Verbesserte Technologie für Elektrofahrzeugbatterien

Tesla Model S ist der neue Liebling der Elektroautoindustrie, hat jedoch kürzlich drei aufeinanderfolgende Brände erlebt (einschließlich 60 Kilowattstunden und 85 Kilowattstunden beider Batterieversionen), und die detaillierte Ursache des Brandes wird noch untersucht.

Dank neuer Technologien und der Verwendung leichter Materialien benötigt der Akku in ModelS nur 4,4 Sekunden, um von 0 auf 60 Meilen pro Stunde zu beschleunigen. Aufgrund der aktiven Natur dieser Materialien müssen Lithiumbatterien im Auto über vollständige Schutzmaßnahmen verfügen. Der lithium-akku im Auto wiegt 500 Pfund und befindet sich auf dem Fahrgestell des Fahrzeugs. Es hat die gleiche Breite wie der Radstand und ist etwas kürzer als der Radstand. Die tatsächliche physische Größe des Akkus beträgt 2,7 Meter Länge, 1,5 Meter Breite und 0,1 Meter bis 0,18 Meter Dicke. Der dickere Teil von 0,18 Metern ist auf die Überlagerung von zwei Batteriemodulen zurückzuführen. Diese physische Größe bezieht sich auf die Gesamtgröße des Akkus, einschließlich der oberen und unteren, linken und rechten sowie der vorderen und hinteren Verpackungsplatten. Die Struktur dieses Akkus ist universell einsetzbar. Zusätzlich zur Zelle vom Typ 18650 können auch andere in Frage kommende Zellen installiert werden. Darüber hinaus ist der Akku so konzipiert, dass er versiegelt und von der Luft isoliert ist. Das meiste verwendete Material ist Aluminium oder eine Aluminiumlegierung. Man kann sagen, dass die Batterie nicht nur ein Energiezentrum ist, sondern auch Teil des ModelS-Chassis. Seine starke Schale kann eine gute Rolle bei der Unterstützung des Fahrzeugs spielen.

Aber selbst dann fing es Feuer, weshalb Forscher die Entwicklung einer neuen Generation von Batterietechnologien für Elektrofahrzeuge beschleunigen müssen.

In diesem Sommer investierte das Advanced Research Program des US-Energieministeriums, APRA-E, 36 Millionen US-Dollar, um Forschern dabei zu helfen, eine solide Grundlage für die Entwicklung von Batteriedesigns der nächsten Generation zu schaffen. Dazu gehören 22 Technologieprojekte, die alle darauf abzielen, Elektrofahrzeuge effizienter und kostengünstiger zu machen.

Nickelhydridbatterie: vom Hybrid bis zum reinen Elektroauto

Einer der vielen Batterieforscher, Michael Felcenko, Chemieingenieur bei der BASF, wurde von APRA-E finanziert, um zu versuchen, die ursprünglich in Hybridautos verwendete Nickel-Zink-Batterietechnologie auf reine Elektrofahrzeuge auszudehnen.

Nickel-Metallhydrid-Batterien haben im Allgemeinen eine Energiedichte von 1 kWh / kg. Um es auf reine Elektrofahrzeuge anzuwenden, muss die BASF die Energiedichte von Nickel-Metallhydrid-Batterien auf 30-50 Kilowattstunden pro Kilogramm erhöhen. Der Schlüssel zum Erfolg dieser Anwendung liegt darin, ob sie die Energiedichte von Nickel-Metallhydrid-Batterien auf den gewünschten Wert erhöhen und die Kosten senken kann.

Eine Möglichkeit, dieses Ziel zu erreichen, besteht darin, die in der Batterie benötigten Seltenerdelemente zu ersetzen. Das Seltenerdelement ist ein Sammelbegriff. Es gibt 17 Arten von Elementen in dieser Gruppe. Der Grund, warum das Seltenerdelement genannt wird, liegt nicht in seinen geringen Reserven, sondern darin, dass es hauptsächlich in Minen vorhanden ist und während des Entwicklungsprozesses viel Geld kostet. In herkömmlichen Nickel-Metallhydrid-Batterien werden mehr als 50% der Energie durch die Reaktion von Seltenerdelementen erzeugt. Die Speicherleistung solcher Elemente ist jedoch schlecht.

