы также должны принять во внимание фактическое приложение, в котором используется аккумулятор. Это может существенно повлиять на производительность батареи, поэтому при выборе аккумуляторной батареи для вашего продукта необходимо учитывать множество факторов.

Для получения дополнительной информации см. Сообщение в нашем блоге о том, как выбрать тип элемента для использования в аккумуляторной батарее.

---

Сравнение плотности энергии в аккумуляторных элементах

Эта сравнительная таблица аккумуляторов показывает объемную и гравиметрическую плотности энергии на основе голых аккумуляторных элементов.

Фото предоставлено НАСА — Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства

---

Плотность энергии, сравнение размеров и веса

Приведенная ниже сравнительная таблица аккумуляторов показывает объемную и удельную плотности энергии, показывая меньшие размеры и меньший вес ячеек.

---

Спецификации Battery Chemistry

Технические характеристики	Свинцово-кислотный	NiCd	NiMH	Литий-ионный
				Кобальт	Марганец	Фосфат
Удельная энергия (Втч / кг)	30-50	45-80	60-120	150–190	100-135	90-120
Внутреннее сопротивление (мОм)	<100 12В в упаковке	100-200 6 В в упаковке	200-300 6 В в упаковке	150-300 7.2В	25-75 на ячейку	25-50 на ячейку
Жизненный цикл (разрядка 80%)	200-300	1000	300-500	500–1 000	500–1 000	1 000–2 000
Время быстрой зарядки	8-16ч	1 час стандартно	2-4 часа	2-4 часа	1 ч или меньше	1 ч или меньше
Допуск перезарядки	Высокая	Умеренный	Низкий	Низкий.Не выносит непрерывного заряда
Саморазряд / месяц (комнатная температура)	5%	20%	30%	<10%
Напряжение элемента (номинальное)	2 В	1,2 В	1.2В	3,6 В	3,8 В	3,3 В
Напряжение отключения заряда (В / элемент)	2,40 Поплавок 2,25	Обнаружение полного заряда по сигнатуре напряжения		4,20		3,60
Напряжение отключения разряда (В / элемент, 1С)	1.75	1,00		2,50–3,00		2,80
Пиковый ток нагрузки Лучший результат	5C 0,2C	20C 1C	5C 0,5C	> 3С <1С	> 30 ° C <10 ° C	> 30 ° C <10 ° C
Температура заряда	от -20 до 50 ° C от -4 до 122 ° F	от 0 до 45 ° C от 32 до 113 ° F		от 0 до 45 ° C от 32 до 113 ° F
Температура нагнетания	от -20 до 50 ° C от -4 до 122 ° F	от -20 до 65 ° C от -4 до 149 ° F		от -20 до 60 ° C от -4 до 140 ° F
Требования к техническому обслуживанию	3-6 месяцев (доплата)	30-60 дней (выписка)	60-90 дней (выписка)	Не требуется
Требования безопасности	Термостойкость	Термостойкость, общий предохранитель		Обязательная схема защиты
Используется с	Конец 1800-х годов	1950	1990	1991	1996	1999
Токсичность	Очень высокий	Очень высокий	Низкий	Низкий

Литий-ионный аккумулятор — Институт чистой энергии

Основные результаты исследований

Одним из способов достижения этой цели CEI является прямая визуализация, в частности, с помощью рентгеновской спектроскопии.Недавно лаборатория профессора Джерри Зайдлера разработала метод для выполнения спектроскопии рентгеновского поглощения вблизи краевой структуры (XANES) на столе. Этот метод может позволить относительно подробные измерения определенных характеристик внутреннего состояния батареи без необходимости открывать ее и, таким образом, нарушать работу системы. Раньше XANES можно было выполнять только с чрезвычайно высоким потоком излучения от таких инструментов, как синхротрон. Это чрезвычайно большие и дорогие объекты стоимостью до 1 миллиарда долларов, которые пользуются таким высоким спросом среди ученых, что месячные очереди являются нормой.Используя преимущества новых передовых оптических технологий, лаборатория Зайдлера смогла изготовить небольшой прибор стоимостью 25 000 долларов, который может имитировать измерения, сделанные на синхротроне. С помощью этого нового инструмента ученые могут получать результаты за часы без значительного времени ожидания, что значительно увеличивает скорость разработки условных технологий.

Другой аспект исследования аккумуляторов CEI включает создание физических, математических и вычислительных моделей для внутреннего состояния аккумулятора.Это может помочь как оптимизировать производительность аккумулятора, так и циклы зарядки / разрядки, а также помочь предсказать и предотвратить опасные сбои аккумулятора. Профессор Венкат Субраманиан, руководитель Лаборатории моделирования, анализа и управления процессами для электрохимических систем (M.A.P.L.E.), разрабатывает и переформулирует физические модели батарей, а также работает над методами моделирования и решения этих моделей с большей эффективностью и точностью. Предлагая более эффективную, универсальную и точную модель для литий-ионных аккумуляторов, M.A.P.L.E. Исследования лаборатории могут помочь в разработке более точных аккумуляторов для более безопасной и эффективной работы.

Другие фокусы

Большая часть текущих исследований CEI связана с разработкой способов лучше понять и управлять важнейшими внутренними состояниями литий-ионных батарей. Понимание внутренней работы батареи имеет важное значение для улучшения конструкции и оценки режимов ее отказа.

