Wie Lithiumbatterien eine große Kapazität herausfordern

Wir freuen uns auf eine neue Ära der weit verbreiteten Nutzung sauberer Energie. Als eines der Markenzeichen dieser Ära möchten die Menschen neue Autos wie das Tesla-Elektroauto auf der ganzen Straße fahren sehen. Anstatt Benzin zu benötigen, wird es mit Lithiumbatterien betrieben, die voller Strom sind. Zu diesem Zeitpunkt werden Tankstellen auf beiden Straßenseiten durch Ladestationen ersetzt. Die neueste Nachricht ist, dass Shanghai angekündigt hat, Tesla-Elektrofahrzeugen eine kostenlose Lizenz zu erteilen und sie beim schnelleren Bau von Ladestationen in China zu unterstützen.

Wenn Sie jedoch feststellen, dass sich die in Elektrofahrzeugen verwendeten Batterien nicht grundlegend von den Batterien in Ihrem Telefon unterscheiden, kann die Hochstimmung der glänzenden Zukunft von einer Wolke bedeckt sein. Was die Handy-Party oft trauert, ist die akkulaufzeit. Die Handys vieler Menschen sind morgens und nachmittags voll. Sie müssen einmal am Tag gefüllt werden. Laptops haben ebenfalls dieses Problem und können in wenigen Stunden keinen Strom mehr haben. Der Nutzen von Elektrofahrzeugen wird durch die Tatsache in Frage gestellt, dass sie häufig aufgeladen werden müssen, wenn sie nicht weit entfernt sind. Teslas einziges Modell S-Elektroauto auf dem Markt, das am besten ausgestattete Modell, das nach voller Ladung 480 Kilometer weit sein soll, ist bereits eine bemerkenswerte Leistung.

Warum sind Batterien "nicht haltbar"? In einem bestimmten Raum wird die Größe der Energie, die das Material speichern kann, als "Energiedichte" bezeichnet. Gemessen an der Rangfolge der Energiedichte befindet sich die Batterie fast ganz unten. Mit der pro Kilogramm erzeugten Energie als Indikator kann unser täglicher Benzinverbrauch 50 MJ erreichen, während der durchschnittliche Gehalt an Lithiumbatterien weniger als 1 MJ beträgt. Andere Batterietypen schweben ebenfalls auf sehr niedrigem Niveau. Offensichtlich können wir das Volumen der Batterie nicht unendlich groß machen; Um die Kapazität der Batterie zu erhöhen, können wir uns nur auf die Erhöhung der Energiedichte der Batterie konzentrieren, aber es ist schwierig. Was ist so schwer an dieser Technologie? Der Reporter interviewte Liurun, einen außerordentlichen Professor für Chemie an der Zhejiang-Universität, und nahm die Lithium-Ionen-Batterie (lithium-batterie) als Beispiel, um das Geheimnis der inneren Struktur der Batterie zu analysieren.

Elektrolyte sind wichtig.

Die Batterie kann aufgrund der Übertragung von Elektronen Energie liefern. Die Batterie ist an einen Stromkreis angeschlossen, der Schalter ist eingeschaltet und der Strom ist eingeschaltet. Zu diesem Zeitpunkt laufen die Elektronen aus dem negativen Pol heraus und gehen durch den Stromkreis zum positiven Pol. Dabei übernimmt die Elektronik die Unterstützung Ihres Mobiltelefons oder fährt ein Tesla-Elektroauto.

Die Elektronen einer Lithiumbatterie werden von Lithium geliefert. Würde die Energiedichte mit Lithium in der Batterie nicht steigen? Damit eine Lithium-Ionen-Batterie wiederaufladbar ist, muss ihre interne Struktur leider auf Kosten der Energiedichte gehen. Liurun wies darauf hin, dass die innere Struktur von Lithiumbatterien Elektrolyte, negative Elektrodenmaterialien, positive Elektrodenmaterialien und Membranen umfasst. Jeder hat seine eigenen speziellen Prozessanforderungen und spielt eine einzigartige Funktion und ist unverzichtbar. Diese Struktur begrenzt die Zunahme der Energiedichte von Lithiumbatterien.

Erstens der Elektrolyt, der in der Batterietransportleitung unverzichtbar ist. "Wenn sich die Batterie entlädt, verliert das Lithiumatom Elektronen und wird zu einem Lithiumion. Zu diesem Zeitpunkt läuft es von einem Pol der Batterie zum anderen und läuft zurück, wenn die Batterie aufgeladen wird", sagte Liurun. Die Bewegung von Lithiumionen an den beiden Polen der Batterie ist der Schlüssel zum Recycling von Lithiumbatterien, und der Elektrolyt garantiert seinen freien Weg. Elektrolytflüssigkeit ist wie Flusswasser, Lithiumionen sind wie Fische. Wenn das Flussbett trocken ist und der Fisch die andere Seite nicht erreichen kann, funktioniert die Lithiumbatterie nicht richtig.

