Wettbewerb um Energiespeicherbatterien

Einleitung: Mit der Entwicklung der Industrie für erneuerbare Energien und Elektrofahrzeuge werden Energiespeichertechnologie und Industrie von allen Ländern hoch geschätzt. Die Forschung und Entwicklung einer Vielzahl neuer elektrochemischer Energiespeicherbatterietechnologien hat kontinuierliche Fortschritte gemacht. Unter ihnen sind die repräsentativeren Flüssigkeitsstrombatterien, Lithium-Schwefel-Batterien und Lithium-Luft-Batterien usw., aber ihre technologische Entwicklung steht vor einigen praktischen Herausforderungen.

Gegenwärtig umfassen die wichtigsten internationalen Technologien zur Speicherung chemischer Energie Natriumschwefelbatterien, Lithiumbatterien, Flüssigkeitsstrombatterien, Blei-Säure-Batterien, lithiumeisenphosphatbatterien usw. Zhang Huamin, ein Forscher am dalischen Institut für chemische Physik der chinesischen Akademie In den Wissenschaften heißt es, dass mit der Entwicklung der Industrie für erneuerbare Energien und Elektrofahrzeuge die Energiespeichertechnologie und -industrie von allen Ländern hoch geschätzt wurden und die Forschung und Entwicklung verschiedener neuer elektrochemischer Energiespeicherbatterietechnologien kontinuierliche Fortschritte gemacht hat. Unter ihnen sind die repräsentativeren Flüssigkeitsstrombatterien, Lithium-Schwefel-Batterien und Lithium-Luft-Batterien usw., aber ihre technologische Entwicklung steht vor einigen praktischen Herausforderungen.

Energiespeichertechnologie für Flüssigkeitsstrombatterien

Die Flüssigkeitsstrombatterie ist ein elektrochemischer Energiespeicher, der die gegenseitige Umwandlung von elektrischer Energie und chemischer Energie durch die REDOX-Reaktion des flüssigen Wirkstoffs realisieren kann. Aufgrund seiner unabhängigen Leistung und Kapazität, Lade- und Entladetiefe, guten Sicherheit und anderen herausragenden Vorteile ist es zu einer der besten Wahl im Bereich der Energiespeicherung geworden.

Seit der Erfindung der Flüssigkeitsstrombatterie in den 1970er Jahren wurden Hunderte von Projekten vom Labor bis zum Unternehmen, vom Prototyp bis zum Standardprodukt, von der Demonstrationsanwendung bis zur kommerziellen Werbung, vom kleinen bis zum großen Maßstab, von der Einzel- bis zur umfassenden Funktion mit einer Funktion durchgeführt installierte Gesamtleistung von ca. 40 mw.

Die Gesamt-Vanadium-Durchflussbatterie mit einer installierten Leistung von 35 MW ist die am weitesten verbreitete Flüssigkeitsdurchflussbatterie. Mit der technischen Unterstützung des Dalian Instituts für chemische Physik, der chinesischen Akademie der Wissenschaften, der Dalian Rongke Energy Storage Technology Development Co., LTD. (im Folgenden als Rongke-Energiespeicher bezeichnet) arbeitete mit dem Dalian Institute of Chemical Physics zusammen, um die Lokalisierung und Produktion von Schlüsselmaterialien für All-Vanadium-Flüssigkeitsstrombatterien in großem Maßstab zu realisieren. Elektrolytprodukte wurden nach Japan, Südkorea, in die USA, nach Deutschland und nach Großbritannien exportiert. Die hohe Selektivität, hohe Haltbarkeit und die geringen Kosten der entwickelten nicht fluorierten Ionenleitungsmembran sind besser als die der perfluorierten Sulfonsäure-Ionenaustauschermembran, und der Preis beträgt nur 10% der letzteren, wodurch der "Kostenengpass" der All-Vanadium-Flow-Batterie.

Durch strukturelle Optimierung und Anwendung neuer Materialien hat sich die Nennstromdichte von Vanadium-Durchflussbatterien von ursprünglich 80 ma / c auf 120 increased erhöht, und ma / c hat die gleiche Leistung beibehalten. Die Stromkosten sind um fast 30% gesunken 32 kW, wurde in die USA und nach Deutschland exportiert. Im Mai 2013 wurde das weltweit größte Energiespeichersystem mit 5 Megawatt / 10 Megawattstunden Voll-Vanadium-Durchflussbatterie im 50-Megawatt-Windpark Longyuan Niushi in Guodian erfolgreich ans Netz angeschlossen. Seitdem sind das 3-MW- / 6-MW-Energiespeicherprojekt für den Windnetzanschluss in Jinzhou und das 2-MW- / 4-MW-Energiespeicherprojekt für Guodian und Wind wichtige Fälle für China, um das Geschäftsmodell für Energiespeicher zu untersuchen.