Другой важный компонент исследований CEI связан с разработкой новых материалов для улучшения характеристик батарей.В центре внимания CEI — наука о материалах высокого уровня, такая как разработка и замена альтернативных материалов в литий-ионных аккумуляторах, а также определение характеристик и проектирование наноструктурированных материалов или материалов, свойства которых определяются даже с точностью до наномасштаба. . Исследователи CEI также изучают материалы, которые могут предложить альтернативу технологиям литий-ионных аккумуляторов.

Кремний исследуется как анодный материал, поскольку он может образовывать трехмерную клетку, которая обладает большей способностью поглощать литий.

Будущее литий-ионных и твердотельных аккумуляторов

Аккумуляторы всегда были важной конструктивной особенностью для всего, от портативных инструментов до компьютеров и мобильных телефонов, от источников бесперебойного питания до спутников. Исследования аккумуляторов ведутся годами с целью увеличения плотности энергии (количества энергии при заданном размере и весе). Потребность в большей плотности энергии возникла во время подъема портативных устройств, от промышленных измерительных инструментов до мобильных телефонов.Увеличение количества телекоммуникационных спутников означало, что вес батареи был важным фактором. Каждое технологическое развитие ставило во главу угла возможности аккумуляторов. В то время как лаборатории работали над модернизацией аккумуляторных технологий, электронные технологии продолжали развиваться более быстрыми темпами, требуя все большего количества энергии и мощности.

Но только когда на свет появились электромобили (EV), производители начали серьезно задумываться о важности аккумуляторов для обеспечения большей дальности действия, большей надежности и снижения затрат.Для рынка электромобилей размер и вес так же важны, как и срок службы. Классифицируемые как первичные (одноразовые, как правило, для долгосрочных приложений с низким энергопотреблением) и вторичные (перезаряжаемые) батареи претерпевают одно новшество за другим, поскольку они пытаются обеспечить большую плотность энергии, чем когда-либо прежде.

Текущее состояние аккумуляторов
Сегодня современная технология первичных аккумуляторов основана на металлическом литии, тионилхлориде (Li-SOCl2) и оксиде марганца (Li-MnO2).Они подходят для долгосрочных применений от пяти до двадцати лет, включая учет, электронный сбор данных, отслеживание и Интернет вещей (IoT). Ведущим химическим составом аккумуляторных батарей, используемых в телекоммуникациях, авиации и железнодорожном транспорте, являются никелевые (Ni-Cd, Ni-MH) батареи. Литиевые (литий-ионные) батареи доминируют на рынке бытовой электроники и распространили свое применение на электромобили. Здесь важно отметить, что количество литий-ионных аккумуляторов, используемых в электромобилях, превышает объем мобильных и ИТ-приложений вместе взятых.

Литий-ионные аккумуляторы, стимулированные ростом рынков мобильных телефонов, планшетов и портативных компьютеров, были вынуждены достигать все более и более высокой плотности энергии. Плотность энергии напрямую связана с количеством часов, в течение которых может проработать аккумулятор. Специалисты по аккумуляторным батареям в этой области постоянно корректируют технологию, чтобы получить большую плотность, включая изменение химического состава и модификацию конструкции. Они даже изучали цепочку поставок сырья, считая, что добывать кобальт в качестве добавки к литий-ионным конструкциям дорого и сложно.Плотность энергии измеряется в ватт-часах на килограмм (Втч / кг). Литий-ионные конструкции обеспечивают максимальную плотность до 250-270 Втч / кг для имеющихся в продаже батарей. Для сравнения, примите во внимание, что свинцово-кислотные батареи предлагают менее 100 Втч / кг, а никель-металлогидридные батареи едва превышают 100 Втч / кг. Помимо плотности энергии, важным фактором является также плотность мощности. Плотность мощности измеряет скорость, с которой батарея может быть разряжена (или заряжена), в зависимости от плотности энергии, которая является мерой общего количества заряда.Например, аккумулятор большой мощности можно разрядить всего за несколько минут по сравнению с аккумулятором. высокоэнергетический аккумулятор, который разряжается за часы. Конструкция батареи по своей сути меняет плотность энергии на удельную мощность. По словам Джун Сан Пак, технического менеджера по твердотельным технологиям, «литий-ионные аккумуляторы могут быть чрезвычайно мощными с точки зрения удельной мощности, и Saft производит одни из самых высоких литий-ионных аккумуляторов в мире, используемых в Joint Strike Fighter и Гоночные элементы Формулы 1 мощностью до 50 кВт / кг.”

Технология литий-ионных аккумуляторов значительно продвинулась за последние 30 лет, но лучшие литий-ионные аккумуляторы приближаются к своим пределам производительности из-за материальных ограничений. У них также есть серьезные проблемы с безопасностью — например, возгорание при перегреве — что ведет к увеличению затрат, поскольку в аккумуляторную систему должны быть встроены средства безопасности.

Рекомендуем вам: Разработка быстро заряжаемых аккумуляторов

На вопрос о материалах, альтернативных литий-ионным, Парк сказал: «Существуют альтернативные материалы и химия аккумуляторов, которые выходят за рамки литий-ионных, включая литий-серу, натрий и т.д. конструкции на основе магния (Li / S, Na, Mg).Они, безусловно, имеют потенциальные преимущества по сравнению с существующими литий-ионными батареями с точки зрения плотности энергии или стоимости после выпуска на рынок. Однако уровень зрелости технологий по сравнению с литий-ионными технологиями на данный момент все еще невысок. Следовательно, для того, чтобы конкурировать с литий-ионными батареями, требуется дальнейший прорыв от используемых материалов к производству ». В конечном итоге кажется, что литий-ионные аккумуляторы не готовы к коммерциализации из-за разрыва между практическим производством и академическими исследованиями в настоящее время, но серьезно изучаются.

