Революционный аккумулятор: Графеновый аккумулятор. Прорыв в создании устройств хранения энергии

Содержание

Графеновый аккумулятор. Прорыв в создании устройств хранения энергии

Графеновые аккумуляторы окажут громадное влияние на все сферы повседневной жизни. Для примера, удельная емкость литий-ионного аккумулятора применяемого в настоящее время, составляет 200 Вт/ч на 1 кг веса. Графеновый аккумулятор такого же веса имеет удельную емкость 1000 Вт/ч. Очевидно, что графеновая аккумуляторная батарея установленная, например, в Tesla Model S способна увеличить пробег электромобиля с 334 км до 1013 км на одной подзарядке. Кроме всего прочего такие батареи можно зарядить менее чем за 10 минут. Конечно, чтобы достичь такой скорости заряда необходима мощная зарядная станция, но это уже не такая большая проблема.

 

Графеновый аккумулятор такого же веса как литий-ионный (при 200 Вт/ч на 1 кг веса) имеет удельную емкость 1000 Вт/ч. Такая батарея установленная, например, в Tesla Model S способна увеличить пробег электромобиля с 334 км до 1013 км на одной подзарядке

 

Еще в декабре 2018 года индийская компания Log 9 Materials объявила, что работает над металлическими воздушно-воздушными батареями на основе графена, что в теории может даже привести к появлению электрических транспортных средств, работающих на воде. Металлические воздушные батареи используют металл в качестве анода, воздух (кислород) в качестве катода и воду в качестве электролита. В воздушном катоде батарей используется стержень графена. Поскольку кислород должен использоваться в качестве катода, катодный материал должен быть пористым, чтобы воздух мог проходить, свойство, в котором графен превосходит другие. Согласно Log 9 Materials, графен, используемый в электроде, способен увеличить эффективность батареи в пять раз при стоимости в одну треть.

 

 

 

Новые разработки графеновых аккумуляторов

 

Многие разработчики верят, что будущие аккумуляторы станут иметь совсем другую форму, строение и химический состав по сравнению с литий-ионными, которые в последнее десятилетие вытеснили иные технологии со многих рынков. Они считают, что будущее за графеновыми аккумуляторами.

 

Сравнительно недавно Graphenano, компания из Испании, продемонстрировала прототип графен-полимерного аккумулятора обладающего уникальной способностью – требуемое время его заряда в 3 раза меньше, чем для обыденных литий-ионных аккумуляторов. Конечно же успехи этой компании подхлестнули громадный интерес различных производителей, которые стали тотчас предвкушать все выгоды применения таких аккумуляторов.

Эра графеновых аккумуляторов способна кардинальным образом изменить все мировое автомобилестроение.

В компании Graphenano разработали аккумулятор Grabat, который может обеспечить запас хода электромобиля до 800 км.  Ёмкость 2,3-вольтового Grabat огромна: около 1000 Вт⋅ч/кг. Для сравнения, у лучших образцов литий-ионных аккумуляторов — на уровне 180 Вт⋅ч/кг. Разработчики утверждают, что аккумулятор заряжается всего за несколько минут — скорость зарядки/разрядки в 33 раза выше, чем у литий-ионных. Быстрая разрядка особенно важна для обеспечения высокой динамики разгона электромобилей. Графеновые батареи менее громоздкие, чем их литий-ионные аналоги: масса графенового аккумулятора вдвое меньше массы литий-ионного. И что не маловажно, такие батареи не могут взорваться.

 

В конце 2015 года Graphenano открыли завод площадью более 7000 квадратных метров по производству графен-полимерных аккумуляторов в испанском городе Екла, благодаря объединению усилий с группой химиков из Национального университета Кордовы и компанией Grabat Energy. Было создано специальное оборудование для обеспечения 20 сборочных линий на 80 миллионов ячеек. Эти аккумуляторы не будут производить газ и не будут пожароопасными, заявляют в Graphenano, даже короткое замыкание им не будет страшно. Полимер был сертифицирован при сотрудничестве с институтами Декра (Испания) и TUV (Германия).

 

 

 

Графен представляет собой слой атомов углерода толщиной в один атом, расположенный в гексагональной решетке (в виде шестиугольников). Это строительный блок углерода, но графен сам по себе является замечательным веществом, обладающим множеством удивительных свойств, которые постоянно дают ему название «чудо-материал».

Графен — это слой атомов углерода толщиной в один атом, расположенный в гексагональной решетке.

 

 

Как улучшить характеристики существующих аккумуляторов

 

В области аккумуляторов обычные материалы для аккумуляторных электродов (и перспективные) значительно улучшаются при добавлении графена. Графеновая батарея может быть легкой, долговечной и подходящей для накопления энергии большой емкости, а также для сокращения времени зарядки. Это продлит срок службы батареи, что связано с количеством углерода, который нанесен на материал или добавлен к электродам для достижения проводимости, а графен добавляет проводимости, не требуя количества углерода, которое используется в обычных батареях.

 

Графен может улучшить такие свойства батареи, как плотность энергии и форму, различными способами. Так литий-ионные аккумуляторы (и другие типы аккумуляторных батарей) могут быть улучшены путем введения графена в анод аккумулятора и использования проводимости материала и характеристик большой площади поверхности для достижения морфологической оптимизации и производительности.

 

Также было обнаружено, что создание гибридных материалов также может быть полезным для улучшения качества батареи. Например, гибрид катализа оксида ванадия (VO2) и графена может быть использован на литий-ионных катодах и обеспечивает быструю зарядку и разрядку, а также большую стойкость цикла зарядки. В этом случае VO2 обладает высокой энергоемкостью, но плохой электрической проводимостью, что можно решить, используя графен в качестве своего рода структурной «основы», на которой можно присоединить VO2- создавая гибридный материал, который обладает как повышенной емкостью, так и превосходной проводимостью.

 

Исследователи ищут новые типы активного электродного материала, чтобы вывести батареи на новый уровень высокой производительности и долговечности и сделать их более подходящими для больших устройств. Наноструктурированные материалы ионно-литиевых батарей могут обеспечить хорошее решение. По последним данным исследователи из Венского университета и международные ученые разработали новый наноструктурированный анодный материал для ионно-литиевых батарей, который увеличивает емкость и срок службы батарей.

 

2D/3D нанокомпозит на основе смешанного оксида металла и графена, разработанный двумя учеными и их командами, как утверждается, серьезно улучшает электрохимические характеристики литий-ионных аккумуляторов. Основанный на смешанном мезопористом оксиде металла в сочетании с графеном, этот материал может обеспечить новый подход к более эффективному использованию батарей в больших устройствах, таких как электрические или гибридные транспортные средства. Новый электродный материал обеспечил значительно улучшенную удельную емкость с беспрецедентной обратимой циклической стабильностью в течение 3000 обратимых циклов зарядки и разрядки даже при очень высоких режимах тока до 1280 миллиампер. Для сравнения, современные литий-ионные аккумуляторы теряют свою эффективность после примерно 1000 циклов зарядки.

 

Устройство графенового аккумулятора. Расщепленный кристалл стремится снова стать объемным. Ученым удается сдерживать двухмерную структуру и заставить работать в виде гальванического элемента. Стабильность зависит от подобранной электронной пары. Устройством аккумулятор напоминает литий-ионные, но вместо графитового слоя внедрен графеновый. Российские исследователи заменили анод оксидом магния. Композиция дешевле, меньше нагревается аккумулятор и уменьшается опасность возгорания.

 

 

Финансовые проблемы реализации научных достижений

 

Проблема создания новых аккумуляторных батарей еще и в том, что сейчас исследованиями в области элементов питания занимается слишком много компаний. Проектов просто огромное количество — от «пенных» и жидких батарей до аккумуляторов с экзотическими соединениями в составе электролита. И явного лидера среди всех этих компаний нет. Особого энтузиазма такая ситуация не вызывает и среди инвесторов, которые не слишком охотно выделяют деньги на новые проекты.

 

А денег требуется много. «Для того, чтобы создать небольшую промышленную линию по производству аккумуляторов, создаваемых по новым технологиям, требуется около $500 млн. И даже, если бы перспективный аккумулятор был создан, перевести научную работу в сферу коммерции не так просто. Разработчики мобильных устройств или производители электромобилей будут тестировать новые батареи годами, прежде, чем принять решение. Инвестиции за это время не окупятся, а компания-разработчик будет убыточной. Ученые утверждают, что наладить промышленную линию стоимостью в $500 млн. сложно, особенно, если бюджет на год составляет $5 млн.

