Was hat sich von Batterie zu Lithiumbatterie geändert?

Batteriepionier Whitingham sagte: "Wir kennen nur ein kleines Fell." Da die Welt alle Anstrengungen unternimmt, um ihre Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu beseitigen, werden Batterien wahrscheinlich eine immer wichtigere Rolle in unserem täglichen Leben spielen, wobei Lithiumbatterien noch schlimmer sind.

Kann die Batterie in Zukunft mit der Speicherkapazität von Benzin konkurrieren?

Vor drei Jahren schrieb der Wissenschaftsjournalist Farhad Manjoo in einem Artikel an das amerikanische Online-Magazin, dass "eine bessere Batterie die Welt retten wird", aber der Untertitel "erwiderte" die Überschrift "schade". Das ist unmöglich. "Obwohl die Automobilbranche gerade Tesla S, Nissan LEAF und Chevrolet Volt auf den Markt gebracht und eine große Anzahl neuer Hybrid- und reiner Elektrofahrzeuge herausgebracht hatte, von Box-Economy-Autos bis hin zu zwei Luxus-Hybrid-Porsche.

Die Probleme, die Manoyo und andere vorhersehen, sind vielfältig: (1) Autobatterien sind sehr teuer; (2) "Energiedichte" (die Energiemenge pro Gewichtseinheit) scheint weitaus schlechter zu sein als Benzin; (3) Es kann eine Gefahr bestehen - Das entstehende Schlüsselmaterial der Batterie, Lithium selbst, ist instabil und verwandelt sich in der Luft in ein Pulver. Ein Problem ist, dass Feuchtigkeit explodieren kann. Ein weiteres Problem besteht darin, dass das Material "isoliert" ist und die Möglichkeit eines "heißen Abbaus" besteht - schnelles Erhitzen, bis es Feuer fängt. Daher ist es wichtig, dass Lithium kühl und trocken gehalten wird.

Die letzte Warnung ist jedoch genau, warum Lithium ein attraktives Batteriematerial ist: Seine gefährliche Energie ist ein großer Vorteil. Daher gibt es in der Batterietechnologie einen leisen Lithium- "Sprint", der verbessert wurde und wird. In den letzten Jahren sind Fahrzeuge mit fossilen Brennstoffen aufgrund der Weiterentwicklung der Batterien zu einer "ästhetischen" Wahl geworden, nicht zu einer Notwendigkeit für die Wirtschaft. Unser städtisches Netz wird komplexer, vorhersehbarer, zuverlässiger und wirtschaftlicher.

Batterieschock

Die Autobatterie hat sich von Blei-Säure zu lithium-batterie, Nickel-Cadmium-Taschenlampe zu handgehaltenem Lithium-Ionen-Design gewandelt, und die Batterie ist effizienter geworden. Ohne einen Lithium-Ionen-Akku wird es mit ziemlicher Sicherheit keine "Mobilfunkgesellschaft" geben. Aber wenn wir uns großen Geräten wie Fahrzeugen und Kraftwerken nähern, in denen wir unser Leben mit Energieverbrauch retten können, gibt es viele Gewinner wie das A123-System und seine Sponsoren, Fiskar Karma, Mori Energy, Avestor und Envia, die einst das System betrieben haben GM-Team, alle verloren Millionen und flohen kaum aus dem Starttor.

Wenn jemand die Herausforderungen der Batteriewende versteht, ist es dieser Mann, der Ende der 1970er Jahre den Kampf um die Erfindung von Lithium-Ionen-Batterien durch Exxon eröffnet hat. Es ist M. Stanley Whittingham, jetzt Professor für Chemie an der Bingham University im Norden des Bundesstaates New York, der vorausgesagt hat, dass „jedes Auto in 10 Jahren ein Hybrid- oder Elektroauto sein wird“.

Er glaubt, dass es viele Gründe gibt, optimistisch zu sein. Zum Beispiel werden viele Ressourcen in die technischen Herausforderungen der Herstellung besserer Batterien gesteckt, von kleinen kleinen Computerfirmen und Colleges bis hin zu gut finanzierten Universitäten wie Harvard- und Stanford-Labors sowie großen nationalen US-Labors, darunter Agung, Lawrence Livermore und San Diego sowie Labors in großen Unternehmen in Deutschland, den Niederlanden, Frankreich, Japan, Südkorea und China.

Es besteht auch ein klarer und dringender Bedarf, die Notwendigkeit zu verringern, dass Menschen Treibhausgase emittieren. Durch den Ersatz fossiler Brennstoffe spielen Batterien eine große Rolle. Verbraucher brauchen eindeutig erneuerbare Energien: So wächst beispielsweise der Absatz von Elektro- und Hybridautos stark.

Bessere Batterien bieten zwei große Auszeichnungen: Erstens erschwingliche Elektrofahrzeuge, die das Rückgrat unserer zukünftigen „mobilen Gesellschaft“ bilden; zweitens flexiblere, dezentrale Stromnetze, da fortschrittliche stationäre Batterien niedriger sein werden. Die Preise halten die Stromversorgung unserer Häuser und Fabriken aufrecht.

