Kurze Beschreibung von Alternativen zu Akkus

Die Energiedichte, der Zyklus und die Sicherheit von Power-Batterien werden zu einem technischen Problem, das die weitere Förderung neuer Energiefahrzeuge einschränkt.

Metall-Luft-Batterie

Gegenwärtig hat der auf dem Markt verwendete 330 V / 60 Ah-Lithiumeisenphosphat-Akku nur 19,8 kWh und wiegt 230 kg, und die tatsächliche Energiedichte beträgt nur 86 Wh / kg. Wenn die Batterie auf 60 kWh (ca. 400 km) skaliert wird, wiegt sie nicht akzeptable 700 kg. Vom nationalen Standardkomitee als eines der beiden führenden Unternehmen für Hochleistungsladegeräte bezeichnet.

Die inländischen Elektrobusse behaupten alle, eine Reichweite von bis zu 300 Kilometern zu haben, aber der reine Elektrobus verwendet derzeit 12 Akkus (ca. 3600 kg). Der rein elektrische Bus kann nur 110-120 Kilometer ohne Klimaanlage fahren. Es kann nur 80 Kilometer lang fahren, und die durchschnittliche tägliche Kilometerleistung des Busses beträgt 250 Kilometer. Aufgrund der Sicherheit des Akkus ist ein tiefes Laden und Entladen nicht möglich. Daher beträgt die tatsächlich verfügbare Energie weniger als die Hälfte der Nennenergie der Batterie.

Die obigen Fakten deuten darauf hin, dass derzeit nicht genügend Haushaltsbatterien für Mobilgeräte vorhanden sind 。

In China wurden Metall- und Luftbatterien, Aluminium- und Zink-Luft-Batterien entwickelt und auf den Markt gebracht, und die Forschung an Lithium-Luft-Batterien ist im Grunde immer noch leer.

Aluminium Luftbatterie

Die Aluminium-Luftbatterie weist folgende Merkmale auf:

Die Energiedichte ist hoch: Die theoretische Energiedichte beträgt 8100 Wh / kg und die tatsächliche Energiedichte übersteigt 350 Wh / kg.

Einfach zu bedienen, lange Lebensdauer: Metallelektroden können mechanisch ausgetauscht werden, das Batteriemanagement ist einfach und die Lebensdauer hängt nur von der Lebensdauer der Sauerstoffelektrode ab.

Die Batterie hat verschiedene Strukturen: Sie kann als Primärbatterie oder Sekundärbatterie ausgeführt sein, und die positive Metallelektrode kann vom Plattentyp, vom Keiltyp oder vom Pastenkörper sein, und der Elektrolyt kann zirkuliert oder nicht zirkuliert werden.

Kreislaufwirtschaft: Die Batterie verbraucht Aluminium, Sauerstoff und Wasser, um Metalloxide zu bilden. Letzteres kann durch erneuerbare Energien wie Wasser, Windenergie und Sonnenenergie reduziert werden. Bei normalen Autos werden 3 kg Aluminium und 5 l Wasser pro 100 km verbraucht, und die Recyclingkosten betragen weniger als 10 Yuan.

Grün- und Umweltschutz: kein giftiges Gas, keine Umweltverschmutzung. Angemessene Rohstoffe: Aluminium ist das am häufigsten vorkommende Metallelement der Erde und hat einen niedrigen Preis. Die Industriereserven der globalen Aluminiumindustrie übersteigen 25 Milliarden Tonnen, was den Bedarf der Elektrofahrzeugbatterie der Automobilindustrie decken kann.

Die Kerntechnologien der Aluminium-Luft-Batterie-Forschung umfassen: Herstellung der Aluminiumlegierungselektrode, Korrosionsforschung und Passivierung der positiven Elektrode; Vorbereitung der Luftdiffusionselektrode und Erforschung des katalytischen Materials zur Sauerstoffreduktion; Forschung zum Präparations- und Behandlungssystem des Elektrolyten, zur Verhinderung der Korrosion der positiven Elektrode und zur Verringerung der Polarisation, Verbesserung der Batterieeffizienz; Elektrolytzirkulationssystem, Luftzirkulationsgarantiesystem und Wärmemanagementsystem des Batteriepacks; mechanisches Laden, mechanischer Austausch der neuen positiven Elektrode nach positiver Entladung der Legierung, zentralisierte Regenerationsbehandlung des Entladungsprodukts und des Elektrolyten, Recycling.

