Wann wird die neue Batterietechnologie einen großen Durchbruch schaffen?

Man kann sagen, dass Batterie eine Notwendigkeit in unserem Leben ist. Elektronische Produkte wie Mobiltelefone und Computer sind untrennbar mit Batterien verbunden. Daher hat auch die Entwicklung des Batteriefeldes große Aufmerksamkeit erhalten. Wissenschaftler arbeiten auch an der Entwicklung neuer Batterien mit stärkerem Energiespeicher und längerer Lebensdauer. In verschiedenen Bereichen entwickeln Wissenschaftler Batterien, die für dieses Gebiet besser geeignet sind, da keine Batterie für alle Bereiche geeignet sein kann.

Die Welt wartet auf einen Durchbruch bei den Batterien. Fast jeder Teil der Elektronikindustrie benötigt Batterien, die durch die Leistung und die Lebensdauer der Batterie begrenzt sind.

"Die Entwicklung oder Weiterentwicklung von Akkus ist viel langsamer als in anderen Bereichen, was die Einschränkung des Akkus selbst darstellt." Sie können nicht erwarten, dass Akkus Ihr Telefon eine Woche oder einen Monat lang mit Strom versorgen ", sagte Stefano Passerini, Herausgeber des Journal of Leistung. Um es ganz klar auszudrücken, die maximale Energie, die in der Batterie gespeichert ist, wird durch die inhärenten Elemente bestimmt. "

In diesem Bereich wurden jedoch Fortschritte erzielt. Die Forscher arbeiten daran, die Energiedichte (Volumen-Kapazitäts-Verhältnis), den Wert, die Sicherheit, die Umweltbelastung und die Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien zu erhöhen, und entwickeln neue Batterietypen.

Batterien werden hauptsächlich in drei Branchen eingesetzt: Unterhaltungselektronik, Automobile und Netzspeicher.

"Ich nenne diese drei Branchen die drei Hauptbereiche, in denen Menschen an Batterien angeschlossen sind", sagte Venkat Srivasan, stellvertretender Direktor für Forschung und Entwicklung beim Joint Energy Center Research. Jedes Feld hat unterschiedliche Anforderungen an Batterien, daher können die verwendeten Batterien (manchmal) sehr unterschiedlich sein. Das Telefon in Ihrer Tasche benötigt einen starken, sicheren Akku, Gewicht und Kosten zählen nicht. Für die Autobatterieindustrie sind viele Batterien erforderlich, daher werden die Kosten und das Gewicht sowie die Lebensdauer des Recyclings (wenn Xintesila alle zwei Jahre neue Batterien ersetzen muss, werden Sie verrückt) sehr wichtig. Batterien, die zum Speichern von Strom in Häusern und Stromnetzen verwendet werden, haben keine hohen Gewichts- oder Größenanforderungen.

Unterhaltungselektronik - Mobiltelefone, Computer, Kameras, Tablets, Drohnen und sogar Uhren - verwendet seit Jahrzehnten Lithium-Ionen-Batterien, da sie sich leicht aufladen lassen und eine hohe Energiedichte aufweisen. In diesen Batterien bilden mit Lithiumionen gefüllte Graphitgitter Anoden. Oxide bilden eine Kathode und sind mit gegenüberliegenden Öffnungen verbunden, und die beiden sind durch flüssige Elektrolyte getrennt, die den Durchgang von Ionen ermöglichen. Wenn die externen Ports angeschlossen sind, fließen Lithiumoxidation und Lithiumionen zur Kathode. Beim Laden ist das Gegenteil der Fall. Je mehr Lithiumionen auf diese Weise übertragen werden können, desto größer ist die Leistung der Batterie. Unabhängig von Batterielebensdauer und Sicherheit sind auch die Größe und Benutzerfreundlichkeit von Lithiumbatterien sehr beliebt. Passerini gab jedoch an, dass es nur begrenzten Raum für eine weitere Optimierung von Lithiumbatterien gibt.

