La evolución y el desarrollo en espiral de las baterías de litio y las pilas de combustible.

Si analizamos detenidamente los cambios en la investigación básica y las políticas industriales de la Unión Europea (UE) y el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) en el campo del litio y las pilas de combustible durante los últimos 20 años, se puede ver claramente que el litio las baterías y las pilas de combustible son en realidad una "familia feliz". De hecho, las baterías de litio y las pilas de combustible no han estado realmente "frías" en las últimas décadas, pero el grado de atención es diferente. Todos son altibajos, y cantas a nuestro lado, la industria de la energía química está tan desarrollada en espiral. Este artículo revisa el desarrollo de baterías de litio y pilas de combustible. Analicemos: ¿Por qué China y Japón eligen diferentes rutas técnicas en el desarrollo de vehículos eléctricos puros? ¿O qué tipo de sistema de energía es más adecuado para vehículos eléctricos puros?

Los vehículos de nueva energía son industrias emergentes que se han desarrollado en China en los últimos años. En enero de 2009, el Ministerio de Ciencia y Tecnología, el Ministerio de Finanzas, la Comisión Nacional de Desarrollo y Reforma y el Ministerio de Industria y Tecnología de la Información pusieron en marcha conjuntamente los "Diez miles de proyectos de demostración y aplicación de vehículos de ahorro de energía y nuevas energías", marcando el nuevo La industria automotriz energética se elevó oficialmente a una estrategia nacional.

En 2012, el Consejo de Estado emitió el “Plan de Desarrollo de la Industria de Vehículos de Nuevas Energías y Conservación de Energía (2012-2020)”, que definió la definición de vehículos de ahorro de energía y vehículos de nuevas energías, y determinó el camino y los objetivos de la realización. El plan aclara que el desarrollo de vehículos de nueva energía en China se centrará en vehículos eléctricos puros con batería de iones de litio (LIB-EV).

En los últimos años, los vehículos eléctricos puros con baterías de iones de litio se han convertido en la ruta principal de los vehículos de nueva energía en China. En la actualidad, los vehículos eléctricos puros de China son básicamente automóviles de pasajeros con baterías ternarias, mientras que los vehículos comerciales utilizan principalmente un patrón de desarrollo de baterías de fosfato de hierro y litio.

Japón, que es el líder mundial en el desarrollo e industrialización de vehículos eléctricos, es inconsistente con China en la ruta de la tecnología de vehículos eléctricos. En diciembre de 2014, Toyota, la compañía automotriz más grande del mundo, lanzó oficialmente Mirai, el primer vehículo eléctrico de celda de combustible producido en masa del mundo. El precio de este automóvil en Japón fue de 7.236 millones de yenes (equivalente a 383.000 RMB). El precio de la subvención es de 275.000 yuanes). Después de esto, Honda también lanzó su vehículo de pila de combustible de nueva generación FCV Clarity en la segunda mitad de 2015. De hecho, ya en mayo de 2014, el Ministerio de Economía, Comercio e Industria de Japón emitió la “Estrategia de promoción para la promoción del hidrógeno Vehículos de pila de combustible ”, que estableció el estándar de la industria nacional para los vehículos de pila de combustible de hidrógeno. Posteriormente, el gobierno japonés propuso objetivos específicos para los vehículos de pila de combustible de hidrógeno y programas de apoyo a las políticas en la “Implementación de recomendaciones de política hidrosocial”. Además, las empresas japonesas Nissan, Hyundai, General Motors (GM), BMW y Volkswagen (VW) también han lanzado sus propios planes de industrialización de vehículos eléctricos de pila de combustible en los últimos dos años. .

Podemos ver que China y Japón (en realidad, incluidas las principales empresas automovilísticas coreanas y europeas) han elegido diferentes rutas técnicas en la dirección del desarrollo de vehículos eléctricos puros. La noticia de la producción en masa de pilas de combustible para dos campos (Toyota y Honda) provocó acaloradas discusiones en la industria nacional de vehículos eléctricos y formó dos perspectivas:

Una opinión es que la industria automotriz japonesa se equivoca al tomar rutas de celdas de combustible en vehículos eléctricos puros (teoría del error de ruta). El ejemplo es el actual vehículo eléctrico internacional Tesla en Estados Unidos. Otro punto de vista es que el desarrollo de vehículos de pila de combustible por parte de Japón es más por sus servicios de la industria militar y engaña la dirección de los vehículos eléctricos de China (teoría de la conspiración).