Berichten zufolge haben inländische akademische Forschungseinrichtungen mit Unternehmen zusammengearbeitet, um Aluminium-Luft-Batterien für Elektrofahrzeuge mit einer Energiedichte von mehr als 350 Wh / kg auf den Markt zu bringen. Der Akku wurde integriert und die Kapazität hat mehr als 5000 Ah erreicht, was auf den Markt kommen kann.

Zink-Luft-Batterie

Gegenwärtig beträgt die Leistungsdichte der von der Einrichtung entwickelten Zink-Luft-Batterie 101,4 W / kg, die Brennstoffzelle 90,9 W / kg, die erstere 11,6% höher als die letztere; Die Energiedichte der Zink-Luft-Batterie beträgt 218,4 Wh / kg und die Brennstoffzelle 197,7 Wh. / kg ist ersteres 10,5% höher als letzteres.

Die Zink-Luft-Batterie hat die Eigenschaften einer kohlenstoffarmen und emissionsarmen Reduzierung: Die Energie von 3,5 Tonnen Zinkkraftstoff entspricht in etwa der von 1 Tonne Diesel, und das 2145-kW-Netz kann 1 Tonne Zinkkraftstoff produzieren. Im Jahr 2010 verbrauchte China 156 Millionen Tonnen Diesel und 71 Millionen Tonnen Benzin. Wenn 50% von ihnen durch Zinkbrennstoff ersetzt werden, können sie 317,78 Millionen Tonnen CO2, 11,39 Millionen Tonnen CO, 1,68 Millionen Tonnen HC und 1.140.500 Tonnen NOx reduzieren.

Aluminium / Magnesium-Luft-Batterien müssen zwei Herausforderungen bewältigen, die für Elektrofahrzeuge vielversprechend sind: eine Verfünffachung der Leistungsdichte; Beseitigung von Verunreinigungen durch Aluminium / Magnesium-Recycling und deutliche Reduzierung des Energieverbrauchs bei der Materialvorbereitung.

Wasserstoff-Sauerstoff-Brennstoffzellen haben die folgenden Probleme: Die Elektrolyseproduktion von Wasserstoff verbraucht zu viel Energie; Der Transport von Wasserstofffahrzeugen ist klein und gefährlich, wie z. B. der Transport von Pipelines. Die Leckage kann 40% erreichen. Der Wasserstoff in den Wasserstoffspeichertanks des Fahrzeugs beträgt derzeit nur 3 bis 5% der Tankmasse. Es gibt keinen Katalysator, der Platin wirklich ersetzen kann.

Beispielsweise verbraucht das Sauerstoff-Brennstoffzellen-Fahrzeug Mercedes-Benz Citaro 17 Wasserstoff pro 100 Kilometer, und der Stromverbrauch pro Kilogramm Kraftstoff beträgt 64 bis 72 kWh, was einem Stromverbrauch von 1091 bis 1227 kWh pro 100 Kilometer entspricht. Daher ist es notwendig, den Energieverbrauch der Wasserstoffproduktion stark zu reduzieren.

Bevor die obigen Probleme gelöst wurden, scheint es unmöglich zu sein, Sauerstoff-Brennstoffzellen zu kommerzialisieren. Darüber hinaus haben die USA und Kanada die Forschung und Entwicklung von Autogen-Sauerstoff-Brennstoffzellen eingestellt.

Lithium-Luft-Batterien befinden sich noch in einem frühen Forschungsstadium. Die zu lösenden Probleme umfassen: Verhindern des chronischen Austritts des Zwerchfells unter Verwendung der beiden Elektrolyte; Erhöhen der nutzbaren Temperatur des organischen Elektrolyten; Suche nach einem Gold- und Platinkatalysator, der die derzeitige Verwendung ersetzen kann; Wie kann verhindert werden, dass Wasserdampf beim Austausch von Lithiumbrennstoff explodiert? wie man nicht verwendetes Lithium und Lithiumhydroxid recycelt; wie man den Energieverbrauch von zirkulierendem Lithiumhydroxid reduziert.

Aufgrund der obigen Situation glauben einige Experten, dass eine Zink-Luft-Batterie nicht die beste Batterie ist, aber die praktischste Batterie.