Парк объясняет: «Стремление уменьшить углеродный след также стимулирует развитие устойчивой генерации энергии, такой как солнечная и ветровая, в сочетании с накопительными устройствами, такими как аккумулятор». Это намекает на тот факт, что более высокие требования приводят к инновациям в выборе материалов, дизайне и производственных процессах. Такие материалы, как твердый полимер, керамика и стеклянный электролит, позволяют использовать твердотельные батареи и использовать новые экологически безопасные процессы, исключающие использование токсичных растворителей, которые используются в процессах производства литий-ионных аккумуляторов.

Твердотельные батареи
Хотя текущая промышленность сосредоточена на литий-ионных батареях, наблюдается переход на твердотельные батареи. По словам Дуга Кэмпбелла, генерального директора и соучредителя Solid Power Inc., «Литий-ионный аккумулятор, который впервые был изобретен и коммерциализирован в 90-х годах, в целом остался прежним. У вас практически одинаковые комбинации электродов с небольшими изменениями. Промышленность спроектировала из технологий все, что могла.«Компания Solid Power экспериментировала с несколькими типами материалов, включая полимеры, оксиды и сульфиды. У каждого есть свои преимущества и недостатки. Благодаря своим исследованиям они решили продолжить разработку сульфидной технологии.

Проверьте свои знания: Что вы знаете о электрификации сельских районов?

Переход от батареи с жидким электролитом к твердотельной батарее может показаться выходящим за рамки традиционной конструкции, но он нацелен на скачок существующих возможностей в области плотности энергии.Металлический литий образует дендриты в системе жидких аккумуляторов, что снижает срок службы и безопасность аккумуляторов. Замена высокореактивного жидкого электролита твердотельным электролитом, который по своей природе более безопасен и механически более жесткий, увеличивает удельную энергию батареи без ущерба для безопасности.

Технология твердотельных аккумуляторов включает в себя твердые металлические электроды, а также твердый электролит. Хотя химический состав в целом такой же, твердотельные конструкции предотвращают утечку и коррозию на электродах, что снижает риск возгорания и снижает затраты на конструкцию, поскольку устраняет необходимость в функциях безопасности.Конструкция с твердым электролитом также позволяет использовать меньший форм-фактор, что означает меньший вес. Что наиболее важно, ожидается, что твердотельные батареи преодолеют ограничения плотности энергии, существующие в настоящее время. Считается, что использование металлического лития теоретически удвоит емкость литий-ионных элементов, если они будут правильно спроектированы. Металлический литий имеет в 10 раз большую емкость, чем стандартные угольные аноды, используемые в современных литий-ионных батареях.

Зачем переходить на твердотельные батареи
В настоящее время промышленность переходит на твердотельные батареи по нескольким причинам.Прежде всего, стандартные литиевые батареи с жидким электролитом вышли за пределы теоретических пределов используемых комбинаций электродов, даже при точной настройке конструкции для получения большей плотности. Тем не менее, с точки зрения рынка, поскольку электромобили становятся все более популярными на рынке, существует значительный призыв к постоянно увеличивающейся плотности энергии, причем каждое увеличение прямо пропорционально увеличению дальности полета автомобиля и времени автономной работы в целом. Потребность в электродах с гораздо большей емкостью, таких как твердый металлический литий, означает, что вы ожидаете от 50 до 100 процентов улучшения ватт-часов на килограмм.Кроме того, некоторые дополнительные преимущества включают замену летучего и легковоспламеняющегося жидкого электролита на стабильный и твердый материал, который не будет демонстрировать проблему теплового разгона, наблюдаемую в прошлом, например, насколько твердый литий-ионный химический состав намного безопаснее.

Тем не менее, есть еще вопросы, которые необходимо решить, например, какие материалы являются наиболее эффективными и какие методы производства обеспечивают наименьшую стоимость конечного продукта. В настоящее время твердотельные батареи, которые могут конкурировать на рынке, ограничиваются небольшими ячейками.Первые коммерчески доступные твердотельные батареи — это тонкопленочные батареи. Эти наноразмерные батареи состоят из слоистых материалов, которые действуют как электроды и электролиты. Тонкопленочные твердотельные батареи по структуре напоминают обычные аккумуляторные батареи, за исключением того, что они очень тонкие и гибкие. Помимо более легкого веса и небольшого размера, тонкопленочные батареи обеспечивают более высокую плотность энергии для небольших электронных устройств, таких как кардиостимуляторы, беспроводные датчики, смарт-карты и RFID-метки.

Помимо решения вопросов доступности и масштаба, твердотельные батареи также имеют технологические проблемы. Твердотельные батареи намного безопаснее, но все же существует проблема дендритов, образования корней, которое происходит на металлическом литии в анодах, которые образуются при зарядке и разрядке аккумулятора. Накопление дендритов снижает объем твердого электролита и, следовательно, накопленный заряд.