"Lithiumbatterien sind jetzt nahe an ihrer Grenze", sagte er. "Obwohl wir vor 10 Jahren dasselbe gesagt haben, waren die Verbesserungen in den letzten 10 Jahren nicht gering."

In der Autoindustrie bestimmen Batterien letztendlich die Lebensdauer von Autos und die Angst und Unruhe von Elektroautos. Um dieses Problem zu lösen, versuchen Ingenieure und Wissenschaftler, mehr Spannungskapazität in die Batterie zu füllen. Die Verringerung der Spannungskapazität hängt jedoch normalerweise mit den chemischen Reaktionen innerhalb der Batterie zusammen. Die chemischen Reaktionen, die im Laufe der Zeit auftreten, nehmen allmählich zu und die Kapazität nimmt allmählich ab. Eine große Anzahl von Studien hat sich darauf konzentriert, neue Materialien und Chemikalien zu finden, die Lithiumionengitter oder andere Teile der Batterie unterstützen oder ersetzen.

Srinivasan wies auf einige mögliche Innovationen hin, die nicht nur in Autos eingesetzt werden können: Das traditionelle Graphitanodengitter kann durch Silizium ersetzt werden, das mehr als zehnmal mehr Lithiumionen enthält. Silizium dehnt sich jedoch aus, wenn es Lithiumionen absorbiert. Daher müssen Forscher dieses Problem lösen. Oder Lithium kann als Anode anstelle eines Gitters fungieren - aber wir wissen nicht, wie wir verhindern können, dass es während des Ladevorgangs kurzgeschlossen wird. Batteriehersteller haben versucht, dieses Problem zu lösen, seit Lithiumbatterien vor Jahrzehnten eingeführt wurden. "Wir sind sehr zuversichtlich, dass wir dieses 30 Jahre alte Problem jetzt lösen können", sagte Srinivasan.

Möglicherweise kann Lithium vollständig ersetzt werden. Forscher versuchen, es durch Natrium oder Magnesium zu ersetzen, und das gemeinsame Forschungszentrum für Energiespeicher verwendet Computermodelle, um die Kathode zu untersuchen, die bestimmte Oxidmaterialien als Magnesiumanoden verwendet. Magnesium ist sehr vorteilhaft, da seine Struktur es jedem Atom ermöglicht, zwei Elektronen aufzunehmen, was die Ladung verdoppelt, die Magnesium speichern kann.

PrashantJain und seine Kollegen an der Universität von Illinois untersuchen eine weitere Komponente von Lithiumbatterien: Elektrolyte. Elektrolyte sind Flüssigkeiten, die den Raum zwischen Kationen (positiv geladene Ionen) und Anionen (negativ geladene Ionen) füllen und den Fluss geladener Teilchen ermöglichen. Es ist seit langem bekannt, dass bestimmte feste Materialien wie Kupferselenid ebenfalls den Ionenfluss ermöglichen, Hochleistungsgeräte jedoch nicht schnell genug betreiben können. Jain, ein Assistenzprofessor für Chemie, und seine Studenten entwickelten einen superionischen Feststoff aus Kupferselenid-Nanopartikeln mit unterschiedlichen Eigenschaften. Es lässt geladene Teilchen mit einer Geschwindigkeit fließen, die mit der in flüssigen Elektrolyten vergleichbar ist.

Diese Technologie bietet zwei potenzielle Vorteile: Sicherheit und Lebenszyklus. Wenn die aktuelle Lithium-Ionen-Batterie beschädigt ist, die Batterie kurzgeschlossen und erwärmt wird und dann die Flüssigkeit verdunstet, verhindert nichts die schnelle Freisetzung von Energie. Feststoffe verhindern Kurzschlüsse und können Ganzmetallanoden verwenden, um eine größere Energiekapazität bereitzustellen. Zusätzlich löst der flüssige Elektrolyt in wiederholten Zyklen die Kathode und die Anode auf, was der Hauptgrund ist, warum die Batterie nicht geladen werden kann.