Lithium-Schwefel-Batterie

Zu den weltweit repräsentativen Herstellern von Lithium-Schwefel-Batterieforschung gehören Sion Power, Polyplus, Moltech in den USA, Oxis in Großbritannien und Samsung in Südkorea. Die 2,1-Ah-Lithium-Schwefel-Batterie von Polyplus hat eine Energiedichte von 420 Wh / kg oder 520 Wh / l.

In China forschen Tianjin Electronics 18, das Chemical Research Institute, die Tsinghua University, die Shanghai Jiaotong University, die National Defense University für Wissenschaft und Technologie, die Wuhan University und das Beijing Institute of Technology an Lithium-Schwefel-Batterien. Es wurde gefunden, dass die Zyklusstabilität von Lithium-Schwefel-Batterien durch die Entladungsauflösung des positiven aktiven Materials und die Instabilität der Oberfläche des metallischen Lithiums, die elektrische Isolierung des Schwefels selbst und seiner Entladungsprodukte (5 × 10 –30 S /) verursacht wurde. cm). Schlecht ist die Verwendung von aktiven Materialien gering.

Das Kathodenmaterial einer Lithium-Schwefel-Batterie umfasst porösen Kohlenstoff wie großen mesoporösen Kohlenstoff, Aktivkohle, Kohlenstoffgel usw. Kohlenstoffnanoröhren, nanostrukturierte leitfähige Polymermaterialien wie MWCNT, PPy, PANi / PPy usw. und PAN.

Großer mesoporöser Kohlenstoff

Großer mesoporöser Kohlenstoff kann durch Füllen von elementarem Schwefel einen parasitären Kohlenstoff-Schwefel-Komplex bilden. Verwendung eines hohen Porenvolumens (> 1,5 cm³ / g) Kohlenstoff, um die hohe Füllkapazität von Schwefel sicherzustellen und eine hohe Kapazität zu erreichen; verwenden hohe Kohlenstoffoberflächendichte (> 500cm ² / g) zu adsorbieren Entladungsprodukte, Zyklenstabilität verbessern. Verwenden Sie eine hohe Leitfähigkeit von Kohlenstoff (mehrere S / cm). Verbessert die elektrische Isolierung von elementarem Schwefel, verbessert die Verwendung von Schwefel und die Lade- und Entladerate der Batterie.

Der Herstellungsprozess von großem mesoporösem Kohlenstoff ist: Verwendung von Nano-CaCO3 als Templat, Phenolharz als Kohlenstoffquelle, Carbonisierung, Aktivierung in CO2, HCL-Schablonierung und Waschen mit Wasser. Die Oberflächendichte betrug 1215 cm² / g, das Porenvolumen betrug 9,0 cm³ / g, und die elektrische Leitfähigkeit betrug 23 S / cm. Dann wurde es zusammen mit Schwefel bei einer hohen Temperatur von 300 ° C geleitet, um ein LMC / S-Material herzustellen, in dem S 70% ausmachte.

Da die Niederspannungsplattform der Schwefelelektrode eng mit der Viskosität des Elektrolyten zusammenhängt, ist die Niederspannungsplattform umso niedriger, je höher die Viskosität ist. Je höher das Verhältnis von Leitfähigkeit zu Viskosität ist, desto besser ist die elektrochemische Leistung der Batterie. Daher beträgt die optimale Zusammensetzung des Elektrolyten 0,65 M LiTFSI / DOL + DME (Volumenverhältnis 1: 2).

Gelatinekleber hat eine gute Haftung und Dispergierbarkeit. Es löst oder schmilzt nicht im Elektrolyten der Lithium-Schwefel-Batterie. Es kann die vollständige Oxidation von Polysulfidionen zu elementarem Schwefel während des Ladens fördern, was die Entladekapazität von Lithium-Schwefel-Batterien verbessern kann.

Die poröse Elektrode wird durch das Verfahren "Gefriertrocknung, Herstellung von Eiskristallporen" hergestellt, das die tiefe Infiltration des Elektrolyten sicherstellen und den Verlust der aktiven Reaktionsstelle aufgrund der Bedeckung des Entladungsprodukts verringern kann.

Am Beispiel einer 1,7-Ah-Lithium-Schwefel-Batterie beträgt die Energiedichte 320 Wh / kg und bei 100% DOD-Entladung der Zyklus das 100-fache, die Kapazitätsbeibehaltungsrate etwa 75% und der Zykluswirkungsgrad bis zu 70%. Im ersten Jahr beträgt die Selbstentladungsrate etwa 25% und die durchschnittliche monatliche Selbstentladungsrate 2 bis 2,5%; Die Entladekapazität von 0 ° C erreicht 90% der normalen Temperaturkapazität, und die Toleranz bei -20 ° C beträgt 40% der normalen Temperaturkapazität. Wenn der Akku entladen / überladen ist, entzündet oder explodiert der Akku nicht. Wenn der Akku überladen ist, wölbt sich der Akku und es entstehen Blasen im Inneren.