Поиск подходящего материала сепаратора, который позволяет ионам лития протекать между электродами, одновременно блокируя дендриты, является самой большой проблемой для разработчиков.Согласно недавней статье «Стабильность интерфейса в твердотельных батареях », исследователи использовали такие материалы, как полимер, который широко используется в батареях с жидким электролитом, или твердую керамику. Полимер не блокирует дендриты, а большая часть используемой керамики является хрупкой и не выдерживает нескольких циклов зарядки. Ожидается, что после решения проблемы дендритов твердотельные батареи предложат потребителям некоторые заманчивые преимущества в производительности: более быструю зарядку, более высокую плотность энергии, более длительный жизненный цикл и большую безопасность.

Другой разрабатываемый метод — это конструкция без анода. Когда батарея разряжается во время использования, литий течет с анода на катод. В этом случае толщина анода уменьшается. Этот процесс меняется на противоположный, когда батарея заряжается и ионы лития снова попадают в анод.

Вам также может понравиться: Как пищевая сеть может поддерживать поток электроэнергии

Другая компания, Sion Power, перешла с Li / S на свою литий-металлическую технологию Licerion.Согласно их технической информации, Sion Power преодолела проблемы, которые преследовали исторический химический состав металлического лития — плотность энергии (Вт · ч / л) и срок службы — путем разработки многогранного подхода к защите анода из металлического лития. Они включают три уровня защиты: химическая защита внутри ячейки, физическая защита внутри ячейки и физическая защита на уровне упаковки. В них используется запатентованная технология защищенного литиевого анода (PLA), при которой металлический литиевый анод физически защищен тонким, химически стабильным и ионопроводящим керамическим полимерным барьером.Это позволяет добавкам электролита на уровне элемента стабилизировать поверхность анода, что увеличивает срок службы и увеличивает энергию. Пакет включает в себя запатентованную систему сжатия ячеек и передовую систему управления батареями.

Будущее накопителей энергии
Гонка началась. В условиях стремительного роста продаж электромобилей потребность в батареях с высокой плотностью размещения, длительным сроком службы и недорогими батареями означает, что конкурентная среда для твердотельных батарей становится переполненной.Это отличная новость для исследований и разработок этих аккумуляторов, поскольку именно это необходимо для быстрого вывода твердотельных аккумуляторов на рынок. На данный момент исследуются несколько материалов и конструкций, и они демонстрируют значительный прогресс.

Поскольку малые элементы уже доказали более высокие возможности, необходимые для твердотельных батарей, это лишь вопрос времени, когда производственные процессы встанут на место и для более крупных батарей. Некоторые компании предположили, что мы увидим эти батареи на рынке уже в следующем году для одних и к 2025 году для других.Когда производство догонит, как и литий-ионные аккумуляторы с жидким электролитом, технологические инновации подтолкнут нас вперед. Это означает, что мы, скорее всего, увидим изменения в материалах и подходах к дизайну, которые на долгие годы увеличат возможности аккумуляторов.

Терри Персан — технический писатель из Порт-Таунсенд, Вашингтон.
Зарегистрируйтесь для участия в нашей предстоящей серии веб-семинаров по чистой энергии: переход к экологически чистым технологиям

Задняя страница

Лопнул ли пузырек батареи?

Фред Шлахтер Фото Роя Калшмидта / Berkeley Lab

Подключаемый гибрид Ford Energi 2013 года на фоне моста Золотые Ворота.

Три года назад на симпозиуме по литий-воздушным батареям в IBM Almaden был большой оптимизм. Симпозиум «Масштабируемое хранилище энергии: помимо литий-ионных» содержал рабочее послание: «Нет никаких фундаментальных научных препятствий для создания аккумуляторов с в десять раз более энергоемким — для данного веса — лучших современных аккумуляторов».

Оптимизм почти исчез в этом году на пятой конференции из серии масштабируемых накопителей энергии в Беркли, Калифорния. Объявление о симпозиуме гласит: «Хотя появляются новые электромобили с усовершенствованными литий-ионными батареями, необходимы дальнейшие прорывы в области масштабируемого накопления энергии, помимо современных литий-ионных батарей, прежде чем можно будет в полной мере использовать преимущества электрификации транспортных средств. осуществленный.Настроение было осторожным, так как ясно, что литий-ионные батареи созревают медленно, и что их ограниченная плотность энергии и высокая стоимость не позволят производить полностью электрические автомобили для замены основного американского семейного автомобиля в обозримом будущем. «Будущее туманно», — резюмировал конференцию Венкат Сринивасан, возглавляющий программу исследования аккумуляторов в лаборатории Беркли.

Электромобили имеют долгую историю. Они были популярны на заре автомобильной эры: 28 процентов автомобилей, произведенных в Соединенных Штатах в 1900 году, работали на электричестве.Однако ранняя популярность электромобилей пошла на убыль, когда Генри Форд в 1908 году представил серийно выпускаемые автомобили с двигателями внутреннего сгорания.

Бензин был быстро признан природным идеальным топливом для автомобилей: он обладает очень высокой плотностью энергии как по весу, так и по массе. и по объему — примерно в 500 раз больше, чем у свинцово-кислотных аккумуляторов — и они были многочисленными, недорогими и, казалось, неограниченными в поставках. К 1920-м годам электромобили перестали быть коммерчески выгодными и исчезли со сцены. Они не появлялись снова до конца 20-го века, когда бензин стал дорогим, запасы больше не казались безграничными, а обеспокоенность по поводу возможного воздействия сжигания ископаемого топлива на глобальный климат достигла общественной осведомленности.