 

И даже в том случае, когда новая технология попадет на рынок, производителю аккумуляторов нового типа придется пережить нелегкий период адаптации и поиска покупателей. Но пока что до этого этапа никто не доходил. Так, компании Leyden Energy и A123 Systems, разработавшие новые, вполне перспективные технологии, так и не вышли на рынок. Им просто не хватило для этого денег. Еще два перспективных «энергетических» стартапа, Seeo и Sakti3, были куплены другими компаниями. Причем суммы этих двух сделок были гораздо ниже того, на что рассчитывали первые инвесторы компаний.

Крупнейшие производители электроники, Samsung, LG и Panasonic, заинтересованы больше в совершенствовании текущих своих продуктов и увеличении числа их функций, чем в получении батарей нового типа. Поэтому пока что продолжается процесс оптимизации Li-Ion батарей, созданных еще в 70-х годах прошлого века. Остается надеяться, что у графеновых аккумуляторов все же получится разорвать порочный круг.

 

Графен обеспечил значительно улучшенную удельную емкость с беспрецедентной обратимой циклической стабильностью в течение 3000 обратимых циклов зарядки и разрядки даже при очень высоких режимах тока до 1280 миллиампер.

 

 

Что дальше?

 

Сегодня на исследования графена выделено несколько миллиардов долларов, и по прогнозам ученых, этот материал сможет заменить собою кремний в полупроводниковой промышленности. Графен несомненно перевернет мир технологий, в том числе и созданием новых аккумуляторных батарей в ближайшие годы, не в последнюю очередь еще и потому, что он недорог в производстве, и очень распространен в природе. Каждая из стран имеет его в изобилии.

 

Аккумуляторы на основе графена быстро становятся сопоставимыми по эффективности с традиционными твердотельными аккумуляторами. Они все время продвигаются, и скоро они превзойдут своих твердотельных предшественников. Дополнительные преимущества, связанные с присутствием графена в электродах, могут быть полезны, даже если эффективность не так высока. Для батарей, которые обладают аналогичной эффективностью, графеновые батареи являются идеальным выбором, они начали набирать обороты на коммерческом рынке. Ожидается, что мировой рынок графеновых аккумуляторов к 2022 году достигнет 115 миллионов долларов, увеличившись в среднем на 38,4% в течение прогнозируемого периода с рынком с доходом около 38% ».

 

Шведские исследователи из Chalmers смешивают графен и серу для новых литиево-серных батареи, теоретическая плотность энергии которых примерно в пять раз выше, чем у литий-ионных. Новая идея исследователей — пористый губчатый аэрогель, изготовленный из восстановленного оксида графена, который действует как автономный электрод в элементе батареи и позволяет лучше и более эффективно использовать серу.

 

 

Удивительные свойства графена

 

Графен является самым тонким материалом, известным человеку, толщиной в один атом, а также невероятно прочным — примерно в 200 раз прочнее стали. Кроме того, графен является отличным проводником тепла и электричества и обладает интересными способностями поглощения света. В целом графен характеризуется как материал с наивысшей подвижностью электронов среди всех известных материалов. Графеновый слой можно представить, как одну молекулу в которой электроны без преград передвигаются между ее границами – таким образом графеновый проводник способен проводить электричество практически без потерь.

Графен  – легкий, он весит всего 0,77 миллиграмма на квадратный метр. Поскольку это один 2D-лист, он имеет самую высокую площадь поверхности из всех материалов.

Листы графена являются гибкими, и фактически графен является наиболее растяжимым кристаллом — вы можете растянуть его до 20% от его первоначального размера, не разбивая его. Наконец, идеальный графен также очень непроницаем, и даже атомы гелия не могут пройти через него.

Он также считается экологически чистым и устойчивым, с неограниченными возможностями для многочисленных применений. Это действительно материал, который может изменить мир с неограниченным потенциалом для интеграции практически в любую отрасль.

Когда листы графена предоставлены сами себе, они будут складываться и образовывать графит, который является наиболее стабильной трехмерной формой углерода при нормальных условиях.

Графеновый слой можно представить, как одну молекулу в которой электроны без преград передвигаются между ее границами. 

 

 

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Новости о науке, технике, вооружении и технологиях.

Подпишитесь и будете получать свежий дайджест лучших статей за неделю!

Email*

Подписаться

Ученые создали новый аккумулятор для техники — Российская газета

Международному коллективу ученых из НИТУ «МИСиС» и ИБХФ РАН удалось улучшить аккумуляторы для техники при помощи натрия. Об этом сообщает пресс-служба научно-исследовательского центра.

Первые литий-йонные батареи появились в 1991 году, а в 2019 году их изобретателям присудили Нобелевскую премию по химии — за революционный вклад в развитие технологий. Как пишут авторы исследования, литий — дорогостоящий щелочной металл, а его запасы весьма ограничены. В настоящее время не существует близкой по эффективности альтернативы литий-ионным батареям. Из-за того, что литий один из самых легких элементов в периодической таблице Менделеева, ему очень непросто найти замену для создания емких аккумуляторов.

Возможную альтернативу дорогостоящему металлу предложили ученые НИТУ «МИСиС», ИБХФ РАН и Центра имени Гельмгольца Дрезден-Россендорф под руководством профессора Центра Аркадия Крашенинникова. В ходе исследований было установлено, что если атомы внутри образца «уложить» определенным способом, то другие щелочные металлы также будут демонстрировать высокую энергоемкость. Наиболее перспективная замена литию — натрий, так как даже при двуслойной компоновке атомов натрия в структуре биграфена (два слоя графена — сверху и снизу) емкость такого анода становится сопоставимой с емкостью обычного графитового анода в литий-ионных аккумуляторах: около 335 мА*ч/гр (миллиампер-час на грамм материала) против 372 мА*ч/гр у лития. При этом натрий гораздо более распространен в природе, чем литий. Например, обычная поваренная соль наполовину состоит из этого элемента.

Созданием экспериментального образца займется зарубежная часть команды из Центра имени Гельмгольца Дрезден-Россендорф «На разработку опытных образцов потребуется 1-2 года», — уточнили в пресс-службе НИТУ «МИСиС». В случае успеха можно будет говорить о создании нового поколения натриевых аккумуляторов, которые будут сопоставимы по емкости с литий-ионными, или даже будут превосходить их, стоя при этом в разы дешевле.

«Емкость аккумуляторов в гаджетах остается узким горлом эволюции технологий с незапамятных времен, — рассказывает ИТ-эксперт Никита Горяинов. — Производители как самих девайсов, так и процессоров к ним вынуждены искать баланс между емкостью ячеек, итоговым весом устройства и временем работы устройства. Современный смартфон можно сделать в три раза мощнее, но что делать с тепловыделением и увеличившимся энергопотреблением? Поэтому и тратятся миллиарды долларов на R&D, оптимизацию ARM-процессоров в смартфонах ради дополнительных часов и даже минут работы от аккумулятора».

По словам эксперта, более компактные, энергоемкие и эффективные аккумуляторы станут даже большим прорывом для индустрии, чем когда-то были сверхбыстрая твердотельная память и SSD. «Радует, что этим занимаются и в России. Соотечественникам предстоит самый сложный этап, на котором отсеиваются 98% подобных открытий: превращение теории в практику, а затем в реалистчный и массово производимый продукт. Остается пожелать им удачи и точности во всех последующих расчетах», — заключает Горяинов.

Руководитель Hi-Tech Mail.ru Дмитрий Рябинин настроен менее оптимистично: «Во-первых, эксперимент на ранних стадиях, и даже не пройдены основные тесты. Во-вторых, выстраивание такого нового техпроцесса слишком дорогостоящее. В-третьих, нет поддержки конкретных крупных производителей с потенциальными заказами. Все это делает технологию очередным концептом из туманного будущего на фоне уже имеющихся более реальных разработок».

Эпоха новых аккумуляторов — Будущее на vc.ru

Конспект статьи журнала Wired о том, почему учёные во всём мире ищут замену литий-ионному аккумулятору и какие альтернативы есть сегодня.

Современный смартфон — бомба замедленного действия, пишет Wired. Литий, который содержится в аккумуляторе, настолько взрывоопасен, что может воспламениться при контакте с водой. Лёгкий и энергоёмкий, он подходит для портативной электроники, но не справляется с большой нагрузкой.

В течение последних пятидесяти лет производители аккумуляторов и учёные со всего мира вынуждены искать баланс между мощностью аккумулятора и безопасностью его использования: при превышении допустимой нагрузки литий может взорваться.