Um dieses Problem zu lösen, versuchte die BASF, kostengünstige metallhydrierte Legierungen zu verwenden. Professor Fetcenko glaubt, dass dieses Material die chemischen Eigenschaften von Nickel-Metall-Wasserstoffbatterien verbessern und deren Kosten senken kann. Bei reinen Elektrofahrzeugen reichen leichte Verbesserungen der chemischen Eigenschaften von Nickel-Metall-Wasserstoffbatterien jedoch nicht aus, um Lithiumbatterien zu ersetzen, da Lithiumbatterien ebenfalls ein entscheidendes Merkmal aufweisen - geringes Gewicht oder geringe Dichte.

Zink-Luft-Batterie: Vom Hörgerät bis zum Auto

Laut EnZincc, einem kalifornischen Unternehmen, werden Zink-Luft-Batterien die nächste Generation der Batterietechnologie für Elektrofahrzeuge anführen. Michael Burz, Leiter des Forschungsteams des Unternehmens, sagte, die nächste Generation von Elektroautobatterien sollte drei Komponenten haben: hohe Leistung, Sicherheit und niedrige Kosten. Er und sein Team versuchen, das Entwurfsschema / die Architektur der Batterie zu ändern, um diese drei Punkte zu erreichen.

Er wies darauf hin, dass sich die Struktur der Batterie seit mehr als 100 Jahren nicht geändert habe und die Menschen immer noch nicht in der Lage gewesen seien, über den Tellerrand hinaus zu denken. Die sogenannte Batteriearchitektur umfasst drei Elemente: Positiv, Negativ und Elektrolyt. Der positive Pol setzt Elektronen frei und der negative Pol empfängt Elektronen. Der positive und der negative Pol sind durch den Elektrolyten getrennt, der als Medium für den freien Ionenfluss dient.

In Lithiumionenbatterien bewegen sich Lithiumionen von der positiven Elektrode von Lithiumoxid negativ zu Verbindungen auf Kohlenstoffbasis und verwenden organische Elektrolyte. Zink-Luft-Batterien sind unterschiedlich. Die positive Elektrode absorbiert mit Kohlenstoff Sauerstoff in der Luft, und die negative Elektrode ist eine Zinklegierung. Zink ist auch eine gutartige Substanz, und sein Nebenprodukt in Batterien ist Zinkoxid, das der Hauptbestandteil von Sonnenschutzmitteln ist.

Durch die oben genannten Methoden können Zinkluftbatterien drei Eigenschaften erreichen: hohe Effizienz, niedrige Kosten und Sicherheit.

In diesem Fall, warum nicht die Technologie jetzt populär machen? Das sind Zink-Luft-Batterien, die nicht aufgeladen werden können. Aus diesem Grund wird es derzeit nur in kleinen Geräten wie Hörgeräten verwendet. Um das Laden von Zinkluftbatterien zu ermöglichen, hat EnZinc einen neuen Plan entwickelt, um gewöhnlichen Sauerstoff und Zinkmetall in alkalischen Elektrolyten zu platzieren, Strom durch die Oxidationsreaktion von Zink zu erzeugen, und nach dem Aufladen können Sauerstoff und Zink regeneriert werden. Der Zyklus geht also weiter und erhöht die Energiedichte der Batterie.

Neuer Ansatz: Gewichtsverlust der Batterie

Es gibt viele Richtungen für die Entwicklung von Batterien für Elektrofahrzeuge. Einige Forscher konzentrieren sich auf die Verbesserung ihrer Energiedichte und Leistung, während andere sich auf die Reduzierung des Batteriegewichts konzentrieren. Zum Beispiel untersuchen Professor Gabriel Veith vom Oak Ridge National Laboratory in den USA und sein Team, wie das Gewicht von Batterieschutzsystemen reduziert werden kann.

Gabriel Veith ist ein Materialwissenschaftler, der hofft, ein leichtes Elektrolytmaterial zu entwickeln, das als Batteriesicherheitssystem fungiert.

Veith erklärte: „Wenn ein Elektrofahrzeug abstürzt, durchläuft das Material Phasenübergänge, die das Eindringen erschweren.“ Dieses Merkmal kann möglicherweise das Problem des jüngsten Tesla-Batteriebrandes lösen. Das Problem für das Team besteht derzeit darin, die Reaktionsleistung des Materials zu erhöhen. Veith sagte: "Wenn der Phasenübergang nur fünf Minuten nach der Kollision des Elektroautos erfolgt, macht dies keinen Sinn."

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