Breve descripción de alternativas a las baterías de energía

La densidad de energía, el ciclo y la seguridad de las baterías eléctricas se están convirtiendo en un problema técnico que restringe la promoción adicional de vehículos de nueva energía.

Batería de metal-aire

En la actualidad, la batería de fosfato de hierro y litio de 330 V / 60 Ah que se utiliza en el mercado tiene solo 19,8 kWh y pesa 230 kg, y la densidad de energía real es de solo 86 Wh / kg. Si la batería se escala hasta 60 KWH (unos 400 km), pesará unos inaceptables 700 kg. Por el comité de estándares nacionales designado como una de las dos empresas líderes de carga de alta potencia.

Todos los autobuses eléctricos domésticos afirman tener un alcance de crucero de hasta 300 kilómetros, pero el autobús eléctrico puro utiliza actualmente 12 paquetes de baterías (alrededor de 3600 kg). El autobús eléctrico puro solo puede conducir 110-120 kilómetros sin aire acondicionado. Solo puede continuar durante 80 kilómetros, y el kilometraje operativo diario promedio del autobús es de 250 kilómetros. Debido a la seguridad de la batería, es imposible cargar y descargar profundamente. Por lo tanto, la energía real disponible es menos de la mitad de la energía nominal de la batería.

Los hechos anteriores indican que actualmente no hay suficientes baterías móviles nacionales 。

En China, las baterías de metal y aire, las baterías de aluminio y zinc-aire se han desarrollado e ingresado al mercado, y la investigación de las baterías de litio-aire sigue siendo básicamente un vacío.

Batería de aire de aluminio

La batería de aire de aluminio tiene las siguientes características:

La densidad de energía es alta: la densidad de energía teórica es de 8100Wh / kg y la densidad de energía real supera los 350Wh / kg.

Fácil de operar, larga vida útil: los electrodos metálicos se pueden reemplazar mecánicamente, la gestión de la batería es simple y la vida útil depende solo de la vida útil del electrodo de oxígeno.

La batería tiene varias estructuras: puede diseñarse como batería primaria o batería secundaria, y el electrodo positivo metálico puede ser de tipo placa, tipo cuña o de pasta, y el electrolito puede circular o no circular.

Economía circular: la batería consume aluminio, oxígeno y agua para formar óxidos metálicos. Este último se puede reducir con energías renovables como el agua, la energía eólica y la energía solar. Para los automóviles ordinarios, se consumen 3 kg de aluminio y 5 litros de agua por cada 100 km, y el costo de reciclaje es inferior a 10 yuanes.

Protección verde y del medio ambiente: sin gas venenoso, sin contaminación del medio ambiente. Materias primas adecuadas: El aluminio es el elemento metálico más abundante en la tierra y tiene un precio bajo. Las reservas industriales de la industria mundial del aluminio superan los 25 mil millones de toneladas, lo que puede satisfacer las necesidades de la batería de energía de los vehículos eléctricos de la industria automotriz.

Las tecnologías centrales de la investigación de baterías de aluminio-aire incluyen: preparación de electrodos de aleación de aluminio, investigación sobre corrosión y pasivación de electrodos positivos; preparación de electrodo de difusión de aire e investigación sobre material catalítico de reducción de oxígeno; investigación sobre el sistema de preparación y tratamiento de electrolitos, inhibiendo la corrosión del electrodo positivo y reduciendo la polarización, mejorando la eficiencia de la batería; sistema de circulación de electrolitos, sistema de garantía de circulación de aire y sistema de gestión térmica del paquete de baterías; carga mecánica, reemplazo mecánico de electrodo positivo nuevo después de descarga positiva de aleación, producto de descarga y tratamiento de regeneración centralizada de electrolitos, reciclaje.

Según los informes, las instituciones de investigación académica nacionales han cooperado con las empresas para lanzar baterías de aluminio-aire para vehículos eléctricos con una densidad de energía de más de 350Wh / Kg. La batería se ha integrado y la capacidad ha alcanzado más de 5000Ah, que pueden entrar en el mercado.

Batería de zinc-aire

En la actualidad, la densidad de potencia de la batería de zinc-aire desarrollada por la institución es de 101,4W / kg, la potencia de la pila de combustible es de 90,9W / kg, la primera es un 11,6% mayor que la segunda; la densidad de energía de la batería de zinc-aire es de 218,4 Wh / kg y la celda de combustible es de 197,7 Wh. / kg, el primero es un 10,5% más alto que el segundo.