Ein weiterer Marktführer auf dem Gebiet der All-Vanadium-Flow-Batterien ist Sumitomo Electric. Das Unternehmen hat das Geschäft mit Flüssigkeitsstrombatterien im Jahr 2010 wieder aufgenommen und wird 2015 ein 15-Megawatt- / 60-Megawattstunden-Voll-Vanadium-Flüssigstrom-Batteriekraftwerk bauen, um die durch die große Last verursachte Regulierung der Spitzenlast und des Stromqualitätsdrucks zu lösen. Maßstab Solarkraftwerk Netzanschluss in Hokkaido. Die erfolgreiche Umsetzung dieses Projekts wird ein weiterer Meilenstein auf dem Gebiet der All-Vanadium-Liquid-Flow-Batterie sein. Im Jahr 2014 richtete UniEnergyTechnologies, LLC (UET) mit Unterstützung des US-Energieministeriums und der Washington Clean Energy Foundation ein Energiespeichersystem mit 3 MW / 10 MW Voll-Vanadium-Durchflussbatterie ein. In diesem Projekt wird UET erstmals seine Mischsäure-Elektrolyt-Technologie anwenden, die die Energiedichte um etwa 40% erhöht, das Temperaturfenster und den Spannungsbereich von All-Vanadium-Durchflussbatterien erweitert und den Energieverbrauch beim Wärmemanagement senkt.

Derzeit ist es eine wichtige Aufgabe, die Energieeffizienz und Systemzuverlässigkeit von Flüssigkeitsbatterien zu verbessern und ihre Kosten zu senken. Die Entwicklung von hochleistungsbatteriematerialien, die Optimierung des Batteriestrukturdesigns und die Reduzierung des Innenwiderstands sind die Schlüsseltechnologien. Vor kurzem haben Zhang Hua und sein Team durch die Innovation des Batteriematerials und der Strukturinnovation die Gesamt-Vanadium-Durchflussbatterien der einzelnen Batterie in 80 ma / / c ㎡ Arbeitsstromdichte, Lade- und Entladungsenergieeffizienz von 81% auf 93% erhöht beweisen Sie vor einigen Jahren voll und ganz, dass es einen weiten Raum für Entwicklung und Perspektiven gibt.

Lithium-Schwefel-Batterietechnologie

In den letzten Jahren hat die traditionelle Lithium-Ionen-Batterietechnologie kontinuierliche Fortschritte gemacht, aber die spezifische Energie der Batterie kann die Anforderungen der Anwendung immer noch nicht erfüllen, und die Batterietechnologie ist immer noch der größte Engpass bei der Entwicklung tragbarer elektronischer Geräte und Elektrofahrzeuge . Um den innovativen Durchbruch der Hochspezifischen Energiebatterietechnologie zu realisieren, wählen die Forscher die Durchbruchrichtung als Lithium-Schwefel-Batterie mit höherer Energiedichte, Lithium-Luft-Batterie und andere Metall-Luft-Batterie und haben einige Fortschritte erzielt. Einige neue Batterietechnologien sind bereits vielversprechend.

Lithium-Schwefel-Batterie ist eine Art Batterie mit Schwefelelement als positiver Elektrode und Lithiummetall als negativer Elektrode. Seine theoretische spezifische Energiedichte kann 2600 Wh / kg erreichen, und die tatsächliche Energiedichte kann 450 Wh / kg erreichen. Gleichzeitig ist Schwefel billig, reichlich vorhanden und umweltfreundlich, was der Industrialisierung der Hochspezifischen Energiebatterietechnologie am nächsten kommt.

