Kann eine Flüssigkeitsstrombatterie die Lithiumionenbatterie ersetzen?

Ein Forscherteam der Harvard University hat einen neuen Typ von Flüssigkeitsbatterien entwickelt. Der Flüssigkeitsstrom-Akku könne nicht nur in Smartphones, sondern auch in neuen Energieanwendungen, einschließlich erneuerbarer Energien, eingesetzt werden, so das Team.

Im mobilen Zeitalter hat die Batterietechnologie höchste Priorität. Man kann sogar sagen, dass es ohne Batterie kein mobiles Zeitalter geben wird. Bei den Batterien mobiler Geräte treten jedoch Probleme wie eine schwache Batterielebensdauer auf. Der Durchbruch der Batterietechnologie war schon immer ein aktuelles Problem, das die weitere Entwicklung des mobilen Zeitalters einschränkt. Daher haben Forscher nach effizienteren Stromquellen gesucht, um die Ausdauer zu verbessern.

In der Tat sind Fluid-Flow-Batterien nicht neu, da es sie seit den 1960er Jahren gibt. Flüssigkeitsbatterien haben einige Vorteile gegenüber Lithiumbatterien. Diese Technologie befand sich jedoch in der Forschungs- und Entwicklungsphase, wurde nicht in die Praxis umgesetzt, der Grund liegt in ihren eigenen Grenzen. Trotz der Hindernisse geht die Suche weiter, da die Menschen weiterhin sauberere Energiequellen finden, um die Batterietechnologie zu verbessern, während sie immer noch relativ sichere neue Batterietechnologien verwenden.

Erstens bestimmen die Eigenschaften der Flüssigkeitsstrombatterie die Vorteile, einige Aspekte sind besser als die der Lithiumbatterie

Das Harvard-Team wird von MichaelAziz, Professor für Material- und Energiewissenschaften, und RoyGordon, Professor für Chemie und Materialwissenschaften, geleitet. Ihre neue Flüssigkeitsbatterie, die auf organischen Molekülen in einer neutralen wässrigen PH-Lösung basiert, ist aktuellen Batterieprodukten in Bezug auf Sicherheit und Langlebigkeit überlegen.

Tatsächlich ist das Gebiet der Flüssigkeitsbatterien kein "Ödland". In den 1960er Jahren erschienen Eisen-Chrom-REDOX-Batterien, die als Vorgänger von All-Vanadium-Liquid-Flow-Batterien angesehen werden können. Nach Jahren der Forschung und Entwicklung hat die Technologie einen langen Weg zurückgelegt und wird voraussichtlich im Handel erhältlich sein. Solche Flüssigkeitsbatterien haben Vorteile gegenüber Lithium-Ionen-Batterien.

Erstens kann der Maßstab groß oder klein sein und das Design ist flexibel.

Bei Energiespeichersystemen sind die wichtigsten Faktoren die Menge an Strom und Strom. Normalerweise hängt die Energiemenge, die eine Vanadium-Durchflussbatterie aushalten kann, von der Größe des Reaktors ab, und die Ladungsmenge ist proportional zur Größe des Speichertanks. Unabhängig von den Anforderungen eines Engineering-Projekts an ein Energiespeichersystem kann der Konstrukteur jederzeit flexibel entsprechende Entwürfe vornehmen und Anpassungen vornehmen.

Flüssigkeitsbatterien statt Lithium-Ionen-Batterien? Dazwischen liegt ein Graphen

Die obige Abbildung zeigt den Aufbau der Flüssigkeitsstrombatterie

Im Gegensatz dazu werden Lithiumionenbatterien hergestellt, indem energiespeichernde Materialien auf die Oberfläche der Kollektorflüssigkeit aufgetragen werden, um Elektroden zu bilden. Der Prozess und die Leistung sind festgelegt, was schwierig ist, an bestimmte Projekte anzupassen. Im Gegensatz dazu liegen die Vorteile von Flüssigkeitsbatterien auf der Hand.

Noch wichtiger ist, dass die Durchflussbatterie skalierbar ist. Unabhängig davon, wie viel Flüssigkeitsstrombatterie gespeichert ist, sind Struktur und Steuermethode nahezu identisch. Solange der energiespeichernde Elektrolyt gleichmäßig gemischt wird, kann garantiert werden, dass der Ladezustand (Lade- und Entladetiefe) konstant ist.

Um eine Lithiumbatterie mit der gleichen Größe herzustellen, müssen Sie die Anzahl der Batterien stapeln und ein sehr komplexes BMS (Batteriemanagementsystem) verwenden, um die Temperatur und den Ladezustand jeder Batterie zu verwalten. Ein wenig Unachtsamkeit, Überladung, Überladung, Überhitzung führen zum Batterieverlust und verursachen sogar Gefahren, weshalb Smartphone-Batterien manchmal wichtige Gründe explodieren lassen.