La batería de zinc-aire tiene las características de baja emisión de carbono y reducción de emisiones: la energía de 3,5 toneladas de combustible de zinc es aproximadamente la misma que la de 1 tonelada de diesel, y la red de 2145Kw puede producir 1 tonelada de combustible de zinc. En 2010, China consumió 156 millones de toneladas de diésel y un consumo de gasolina de 71 millones de toneladas. Si el 50% de ellos son reemplazados por combustible de zinc, pueden reducir 317.78 millones de toneladas de CO2, 11.39 millones de toneladas de CO, 1.68 millones de toneladas de HC y 1.140.500 toneladas de NOx.

Las baterías de aluminio / magnesio-aire deben abordar dos desafíos que son prometedores para los vehículos eléctricos: un aumento de cinco veces en la densidad de potencia; eliminando la contaminación del reciclaje de aluminio / magnesio y reduciendo significativamente la energía utilizada en la preparación del material.

Las pilas de combustible de hidrógeno-oxígeno tienen los siguientes problemas: la producción de hidrógeno por electrólisis consume demasiada energía; el transporte de vehículos de hidrógeno es pequeño y peligroso, como el transporte por tuberías, la fuga puede alcanzar el 40%; el hidrógeno en los tanques de almacenamiento de hidrógeno del vehículo es actualmente solo. Representa del 3 al 5% de la masa del tanque; no existe un catalizador que realmente pueda reemplazar al platino.

Por ejemplo, el vehículo de pila de combustible de oxihidrógeno Mercedes-Benz Citaro consume 17 hidrógeno por cada 100 kilómetros, y el consumo de electricidad por kilogramo de combustible es de 64-72 kWh, lo que se traduce en 1091 a 1227 kWh de consumo de electricidad por cada 100 kilómetros. Por lo tanto, es necesario reducir en gran medida el consumo de energía de la producción de hidrógeno.

Antes de que se resolvieran los problemas anteriores, parece imposible comercializar las pilas de combustible de oxígeno. Además, Estados Unidos y Canadá han detenido la investigación y el desarrollo de celdas de combustible de oxígeno de hidrógeno para automóviles.

Las baterías de litio-aire aún se encuentran en las primeras etapas de investigación. Los problemas a resolver incluyen: prevenir la fuga crónica del diafragma utilizando los dos electrolitos; aumentar la temperatura utilizable del electrolito orgánico; encontrar un catalizador de oro y platino que pueda reemplazar el uso actual; Cómo evitar la intrusión de vapor de agua para causar una explosión al reemplazar el combustible de litio; cómo reciclar el litio y el hidróxido de litio no utilizados; cómo reducir el consumo de energía del hidróxido de litio circulante.

Con base en la situación anterior, algunos expertos creen que una batería de zinc-aire no es la mejor batería, pero es la batería más práctica.

batería de litio-azufre

Los fabricantes representativos de investigación de baterías de litio-azufre en el mundo incluyen Sion Power, Polyplus, Moltech en los Estados Unidos, Oxis en el Reino Unido y Samsung en Corea del Sur. La batería de litio-azufre de 2,1 Ah de Polyplus tiene una densidad de energía de 420Wh / kg o 520Wh / l.

En China, Tianjin Electronics 18, el Instituto de Investigación Química, la Universidad de Tsinghua, la Universidad Jiaotong de Shanghai, la Universidad de Ciencia y Tecnología de Defensa Nacional, la Universidad de Wuhan y el Instituto de Tecnología de Beijing están realizando investigaciones sobre baterías de litio y azufre. Se encontró que la estabilidad del ciclo de las baterías de litio-azufre fue causada por la disolución de la descarga del material activo positivo y la inestabilidad de la superficie del litio metálico, el aislamiento eléctrico del propio azufre y sus productos de descarga (5x10-30S / cm). Deficiente, la utilización de materiales activos es baja.

El material del cátodo de la batería de litio-azufre incluye carbono poroso, como carbono mesoporoso grande, carbono activado, gel de carbono, etc. nanotubos de carbono, materiales poliméricos conductores nanoestructurados, como MWCNT, PPy, PANi / PPy, etc. y PAN.

Carbono mesoporoso grande

El carbono mesoporoso grande puede formar un complejo de carbono-azufre parásito al llenar el azufre elemental. Usar un alto volumen de poros (> 1,5 cm ³ / g) de carbono para garantizar la alta capacidad de llenado de azufre para lograr una alta capacidad; Utilice una alta densidad de superficie de carbono (> 500 cm ² / g) para adsorber los productos de descarga y mejore la estabilidad del ciclo. Utilizar alta conductividad de carbono (Varios S / cm) Mejora el aislamiento eléctrico del azufre elemental, mejora la utilización de azufre y el rendimiento de la tasa de carga y descarga de la batería.