Ожидается, что объём рынка внешних аккумуляторов достигнет $25 млрд к 2022 году. Тем не менее, большинство потребителей считают, что время работы внутреннего аккумулятора — одна из главных характеристик смартфона.

Десятки компаний пытаются создать новый тип аккумулятора: улучшить его энергоёмкость, срок службы. Сделать так, чтобы он заряжался в течение нескольких секунд и ему хватало заряда на целый день.

Как работает аккумулятор

В основе работы аккумулятора лежит химическая реакция. Его главные компоненты — отрицательно заряженный анод и положительно заряженный катод, разделённые электролитом.

Когда аккумулятор подключен к цепи, происходит окислительно-восстановительная реакция. Атомы металла теряют электроны и становятся положительно заряженными ионами, которые притягиваются к катоду.

Электроны, являясь отрицательно заряженными частицами, тоже притягиваются к катоду. В отличие от атомов металла, электроны притягиваются к катоду не через электролит, а по внешнему участку замкнутой электрической цепи.

Когда атомы металла больше не могут отдавать электроны, аккумулятор разряжается. Однако его можно снова использовать после подзарядки: электрический ток перемещает ионы и электроны обратно к катоду.

Электроды из чистого метала не выдерживают постоянного перемещения атомов и электронов, поэтому аккумуляторы делаются из различных смесей.

Создание литий-ионного аккумулятора

В 1977 году британский учёный Стэн Уиттингэм создал анод из алюминия и лития. При зарядке батареи ионы лития занимали пустые места между атомами алюминия. Уиттингэм создал первый в мире заряжаемый аккумулятор, однако при повышении напряжения он воспламенялся.

В 1980 году Джон Гуденаф, специалист по оксидам металла, вместо алюминия и лития использовал оксид лития-кобальта, который позволял «вытягивать» в два раза больше атомов лития.

В 1991 году компания Sony начала использовать катод Гуденафа и углеродный анод для аккумуляторов в видеокамере CCD-TR1. Это был первый потребительский товар с заряжаемым литий-ионным аккумулятором.

В течение 2000-2010 годов производители постоянно улучшали энергоёмкость аккумуляторов, но начиная с 2007 года даже минимальное увеличение энергоёмкости давалось всё сложнее.

Newsland – комментарии, дискуссии и обсуждения новости.

Почему пока не предвидится революции в производстве аккумуляторов для электромобилей

 

Автопроизводители и эксперты в области аккумуляторов не прогнозируют появления новых типов батарей в ближайшую декаду

Главным тормозом электромобилизации всей планеты сейчас выступают тяговые батареи — при сохранении привычных «автомобильных» габаритов их характеристик хватает на максимальный запас хода в районе 600 километров (и то — в идеальных условиях). К тому же, время зарядки не в состоянии конкурировать с привычными заправками, а срок службы аккумуляторов ограничен, емкость заметно снижается с течением времени. И, похоже, еще лет 10 о прорыве в этой области мечтать не стоит.

Помимо долгой зарядки и приличных габаритов и массы, литий-ионные батареи обладают и другими серьезными недостатками — возможностью возгорания при перегреве (причем пожар практически невозможно потушить, пока идет химическая реакция) и снижением емкости при отрицательных температурах. Но особой альтернативы не видят пока ни автопроизводители, ни компании, выпускающие аккумуляторы. Почему?

Цены снижаются

Во-первых, такие батареи становятся все дешевле — с 2010 года стоимость 1 кВт∙ч емкости снизилась в 6,5 раз! И, по оценкам BloombergNEF, падение цен продолжится, что сделает принципиально новые аккумуляторы не слишком-то выгодными (ибо они, наверняка, будут стоить очень дорого).

Кроме того, сейчас в производство литий-ионных аккумуляторов включаются новые компании, которые привлекают финансирование, а использование лития выросло на 76% даже по сравнению с прошлым годом. Лидером производства литий-ионных батарей, если считать по объему использования карбоната лития в аккумуляторах, остается корпорация Panasonic с долей 23% рынка, следом идут китайцы и корейцы: LG Chem, CATL, BYD и Samsung SDI — эта пятерка удерживает суммарно 75%. И логично, что они продолжат развитие этой технологии.

Не надо забывать еще и то, что у нынешней технологии производства литий-ионных аккумуляторов есть большой потенциал для развития. И сейчас по всему миру появляются новые стартапы, работающие над повышением эффективности таких батарей.

Как улучшить литий-ионные батареи?

Компания Ionic Materials Inc. из Массачусетса (где находится один из самых престижных и авторитетных технических университетов в мире) разработала твердый полимер, который может заменить традиционный жидкий электролит в аккумуляторах (последний не только пожароопасен, но и токсичен).

Среди других преимуществ так называемых твердотельных литий-ионных батарей — более высокая плотность энергии и возможность использования более мощных зарядных станций. К тому же обещается увеличенный срок службы.

В твердотельные аккумуляторы верит и один из крупнейших в мире автопроизводителей — Toyota. Японцев привлекает эта технология, которая должна увеличить запас хода электромобилей при сохранении тех же габаритов и массы батареи. Toyota инвестировала в разработку уже почти 14 миллиардов долларов!

А лаборатория Sila Nanotechnologies из Калифорнии уверяет, что разработала порошок на основе кремния, который способен повысить производительность литий-ионных батарей на 20%. Всех деталей они не раскрывают, но известно, что кремний может быть использован в анодах — на атомном уровне он способен удерживать больше лития, чем углерод в графитовых анодах, соответственно, может накапливать больше энергии. Технология привлекла 125 миллионов долларов инвестиций, а, кроме того, Sila Nanotechnologies заключила договор с BMW для совместной разработки.

Рельсы в будущее

Генеральный директор и соучредитель Джин Бедричевский уверен, что в ближайшие годы никакой альтернативы литий-ионным аккумуляторам не появится: «Вложены огромные инвестиции, и мы можем кататься по этим рельсам. И у каждого, кто ездит по этим рельсам, будущее светлее, чем у тех, кто говорит, что собирается их изменить». С ним легко согласиться, глядя на отчет BloombergNEF — производственные мощности для литий-ионных аккумуляторов увеличились почти втрое за прошедшие 5 лет. И по прогнозам еще через 5 лет они удвоятся.

Так что тем, кто продвигает новые технологии, сейчас не позавидуешь — крупные игроки, вложившие серьезные суммы в развитие литий-ионных батарей, едва ли выпустят на рынок выскочек. Хотя альтернативы литий-ионным аккумуляторам есть! Например, существуют так называемые проточные (flow) аккумуляторы, где энергия выделяется за счет реакций в двух резервуарах с жидким электролитом — один, соответственно, у анода, другой — у катода.

На настоящий момент самыми современными аккумуляторами проточного типа считаются батареи, которые хранят заряд в ионах ванадия, содержащихся в растворе на водной основе. Это — так называемый тип VRB (Vanadium Redox Battery, где Redox — сокращение от реакций восстановления-окисления).

Ионы ванадия стабильны и могут долго циркулировать через мембрану без нежелательных побочных явлений. Но проблема состоит в том, что ионы ванадия стоят дорого, а удельная энергоемкость (количество запасаемой энергии на литр электролита) VRB остается на низком уровне — то есть, они больше подходят для энергохранилищ при электростанциях, где их габариты не столь критичны, как для использования в электромобилях. Да и «стоимость» 1 кВт∙ч почти в 4 раза выше, чем у литий-ионных батарей.

Поэтому разработчики проточных аккумуляторов признают, что им трудно убедить инвесторов — электромобили являются главным катализатором радикального роста производства литий-ионных батарей и вложения в развитие их производства выглядят более интересными с финансовой точки зрения. Но для конечного пользователя продолжающееся снижение цен на батареи и улучшение их производительности — это несомненный плюс.

Политика зарядки – Наука – Коммерсантъ

В 2019 году долгожданную Нобелевскую премию по химии получили создатели литий-ионного аккумулятора Джон Гуденаф (США), Акира Ёсино (Япония) и Стэнли Уиттингем (Великобритания). «Литий-ионные аккумуляторы произвели революционные изменения в нашей жизни с тех пор, как впервые появились на рынке в 1991 году. Они заложили основу беспроводного общества, свободного от углеводородного топлива, их появление принесло неоценимую пользу человечеству»,— объяснил решение Нобелевский комитет.