International gehören zu den repräsentativen Forschungs- und Entwicklungsherstellern für Lithium- und Schwefelbatterien SionPower, Polyplus, Moltech aus den USA, Oxis aus Großbritannien und Samsung aus Südkorea usw., unter denen SionPower am repräsentativsten ist. Im Jahr 2010 verwendete SionPower eine Lithium-Schwefel-Batterie für unbemannte Luftfahrzeuge (UAV). Die Batterie wurde tagsüber von Solarzellen aufgeladen und nachts entladen, um Strom zu liefern. Damit wurde ein Rekord von 14 aufeinanderfolgenden Flugtagen für uav aufgestellt. Es ist ein erfolgreiches Anwendungsbeispiel für Lithium-Schwefel-Batterien. In China konzentriert sich die Forschung zu Lithium-Schwefel-Batterien hauptsächlich auf das Dalian Institute of Chemical Compounds der chinesischen Akademie der Wissenschaften, das China Institute of Chemical Prevention and Research, das Beijing Institute of Technology und andere Forschungseinrichtungen. Gegenwärtig ist die in China entwickelte Lithium-Schwefel-Batterie in Bezug auf die Energiedichte (> 450 Wh / kg) weltweit führend, aber nach Dutzenden normaler Lade- und Entladezeiten hat sich die Energiedichte stark verringert Die Lebensdauer muss dringend verbessert werden.

Lithium-Schwefel-Batterie ist eine der fortschrittlichsten Technologien der Welt. Die Verbesserung der Lebensdauer und Sicherheit der Batterie wird der Schlüssel zur industriellen Entwicklung der Schwefelbatterie sein.

Metallluftbatterietechnologie

Gegenwärtig haben Metall-Luftbatterien, insbesondere Lithium-Luft-Batterien, große Aufmerksamkeit erregt und große Fortschritte erzielt.

Lithium-Luft-Batterie nimmt Lithiummetall als negative Elektrode und Luftsauerstoff als aktives Material der positiven Elektrode. Die theoretische Energiedichte der Batterie beträgt etwa 3500 Wh / kg, das Zehnfache der von Lithium-Ionen-Batterien und nahe der von Benzin. Mit Blick auf die möglichen Anwendungsaussichten von Lithium-Luft-Batterien haben viele Länder der Welt relevante Forschungsarbeiten durchgeführt. IBM hat an dem Projekt "Batterie 500" gearbeitet, mit dem Elektroautos mit einer einzigen Ladung eine Reichweite von 500 Meilen erreicht werden sollen. Die Hinzufügung von Unternehmen wie Japans Asahi-Chemikalie wird die Erforschung von Membran und Elektrolyt fördern.

Das Konzept der Lithium-Luft-Batterie ist nicht ganz neu und wurde erstmals 1976 von Lockheed-Forschern vorgeschlagen. 1996 stellten Abraham et al. schlugen das organische Elektrolytsystem vor, das eine neue Situation bei der Untersuchung von Lithium-Luft-Batterien einleitete. Gegenwärtig konzentriert sich die Untersuchung der Li-Air-Batterie hauptsächlich auf die positive Elektrode, die direkt die Leistung der Batterie bestimmt. In Bezug auf die Energiedichte ist Graphen das repräsentativste Material. Forscher des pazifischen Nordwestlabors in den USA haben ein geschichtetes Graphenmaterial mit einer blasenartigen Struktur entwickelt, das eine entladungsspezifische Kapazität von etwa 15.000 mah / g erreicht, die weit über der von vorhandenen Lithium-Ionen-Batterien liegt.

Die sauerstoffhaltigen Zwischenprodukte, die beim Laden und Entladen von Lithium-Luft-Batterien entstehen, reagieren jedoch chemisch mit Kohlenstoffmaterialien und Elektrolyten, wodurch eine große Anzahl von Nebenprodukten (wie Lithiumcarbonat usw.) entstehen. ), was den Batteriezyklus stark beeinflusst und das Engpassproblem darstellt, das seine Entwicklung einschränkt. Bruce et al. Auf die positive Elektrode wurde poröses Gold und Titancarbid aufgebracht, was Nebenreaktionen wirksam hemmen kann, und die Retentionsrate von 100 Zyklen ist größer als 95%.

Eine hohe Energiedichte ist der Hauptvorteil der Li-Air-Batterie, und die Zyklenstabilität ist das Schlüssel- und schwierige Problem für ihre Entwicklung. Andererseits sind die Reinigung von Lithiummetall, der Schutz der Lithiumanode und die Dendritenhemmung während des Ladens und Entladens, die Entwicklung hochaktiver positiver katalytischer Komponenten und einer selektiven sauerstoffdurchlässigen Membran sowie die Integrationstechnologie des Batteriestrukturdesigns alles Probleme, die effektiv sein müssen im praktischen Prozess gelöst.

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