El proceso de preparación del carbono mesoporoso grande es: utilizando nano CaCO3 como plantilla, resina fenólica como fuente de carbono, carbonización, activación en CO2, estarcido con HCL y lavado con agua. La densidad de la superficie fue de 1215 cm ² / g, el volumen de los poros fue de 9,0 cm ³ / gy la conductividad eléctrica fue de 23 S / cm. Luego, se codificó con azufre a una temperatura alta de 300 ° C para preparar un material LMC / S en el que S representaba el 70%.

Dado que la plataforma de bajo voltaje del electrodo de azufre está estrechamente relacionada con la viscosidad del electrolito, cuanto mayor es la viscosidad, menor es la plataforma de bajo voltaje; cuanto mayor sea la relación entre la conductividad y la viscosidad, mejor será el rendimiento electroquímico de la batería. Por lo tanto, la composición óptima del electrolito es 0,65 M LiTFSI / DOL + DME (relación de volumen 1: 2).

El adhesivo de gelatina tiene buena adherencia y dispersabilidad. No se disuelve ni se funde en el electrolito de la batería de litio-azufre. Puede promover la oxidación completa de iones de polisulfuro en azufre elemental durante la carga, lo que puede mejorar la capacidad de descarga de las baterías de litio-azufre.

El electrodo poroso se prepara mediante el proceso de "liofilización, formación de poros de cristales de hielo", que puede garantizar la infiltración profunda del electrolito y reducir la pérdida del sitio de reacción activo debido a la cobertura del producto de descarga.

Tomando una batería de litio-azufre de 1,7 Ah como ejemplo, la densidad de energía es de 320 Wh / kg y en una descarga del 100% del DOD, el ciclo es 100 veces, la tasa de retención de capacidad es de aproximadamente el 75% y la eficiencia del ciclo es de hasta el 70%. En el primer año, la tasa de autodescarga es de aproximadamente el 25% y la tasa de autodescarga mensual promedio es de 2 a 2.5%; la capacidad de descarga de 0 ° C alcanza el 90% de la capacidad de temperatura normal y la tolerancia a -20 ° C es el 40% de la capacidad de temperatura normal; Cuando la batería está descargada / sobrecargada, la batería no se enciende ni explota. Cuando la batería está sobrecargada, la batería se hincha y se generan burbujas en el interior.

Polipropileno vulcanizado

Un tipo de batería de polímero de litio con 800 mAh / g de polipropileno de sulfuro (SPAN) como material de electrodo positivo, la densidad de energía de la batería fina de polipropileno de litio / sulfuro supera los 240 Wh / kg, y este material fino de polipropileno de sulfuro tiene un costo ultra bajo y bajo consumo de energía. Además, las baterías de polipropileno de grafito / sulfuro serán un fuerte candidato para baterías de litio grandes.

Una batería secundaria de litio basada en una reacción electroquímica reversible puede ser un polímero conductor dopando y desdopando azufre y vulcanizando el polipropileno pirolizado.

La capacidad de la batería de polipropileno vulcanizado es mayor que la de la batería de litio basada en la reacción electroquímica reversible. Las características especiales de carga y descarga indican que la batería de sulfuro supera con creces el mecanismo de la batería de litio.

Los estudios han demostrado que cuando la descarga profunda alcanza los 0 V, la capacidad de descarga / carga es de 1502 mAh / gy 1271 mAh / g, después de lo cual el ciclo se estabiliza entre 1 V y 3 V. El rendimiento del ciclo es estable entre 0,1 V y 3 V, y la capacidad es de 1000 mAh / g.

En caso de sobrecarga, el voltaje cae repentinamente a 3,88 V y luego se estabiliza en alrededor de 2 V. Después de la sobrecarga, ya no es posible continuar cargando, lo que indica que la batería tiene la seguridad inherente de sobrecarga.

El voltaje límite superior para cargar es 3.6V. Cuando el voltaje de carga alcanza los 3.8V, ya no puede continuar cargando; cuando el voltaje alcanza los 3,7 V, no se puede recargar después de 3 ciclos.

Además, las dos baterías de sulfuros / litio tienen casi el mismo voltaje de descarga que las baterías de cobaltato de litio / litio, por lo que tienen una buena intercambiabilidad.

El voltaje de carga y la capacidad de dicha batería aumentan a medida que disminuye la temperatura. Las capacidades de descarga a 60 ° C y -20 ° C fueron de 854 y 632 mAh / g, respectivamente. El ánodo de polímero tiene una temperatura de funcionamiento superior a -20 ° C.