Zweitens ist die Lebensdauer der Durchflussbatterie lang.

Die derzeitige Lebensdauer der Lithiumbatterie auf dem Markt beträgt etwa das 1000- bis 5000-fache. Sein hauptsächlicher Energiespeichermechanismus ist das Einsetzen und Nichteinsetzen fester Elektroden, die leicht reißen und die Batterielebensdauer beenden können.

Der Lade- und Entlademechanismus einer Flüssigkeitsstrombatterie basiert eher auf der Änderung der Wertigkeit als auf der physikalischen Änderung einer normalen Batterie, so dass ihre Lebensdauer extrem lang ist. Da außerdem die positiven und negativen Elektroden der All-Vanadium-Flow-Batterie durch eine Ionenaustauschermembran getrennt sind, wird die Möglichkeit einer Kreuzinfektion von positiven und negativen Elektrolyten aufgrund des Mischens vermieden und die Batterielebensdauer der All-Vanadium-Flow-Batterie ist länger als das von anderen Durchflussbatterien.

Drittens sind Flüssigkeitsbatterien äußerst sicher.

Wie im ersten Punkt erwähnt, gewährleisten die Eigenschaften von Flüssigkeitsstrombatterien ihre Sicherheitsleistung. Es besteht keine Brand- oder Explosionsgefahr und auch bei hohem Strom gibt es keine Sicherheitsprobleme.

Darüber hinaus beträgt die Energieeffizienz einer Flüssigkeitsstrombatterie 75% bis 80%, und die Startgeschwindigkeit beträgt nur 0,02 s. Darüber hinaus sind die meisten Batteriekomponenten billige Kohlenstoffmaterialien ohne Edelmetalle als Katalysatoren.

Derzeit gehören zu den globalen Herstellern von All-Vanadium-Durchflussbatterien hauptsächlich UniEnergyTechnologies aus den USA, Gildemeister aus Österreich, Sumitomo Electric aus Japan und Dalian Rongke Energy Storage Technology Development Co., LTD aus China.

Unter ihnen, Rongke Energy Storage Co., Ltd. hat eine installierte Gesamtkapazität der Vanadium-Flüssigkeitsstrombatterie von mehr als 12 MW erreicht, was 40% der weltweit installierten Gesamtkapazität entspricht. Darüber hinaus besitzt das Unternehmen das weltweit erste industrielle 5-MW-Energiespeichergerät, das tatsächlich mit dem Internet verbunden ist. Dies bedeutet, dass China bei allen Indikatoren auf international führendem Niveau liegt.

Obwohl Flüssigkeitsstrombatterien so viele Vorteile haben und einen bestimmten Produktions- und Anwendungsbereich haben, wurden sie derzeit nicht in großem Umfang kommerziell genutzt und in großem Umfang auf den Verbrauchermarkt gebracht, da die Flüssigkeitsstrombatterien selbst viele Einschränkungen aufweisen.

Zweitens war die Durchflussbatterie aufgrund ihrer eigenen Einschränkungen nicht im Handel erhältlich

Als Energiespeichersystem befindet sich die Flüssigkeitsstrombatterie in der Windkraft und anderen großen Energiespeicherfeldern noch im Versuchsstadium, was für den kommerziellen Einsatz schwierig ist. Die von der Harvard University untersuchte neue Flüssigkeitsstrombatterie befindet sich ebenfalls in der Forschungs- und Entwicklungsphase. Daher können wir zunächst die Einschränkungen der Hauptbatterie der Vanadium-Serie in der vorhandenen Flüssigkeitsstrombatterie untersuchen.

Theoretisch könnten Vanadiumverbindungen als Additive in vorhandenen Lithiumbatterien verwendet werden, ähnlich wie Graphen verwendet wird.

Fünfwertige Vanadiumionen in der positiven Lösung einer Vanadiumbatterie fällen jedoch eine hochtoxische Substanz namens Vanadiumpentoxid aus, wenn die Temperatur über 45 Grad liegt. Die Ablagerung dieses Materials kann den Strömungskanal verstopfen, die Kohlenstofffilzfaser bedecken, die Leistung des Reaktors verschlechtern und schließlich dazu führen, dass die Batterie verschrottet wird. Darüber hinaus kann Vanadiumpentoxid, eine hochgiftige Substanz, schwerwiegende Folgen haben.

Darüber hinaus sind Batterien mit vollem Vanadiumfluss äußerst kostspielig. Beispielsweise erfordert eine 5-kW-Flüssigkeitsstrombatterie eine Gesamtinvestition von 406.000 Yuan in die Kosten für Hauptmaterialien sowie zusätzliche Investitionen in Sekundärmaterialien und Arbeitskosten.