Электромобили возвращаются с появлением химических батарей, которые более эффективны, чем старые свинцово-кислотные батареи. Новое поколение электромобилей представлено гибридными электромобилями (HEV), подключаемыми гибридными автомобилями (PHEV) и полностью электрическими или аккумуляторными электромобилями (BEV). Большинство электромобилей последнего поколения питаются от литий-ионных аккумуляторов с использованием технологий, впервые применявшихся в портативных компьютерах и мобильных телефонах.

Использование в автомобилях электричества, а не бензина дает двойные преимущества: в конечном итоге мы избавляемся от зависимости от импортных ископаемых видов топлива и эксплуатации автомобилей с использованием возобновляемых источников энергии.Устранение зависимости от нефти, импортируемой из часто недружественных стран, значительно улучшит нашу энергетическую безопасность, а использование энергии для автомобилей из зеленой сети с использованием солнечных и ветровых ресурсов значительно снизит количество CO ₂ , выбрасываемого в атмосферу.

Основным препятствием на пути замены основного американского семейного автомобиля электромобилем является производительность аккумуляторной батареи. Наиболее важной проблемой является плотность накопления энергии как по весу, так и по объему. Современная технология требует, чтобы электромобиль имел большую и тяжелую батарею, обеспечивающую меньший запас хода, чем автомобиль, работающий на бензине.

Батареи дороги, поэтому электромобили обычно намного дороже, чем автомобили аналогичного размера, работающие на бензине. Существует разумный предел затрат, когда стоимость электромобиля и электроэнергии, потребляемой в течение срока службы автомобиля, значительно превышает стоимость автомобиля с двигателем внутреннего сгорания, включая бензин, в течение всего срока службы автомобиля.

Безопасность — это вопрос, который много обсуждается в прессе. Хотя в Америке ежегодно происходит более 200 000 пожаров в автомобилях, работающих на бензине, существует широко распространенный страх перед электричеством.Аккумуляторы в автомобилях, работающих от электричества, наверняка сгорят в некоторых сценариях аварий; риск возгорания, вероятно, будет таким же, как у автомобилей с бензиновым двигателем.

Энергия, запасенная в топливе, значительна: бензин — рекордсмен — 47,5 МДж / кг и 34,6 МДж / литр; бензин в полностью заправленном автомобиле имеет такое же энергосодержание, как тысяча динамитных шашек. Литий-ионный аккумулятор имеет около 0,3 МДж / кг и около 0,4 МДж / литр (Chevy VOLT). Таким образом, бензин имеет примерно в 100 раз большую плотность энергии, чем литий-ионный аккумулятор.Эта разница в плотности энергии частично компенсируется очень высокой эффективностью электродвигателя при преобразовании энергии, накопленной в батарее, для движения автомобиля: обычно он эффективен на 60-80 процентов. Эффективность двигателя внутреннего сгорания по преобразованию энергии, запасенной в бензине, для движения автомобиля обычно составляет 15 процентов (EPA 2012). При соотношении около 5 аккумулятор с плотностью хранения энергии 1/5 от плотности бензина будет иметь такой же запас хода, что и автомобиль с бензиновым двигателем.В настоящее время мы даже не приблизились к этому.

Электроэнергия для автомобиля значительно эффективнее, чем для бензинового двигателя с точки зрения потребления первичной энергии. В то время как эффективность использования энергии электромобилем очень высока, большинство электростанций, производящих электричество, эффективно преобразовывают первичную энергию в электроэнергию, поставляемую потребителю, лишь на 30 процентов. Превращение нефти в бензин очень эффективно. В результате электричество имеет коэффициент 1.6 улучшение использования первичной энергии по сравнению с бензином, и это важный момент в его пользу.

В отчете APS за 2008 год по энергоэффективности были рассмотрены статистические данные о том, сколько миль проезжают американцы в день. Вывод этого исследования заключался в том, что полный парк PHEV с запасом хода на электротяге в 40 миль (60 км) может снизить потребление бензина более чем на 60 процентов. Таким образом, Америке может не понадобиться полный парк BEV для достижения очень значительного сокращения использования бензина.

Неоспоримый вопрос заключается в том, могут ли электромобили обеспечить удобство, стоимость и запас хода, необходимые для замены их бензиновых аналогов в качестве основного стандартного американского семейного автомобиля.И это почти полностью зависит от состояния разработки аккумуляторов, вкупе с проблемами экологизации энергосистемы и обеспечения широкой инфраструктуры для подзарядки электромобилей.

Сегодняшний ответ неоднозначен:

• HEV уже популярны, хотя сегодня они составляют лишь небольшую часть автомобилей. Нынешнее поколение аккумуляторов подходит для HEV, и запас хода не является проблемой, так как 100 процентов энергии, необходимой для питания автомобиля, вырабатывается бензином.Стоимость покупки выше, чем у обычного автомобиля; Преимущество заключается в улучшении экономии топлива на 40 или более процентов (EPA 2012).

• PHEV теперь поступают на рынок (рис. 1). Электрический диапазон ограничен, а батареи, имеющиеся в наличии в настоящее время, лишь частично подходят. Общий запас хода не является проблемой, поскольку бензин хранится на борту в качестве «расширителя диапазона».