Vulkanisiertes Polypropylen

Eine Art Polymer-Lithium-Batterie mit 800 mAh / g Sulfidpolypropylen (SPAN) als positivem Elektrodenmaterial, die Energiedichte der Lithium / Sulfid-Polypropylen-Feinbatterie übersteigt 240 Wh / kg, und dieses Sulfid-Polypropylen-Feinmaterial ist äußerst kostengünstig und kostengünstig Energieverbrauch. Darüber hinaus werden Graphit / Sulfid-Polypropylen-Batterien ein starker Kandidat für große Lithium-Batterien sein.

Eine Lithium-Sekundärbatterie, die auf einer reversiblen elektrochemischen Reaktion basiert, kann ein leitfähiges Polymer sein, indem Schwefel dotiert und entdotiert und das pyrolysierte Polypropylen vulkanisiert wird.

Die Kapazität der vulkanisierten Polypropylenbatterie ist aufgrund der reversiblen elektrochemischen Reaktion größer als die der Lithiumbatterie. Die speziellen Lade- und Entladeeigenschaften weisen darauf hin, dass die Sulfidbatterie den Lithiumbatteriemechanismus bei weitem überschreitet.

Studien haben gezeigt, dass bei Erreichen der Tiefenentladung von 0 V die Entlade- / Ladekapazität 1502 mAh / g und 1271 mAh / g beträgt, wonach der Zyklus zwischen 1 V und 3 V stabilisiert wird. Die Zyklusleistung ist zwischen 0,1 V und 3 V stabil und die Kapazität beträgt 1000 mAh / g.

Zum Überladen fällt die Spannung plötzlich auf 3,88 V ab und stabilisiert sich dann bei etwa 2 V. Nach dem Überladen kann der Ladevorgang nicht mehr fortgesetzt werden, was darauf hinweist, dass der Akku die inhärente Sicherheit des Überladens aufweist.

Die obere Grenzspannung zum Laden beträgt 3,6V. Wenn die Ladespannung 3,8 V erreicht, kann der Ladevorgang nicht mehr fortgesetzt werden. Wenn die Spannung 3,7 V erreicht, kann sie nach 3 Zyklen nicht mehr aufgeladen werden.

Darüber hinaus haben die beiden Sulfid / Lithium-Batterien fast die gleiche Entladespannung wie die Lithium-Cobaltat / Lithium-Batterien, so dass sie gut austauschbar sind.

Die Ladespannung und Kapazität einer solchen Batterie nimmt mit abnehmender Temperatur zu. Die Entladekapazitäten bei 60 ° C und -20 ° C betrugen 854 bzw. 632 mAh / g. Die Polymeranode hat eine Betriebstemperatur über -20 ° C.

Die Ladespannung und Kapazität nehmen mit zunehmender Stromdichte ab. Bei einer Stromdichte von 55,6 mA / g betrug die Kapazität 792 mAh / g; Wenn die Stromdichte 667 mA / g betrug, betrug die Kapazität 604 mAh / g. Dies zeigt an, dass die Batterie in einem Zustand betrieben werden kann, in dem die Stromdichte hoch ist.

Die Sulfidelektrode vergrößert sich beim Entladen (interkaliert mit Lithiumionen) und schrumpft beim Laden (De-Lithium-Ionen). Nach der ersten Entladung nimmt die positive Elektrodendicke um ca. 22% zu. Die Dickenschwankungen der negativen Metalllithiumelektrode und der positiven Sulfidelektrode kompensieren sich gegenseitig, um sicherzustellen, dass sich die Gesamtdicke der Batterie nicht zu stark ändert. Leitfähige Polymere haben ebenfalls die gleichen Eigenschaften. In der EIS-Studie wurde das Ersatzschaltbild gemessen und angepasst.

Aufgrund der unterschiedlichen Struktur von sulfidiertem pyrolysiertem Polypropylen (SPAN) und pyrolytischem Polypropylen (PPAN) kann ersteres oberhalb von 600 ° C stabil bleiben.