Николай Козин

Если не литий, то…

Литий-ионные аккумуляторы появились в начале 1990-х годов и очень быстро совершенствовались: росла популярность портативной электроники, сначала ноутбуков, затем смартфонов, планшетов и других гаджетов, питавшихся их энергией. Новый импульс развитию аккумуляторов дали электромобили, роботы, системы хранения и распределения электроэнергии. Но по мере развития выявились и недостатки литий-ионных батарей: пожароопасность, быстрое старение и чувствительность к температуре. Кроме того, технологии, использующие литий, упираются в серьезное ограничение: лития в природе не так много, добывать его дорого, сырье, карбонат лития, стоит свыше $20 тыс. за тонну.

Но заменить литий сложно. К примеру, удельная емкость, то есть соотношение заряда и массы иона, у него максимальная, более легкого иона металла не существует. Сообщения о перспективных материалах, способных составить конкуренцию литию, появляются регулярно, но их разработчики не скрывают проблем и ограничений, которые могут быть в принципе неразрешимы.

К примеру, команда из Стэнфорда объявила, что изобрела алюминий-ионный аккумулятор, выдерживающий 7 тыс. циклов зарядки, которая еще и происходит всего за секунды. Вообще-то алюминий-ионные аккумуляторы появились более 30 лет назад, они небезопасны, недружественны к окружающей среде и быстро теряют способность перезаряжаться. Стэнфордская батарейка вроде опровергала эту репутацию, но ученые сообщили, что носитель заряда в аккумуляторе – не трехзарядный катион алюминия Al3+ (он мог бы «нести» в три раза больше заряда, чем однозарядный лития), а комплексный ион AlCl4– — тяжелая однозарядная частица, а значит, емкость батареи невелика. А низкое напряжение на выходе батареи лишает ее возможности конкурировать с литиевой.

Группа израильского профессора Дорона Орбаха занимается магнием — металлом с зарядом +2, то есть батарейка на магнии должна иметь большую емкость, чем на однозарядном литии. Но исследователи не могут найти в пару магнию катод: стабильные и безопасные оксиды оказываются ловушками для магния, а у сульфидов, в которых скорость движения катионов магния выше, слишком низкое напряжение.

Есть надежды на проточные ванадиевые окислительно-восстановительные аккумуляторы — гигантские баки с жидким электролитом (сернокислый раствор солей ванадия), способные хранить избыточную возобновляемую энергию. Когда солнечные панели или ветрогенераторы вырабатывают электричество, насосы прокачивают электролит через электроды системы, он заряжается и возвращается обратно в емкость. В Китае собирались построить крупнейшую в мире ванадиевую проточную батарею емкостью 800 МВт•ч.

Поклонники жидких батарей упирают на их надежность: тысячи циклов зарядки, а это три-четыре года службы, без признаков деградации! Но КПД проточных аккумуляторов значительно ниже, чем металл-ионных — не более 70%. Да и система из баков с серной кислотой может быть только статичной — об электробусах и электрокарах точно можно забыть. Наконец, ванадий недешев — $50 за килограмм пятивалентного оксида.

Так что, пишут британские ученые в обзоре аккумуляторных технологий, литий-ионные аккумуляторы будут доминировать на рынке по крайней мере до середины XXI века. Ключевое достоинство лития неоспоримо — этот металл очень легкий и «быстрый», и миниатюрные батареи для смартфонов, ноутбуков и других гаджетов уже прочно закреплены за ним. Но уже для электромобиля (десятки киловатт-часов энергии) и тем более для электростанции (мега- и гигаватт-часы) удельная и объемная энергоемкость (энергия на единицу массы и объема) становятся не так важны, и прорыв могут обеспечить натрий-ионные аккумуляторы, заменив сразу и дорогие литий-ионные, и морально устаревшие свинцово-кислотные.

Сравне

Tesla дразнится намёками на революционные аккумуляторы в анонсе мероприятия Battery Day

Считается, что Tesla разработала и подготовила к производству революционную технологию выпуска тяговых аккумуляторов. Новые батареи должны значительно увеличить ёмкость и дальность пробега электрокаров Tesla. Также они обещают быть без кобальта или с его минимальным количеством в катодах, и должны получить другие улучшения. Намёк на технологию может содержать в себе оформление странички компании для регистрации участников Tesla Battery Day.

Иллюстрация из патента компании Amprius Technologies с анодом литиевого аккумулятора из кремниевых нанопроводок

Иллюстрация из патента компании Amprius Technologies с анодом литиевого аккумулятора из кремниевых нанопроволок

Мероприятие Tesla Battery Day неоднократно переносилось. Сначала по неизвестной причине, а затем по вине пандемии коронавируса SARS-CoV-2. Сейчас Tesla начала сбор заявок на участие в Tesla Battery Day, которое состоится 22 сентября. Мероприятие будут проходить в основном виртуально, но определённое количество участников сможет посетить «День батарей Tesla» живьём. Выбор посетителей будет проведён случайным образом из числа зарегистрированных заявок. И вот, что интересно.

Анонс мероприятия Tesla Battery Day

Анонс мероприятия Tesla Battery Day

Наши коллеги с сайта Electrek обратили внимание на оформление фона интернет-странички с формой для регистрации. На обработанной картинке фона с подкрученной контрастностью видно нечто, что можно принять за массив нанопроводников или нанотрубок. Поиск в Google выдал компанию Amprius Technologies, которая отметилась заявкой на разработку литиевого аккумулятора с анодом из 100 % кремниевых нанопроволок. Аккумулятор Amprius якобы может обеспечить на 50 % большую плотность хранения энергии, чем обычные литийионные батареи. Это примерно то, что вот-вот обещает Tesla.

Изображение фона странички с анонсом с изменённой контрастностью

Изображение фона странички с анонсом с изменённой контрастностью

Также компанию Amprius связывает с Tesla два момента. Во-первых, они расположены по соседству во Фремонте, Калифорния. Во-вторых, один из ведущих разработчиков Amprius г-н И-Лей Чоу (Yi-Lei Chow) в прошлом году перешёл на работу в Tesla. Этот специалист работает в секретном «батарейном» проекте Tesla под кодовым именем «Roadrunner». Проект «Roadrunner» на выходе обещает привести к созданию и производству батарей «Tera» с пробегом на «миллион миль». По слухам, такие батареи начнёт выпускать как новый завод компании в США, так и фабрика, строящаяся в Германии.

Ожидаемые характеристики и преимущества аккумуляторов Amprius

Ожидаемые характеристики и преимущества аккумуляторов Amprius

Что из сказанного выше выдумка и допущения, а что окажется правдой, мы узнаем уже через месяц.

Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.

Когда ждать аккумуляторную революцию? — Мастерок.жж.рф — LiveJournal

Жаль вас расстраивать, но она уже прошла. Просто растянулась на пару десятилетий и потому осталась почти незамеченной.

Дело в том, что изобретение литий-ионных батарей стало апогеем эволюции химических аккумуляторов.

Химические источники тока основаны на окислительно-восстановительной реакции между элементами. В периодической таблице существует всего 90 природных элементов, которые могут участвовать в такой реакции. Так вот, литий оказался металлом с предельными характеристиками: самой низкой массой, самым низким электродным потенциалом (–3,05 В) и самой высокой токовой нагрузкой (3,83 А·ч/г).

Литий является лучшим активным веществом для катода из существующих на Земле. Использование других элементов может улучшить одну характеристику и неизбежно ухудшит другую. Именно поэтому уже 30 лет продолжаются эксперименты именно с литиевыми батареями — комбинируя материалы, среди которых бессменно есть литий, исследователи создают типы аккумуляторов с нужными характеристиками, которые находят очень узкое применение. Старый-добрый аккумулятор с катодом из оксида литий-кобальта, который пришел к нам аж из 80-х годов прошлого века, до сих пор можно считать самым распространенным и универсальным благодаря отличному сочетанию напряжения, токонагрузки и энергетической плотности.

Поэтому, когда очередной стартап устами СМИ громко обещает миру энергетическую революцию со дня на день, ученые скромно умалчивают о том, что у новых батарей есть некоторые проблемы и ограничения, которые только предстоит решить. Решить их обычно не получается.

Главная проблема «революционных» батарей

Сегодня существует множество типов аккумуляторов с разным химических составом, в том числе и без использования лития. Каждый из типов со своими характеристиками нашел свое применение в определенном виде техники. Легкие, тонкие и с высоким напряжением литий-кобальтовые аккумуляторы давно прописались в компактных смартфонах. Выносливые, мощные, но очень габаритные литий-титанатные батареи уместились в общественном транспорте. А малоемкие пожаробезопасные литий-фосфатные ячейки используются в виде больших массивов на электростанциях.
Но всё же самыми востребованными являются именно литий-кобальтовые батареи для потребительской мобильной техники. Главные критерии, которым они отвечают, — высокое напряжение 3,6 В при сохранении высокой энергоемкости на единицу объема. К сожалению, многие альтернативные виды литиевых батарей имеют гораздо меньшее напряжение — ниже 3,0 В и даже ниже 2,0 В — запитать от которых современный смартфон невозможно.

