Competencia de baterías de almacenamiento de energía

Introducción: con el desarrollo de la industria de las energías renovables y la industria de los vehículos eléctricos, la tecnología y la industria de almacenamiento de energía son muy valoradas por todos los países. La investigación y el desarrollo de una variedad de nuevas tecnologías de baterías de almacenamiento de energía electroquímica han progresado continuamente. Entre ellos, la batería de flujo de líquido más representativa, la batería de litio azufre y la batería de litio-aire, etc., pero su desarrollo tecnológico se enfrenta a algunos desafíos prácticos.

En la actualidad, las principales tecnologías internacionales de almacenamiento de energía química incluyen la batería de azufre de sodio, la batería de litio, la batería de flujo de líquido, la batería de plomo-ácido, la batería de fosfato de hierro y litio, etc. Zhang huamin, investigador del instituto dalian de física química de la academia china de las ciencias, dijo que con el desarrollo de la industria de las energías renovables y la industria de los vehículos eléctricos, la tecnología y la industria de almacenamiento de energía han sido altamente valoradas por todos los países, y la investigación y el desarrollo de varias nuevas tecnologías de baterías de almacenamiento de energía electroquímica ha progresado continuamente. Entre ellos, la batería de flujo de líquido más representativa, la batería de litio azufre y la batería de litio-aire, etc., pero su desarrollo tecnológico se enfrenta a algunos desafíos prácticos.

Tecnología de almacenamiento de energía de batería de flujo líquido

La batería de flujo líquido es un dispositivo de almacenamiento de energía electroquímica que puede realizar la conversión mutua de energía eléctrica y energía química a través de la reacción REDOX de la sustancia activa líquida. Debido a su potencia y capacidad independientes, profundidad de carga y descarga, buena seguridad y otras ventajas sobresalientes, se ha convertido en una de las mejores opciones en el campo del almacenamiento de energía.

Desde la invención de la batería de flujo de líquido en la década de 1970, ha pasado por cientos de proyectos de laboratorio a empresa, de prototipo a producto estándar, de aplicación de demostración a promoción comercial, de pequeña a gran escala, de función única a integral, con un capacidad instalada total de unos 40 mw.

La batería de flujo de vanadio total con una capacidad instalada de 35 mw es la batería de flujo de líquido más utilizada. Con el apoyo técnico del instituto de física química de Dalian, la academia china de ciencias, el desarrollo de tecnología de almacenamiento de energía dalian rongke co., LTD. (en lo sucesivo, almacenamiento de energía rongke) cooperó con el instituto de física química de Dalian para realizar la localización y producción a gran escala de los materiales clave de la batería de flujo de líquido completamente de vanadio. Los productos de electrolitos se han exportado a Japón, Corea del Sur, Estados Unidos, Alemania y Reino Unido. La alta selectividad, alta durabilidad y bajo costo de la membrana de conducción de iones no fluorada desarrollada es mejor que la membrana de intercambio iónico de ácido sulfónico perfluorado, y el precio es solo el 10% de esta última, lo que realmente rompe el "cuello de botella de costos" de la batería de flujo de vanadio.

A través de la optimización estructural y la aplicación de nuevos materiales, la densidad de corriente nominal de pila eléctrica de las baterías de flujo de vanadio ha aumentado de los 80 ma / c ㎡ originales a 120 ㎡ y la ma / c mantiene el mismo rendimiento, los costos de electricidad se desplomaron casi un 30%, la especificación de pila única de 32 kw, se ha exportado a Estados Unidos y Alemania. En mayo de 2013, el sistema de almacenamiento de energía de batería de flujo de vanadio completo de 5 megavatios / 10 megavatios hora más grande del mundo se conectó con éxito a la red en el parque eólico guodian longyuan niushi de 50 megavatios. Desde entonces, el proyecto de almacenamiento de energía de 3 mw / 6 mw hora para la conexión a la red de energía eólica en jinzhou y el proyecto de almacenamiento de energía de 2 mw / 4 mw hora para guodian y eólica también son casos importantes para que China explore el modelo de negocio de almacenamiento de energía.

Otro líder en el campo de las baterías de flujo de vanadio es sumitomo eléctrico. La compañía reinició el negocio de baterías de flujo líquido en 2010 y construirá una central eléctrica de batería de flujo líquido de vanadio de 15 megavatios / 60 megavatios hora en 2015 para resolver la regulación de carga máxima y la presión de la calidad de la energía causada por la gran- Conexión a la red de una estación de energía solar a escala en Hokkaido. La implementación exitosa de este proyecto será otro hito en el campo de la batería de flujo de líquido completamente de vanadio. En 2014, UniEnergyTechnologies, LLC (UET) estableció un sistema de almacenamiento de energía de batería de flujo de vanadio completo de 3 mw / 10 mw con el apoyo del departamento de energía de EE. UU. Y la fundación de energía limpia de Washington. En este proyecto, UET aplicará su tecnología de electrolitos de ácido mixto por primera vez, lo que aumentará la densidad de energía en aproximadamente un 40%, ampliará la ventana de temperatura y el rango de voltaje de las baterías de flujo de vanadio y reducirá el consumo de energía en la gestión térmica.

En la actualidad, es una tarea importante mejorar la eficiencia energética y la confiabilidad del sistema de la batería de flujo de líquido y reducir su costo. Desarrollar materiales de batería de alto rendimiento, optimizar el diseño de la estructura de la batería y reducir la resistencia interna son las tecnologías clave. Recientemente, zhang hua y su equipo a través de la innovación en el material de la batería y la innovación en la estructura, lograron que las baterías de flujo total de vanadio de una sola batería en 80 ma / / c ㎡ la densidad de corriente de trabajo, la eficiencia energética de carga y descarga aumentaran al 93% del 81% Hace unos años, demostrar plenamente que tiene un amplio espacio de desarrollo y perspectivas.