Schließlich haben Fluidströmungsbatterien eine sehr niedrige Energiedichte von etwa 40 Wh / kg, und da sie flüssig sind, nehmen sie viel Platz ein.

Aufgrund der obigen Einschränkungen ist es schwierig, eine Flüssigkeitsstrombatterie in großem Maßstab anzuwenden und zu kommerzialisieren.

Die Entdeckung von Flüssigkeitsbatterien stellt eine Verpflichtung dar, neue Energiequellen zu finden, aber die Technologie ist noch nicht ausgereift genug. Im Gegensatz dazu ist die Graphenbatterietechnologie relativ sicher und wird bereits in intelligenten Geräten eingesetzt. Menschen suchen ständig nach saubereren Energiequellen zur Stromerzeugung.

Drittens eröffnet die Verfügbarkeit von Soundbatterietechnologie mehr Möglichkeiten für die Zukunft

Unter den heutigen aufstrebenden Batterietechnologien ist die Graphenbatterietechnologie relativ stabil. Ende letzten Jahres stellte huawei auf der 57. japanischen Batteriekonferenz die erste Lithium-Ionen-Batterie mit Graphen-Technologie vor. Mit Hilfe der neuen Hochtemperaturtechnologie kann der Akku die obere Grenztemperatur des lithium-ionen-akkus um 10 Grad erhöhen und seine Lebensdauer ist doppelt so lang wie die eines normalen lithium-ionen-akkus.

Graphen scheint zuverlässiger zu sein als die neuen Flüssigkeitsstrombatterien, die entwickelt werden. Graphen selbst hat natürlich seine Grenzen, wird aber bereits in intelligenten Geräten verwendet.

Aus heutiger Sicht wird Graphen in der nächsten Phase verstärkt zur Verbesserung der Batterietechnologie eingesetzt. Auf dem Weg der Entwicklung der Batterietechnologie ist es unmöglich, über Nacht Erfolg zu haben, aber bessere Ergebnisse sollten durch den schrittweisen Übergang von solider und ausgereifter Technologie erzielt werden.

Dies bedeutet natürlich nicht, dass sich die Welt der Batterietechnologie auf ihren Lorbeeren ausruhen kann. Im Gegenteil, um die Batterietechnologie nicht länger zu einem Hindernis für die Entwicklung des mobilen Zeitalters zu machen, sollte es mutiger sein, alle mögliche Energie zu nutzen, um den Fortschritt der Batterietechnologie voranzutreiben. Es wurden Forschungen durchgeführt und Fortschritte erzielt.

Beispielsweise hat ein Team der Universität von Pennsylvania eine neue Methode zur Stromerzeugung entwickelt, bei der der Unterschied zwischen dem von Kraftwerken mit fossilen Brennstoffen ausgestoßenen Kohlendioxid und der Kohlendioxidkonzentration in der Luft genutzt wird. Das Gerät, das als "Durchflusszelle" bezeichnet wird, erzeugt eine durchschnittliche Leistungsdichte von 0,82 Watt pro Quadratmeter, was etwa 200-mal höher ist als die vorherige Näherung. Die Forschung wird in der neuesten Ausgabe der Zeitschrift Environmental Science and Technology veröffentlicht.

In ähnlicher Weise haben finnische Wissenschaftler einige Fortschritte bei der Nutzung von kinetischer Energie, Wärme und Sonnenenergie zur Stromversorgung ihrer Geräte erzielt. Forscher haben ein ferroelektrisches Material namens KBNNO entwickelt, das Wärme und Druck in Elektrizität umwandelt. Forscher der Universität von Oulu in Finnland verwendeten Perowskit-Kristallstrukturen, um Energie aus mehreren Quellen zu gewinnen, und hoffen, noch mehr zu sammeln.

Die Herstellung der Geräte ist nicht kompliziert, und sobald die besten Materialien gefunden sind, könnte die Technologie in den nächsten Jahren für den kommerziellen Einsatz bereit sein. Wenn diese Vision verwirklicht wird, müssen wir unsere mobilen Geräte möglicherweise nicht mehr an eine Steckdose anschließen, um sie aufzuladen, sondern erhalten einen kontinuierlichen Stromfluss aus natürlicher Energie, um eine echte Energiereinheit zu erreichen.

Basierend auf den obigen Ergebnissen können wir eine optimistische Vorhersage treffen, dass es in Zukunft mehr neue Technologien im Bereich der Batterie geben wird, die die Effizienz der Batterie, die Batterielebensdauer und andere Faktoren verbessern können. Bei der Entwicklung der Batterietechnologie und jeder Art von Technologie brauchen wir sowohl ausgereifte als auch mutige Innovationen. Die Kombination aus beiden kann die weitere Entwicklung des mobilen Zeitalters besser fördern.

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