• BEV, поступающие на рынок, дороги, а их ассортимент слишком мал для многих американских водителей, по крайней мере, в качестве основного семейного автомобиля.Батареи с гораздо более высокой плотностью накопления энергии и более низкой стоимостью необходимы для того, чтобы BEV стали популярными за пределами ограниченного рынка высококлассных городских жителей в качестве второго автомобиля, который будет использоваться для местного транспорта, где возможна домашняя подзарядка и где время зарядки ограничено. проблема.

Требования к батареям для HEV, PHEV и BEV различаются. Батарея для HEV не должна хранить много энергии, но должна иметь возможность быстро накапливать энергию от рекуперативного торможения. Поскольку он работает в ограниченном диапазоне заряда / разряда, его срок службы может быть очень долгим.Аккумулятор PHEV должен иметь гораздо большую емкость хранения энергии для достижения разумного электрического диапазона и будет работать со значительно большим диапазоном заряда / разряда, что ограничивает срок службы аккумулятора. Батарея для BEV должна обеспечивать всю энергию для питания автомобиля на всем диапазоне — скажем, 150–300 км — и должна использовать большую часть своего диапазона заряда / разряда. Эти требования означают, что аккумулятор для BEV будет большим, тяжелым, дорогим и с ограниченным сроком службы. Замена аккумулятора на BEV может повлечь за собой расходы, превышающие десять тысяч долларов, которые, разделенные на пробег, вероятно, значительно превысят стоимость электроэнергии для питания автомобиля.

Симпозиум в Беркли 2012 был посвящен двум альтернативным химическим соединениям: литий / кислород (литий / воздух) и литий / сера. Оба теоретически предлагают гораздо более высокую плотность энергии, чем это возможно даже при теоретическом пределе развития литий-ионных аккумуляторов. Однако технические трудности в создании практичной батареи с хорошей способностью к перезарядке с использованием любого из этих химических компонентов являются значительными.

Существуют серьезные исследовательские проблемы, касающиеся всех аспектов батареи: катода, анода и электролита, а также поверхностей раздела материалов и возможных производственных проблем.Литий-воздушная (Li / O ₂ ) батарея требует охлажденного сжатого воздуха без водяного пара или CO ₂ , что значительно усложняет систему литиево-воздушной батареи. Литий-воздушная батарея будет больше и тяжелее литий-ионной, что делает маловероятной перспективу использования в автомобилях в ближайшем будущем. Однако ведущая группа по разработке аккумуляторов в IBM написала в 2010 году статью о литий-воздушных батареях; «Автомобильные силовые батареи только начинают переход от никель-металлогидридных к литий-ионным батареям после почти 35 лет исследований и разработок последних.Переход на воздушно-литиевые батареи (в случае успеха) следует рассматривать с точки зрения аналогичного цикла разработки ». Возможно, нам нужно набраться терпения.

Для разработки и улучшения характеристик батарей используются многие подходы, включая исследования с использованием нанотрубок, нанопроволок, наносфер и других наноматериалов. Однако ни один из исследователей не сообщил о прогрессе до такой степени, что можно было бы представить практическую батарею, использующую Li / air или Li / S.

Томас Греслер, менеджер группы разработки элементов в лаборатории электрохимических исследований энергии General Motors, был пессимистичен в отношении перспектив нового химического состава аккумуляторов: «Мы не инвестируем в технологию литий-воздушных и литий-серных аккумуляторов, потому что мы не думаем от с точки зрения автомобилестроения, в обозримом будущем это принесет существенные выгоды.”

Существенной инфраструктурной проблемой является сеть, которую необходимо будет построить для подзарядки батареи BEV. В США более 120 000 автозаправочных станций. Поскольку диапазон современного BEV составляет менее трети диапазона бензинового автомобиля, потребуется очень большое количество станций подзарядки в дополнение к домашней зарядке, что может быть осуществимо только для тех, кто живет в частные дома или многоквартирные дома с выделенной парковкой.

Зарядка электромобиля занимает часы, и даже быстрая зарядка займет больше времени, чем большинство людей готовы ждать. А зарядка должна производиться ночью, когда выработка электроэнергии и мощность сети наиболее доступны.

Исследования аккумуляторов финансируются на скромном уровне, поскольку среди общественности и политиков существует ложное представление о том, что характеристики аккумуляторов достаточны для повсеместного признания электромобилей на аккумуляторах. Национальное внимание уделяется возобновляемым источникам энергии.Соединенные Штаты не станут независимыми от иностранной нефти и сжигания ископаемого топлива до тех пор, пока не будут разработаны новые аккумуляторные технологии. Это потребует согласованных национальных усилий в области науки и технологий, что потребует значительных затрат.

Фред Шлахтер недавно вышел на пенсию с должности физика в Advanced Light Source Национальной лаборатории Лоуренса Беркли. Он является соавтором отчета APS за 2008 год «Энергетическое будущее: думайте об эффективности», для которого он написал главу о транспорте.

«Закон Мура» для батарей?

Нет ли какого-то «закона Мура» для аккумуляторов? Почему прогресс в увеличении емкости батареи настолько медленный по сравнению с увеличением вычислительной мощности компьютера? Существенный ответ заключается в том, что электроны не занимают места в процессоре, поэтому их размер не ограничивает возможности обработки; пределы задаются литографическими ограничениями.Ионы в батарее, однако, занимают место, а потенциалы определяются термодинамикой соответствующих химических реакций, поэтому можно значительно улучшить емкость батареи только за счет перехода на другой химический состав.