Компенсировать проседание любой из характеристик можно объединением батарей в ячейки, но тогда растут габариты. Так что если очередная перспективная батарея с чудо-характеристиками оказывается непригодной для применения в мобильной технике или электромобилях, ее будущее почти гарантированно предрешено. Зачем нужен аккумулятор со сроком жизни в 100 тысяч циклов и быстрой зарядкой, от которого можно запитать разве что наручные часы со стрелками?

Неудачные эксперименты

Не все из описанных далее аккумуляторов можно считать неудачными — некоторые требуют очень долгой доработки, некоторые могут найти свое применение не в смартфонах, а специализированной технике. Тем не менее, все эти разработки позиционировали как замену литий-ионных батарей в смартфонах.

В 2007 году американский стартап Leyden Energy получил $4,5 млн инвестиций от нескольких венчурных фондов на создание, как они сами заявляли, литий-ионных батарей нового поколения. Компания использовала новый электролит (Solvent-in-Salt) и кремниевый катод, которые позволили значительно увеличить энергоемкость и стойкость к высоким температурам вплоть до 300 °C. Попытки сделать на основе разработок аккумуляторы для ноутбуков закончились неудачно, поэтому Leyden Energy переориентировался на рынок электромобилей.

Несмотря на постоянные вливания десятков миллионов долларов, компания так и не смогла наладить производство аккумуляторов со стабильными характеристиками — показатели плавали от экземпляра к экземпляру. Будь у компании больше времени и финансирования, возможно, ей и не пришлось бы в 2012 году распродавать оборудование, патенты и уходить под крыло другой энергетической компании, A123 Systems.

Литий-металлические батареи — не новость: к их числу относится любая неперезаряжаемая литиевая батарейка. SolidEnergy занялась созданием перезаряжаемых литий-металлических ячеек. Новый продукт обладал удвоенной энергоемкостью по сравнению с литий-кобальтовыми батареями. То есть в прежний объем можно было уместить вдвое больше энергии. Вместо традиционного графита на катоде в них использовалась литий-металлическая фольга. До недавних пор литий-металлические аккумуляторы были крайне взрывоопасны из-за роста дендритов (вырастающих на аноде и катоде деревообразных металлических образований), приводивших к короткому замыканию, но добавление в электролит серы и фосфора помогло избавиться от дендритов (правда, SolidEnergy пока не обладает технологией). Помимо очень высокой цены среди известных проблем аккумуляторов SolidEnergy значится долгая зарядка — 20% от емкости в час.

Активные работы над серно-магниевыми элементами начали в 2010-х годах, когда Toyota объявила об исследованиях в этой области. Анодом в таких батареях является магний (хороший, но не равноценный аналог лития), катод состоит из серы и графита, а электролит представляет собой обычный соляной раствор NaCl. Проблема электролита в том, что он разрушает серу и делает аккумулятор неработоспособным, поэтому заливать электролит приходилось непосредственно перед использованием.

Инженеры Toyota создали электролит из ненуклеофильных частиц, неагрессивный к сере. Как оказалось, стабилизированный аккумулятор все равно невозможно использовать на протяжении долгого времени, так как спустя 50 циклов его емкость падает вдвое. В 2015 году в состав батареи интегрировали литий-ионную добавку, а спустя еще два года обновили электролит, доведя срок службы аккумулятора до 110 циклов. Единственная причина, по которой продолжаются работы над столь капризной батареей, это высокая теоретическая энергоемкость (1722 Вт·ч/кг). Но может оказаться, что к моменту появления удачных прототипов серно-магниевые элементы уже будут не нужны.

Выработка вместо накопления энергии

Некоторые исследователи предлагают пойти от обратного: не запасать, а вырабатывать энергию прямо в устройстве. Можно ли превратить смартфон в маленькую электростанцию? За последнее десятилетие было несколько попыток избавить гаджеты от необходимости в подзарядке через электросеть. Судя по тому, как мы сейчас заряжаем смартфоны, попытки оказались неудачными — напомним о самых «удачных» изобретениях.

Топливная ячейка с прямым распадом метанола (DFMC). Попытки внедрить топливные элементы на метаноле в мобильную технику начались в середине 2000-х. В это время как раз происходил переход от долгоживущих кнопочных телефонов к требовательным смартфонам с большим экраном — литий-ионных аккумуляторов в них хватало максимум на два дня работы, поэтому идея мгновенной перезарядки казалась очень привлекательной.

В топливной ячейке метанол на полимерной мембране, выступающей в роли электролита, окисляется в диоксид углерода. Протон водорода переходит к катоду, соединяется с кислородом и образует воду. Нюанс: для эффективного протекания реакции нужна температура около 120 °C, но ее можно заменить платиновым катализатором, что закономерно влияет на стоимость элемента.
Уместить топливный элемент в корпус телефона оказалось невозможно: слишком уж габаритным получался топливный отсек. Поэтому к концу 2000-х идея DFMC оформилась в виде портативных аккумуляторов (пауэр-банков). В 2009 году Toshiba выпустила в продажу серийный пауэр-банк на метаноле под названием Dynario. Он весил 280 г и размерами напоминал современные портативные аккумуляторы на 30000 мА·ч, то есть был размером с ладонь. Цена на Dynario в Японии составляла впечатляющие $328 и еще $36 за комплект из пяти пузырьков по 50 мл метанола. Одна «заправка» требует 14 мл, ее объема хватало на две зарядки кнопочного телефона через USB током 500 мА.

Дальше выпуска экспериментальной партии в 3000 экземпляров дело не пошло, потому что топливный пауэр-банк оказался слишком противоречивым: сам по себе дорог, с дорогими расходниками и высокой стоимостью одной зарядки телефона (около $1 для кнопочного). Кроме того, метанол ядовит и в некоторых странах требует лицензии на его продажу и даже покупку.

Прозрачные солнечные панели. Солнечные батареи — это отличное решение для добычи нескончаемой (на нашем веку) энергии Солнца. У таких панелей невысокий КПД при высокой стоимости и слишком малая мощность, при этом они являются самым простым способом выработки электричества. Но настоящей мечтой человечества являются прозрачные солнечные панели, которые можно было бы устанавливать вместо стекол в окна домов, автомобилей и теплиц. Так сказать, сочетать приятное с полезным — генерирование электроэнергии и естественное освещение пространства. Хорошая новость заключается в том, что прозрачные солнечные панели существуют. Плохая — в том, что они практически бесполезны.

Чтобы «поймать» фотоны света и превратить их в электричество, солнечная панель в принципе не может быть прозрачной, но новый прозрачный материал может поглощать УФ- и ИК-излучение, переводя всё в ИК-диапазон и отводя на грани панели. По краям прозрачной панели в качестве рамки установлены обычные кремниевые фотовольтаические панели, которые улавливают отведенный свет в ИК-диапазоне и вырабатывают электричество. Система работает, только с КПД 1-3%… Средний КПД современных солнечных батарей составляет 20%.

Несмотря на более чем сомнительную эффективность решения, известный производитель часов TAG Heuer в 2014 году анонсировал премиальный кнопочный телефон Tag Heuer Meridiist Infinite, в котором поверх экрана была установлена прозрачная солнечная панель производства Wysis. Еще во время анонса решения для смартфонов Wysis обещала мощность такой солнечной зарядки порядка 5 мВт с 1 см2 экрана, что крайне мало. Например, это всего 0,4 Вт для экрана iPhone X. Учитывая, что комплектный адаптер смартфона Apple ругают за неприлично низкую мощность 5 Вт, понятно, что с мощностью 0,4 Вт его не зарядишь.

Кстати, пускай с метанолом не получилось, но топливные ячейки на водороде получили билет в жизнь, став основой электромобиля Toyota Mirai и мобильных электростанций Toshiba.

А что получилось: удачные эксперименты с Li-Ion

Успеха достигли те, кто не рвался во что бы то ни стало перевернуть мир, а просто работал над совершенствованием отдельных характеристик аккумуляторов. Смена материала катода сильно влияет на напряжение, энергоемкость и жизненный цикл батарей. Далее мы расскажем о прижившихся разработках, которые лишний раз подтверждают универсальность литий-ионной технологии — на каждую «революционную» разработку находится более эффективный и дешевый существующий аналог.