Beenden der "Kilometer" -Angst

Die ursprünglich vorgeschlagenen Elektro- und Hybridfahrzeuge waren bescheiden, mit einer Reichweite von 40 bis 100 Meilen pro Ladung (mit Ausnahme der hochpreisigen Tesla-Elektroautos mit einer Nennleistung von 265 Meilen) und nur unter idealen Bedingungen. Die zweite Generation wird jedoch bald 200 Meilen erreichen. Das große südkoreanische Unternehmen LGChem beliefert den Chevrolet Volt und den Ford Focus mit Akkus. Das aktualisierte Lithium-Ionen-Design soll diese Autos 2016 auf 200 Meilen bringen. Der Vorsitzende und Großaktionär von Tesla Electric, Elon Musk, sagte seinem Unternehmen arbeitete im August dieses Jahres an neuen Batterien und erhöhte die Reichweite des Unternehmens auf 500 Meilen.

Gleichzeitig sinken die Kosten für Batterien. Laut dem Forschungsunternehmen Navigant lag der Preis für Laptop-Batterien vor fünf Jahren bei etwa 1.000 USD pro kWh, und die heutigen Preise liegen nahe bei 250 USD pro kWh. Im Juli 2012 berichtete die McKinsey Company, dass der Preis für fortschrittliche Lithium-Ionen-Batterien für Automobile von 500 USD pro Kilowattstunde im Jahr 2011 auf 160 USD pro Kilowattstunde fallen wird. Laut Favhan wird das Batterievolumen von heute 12 Milliarden US-Dollar auf 75 Milliarden US-Dollar bis 2020 steigen.

In naher Zukunft werden Batterieautos zum Selbstkostenpreis mit benzinbetriebenen Autos konkurrieren. Musk hat einmal gesagt, dass der batteriebetriebene "Heilige Gral" 100 US-Dollar pro Kilometer kostet - er erwartet, dass er in "fünf bis sieben Jahren" realisiert wird. Tesla arbeitet mit der japanischen Panasonic Corporation zusammen, um in Sparks, Nevada, eine "Batteriefabrik" im Wert von 5 Milliarden US-Dollar zu errichten und fortschrittliche Batterien herzustellen, die in großem Maßstab rentabel sind. Es wird erwartet, dass 500.000 akkus pro Jahr produziert werden, was die weltweite Lithium-Ionen-Akkuproduktion verdoppelt.

Leistungsstarkes BYD Qin

Die Batterie besteht aus drei Grundkomponenten: zwei Elektroden, einer Anode (negativ geladen) und einer Kathode (positiv geladen) sowie einem Zwischenelektrolyten (oder allgemein als Batterieflüssigkeit bekannt). Was passiert, ist eine chemische Reaktion, die den Batteriekreis schließt (dh den Lichtschalter einschaltet), Elektronen von der Anode fließen, durch den Elektrolyten in die Kathode fließen und durch die Glühbirne fließen, um Arbeit zu leisten. Der Ionenfluss ist in die entgegengesetzte Richtung. Das Endergebnis ist ein neutraler Zustand und der Akku wird entweder weggeworfen oder aufgeladen.

Die meisten Autobatterien sind jetzt wiederaufladbar und verwenden Lithium als Elektrode, Kobalt oder Kohlenstoff als andere Elektrode und Aluminiumoxid als Elektrolyt. Die Forscher sind jedoch gespannt auf die nächste große Sache, um den Fortschritt des "vom Kriechen zum Sprinten" in der Batterietechnologie zu untersuchen. Einige wichtige Fortschritte haben Hoffnung auf Erfolg gezeigt, mit Energiedichten, die etwa drei- bis fünfmal so hoch sind wie die von Lithiumionen, die nach theoretischen Platinstandards sogar mehr als Benzin antreiben.

Das gewagteste Konzept ist Lithium-Luft. Entfernen Sie das traditionelle Metall als Kathode, ersetzen Sie es durch Kohlenstoff, reformieren Sie die Batterie vollständig und extrahieren Sie die Sauerstoffatome in der Luft, um das Oxid im Elektrolyten zu ersetzen. Ein Team am Massachusetts Institute of Technology (MIT) schlug eine Kathode aus Nanodrähten vor. Dies ist eine sehr kleine Struktur, die aus einem einzigen Atom besteht und tatsächlich aus einem genetischen Variantenvirus besteht. Dies ist ein sehr kniffliges Material, und das Labordesign ist doppelt so leistungsstark wie ein typischer Lithium-Ionen-Akku und lädt sich schneller auf.

Mit fortschreitender Batteriechemie werden neue Materialien wie diese zum Schlüssel. Graphen, ein ultradünner (nur so dick wie atomarer) einschichtiger Kohlenstoff, wurde ursprünglich 2003 von zwei russischen Wissenschaftlern an der Universität von Manchester hergestellt (und erhielt dafür den Nobelpreis für Physik 2010) und als Elektrode entwickelt Material. Seine Stärke, Flexibilität und Leitfähigkeit sind überraschend und es kann in großem Maßstab und billig hergestellt werden und online für 5 USD pro Gramm bestellt werden. Im Akku kann die Ladezeit drastisch verkürzt und die Energiespeicherkapazität erhöht werden. Sowohl XG Science- als auch SciNode-Systeme der Northwestern University und des Argonne National Laboratory in Michigan, USA, arbeiten an Graphenbatterien. Laut SciNode bietet seine Anode dreimal mehr Speicherkapazität als herkömmlicher Kohlenstoff. Laut der Nachrichtenagentur China Xinhua hat das Unternehmen möglicherweise auch ein Graphenprojekt.