Tecnología de batería de litio - azufre

En los últimos años, la tecnología tradicional de baterías de iones de litio ha avanzado continuamente, pero la energía específica de la batería aún no puede cumplir con los requisitos de la aplicación, y la tecnología de baterías sigue siendo el mayor cuello de botella en el desarrollo de dispositivos electrónicos portátiles y vehículos eléctricos. . Para realizar el avance innovador de la tecnología de batería de alta energía específica, los investigadores eligen la dirección del avance como batería de azufre de litio con mayor densidad de energía, batería de aire de litio y otra batería de aire de metal, y han logrado algunos avances. Algunas nuevas tecnologías de baterías ya se muestran prometedoras.

La batería de litio y azufre es un tipo de batería con un elemento de azufre como electrodo positivo y metal de litio como electrodo negativo. Su densidad de energía específica teórica puede alcanzar los 2600Wh / kg, y la densidad de energía real puede alcanzar los 450Wh / kg. Al mismo tiempo, el azufre es barato, abundante y respetuoso con el medio ambiente, que es lo más cercano a la industrialización de la tecnología de baterías de alta energía específica.

A nivel internacional, los fabricantes representativos de investigación y desarrollo de baterías de litio y azufre incluyen SionPower, Polyplus, Moltech de Estados Unidos, Oxis de Reino Unido y Samsung de Corea del Sur, etc., entre los que SionPower es el más representativo. En 2010, SionPower aplicó baterías de litio y azufre a vehículos aéreos no tripulados (uav). La batería fue cargada por células solares durante el día y descargada por la noche para proporcionar energía, lo que estableció un récord de 14 días consecutivos de vuelo para uav. Es un ejemplo de aplicación exitoso de batería de azufre de litio. En China, la investigación sobre baterías de litio y azufre se concentra principalmente en el instituto dalian de compuestos químicos de la academia china de ciencias, el instituto chino de prevención e investigación química, el instituto tecnológico de Beijing y otras instituciones de investigación. En la actualidad, la batería de litio y azufre desarrollada en China ha estado en una posición de liderazgo en el mundo en términos de densidad de energía (> 450Wh / kg), pero después de docenas de tiempos normales de carga y descarga, la densidad de energía se ha reducido considerablemente y su ciclo de vida debe mejorarse urgentemente.

La batería de litio-azufre es una de las tecnologías más avanzadas del mundo. Cómo mejorar el ciclo de vida y la seguridad de la batería será la clave para el desarrollo industrial de la batería de li-azufre.

Tecnología de batería de aire de metal

En la actualidad, las baterías de aire de metal, especialmente las de litio-aire, han atraído gran atención y han logrado grandes avances.

La batería de litio-aire toma el metal de litio como electrodo negativo y el oxígeno del aire como material activo del electrodo positivo. La densidad de energía teórica de la batería es de aproximadamente 3500Wh / kg, 10 veces la de las baterías de iones de litio y cercana a la de la gasolina. Con miras a las posibles perspectivas de aplicación de las baterías de litio-aire, muchos países del mundo han llevado a cabo trabajos de investigación relevantes. IBM ha estado trabajando en el proyecto "batería 500", cuyo objetivo es dar a los coches eléctricos una autonomía de 500 millas con una sola carga. La incorporación de empresas como Asahi Chemical de Japón promoverá la investigación de diafragmas y electrolitos.

El concepto de batería de litio-aire no es del todo nuevo y fue propuesto por primera vez por investigadores de Lockheed en 1976. En 1996, Abraham et al. propuso el sistema de electrolitos orgánicos, que inició una nueva situación en el estudio de las baterías de litio-aire. En la actualidad, el estudio de la batería de li-aire se centra principalmente en el electrodo positivo, que determina directamente el rendimiento de la batería. En términos de densidad energética, el material más representativo es el grafeno. Investigadores del laboratorio nacional del noroeste del Pacífico en los Estados Unidos han desarrollado un material de grafeno en capas con una estructura similar a una burbuja que alcanza una capacidad específica de descarga de aproximadamente 15.000 mah / g, muy superior a la de las baterías de iones de litio existentes.

Sin embargo, los productos intermedios que contienen oxígeno generados en el proceso de carga y descarga de la batería de litio-aire tendrán reacciones químicas con materiales de carbono y electrolitos, lo que resultará en la generación de una gran cantidad de subproductos (como carbonato de litio, etc. ), que afecta en gran medida el ciclo de la batería y es el problema de cuello de botella que restringe su desarrollo. Bruce y col. aplicó oro poroso y carburo de titanio al electrodo positivo, que puede inhibir eficazmente las reacciones secundarias, y la tasa de retención de 100 ciclos es superior al 95%.

La alta densidad de energía es la principal ventaja de la batería de li-aire, y la estabilidad del ciclo es el problema clave y difícil para su desarrollo. Por otro lado, la purificación del metal de litio, la protección del ánodo de litio y la inhibición de dendrita durante la carga y descarga, el desarrollo de componentes catalíticos positivos altamente activos y una membrana selectiva permeable al oxígeno, y la tecnología de integración del diseño de la estructura de la batería son todos problemas que deben ser efectivos. resuelto en el proceso práctico.

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