Литий-кобальтовые (LiCoO2, или LCO). Рабочее напряжение: 3,6 В, энергоемкость до 200 Вт·ч/кг, срок жизни до 1000 циклов. Графитовый анод, катод из оксида литий-кобальта, классический аккумулятор, описанный выше. Это сочетание чаще всего используется в батареях для мобильной техники, где требуется высокая энергоемкость на единицу объема.

Литий-марганцевый (LiMn2O4, или LMO). Рабочее напряжение: 3,7 В, энергоемкость до 150 Вт·ч/кг, срок жизни до 700 циклов. Первый эффективный альтернативный состав был разработан еще до начала продаж литий-ионных аккумуляторов как таковых. На катоде использовалась литий-марганцевая шпинель, позволившая уменьшить внутреннее сопротивление и значительно повысить отдаваемый ток. Литий-марганцевые аккумуляторы применяются в требовательном к силе тока оборудовании, например, электроинструменте.

Литий-никель-марганец-кобальтовые (LiNiMnCoO2, или NMC). Рабочее напряжение: 3,7 В, энергоемкость до 220 Вт·ч/кг, срок жизни до 2000 циклов. Сочетание никеля, марганца и кобальта оказалось очень удачным, аккумуляторы нарастили и энергоемкость, и силу отдаваемого тока. В тех же «банках» 18650 емкость поднялась до 2800 мА·ч, а максимальный отдаваемый ток — до 20 А. NMC-аккумуляторы устанавливают в большинство электромобилей, иногда разбавляя их литий-марганцевыми ячейками, так как у таких аккумуляторов большой срок жизни.

Литий-железо-фосфатный (LiFePO4, или LFP). Рабочее напряжение: 3,3 В, энергоемкость до 120 Вт·ч/кг, срок жизни до 2000 циклов. Открытый в 1996 году состав помог увеличить силу тока и повысить жизненный цикл литий-ионных аккумуляторов до 2000 зарядок. Литий-фосфатные батареи безопаснее предшественников, лучше выдерживают перезаряд. Вот только энергоемкость у них неподходящая для мобильной техники — при поднятии напряжения до 3,2 В энергоемкость снижается минимум вдвое относительно литий-кобальтового состава. Но зато у LFP меньше проявляется саморазряд и наблюдается особая выносливость к низким температурам.

Литий-никель-кобальт-алюминий-оксидный (LiNiCoAlO2, или NCA). Рабочее напряжение: 3,6 В, энергоемкость до 260 Вт·ч/кг, срок жизни до 500 циклов. Очень похож на NMC-аккумулятор, обладает отличной энергоемкостью, подходящим для большинства техники номинальным напряжением 3,6 В, но высокая стоимость и скромный срок жизни (порядка 500 циклов зарядки) не дают NCA-батареям победить конкурентов. Пока что их используют лишь в некоторых электромобилях.

Литий-титанатный (Li4Ti5O12, или SCiB/LTO). Рабочее напряжение: 2,4 В, энергоемкость до 80 Вт·ч/кг, срок жизни до 7000 циклов (SCiB: до 15 000 циклов). Один из самых интересных типов литий-ионных аккумуляторов, в которых анод состоит из нанокристаллов титаната лития. Кристаллы помогли увеличить площадь поверхности анода с 3 м2/г в графите до 100 м2/г, то есть более чем в 30 раз! Литий-титанатный аккумулятор заряжается до полной емкости в пять раз быстрее и отдает в десять раз более высокий ток, чем другие батареи. Однако у литий-титанатных аккумуляторов есть свои нюансы, ограничивающие сферу применения батарей. А именно, низкое напряжение (2,4 В) и энергоемкость в 2-3 раза ниже, чем у других литий-ионных аккумуляторов. Это значит, что для достижения аналогичной емкости литий-титанатную батарейку надо увеличить в объеме в несколько раз, из-за чего в тот же смартфон ее уже не вставишь.

Зато литий-титанатные батареи сразу же прописались в транспорт, где важна быстрая зарядка, высокие токи при разгоне и устойчивость к холодам. Например, электромобилях Honda Fit-EV, Mitsubishi i-MiEV и в московских электробусах! На старте проекта московские автобусы использовали другой тип батарей, из-за чего возникали неполадки еще на середине первого проезда по маршруту, но после установки литий-титанатных батарей производства Toshiba сообщений о разрядившихся электробусах больше не поступало. SCiB-аккумуляторы Toshiba благодаря использованию в аноде титана-ниобия восстанавливают до 90% емкости всего за 5 минут — допустимое время для стоянки автобуса на конечной остановке, где есть зарядная станция. Число циклов зарядки, которое выдерживает SCiB-батарея, превосходит 15 000.

Энергетическая сингулярность

Больше полувека человечество мечтает уместить в батарейки энергию атома, которая обеспечивала бы электричество многие годы. На самом деле еще в 1953 году был изобретен бетавольтаический элемент, в котором в результате бета-распада радиоактивного изотопа электроны превращали атомы полупроводника в ионы, создавая электрический ток. Такие батареи используются, например, в кардиостимуляторах.

А что насчет смартфонов? Да пока ничего, мощность атомных элементов ничтожна, она измеряется в милливаттах и даже микроваттах. Купить такой элемент питания можно даже в интернет-магазине, правда, запитать от него не выйдет даже пресловутые наручные часы.

С момента изобретения стабильных литий-ионных аккумуляторов до начала их серийного производства прошло более 10 лет. Возможно, одна из очередных новостей о прорывном источнике питания станет пророческой, и к 2030-м годам мы попрощаемся с литием и необходимостью ежедневной зарядки телефонов. Но пока именно литий-ионные батареи определяют прогресс в области носимой электроники и электромобилей.

[источники]
Источники:
https://habr.com/ru/company/toshibarus/blog/462185/

Это копия статьи, находящейся по адресу https://masterokblog.ru/?p=42346.

Nikola Motor Company рассказывает о своей революционной батарее

У нас было фантастическое внимание к революционной батарее, которую обещает произвести Никола Моторс. Даже компания прочитала нашу статью и предоставила нам больше информации, чем мы имели в то время. Все еще недостаточно, но некоторые подсказки, которые могут помочь нам выяснить, какое решение может предложить серийный аккумулятор на 500 Втч / кг.

4 Фото

После того, как мы связались с компанией, Мэтью Петерсон предоставил нам информацию ниже.Он является исполнительным помощником генерального директора Nikola Motor Company Тревора Милтона:

.

«Материал аккумулятора не разглашается, но литий в нем есть. Мы удалили большую часть, если не весь никель, кобальт, алюминий и магний. Остальные части батареек пока не обнаружены. Это все, что рассказала наша инженерная группа. Скоро появится дополнительная информация ».

Этого нам достаточно, чтобы делать ставки.Если в батарее все еще есть литий, но нет алюминия, возможно, в ней используется сера. Ячейки Li-S показали себя многообещающими благодаря своей высокой плотности энергии. Кроме того, сера дешевая, что может объяснить, почему эта новая батарея от Nikola на 50 процентов дешевле в производстве.

Кроме серы, как вы думаете, может быть химический состав батареи? Исключите батарею Li-CO2, о которой мы недавно рассказали, поскольку она требует молибдена, который считается редким металлом.

Никель и кобальт вызывают серьезную озабоченность при производстве аккумуляторов, главным образом потому, что в настоящее время они поступают из стран, эксплуатирующих детский труд, таких как Конго.Избавление от этих элементов не только поможет сделать батареи более доступными. Это поможет сделать их менее склонными к критике и беспокойству.

Достаточно ли информации, предоставленной Петерсеном, чтобы мы могли рассчитывать на новую батарею как на что-то определенное? Пока нет, но компания Nikola Motor Company пока что доказывает, что является серьезным соперником, так что она имеет определенную честь, по крайней мере, привлечь наше внимание к тому, что она планирует представить.

Мы настаивали на некоторых вопросах к Петерсену, например, о том, кто разработал новую батарею.Они хотели нанять команду инженеров или команду Николы? А как насчет других производителей оборудования? Присоединятся ли они к финансированию исследований или помогут достичь более высоких масштабов производства? Мы еще не получили от него ответа, но мы обновим эту статью, как только он свяжется с вами.

.

Research приближается к созданию революционных аккумуляторов для возобновляемой энергетики — ScienceDaily

Любой житель Великих равнин может подтвердить, что в сельской местности все чаще появляются ветряные фермы. На Среднем Западе и в других местах ветровая энергия составляет все большую часть производства энергии в США: по данным Американской ассоциации ветроэнергетики, за последнее десятилетие в новые ветровые проекты было инвестировано 143 миллиарда долларов.