Graphen ist ein Atomverhältnis-Wabengitter aus Kohlenstoffatomen

Eine weitere vielversprechende Variante ist das Lithium-Schwefel-Design, das hochpreisiges Kobalt durch billigen Schwefel ersetzt und eine extrem hohe Energiedichte bietet. Wissenschaftler der Berkeley National Laboratories haben ein Design vorgeschlagen, das die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien verdoppelt und potenzielle Kosten von nur 100 USD pro kWh verursacht. Weitere Forschung ist erforderlich, aber diese Methode ist sehr verlockend und soll Benzin besiegen.

Darüber hinaus erfordert das Design von Eisenphosphat überhaupt kein Lithium. In China hat der Autohersteller BYD das batteriebetriebene Taxi mit Eisenphosphat auf den Markt gebracht, das eine Laufleistung von 185 Meilen zurücklegt. Es basiert auf einer Batterie, die BYD Fe (Eisenelementsymbol) nennt. BYD "Qin" ist ein Hybridauto mit einer maximalen Leistung von 223 kW und einem etwas niedrigeren S-Typ. Laut dem Test des Unternehmens behält der Fe-Akku nach 10.000 Lade- und Entladezyklen immer noch 70% seiner Kapazität bei. Das sind 27 Jahre tägliches Aufladen.

Elektrotaxi der Shenzhen BYD Auto Company

Bleib dabei, "bis zum Morgengrauen"

Gleichzeitig nähern wir uns möglicherweise dem goldenen Zeitalter des „festen Energiespeichers“. Batterien müssen nicht ohne Gewichtsanforderungen bewegt werden, sodass Entwickler schwerere, weniger einzigartige und billigere Materialien verwenden können. Solche Batterien liefern Notstrom, um das Netz zuverlässiger zu machen und Spitzen bei den Energiekosten zu vermeiden, indem nicht erneuerbare Windturbinen und Solarpanel-Energie zu Spitzenzeiten gesammelt werden, und dies zu einem niedrigen Preis.

Diese Designtendenz spiegelt die am Auto geleistete Arbeit wider, es gibt jedoch erhebliche Ausnahmen. Das in Pittsburgh ansässige Unternehmen Aquion Energy ist auf teilweise vollständige Stromversorgungslösungen für Mikronetze spezialisiert, einschließlich Solar-, Wind- oder anderer erneuerbarer Energiequellen in abgelegenen Gebieten. Die Kosten für fortschrittliche Batterien sind ungefähr die gleichen wie bei einer altmodischen Blei-Säure-Batterie, aber die Dauer hat sich verdoppelt.

Am Massachusetts Institute of Technology (MIT) entwickelten Donald Sadoway und sein Team Festkörperbatterien, die lange hielten. Ihnen zufolge ist es einfach zu skalieren. Das Material ist gewöhnlich und kostengünstig, aber das Design ist völlig innovativ: Es bleibt vollständig flüssig, beschleunigt den Elektronen- und Ionenaustausch und die Batterie selbst wird bei hohen Temperaturen gehalten, wobei eine strenge Isolierung erforderlich ist, um 350 ° F oder höher aufrechtzuerhalten, aber dennoch produziert wird Energie bei 75% Wirkungsgrad. mehr als doppelt so hoch wie der Verbrennungsmotor. AMBRI (ehemals Liquid Metal Battery Company) mit Sitz in Cambridge stellt die Batterie her, die angeblich jahrzehntelang hält und fast keine Leistungseinbußen aufweist. Selbst bei voller Entladung wird erwartet, dass die Kapazität von 10.000 Zyklen immer noch 98% beträgt. Das ist ein großer Erfolg. Nächstes Jahr wird der Prototyp zum Feldtest in vier Staaten geschickt.

Derzeit besteht der Wettbewerb darin, mit lokalen Energieversorgungsunternehmen zu konkurrieren, und an diesem Ort gibt es keine fortschrittliche Batterie. Wenn Sie nur während der Spitzenlast „Peaking“ durchführen und dem Netz zusätzlichen Strom hinzufügen, kann sich die Rate verdoppeln oder sogar verdreifachen (normalerweise am Nachmittag), und der Ort wird persönlich bezahlt.

Natürlich ist es noch ein langer Weg. Wie der Batteriepionier Whitingham sagte: "Wir kennen nur ein kleines Fell." Da die Welt alle Anstrengungen unternimmt, um ihre Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu beseitigen, spielen Batterien wahrscheinlich eine immer wichtigere Rolle in unserem täglichen Leben und können zur Rettung des Planeten beitragen.

Die Seite enthält den Inhalt der maschinellen Übersetzung.