Ein Prototyp einer Polymerlithiumbatterie unter Verwendung eines sulfidierten Polypropylens als positive Elektrode und einer Lithiumfolie als negative Elektrode hat eine Größe von 4 × 40 × 26 mm 3 und eine Energiedichte von 246 Wh / kg oder 401 Wh / l.

Darüber hinaus wird bei dem Experiment zur Verwendung von Graphit als negative Elektrode der Lithium-Schwefel-Batterie in trockener Luft oder Inertgasbox die 2400-Loch-Membran von Celgard als Separator verwendet, der zur Bildung zwischen der positiven und der negativen Elektrode angeordnet wird eine Zelle und die negative Elektrode und der Separator sind getrennt. Zwischen den Folien befindet sich ein 100 μm dickes Lithiumfolienmaterial, das dann mit 1 M LiPF6-EC / DEC-Elektrolyt gefüllt und schließlich in einer Knopfzelle versiegelt wird. Die Kennlinie wird angezeigt. Es sind Lade- und Entladekurven nach Zugabe von Li2.6Co0.4N.

Unter den beiden oben genannten Methoden ist es sicherer, Graphit als negative Elektrode zu verwenden als Metalllithium; die sulfidpositive Elektrode vor der Lithiierung wird durch elektrochemische Lithiierung gebildet; Zwischen der Sulfid / Graphit-Batterie und der Sulfid / Lithium-Batterie liegt eine Spannung von 0,2 V. Arm; Sulfid / Graphit-Batterien haben eine stabilere Lebensdauer.

Kohlenstoffnanoröhrchen vulkanisiertes Polyacrylnitril

Das schwefelhaltige positive Elektrodenverbundmaterial des auf der Oberfläche des Kohlenstoffnanoröhrchens gewachsenen Polyacrylnitrilcopolymers ist ein Sinterprodukt aus Polyacrylnitril, Schwefel und 5% Kohlenstoffnanoröhrchen vom B-Typ. MWCNTs mit einem Durchmesser von etwa 20 nm dringen zwischen die Partikel ein, verringern die Größe der Sekundärpartikel und bilden ein gutes Strukturgerüst und ein leitendes Netzwerk. Wenn der Kohlenstoffrohrgehalt zunimmt, nimmt die Anfangskapazität ab, aber die Zyklusstabilität und die Geschwindigkeitsleistung der Elektrode werden verbessert.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Länder auf der ganzen Welt neben Lithiumeisenphosphat aktiv an mehr Batterien mit hoher Energiedichte forschen, z. B. Metall-Luft-Batterien und Lithium-Schwefel-Batterien. Solche Batterien sind kostengünstig, haben einen geringen Energieverbrauch und eine hohe Energiedichte. Die Metall-Luft-Batterie hat eine Energiedichte von 3.500 Wh / kg und die Lithium-Schwefel-Batterie eine Energiedichte von 2.600 Wh / kg.

Die US Laiden Energy Company hat einen Stromkollektor entwickelt, der bei hoher Temperatur auf der Grundlage einer höheren Energiedichte als vorhandene Lithiumbatterien sicher arbeiten kann und sich sehr gut für Elektrofahrzeuge eignet.

Leiden Energy ersetzte den in herkömmlichen Batterieelektrolyten verwendeten Aluminiumkollektor und Lithiumhexafluorophosphat durch Graphitkollektoren und Natriumsulfit, um die Batterielebensdauer bei Temperaturen über 60 ° C zu verbessern. Darüber hinaus ist die Energiedichte der neuen Batterie um 50% höher als die der in Elektrofahrzeugen verwendeten Lithiumbatterien.

Neue Batterie mit Natriumsulfinamid

Die US Laiden Energy Company hat einen Stromkollektor entwickelt, der bei hohen Temperaturen auf der Grundlage einer höheren Energiedichte als vorhandene Lithiumbatterien sicher arbeiten kann und sich sehr gut für Elektrofahrzeuge eignet.

Leiden Energy ersetzte den in herkömmlichen Batterieelektrolyten verwendeten Aluminiumkollektor und Lithiumhexafluorophosphat durch Graphitkollektoren und Natriumsulfit, um die Batterielebensdauer bei Temperaturen über 60 ° C zu verbessern. Darüber hinaus ist die Energiedichte der neuen Batterie um 50% höher als die der in Elektrofahrzeugen verwendeten Lithiumbatterien.

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