Однако бум ветроэнергетики сталкивается с препятствием — как эффективно и дешево хранить энергию, вырабатываемую турбинами, когда дует ветер, но потребности в энергии низкие.

«Ночью дует сильный ветер, больше, чем днем, но ночью спрос на электричество ниже, поэтому они сбрасывают его или блокируют турбины — мы тратим электроэнергию», — сказал Трунг Ван Нгуен. , профессор нефтяной и химической инженерии Канзасского университета. «Если бы мы могли хранить этот избыток ночью и продавать или доставлять его в дневное время при пиковом спросе, это позволило бы владельцам ветряных электростанций зарабатывать больше денег и увеличивать свои инвестиции. В то же время вы используете больше энергии ветра и снижаете спрос на ископаемые топливо.«

С 2010 года Нгуен возглавлял исследования по разработке усовершенствованной водородно-бромной проточной батареи, усовершенствованной конструкции батареи промышленного масштаба — размером примерно с грузовик, — которую инженеры стремились разработать с 1960-х годов. С таким же успехом он может хранить электроэнергию от солнечных ферм, чтобы ее можно было разряжать ночью, когда нет солнца.

Финансируемый сначала Национальным научным фондом, а затем Энергетическим агентством перспективных исследовательских проектов, Нгуен работал с исследователями из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, Университета Вандербильта, Техасского университета в Арлингтоне и Западного резервного университета Кейса.Попутно Нгуен руководил прорывной работой по ключевым компонентам конструкции водородно-бромных батарей.

Например, электрод Нгуен, разработанный в KU. Электрод батареи — это место, где электрический ток входит или выходит из батареи, когда она разряжена. Чтобы электрод был максимально эффективным, ему нужна большая площадь поверхности. Команда Нгуена разработала углеродный электрод с большей площадью поверхности, выращивая углеродные нанотрубки непосредственно на углеродных волокнах пористого электрода.

«До нашей работы люди использовали бумажно-угольные электроды, и им приходилось складывать электроды вместе для получения мощной выходной мощности», — сказал он.«Электроды должны были быть намного толще и дороже, потому что приходилось использовать несколько слоев — они были более громоздкими и более резистивными. Мы пришли к простой, но новой идее выращивать крошечные углеродные нанотрубки непосредственно поверх углеродных волокон внутри электроды — как крошечные волоски — и мы увеличили площадь поверхности в 50-70 раз. Мы решили проблему большой площади поверхности для электродов водородно-бромных батарей ».

Ключевой проблемой, остающейся до того, как бромоводородная батарея может быть успешно продана на рынок, является разработка эффективного катализатора для ускорения реакций на водородной стороне батареи и обеспечения более высокой производительности при сохранении экстремальной коррозионной активности системы.Теперь, благодаря финансированию из суб-премии NSF через частную компанию Proton OnSite, Нгуен почти решает этот последний барьер.

«Я думаю, мы находимся на пороге настоящего прорыва», — сказал он. «Нам нужен прочный катализатор, обладающий такой же активностью, как и лучший катализатор, но способный выжить в этой среде. У нашего предыдущего материала не было достаточной площади поверхности, чтобы обеспечить достаточную выходную мощность. Но я смог продолжить работу над катализатором на основе сульфида родия.Думаю, мы придумали способ увеличить площадь поверхности. Теперь у нас есть лучший способ, и мы можем опубликовать его через три-шесть месяцев — у нас есть некоторые незначительные проблемы, которые нужно решить, но я думаю, что у нас будет подходящий материал для реакции водорода в этой системе ».

Новые результаты разработки усовершенствованной водородно-бромной проточной батареи промышленного масштаба будут представлены на заседании Электрохимического общества в Сиэтле в мае этого года.

Действительно, Нгуен, который основал несколько стартапов за свою исследовательскую карьеру, отметил, что новая водородно-бромная батарея вскоре может быть коммерциализирована, и ее легко можно будет масштабировать до масштабов МВт (мощность) МВтч (энергия) в модульном контейнере. формы, около 1 МВтч в полноразмерном контейнере.Но он предупредил, что его можно использовать только в удаленных промышленных объектах — таких местах, как ветряные и солнечные фермы, где огромные батареи, вероятно, будут закопаны под землей.

«Эта система накопления энергии из-за своей коррозионной активности не подходит для жилых или коммерческих систем», — сказал он. «Бром похож на газообразный хлор. Выкопайте яму, засыпьте ее цементом или пластиком, бросьте эту батарею и накройте ее — она ​​должна находиться в закрытой или герметичной системе, чтобы предотвратить утечку или выброс газа брома.Это подойдет только для крупномасштабных удаленных хранилищ энергии, таких как солнечные фермы и ветряные электростанции ».

Исследователь из KU сказал, что рост возобновляемой энергии будет зависеть от технологических достижений, которые сделают экономику привлекательной для производителей энергии и инвесторов, и он надеялся, что его новая конструкция батареи может сыграть свою роль.

«То, как мы используем ископаемое топливо для получения энергии, очень неэффективно, расточительно и приводит к образованию парниковых газов», — сказал Нгуен. «Что касается ископаемого топлива, вы делаете первоначальные вложения, а также ежедневно платите за эксплуатацию — платите за уголь или за природный газ на протяжении всего остального срока службы электростанции.Как только вы сделаете первоначальные инвестиции в возобновляемые источники энергии, электричество, которое вы производите, будет бесплатным ».

.

с наддувом! «Революционная» батарея позволяет устройствам работать до 50 ЛЕТ

Supercharged! «Революционная» батарея позволяет устройствам работать до 50 ЛЕТ

  • Традиционно каждый компонент батареи выполняет одну функцию
  • В новой конструкции компонент электролита выполняет две функции
  • металлический катод и анод помещаются в него, происходит реакция
  • По мере разряда батареи побочный продукт вступает в реакцию с электролитом и дает дополнительный заряд заряда
  • Исследователи утверждают, что новая конструкция может продлить срок службы батареи на 26%

Автор Victoria Woollaston

Опубликовано: | Обновлено:

В ближайшем будущем электронные устройства и даже кардиостимуляторы могут прослужить десятилетия без подзарядки.

Исследователи разработали «революционный и нетрадиционный» дизайн, который продлевает срок службы батареи как минимум на 26 процентов.

По мере разряда батареи новой конструкции высвобождается элемент, который вступает в реакцию с электролитом, повышая заряд.

Researchers from Tennessee have developed a Researchers from Tennessee have developed a

Исследователи из Теннесси разработали «революционный» дизайн, который продлевает срок службы батареи (изображение на фото) на 26%. На это могут уйти годы или даже десятилетия, в зависимости от того, как используется батарея.Когда новая батарея разряжается, высвобождается элемент, который увеличивает заряд.

КАК РАБОТАЕТ КОНСТРУКЦИЯ АККУМУЛЯТОРА

В традиционных аккумуляторах две пластины из разных металлов помещаются в химический раствор, называемый электролитом.

Металлы вступают в реакцию с электролитом с образованием заряда, который накапливается на отрицательной пластине, называемой анодом.

Положительная пластина, называемая катодом, высвобождает эти заряды, и между двумя пластинами создается напряжение.

При подключении к цепи это напряжение течет как ток для питания устройства. В этой версии электролит является «неактивным компонентом».

Затем батарея в конечном итоге разряжается, когда химическая реакция утихает и заряд больше не течет.

В новой конструкции при разряде аккумулятора образуется фторид лития.

Это помогает катализировать электрохимическую активность электролита — превращая обычно неактивный электролит в активный компонент и увеличивая количество энергии и время, которое может проработать батарея.

Он был разработан исследователями из Окриджской национальной лаборатории Министерства энергетики США (ORNL) в Теннесси.

В традиционных батареях две пластины из разных металлов помещаются в химический раствор, называемый электролитом.

Металлы вступают в реакцию с электролитом с образованием заряда, который накапливается на отрицательной пластине, называемой анодом.

Положительная пластина, называемая катодом, высвобождает эти заряды, и между двумя пластинами создается напряжение.

При подключении к цепи это напряжение течет как ток для питания устройства. В этой оригинальной конструкции электролит является «неактивным компонентом».

Затем батарея в конечном итоге разряжается, когда химическая реакция стихает и заряд больше не течет.

В новой конструкции при разряде аккумулятора образуется фторид лития.