Estos diferentes puntos de vista se abandonan temporalmente. Frente a la realidad de la producción comercial a pequeña escala de vehículos de pila de combustible Toyota y Honda, lo primero que debemos considerar seriamente ahora es por qué China y Japón han elegido diferentes rutas técnicas en el desarrollo de vehículos eléctricos puros. ¿O qué tipo de sistema de energía es más adecuado para vehículos eléctricos puros?

Ya sea una batería de iones de litio (batería de iones de litio, LIB) o una celda de combustible de membrana de intercambio de protones (celda de combustible de membrana de intercambio de protones, PEMFC), se trata de un campo de alta tecnología altamente especializado que implica una integración multidisciplinaria. El autor tiene un conocimiento bastante bueno de estos dos sistemas de energía química. En este artículo, el autor abandonará los profundos principios científicos de la electroquímica, la química sólida y la electrocatálisis, y se situará en el punto de vista macroscópico. El sistema de energía química se analiza y compara, y se espera que los lectores puedan proporcionar diferentes perspectivas y ángulos sobre el tema de la fuente de energía pura para vehículos eléctricos.

Antes de comparar los dos sistemas de energía, primero debemos comprender las características más esenciales de LIB y PEMFC, para comprender los respectivos campos aplicables de estas dos fuentes de energía química.

Básicamente, una batería secundaria es un dispositivo de almacenamiento de energía que almacena y libera energía eléctrica a través de una reacción electroquímica reversible. La medida básica de la capacidad de una batería secundaria para almacenar energía eléctrica es la densidad de energía (WH / Kg o WH / L). La pila de combustible es un dispositivo de producción de energía eléctrica que convierte la energía química del combustible en energía eléctrica mediante una reacción electrocatalítica. Aunque la pila de combustible también se llama "batería" (el motivo de la traducción al chino), su modo de funcionamiento básico es algo similar al de un motor de combustión interna, que es esencialmente diferente de una batería secundaria convencional. La medida básica de la capacidad de producción de energía de la pila de combustible es la densidad de potencia (W / Kg o W / L). Las diferentes naturalezas del trabajo de los dos sistemas de potencia electroquímica determinarán directamente su diferente posicionamiento en el nivel de aplicación, que discutiré en detalle más adelante.

Investigación y desarrollo de baterías de iones de litio y pilas de combustible.

Antes de comparar y analizar las perspectivas de aplicación de las baterías de iones de litio (LIB) y las pilas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC) en el campo de los vehículos eléctricos puros, es necesario repasar brevemente el desarrollo de las dos para que los lectores puedan ser más intuitivos Conciencia . Si analizamos detenidamente los cambios en la investigación básica y las políticas industriales de la Unión Europea (UE) y el Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) en el campo del litio y las pilas de combustible durante los últimos 20 años, se puede ver claramente que el litio las baterías y las pilas de combustible son en realidad una "familia feliz".

De hecho, a finales del siglo XIX, los automóviles se desarrollaron por primera vez a partir de vehículos a batería. La producción de automóviles con batería de plomo-ácido alcanzó su punto máximo a principios del siglo XX. Sin embargo, con el uso innovador de la línea de producción para producir el automóvil T en 1908 (reduciendo sustancialmente el costo), y la aparición del encendido eléctrico del automóvil de gasolina en 1912 (uso más conveniente), causó un golpe fatal a el coche de batería de plomo-ácido. El coche eléctrico se ha retirado desde entonces del escenario histórico. Hasta finales del siglo pasado, debido a los avances tecnológicos en las fuentes de energía química de alta energía (baterías secundarias y pilas de combustible), los vehículos eléctricos han vuelto a recibir atención. La primera ronda internacional de investigación sobre pilas de combustible tuvo lugar en la década de 1970. Debido a la demanda de la industria espacial estadounidense, se promovió el uso de pilas de combustible alcalinas (AFC). Más tarde, GM también produjo el primer automóvil de pila de combustible AFC del mundo. Dado que AFC debe usar oxígeno puro y no puede usar directamente aire, AFC no se puede usar en el campo civil, pero muchas tecnologías de AFC se trasplantaron posteriormente a PEMFC.