Der Elektrolyt ist auch wunderbar, weil er nur Lithiumionen und keine Elektronen trägt, was sicherstellt, dass sich die Batterie nur entlädt, wenn der Stromkreis angeschlossen ist. Gleichzeitig ist die Bewegung der Lithiumionen je nach Elektrolyt geordnet und klar, so dass sich die Elektronen immer in eine Richtung bewegen und elektrische Ströme entstehen.

Positive und negative Pole für Stabilität

Der Elektrolyt liefert keine Energie und ist nicht klein genug, aber in Lithiumbatterien absolut unverzichtbar. Warum kann es nicht weniger negative Materialien auf Graphitbasis geben? Graphit ist das Material, aus dem Bleistiftkerne hergestellt werden, und es ist nicht für die Bereitstellung von Elektronen verantwortlich. "Es soll sicherstellen, dass die Anklage nicht schief geht", sagte Mr. Sagte Liurun.

Beim Laden springen Lithiumionen vom positiven Pol in den Elektrolyten und schwimmen zurück zum negativen, wo die Elektronen zu Lithiumatomen werden und sich sammeln, um sich auf die nächste Entladung vorzubereiten. Lithium selbst ist jedoch ein guter Elektronenleiter. Spätere Lithiumionen haben möglicherweise den negativen Pol nicht erreicht, und sie haben Elektronen von ihren Vorgängern erhalten, die sich in Lithiumatome verwandelt haben. Auf diese Weise können Lithiumatome wie Unkraut in der Batterie wachsen und Kristalle bilden. Dieser Vorgang wird als "Kristallisation" bezeichnet. Das brutale Wachstum von Lithiumkristallen wird schließlich die Membran durchdringen und die Batterie kurzschließen.

Um dieses Problem zu lösen, stellten Wissenschaftler negative Materialien unter Verwendung von Graphit her, wobei die Oberflächenhohlräume wie in einem kleinen Raum verwendet wurden, damit Lithiumatome sicher im Inneren bleiben und nicht miteinander interagieren. Infolgedessen setzen sich Lithiumatome ab, aber die Energiedichte der Batterie nimmt wieder ab.

Ähnliche Gründe gelten für die positive Elektrode der Batterie. Um die Stabilität und Ordnung der Batterie aufrechtzuerhalten, wurde auch das positive Elektrodenmaterial speziell entwickelt. Nicht alle Lithiumionen schwimmen beim Laden zum negativen Pol zurück. Etwa die Hälfte der Lithiumionen bleibt erhalten. Dies schwächt auch die Energiedichte der Batterie.

Herausforderung mit großer Kapazität

Objektiv gesehen sind Lithiumbatterien klein, leicht, langlebig, kostengünstig, sicher und umweltfreundlich und können über einen längeren Zeitraum in einer kürzeren Ladezeit verwendet werden ... Sie sind bereits extrem hoch Qualitätsbatterie, die Menschen derzeit gefunden haben. Wissenschaftler streben jedoch immer nach Spitzenleistungen. Laut Liurun besteht der Schlüssel zur Verbesserung darin, bessere positive und negative Materialien zu finden, um die Energiedichte der Batterie zu erhöhen.

Mögliche Alternativen zu negativen Materialien sind Lithium-Silizium-Legierungen, deren Energiedichte fast zehnmal höher ist als die von Graphit. Noch wichtiger ist es, stabilere positive Materialien zu finden. Lithiumkobalt wird heute hauptsächlich verwendet. Dieses Material ist sehr teuer, aber Stabilität und Energiedichte sind nicht zufriedenstellend. Wissenschaftler untersuchen die Möglichkeit, es durch ein Eisen- oder Manganoxid zu ersetzen.

Ist es möglich, in absehbarer Zeit eine größere Batteriekapazität zu erreichen? Wissenschaftler arbeiten immer noch an Lithium. Da Lithium mit einem hohen Elektronenanteil an der Reaktion beteiligt ist, hat metallisches Lithium eine große Energiedichte. Sowohl Lithium-Schwefel-Batterien als auch Lithium-Luft-Batterien haben theoretische Möglichkeiten. Sie sind Batterien, können aber genauso viel Energie liefern wie Benzin. Die praktische Entwicklung und Förderung steht jedoch noch vor vielen Herausforderungen.

Es scheint, dass Sie an Elektroautos interessiert sind und dennoch vorübergehend akzeptieren müssen, dass das Laufen für eine Weile in Rechnung gestellt wird. Wissenschaftler in New York haben kürzlich eine neue Erfindung entwickelt, bei der mithilfe von Sonnenkollektoren ein Schachtdeckel hergestellt wird, mit dem Elektroautos jederzeit auf der Straße parken und aufgeladen werden können. Das sind gute Nachrichten für Tesla, nicht wahr?

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