Илон Маск: к ​​2024 году плотность энергии батареи вырастет на 50 процентов

(Фото Дарио на Unsplash)

У Tesla в прошлом месяце были хорошие новости после того, как Panasonic удалось улучшить плотность энергии своих 2170 литий-ионных элементов.Это привело к увеличению дальности полета как для Model 3, так и для Model Y. Однако через четыре года ожидается, что этот прирост будет на 50 процентов выше.

Как сообщает Reuters, Маск намекнул на 50-процентное улучшение плотности энергии в своем твите в понедельник. Он отвечал на твит Сэма Коруса, аналитика ARK Investment Management LLC, который спросил, почему Маск был взволнован электрическим реактивным двигателем, хотя электрический полет требует удельной плотности энергии 400 Вт · ч / кг. Маск ответил, заявив, что «400 Втч / кг с большим сроком службы , произведенные в больших количествах (а не только в лаборатории), не за горами.Вероятно, от 3 до 4 лет ».

Твитнуть

Если он прав, то мы увидим, что в 2024 году появятся аккумуляторы на 400 Втч, что откроет потенциал для электрических реактивных двигателей, но также значительно улучшит дальность действия электромобилей Tesla. Прямо сейчас Teslas использует батареи на 260 Втч и имеет запас хода 330-400 миль. К 2024 году это улучшение плотности предполагает, что у них будет запас хода в 500-600 миль, и это без учета дальнейшей оптимизации работы электромобилей или какого-либо снижения веса.

Рекомендовано нашими редакторами

Tesla намерена провести День батареи в сентябре.22, после чего мы должны больше узнать о том, как компания и ее партнеры по аккумуляторным батареям, включая Panasonic и Contemporary Amperex Technology Ltd (CATL), намерены улучшить характеристики аккумуляторов в течение следующих нескольких лет. Еще в июне CATL заявила, что у нее есть аккумулятор для электромобиля, рассчитанный на пробег более миллиона миль, «готовый к производству». Panasonic также надеется улучшить свою батарею 2170 в течение следующих пяти лет и увеличить плотность еще на 20 процентов.

Получите наши лучшие истории!

Подпишитесь на Что нового сейчас , чтобы каждое утро получать наши главные новости на ваш почтовый ящик.

Этот информационный бюллетень может содержать рекламу, предложения или партнерские ссылки. Подписка на информационный бюллетень означает ваше согласие с нашими Условиями использования и Политикой конфиденциальности. Вы можете отказаться от подписки на информационные бюллетени в любое время.

Что такое аккумулятор с высокой плотностью энергии?

Плотность энергии батарей может отображаться двумя разными способами: гравиметрическая плотность энергии и объемная энергия плотность.

Гравиметрическая плотность энергии — это мера того, сколько энергии содержит батарея по отношению к ее весу.Это измерение обычно выражается в ватт-часах на килограмм ( Вт-час / кг ). С другой стороны, объемная плотность энергии сравнивается с ее объемом и обычно выражается в ватт-часах на литр ( Вт-час / л ). Обычно мы называем плотность энергии батареи гравиметрической (весовой) плотностью энергии, а ватт-час — это мера электрической энергии, эквивалентная одному часу, одному ватту потребления.

Напротив, плотность мощности батареи является мерой того, насколько быстро может быть доставлена ​​энергия, а не сколько доступно накопленной энергии.Плотность энергии часто путают с плотностью мощности, поэтому важно понимать разницу между ними.

Формула расчета

Плотность энергии батареи можно просто рассчитать по следующей формуле: Номинальное напряжение батареи (В) x номинальная емкость батареи (Ач) / вес батареи (кг) = удельная энергия или удельная энергия (Втч / кг).

Плотность энергии LiCo и LiFePO4 аккумуляторов

Вообще говоря, батареи LiCo имеют плотность энергии 150-270 Втч / кг .Их катод состоит из оксида кобальта и типичного углеродного анода со слоистой структурой, которая перемещает ионы лития от анода к катоду и обратно. Эта батарея популярна благодаря своей высокой плотности энергии и обычно используется в потребительских товарах, таких как сотовые телефоны и ноутбуки.

Батареи

LiFe , напротив, имеют плотность энергии 100-120 Втч / кг . Хотя это меньше, чем у LiCo батарей, он все же считается более высоким в категории аккумуляторных батарей.В LiFe-батареях используется фосфат железа для катода и графитовый электрод в сочетании с металлической подложкой для анода. Они идеально подходят для тяжелого оборудования и промышленного применения, поскольку лучше выдерживают высокие и низкие температуры.

Заключение

Что касается одиночного элемента, то положительные и отрицательные материалы и производственный процесс батареи будут влиять на плотность энергии, поэтому необходимо разработать более разумные материалы и лучшую технологию производства, чтобы получить более эффективную батарею.

Grepow не только производит батареи LiCo и LiFe, но мы также производим полутвердые батареи с высокой плотностью энергии 275 ~ 300 Втч / кг , что выше, чем у двух ранее упомянутых батарей, и 15 Снижение веса на % по сравнению с обычными аккумуляторами той же емкости. Они будут идеальным выбором для моделей, которым требуется меньшего веса и более долговечная .