El voltaje y la capacidad de carga disminuirán a medida que aumente la densidad de corriente. A una densidad de corriente de 55,6 mA / g, la capacidad era de 792 mAh / g; cuando la densidad de corriente era de 667 mA / g, la capacidad era de 604 mAh / g. Esto indica que la batería puede funcionar en un estado en el que la densidad de corriente es alta.

El electrodo de sulfuro se expande en volumen cuando se descarga (intercalado con iones de litio) y se contrae cuando se carga (des-ion de litio). Después de la primera descarga, el grosor del electrodo positivo aumenta en aproximadamente un 22%. Las variaciones de espesor del electrodo negativo de metal litio y el electrodo positivo de sulfuro se compensan entre sí para garantizar que el espesor total de la batería no cambie demasiado. Los polímeros conductores también tienen las mismas propiedades. En el estudio EIS, se midió y se ajustó el circuito equivalente.

Debido a la diferente estructura del polipropileno pirolizado por sulfuración (SPAN) y el polipropileno pirolítico (PPAN), el primero puede permanecer estable por encima de 600 ° C.

Un prototipo de batería de polímero de litio que utiliza polipropileno sulfurado como electrodo positivo y una lámina de litio como electrodo negativo tiene un tamaño de 4x40x26 mm3 y una densidad de energía de 246Wh / kg o 401Wh / l.

Además, en el experimento de usar grafito como electrodo negativo de la batería de litio-azufre, en aire seco o caja de gas inerte, se usa el diafragma de 2400 orificios de Celgard como separador, que se coloca entre los electrodos positivo y negativo para formar una celda, y el electrodo negativo y el separador están separados. Entre las hojas hay un material de lámina de litio de 100 μm de espesor, que luego se llena con electrolito LiPF6-EC / DEC 1 M y finalmente se sella en una celda de botón. Se muestra la curva característica. Son las curvas de carga y descarga después de la adición de Li2.6Co0.4N.

Entre los dos métodos anteriores, es más seguro utilizar grafito como electrodo negativo que el litio metálico; el electrodo positivo de sulfuro antes de la litiación se forma mediante litiación electroquímica; hay un voltaje de 0,2 V entre la batería de sulfuro / grafito y la batería de sulfuro / litio. Pobre; Las baterías de sulfuro / grafito tienen un ciclo de vida más estable.

Poliacrilonitrilo vulcanizado con nanotubos de carbono

El material de electrodo positivo compuesto que contiene azufre del copolímero de poliacrilonitrilo desarrollado en la superficie del nanotubo de carbono es un producto sinterizado de poliacrilonitrilo de tipo B, azufre y nanotubos de carbono al 5%. Los MWCNT con un diámetro de aproximadamente 20 nm penetran entre las partículas, reduciendo el tamaño de las partículas secundarias, formando un buen esqueleto estructural y una red conductora. A medida que aumenta el contenido del tubo de carbono, disminuye la capacidad inicial, pero se mejoran la estabilidad del ciclo y el rendimiento de velocidad del electrodo.

En resumen, además del fosfato de hierro y litio, los países de todo el mundo están investigando activamente más baterías con alta densidad de energía, como las baterías de metal-aire y las baterías de litio-azufre. Estas baterías son de bajo costo, bajo consumo de energía y alta densidad energética. La batería de metal-aire tiene una densidad de energía de 3500Wh / kg y la batería de litio-azufre tiene una densidad de energía de 2600Wh / kg.

US Laiden Energy Company ha desarrollado un colector de corriente que puede funcionar de forma segura a altas temperaturas sobre la base de una mayor densidad de energía que las baterías de litio existentes y es muy adecuado para vehículos eléctricos.

Leiden Energy reemplazó el colector de aluminio y el hexafluorofosfato de litio utilizados en los electrolitos de las baterías tradicionales por colectores de grafito y sulfito de sodio para mejorar la vida útil de la batería mientras funciona a temperaturas superiores a 60 ° C. Además, la densidad de energía de la nueva batería es un 50% mayor que la de las baterías de litio utilizadas en los vehículos eléctricos.

Batería nueva con sulfinamida de sodio

US Laiden Energy Company ha desarrollado un colector de corriente que puede funcionar de manera segura a altas temperaturas sobre la base de una mayor densidad de energía que las baterías de litio existentes y es muy adecuado para vehículos eléctricos.

Leiden Energy reemplazó el colector de aluminio y el hexafluorofosfato de litio utilizados en los electrolitos de las baterías tradicionales por colectores de grafito y sulfito de sodio para mejorar la vida útil de la batería mientras funciona a temperaturas superiores a 60 ° C. Además, la densidad de energía de la nueva batería es un 50% mayor que la de las baterías de litio utilizadas en los vehículos eléctricos.

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