"All diese inkrementellen Verbesserungen haben tatsächlich einige Fortschritte gemacht. Aber es hat nie einen Durchbruch gegeben, der die Welt schockiert hat. Festelektrolyte haben die gleiche Fähigkeit zur Übertragung wie Flüssigkeiten, sagte Jain." Aber dies bringt Sicherheitsprobleme mit sich. Vielleicht müssen wir feste Elektrolyte verwenden. Öffne das Hirnloch. Stellen Sie mit einem Schlag etwas her, das den flüssigen Elektrolyten vollständig ersetzen kann. ""

Rongyujiaoshouyuehan · gudenuofu, einer der ersten Miterfinder von Lithiumbatterien an der Universität von Texas, verfolgt einen anderen Ansatz für Festkörperelektrolyte, indem er ein Batteriepatent mit einem Elektrolyten auf Glasbasis veröffentlicht und einreicht. Durch die Imprägnierung des Glases mit Lithium oder Natrium konnte Goodenough den Stromfluss beschleunigen und gleichzeitig feste Anoden verwenden, um Kurzschlüsse zu vermeiden und die Energiekapazität zu erhöhen.

All diese Forschungen werden sich auf die Batterien in unseren Taschen und Autos auswirken. Es gibt jedoch eine dritte Verwendung der Batterie, und ihre Auswirkungen sind global.

MelanieSanford verwendet Modellierungswerkzeuge für verschiedene Batterietypen (große Redox-Flüssigkeitsstromzellen), die Strom aus Anlagen für erneuerbare Energien speichern und Energie freisetzen, wenn keine Wind- und Sonnenenergieerzeugung verfügbar ist. Das Niveau der nächtlichen Energieerzeugung und des Energieverbrauchs wird dazu beitragen, dass erneuerbare Energien über ihre Rolle als Notstrom hinaus wachsen.

Edison in Südkalifornien testet die Batteriebank bereits mit Tesla-Autobatterien. Da es sich bei der Batterie jedoch um eine herkömmliche Batterie auf Lithiumbasis handelt, sind die Kosten zu hoch, um auf globaler Ebene für erneuerbare Energien weit verbreitet zu sein. Darüber hinaus unterscheidet sich die Begrenzung von Netzbatterien stark von der von Autos. Gewicht und Größe sind keine Probleme, aber Preise und Lebenszyklen sind Themen, die berücksichtigt werden müssen.

Bei Redox-Liquid-Flow-Batterien wird das Energiespeichermaterial in Form einer Flüssigkeit in einem großen Behälter aufbewahrt, der dann in eine kleinere Batterie gepumpt wird und mit Analoga mit entgegengesetzten Ladungen reagiert. Durch Computermodellierung konnte Sanfords Labor organische Moleküle anpassen und ihre Kapazität um Tausende erhöhen. Diese Moleküle bleiben weniger als einen Tag bis einige Monate stabil.

"Das Stromnetz benötigt extrem billige Materialien, da die Batterien, über die wir hier sprechen, sehr groß sind", sagte Sanford. "Wir sprechen von Windparks und Lagern für Batterien gleicher Größe."

Laut Sanford besteht die Innovationsrichtung hauptsächlich darin, neue Materialien zu entwickeln, die durch Materialwissenschaften in Batterien verwendet werden können. Andererseits erfordert die Innovation, dass Ingenieure Systeme bauen, die diese Materialien effizienter machen. Beides ist unverzichtbar, aber der Prozess von der Forschung bis zur Produktion ist mit Sicherheit ein weiterer Engpass.

"Jeder sollte erkennen, dass in allen Szenarien keine Batterie verwendet werden kann", sagte Passerini. „Natürlich, auch wenn Sie nur die Leistung von 10 <UNK> verbessern oder 20 <UNK>, ist es erstaunlich. Wir haben unsere Forschung auf diesem Gebiet fortgesetzt werden muss, und die Wissenschaftler brauchen Ihre Unterstützung.“

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