Это помогает еще больше катализировать электрохимическую активность электролита — превращая его из неактивного компонента в активный — и увеличивает количество энергии и время работы батареи.

«Этот бифункциональный электролит революционизирует концепцию обычных батарей и открывает новые возможности для разработки батарей с беспрецедентной плотностью энергии», — сказал Чэнду Лян из ORNL.

In traditional batteries, plates of metal are placed into a chemical solution called an electrolyte and this causes charge to flow. In the new design, as the battery discharges, it generates lithium fluoride salt which further catalyses the electrolyte and extends the life of the charge, pictured in red In traditional batteries, plates of metal are placed into a chemical solution called an electrolyte and this causes charge to flow. In the new design, as the battery discharges, it generates lithium fluoride salt which further catalyses the electrolyte and extends the life of the charge, pictured in red

В традиционных батареях металлические пластины помещаются в химический раствор, называемый электролитом, и это вызывает течение заряда. В новом дизайне, когда батарея разряжается, она генерирует соль фторида лития, которая дополнительно катализирует электролит и продлевает срок службы заряда, изображенный красным цветом

Команда продемонстрировала новую концепцию в литиево-углеродно-фторидной батарее, которая считается одной из самых популярных. лучшие одноразовые батареи благодаря высокой плотности энергии, стабильности и длительному сроку хранения.

Когда исследователи ORNL добавили твердый электролит на основе тиофосфата лития, емкость аккумулятора увеличилась на 26 процентов.

Это увеличение емкости может занять годы или даже десятилетия, в зависимости от того, как батарея спроектирована и используется.

Долговечные одноразовые батареи востребованы для искусственных кардиостимуляторов, устройств радиочастотной идентификации, дистанционных бесключевых систем и датчиков, где замена или перезарядка батареи невозможна или затруднена.

«Если у вас есть кардиостимулятор, вы не хотите каждые 10 лет делать операцию по замене батареи», — сказал Лян.

«Что, если бы батарея могла прослужить от 30 до 50 лет? Наше фундаментальное исследование открывает эту возможность с помощью нового механизма проектирования ».

Результаты были опубликованы в журнале Американского химического общества.

.

Research приближается к производству революционных аккумуляторов для возобновляемой энергетики

Research gets closer to producing revolutionary battery to power renewable energy industry Усовершенствованная водородно-бромная проточная батарея может сделать возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра и солнца, более прибыльными и широко распространенными. Предоставлено: Чунг Ван Нгуен.

Любой житель Великих равнин может засвидетельствовать огромное количество ветряных ферм, которые все чаще усеивают сельскую местность. На Среднем Западе и в других местах энергия ветра составляет все большую долю U.S. Производство энергии. По данным Американской ассоциации ветроэнергетики, за последнее десятилетие в новые ветроэнергетические проекты было инвестировано 143 миллиарда долларов.

Однако бум ветроэнергетики сталкивается с препятствием — как эффективно и дешево хранить энергию, вырабатываемую турбинами, когда дует ветер, но потребности в энергии низкие.

«Ночью дует сильный ветер, больше, чем днем, но ночью спрос на электроэнергию ниже, поэтому они его сбрасывают или блокируют турбины — мы тратим электроэнергию», — сказал Трунг Ван Нгуен. профессор нефтяной и химической инженерии Канзасского университета.«Если бы мы могли хранить этот избыток ночью и продавать или доставлять его в дневное время при пиковом спросе, это позволило бы владельцам ветряных электростанций зарабатывать больше денег и увеличивать свои инвестиции. В то же время вы используете больше энергии ветра и снижаете спрос на ископаемые топливо «.

С 2010 года Нгуен возглавлял исследования по разработке усовершенствованной водородно-бромной проточной батареи, усовершенствованной конструкции батареи промышленного масштаба — размером примерно с грузовик, — которую инженеры стремились разработать с 1960-х годов.С таким же успехом он может хранить электроэнергию от солнечных ферм, чтобы ее можно было разряжать ночью, когда нет солнца.

Финансируемый сначала Национальным научным фондом, а затем Энергетическим агентством перспективных исследовательских проектов, Нгуен работал с исследователями из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, Университета Вандербильта, Техасского университета в Арлингтоне и Университета Кейс Вестерн Резерв. Попутно Нгуен руководил прорывной работой по ключевым компонентам конструкции водородно-бромных батарей.

Например, электрод Нгуен, разработанный в KU. Электрод батареи — это место, где электрический ток входит или выходит из батареи, когда она разряжена. Чтобы электрод был максимально эффективным, ему нужна большая площадь поверхности. Команда Нгуена разработала углеродный электрод с большей площадью поверхности, выращивая углеродные нанотрубки непосредственно на углеродных волокнах пористого электрода.

«До нашей работы люди использовали бумажно-угольные электроды, и им приходилось складывать электроды вместе для получения выходной мощности высокой мощности», — сказал он.«Электроды должны были быть намного толще и дороже, потому что приходилось использовать несколько слоев — они были более громоздкими и более резистивными. Мы пришли к простой, но новой идее выращивать крошечные углеродные нанотрубки непосредственно поверх углеродных волокон внутри электродов. — как крошечные волоски — и мы увеличили площадь поверхности в 50-70 раз. Мы решили проблему большой площади поверхности для электродов водородно-бромных батарей ».

Ключевой проблемой, остающейся до того, как батарея с бромистым водородом может быть успешно продана на рынок, является разработка эффективного катализатора для ускорения реакций на водородной стороне батареи и обеспечения более высокой производительности при сохранении экстремальной коррозионной активности системы.Теперь, благодаря финансированию из суб-премии NSF через частную компанию Proton OnSite, Нгуен почти решает этот последний барьер.

«Я думаю, что мы находимся на грани настоящего прорыва», — сказал он. «Нам нужен прочный катализатор, обладающий такой же активностью, как и лучший катализатор, но способный выжить в этой среде. У нашего предыдущего материала не было достаточной площади поверхности, чтобы обеспечить достаточную выходную мощность. Но я смог продолжить работу над катализатором на основе сульфида родия.Думаю, мы придумали способ увеличить площадь поверхности. Теперь у нас есть лучший способ, и мы можем опубликовать его через три-шесть месяцев — у нас есть некоторые незначительные проблемы, которые нужно решить, но я думаю, что у нас будет подходящий материал для реакции водорода в этой системе ».

Новые результаты по разработке усовершенствованной водородно-бромной проточной батареи промышленного масштаба будут представлены на заседании Электрохимического общества в Сиэтле в мае этого года.

Действительно, Нгуен, который основал несколько стартапов за свою исследовательскую карьеру, отметил, что новая водородно-бромная батарея вскоре может быть коммерциализирована и легко может быть масштабирована до шкалы МВт (мощность) МВтч (энергия) в виде модульного контейнера. около 1 МВтч в полноразмерном контейнере.Но он предупредил, что его можно использовать только в удаленных промышленных объектах — таких местах, как ветряные и солнечные фермы, где огромные батареи, вероятно, будут закопаны под землей.

«Эта система накопления энергии из-за своей коррозионной активности не подходит для жилых или коммерческих систем», — сказал он. «Бром похож на газообразный хлор. Выкопайте яму, засыпьте ее цементом или пластиком, бросьте эту батарею и закройте ее — она ​​должна находиться в закрытой или герметичной системе, чтобы предотвратить утечку или выброс газа брома.Это подойдет только для крупномасштабных удаленных хранилищ энергии, таких как солнечные фермы и ветряные электростанции ».

Исследователь KU сказал, что рост возобновляемой энергии будет зависеть от технологических достижений, которые сделают экономику привлекательной для производителей энергии и инвесторов, и он надеялся, что его новая конструкция батареи может сыграть свою роль.

«То, как мы используем ископаемое топливо для получения энергии, очень неэффективно, расточительно и приводит к образованию парниковых газов», — сказал Нгуен. «Что касается ископаемого топлива, вы делаете первоначальные вложения, а также ежедневно платите за эксплуатацию — платите за уголь или за природный газ на протяжении всего остального срока службы электростанции.Как только вы сделаете первоначальные инвестиции в возобновляемые источники энергии, вы будете получать бесплатную электроэнергию ».


Вся мощь протону: исследователи совершают прорыв в области батарей
Предоставлено Канзасский университет

Цитата : Исследования приближаются к созданию революционных аккумуляторов для возобновляемой энергетики (2018, 14 марта) получено 25 августа 2020 с https: // физ.org / news / 2018-03-ближе-революционная-батарея-энергия-возобновляемая.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, нет часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.