Видео

Аккумулятор Monday Channel

Grepow’s Battery Monday Channel посвящен знанию аккумуляторов и совету по аккумулятору.Если у вас есть какие-либо вопросы по этой теме ( Что такое аккумулятор с высокой плотностью энергии? ) или вы хотите узнать о каких-либо вещах, связанных с аккумулятором, свяжитесь с нами по электронной почте [email protected] .

Официальный сайт

Grepow: https://www.grepow.com/

Grepow Facebook: https://www.facebook.com/grepowbattery

Grepow Linkedin: батарея Grepow

Замечательная плотность новой литиевой батареи обещает огромный запас хода для электромобилей

Для того, чтобы электрические самолеты действительно взлетели, а электромобили могли путешествовать на гораздо большие расстояния между зарядками, нам понадобятся батареи, которые содержат гораздо больше энергии, но не становятся чрезмерно тяжелыми.Группа специалистов в Германии продемонстрировала новую литий-металлическую батарею с плотностью, значительно превышающей значительный эталонный показатель 500 Втч / кг, и способностью сохранять свою производительность в течение сотен циклов.

Сегодняшние литий-ионные батареи прекрасно справляются с задачей поддержания работоспособности современного мира, от электромобилей до смартфонов и портативных компьютеров, но ученые видят большой потенциал, который можно раскрыть с помощью изменений в их архитектуре. Одна из наиболее многообещающих возможностей — замена графита, используемого в одном из электродов батареи, на чистый металлический литий, материал, который может удерживать в 10 раз больше энергии.

По этой причине металлический литий провозглашается некоторыми исследователями аккумуляторов «материалом мечты» и может помочь нам преодолеть ключевое узкое место в хранении энергии, но до сих пор технологии преследовали проблемы со стабильностью. Во многом это связано с побочными реакциями между раствором электролита, который несет ионы лития, и двумя электродами батареи, катодом и анодом.

Среди множества исследовательских групп, работающих над решением этой проблемы, есть группа из Технологического института Карлсруэ и Института Гельмгольца в Ульме (HIU), которые разработали проект, который в значительной степени позволяет обойти эту проблему.Исследователи начали с того, что описывается как слоистый катод с низким содержанием кобальта и никеля (NCM88) и коммерчески доступный органический электролит под названием LP30. В то время как катод достиг высокой плотности энергии, вскоре возникла нестабильность, и емкость аккумулятора уменьшилась при включении батареи.

«В электролите LP30 частицы трескаются на катоде, — объясняет профессор Стефано Пассерини, директор HIU. — Внутри этих трещин электролит реагирует и повреждает структуру. Кроме того, на аноде образуется толстый покрытый мхом слой, содержащий литий.”

Итак, команда заменила электролит LP30 на альтернативный, который позволил значительно повысить производительность. Описанный как нелетучий, трудновоспламеняемый, двуханионный ионный жидкий электролит (ILE), этот ингредиент в значительной степени предотвращает структурные дефекты на катоде и спасает батарею от фатальных электрохимических реакций.

«С помощью ILE можно значительно уменьшить структурные модификации катода с высоким содержанием никеля», — говорит д-р Гук-Тэ Ким.

И результаты по праву называют «замечательными». Литий-металлический аккумулятор с такой архитектурой имел плотность энергии 560 Втч / кг. Для контекста существуют исследовательские консорциумы, посвященные преодолению порогового значения плотности 500 Втч / кг для обеспечения электропитания электромобилей следующего поколения, в то время как лучшие в своем классе литий-ионные батареи сегодня имеют плотность энергии от 250 до 300 Втч / кг. .

Ранее в этом году мы сообщали о рекордной литий-металлической батарее с плотностью энергии 350 Втч / кг, которая сохранила 76 процентов своей емкости в течение 600 циклов.Что касается долговечности, новая конструкция литий-металлической батареи также показала хорошие результаты, начиная с начальной емкости 214 мАч / г в катодном материале и сохраняя 88 процентов от этой емкости в течение 1000 циклов.

На диаграмме показаны характеристики недавно разработанной литий-металлической батареи по сравнению с более традиционной конструкцией

Фанглин Ву и д-р Маттиас Кюнцель, KIT / HIU

Другая область, в которой новая литий-металлическая батарея оказалась очень эффективной, заключалась в ее кулоновской эффективности, которая связана с тем, насколько эффективно ионы лития переносятся между анодом и катодом.Зарядка 100 ионов лития с последующим возвратом 100 ионов лития после разрядки обеспечит 100-процентный кулоновский КПД, и, по словам Йи Цуй, профессора материаловедения, инженерии и фотоники в Национальной ускорительной лаборатории SLAC, коммерческим батареям требуется КПД не более минимум 99,9 процента, чтобы быть жизнеспособными. Создатели этой новой литий-металлической батареи сообщают, что средняя кулоновская эффективность составляет 99,94 процента.

Предстоит проделать большую работу, чтобы воплотить эти многообещающие результаты на лабораторных элементах в реальный мир, но стабильная батарея с такой высокой плотностью энергии может изменить правила игры, когда дело доходит до электрического транспорта.Например, электрические самолеты сильно ограничены плотностью энергии современных батарей и поэтому могут преодолевать относительно короткие расстояния. Ограниченный диапазон электромобилей можно решить в некоторой степени за счет расширения инфраструктуры зарядки, но тип высокого отношения энергии к весу, наблюдаемый в этой батарее, может позволить им путешествовать на огромные расстояния и многое сделать для подавления так называемого беспокойства по поводу дальности полета среди потенциальные покупатели.