En la década de 1970, las dos crisis petroleras internacionales causadas por la guerra árabe-israelí no solo tuvieron un profundo impacto en la estructura política y económica mundial, sino que también llevaron a los países occidentales a reconocer profundamente la importancia de encontrar nuevas fuentes de energía y, por lo tanto, el nuevo alto energía. El estudio de la energía química ha producido un impulso sin precedentes. Es durante este período que la gente ha hecho grandes avances en la investigación básica sobre electrolitos orgánicos, materiales de electrodos sólidos, membranas de intercambio de protones y cinética de procesos de electrodos. La batería de sodio-azufre y la batería de iones de litio son los principios básicos construidos durante este período. .

Gracias al progreso de la investigación en el campo de los óxidos de metales de transición, compuestos de intercalación de litio y grafito y electrolitos orgánicos en la década de 1980, SONY Corporation de Japón comercializó con éxito baterías de iones de litio por primera vez en 1991. La batería inicial de iones de litio tiene una baja densidad de energía. debido al uso de material de ánodo de carbono duro de poliacetal pirolizado. Desde que Osaka City Gas Company industrializó MCMB en 1994, el rendimiento de la batería de iones de litio se ha mejorado enormemente para ocupar rápidamente la batería del teléfono móvil. El mercado se desarrolló rápidamente y, a fines del siglo pasado, se lanzó la primera ola de industrialización de baterías de litio a escala mundial. Correspondiente a esto es la primera ronda de investigación internacional sobre baterías de litio de 1995 a 2002. El desarrollo de baterías de iones de litio también comenzó a surgir a principios de este siglo (representado por el SAFT francés), pero no atrajo una atención generalizada alrededor del mundo.

En 1996, la administración Clinton de los Estados Unidos abrió el preludio a la investigación básica y la industrialización de la "economía del hidrógeno" (energía del hidrógeno y pilas de combustible), seguida por la UE. En los ocho años de la administración del presidente Bush, la investigación sobre la "economía del hidrógeno" alcanzó su punto máximo en los países desarrollados occidentales, especialmente en los Estados Unidos, y esta es la investigación básica de las baterías de iones de litio de 2002 a 2007. En los últimos seis años, ha caído en un abrevadero. Por supuesto, la industrialización de las baterías de litio todavía se está desarrollando rápidamente.

La segunda ronda de la ola de investigación / industrialización de celdas de combustible se ha enfriado gradualmente después de 2007. Los detalles se discutirán en detalle en capítulos posteriores. Desde que Obama fue elegido presidente de los Estados Unidos en 2008, el gobierno de los Estados Unidos ha pasado de las pilas de hidrógeno y de combustible a las baterías de iones de litio en la dirección estratégica de los vehículos eléctricos, que es la segunda ronda de investigación e industrialización de baterías de litio en el mundo. Este cambio no es la voluntad del DOE. La principal razón detrás de esto es la producción industrial y el almacenamiento de hidrógeno y los desafíos técnicos de la pila de combustible en términos de tecnología, costo y longevidad. Estos problemas han obstaculizado seriamente la industrialización de los vehículos eléctricos de pila de combustible.

La nueva política de industrialización e investigación energética de Japón está formulada principalmente por la Agencia de Desarrollo de Tecnología de la Industria de la Nueva Energía (NEDO). A diferencia de la montaña rusa del litio y las pilas de combustible en los EE. UU. Y Europa, Japón no se ha quedado atrás en su apoyo durante las últimas décadas. No hay mucha diferencia en el soporte entre los dos campos. Esto se debe principalmente a que Japón se encuentra en una posición de liderazgo en la industrialización global en ambos campos, y la industria de las baterías de litio en Europa y Estados Unidos no se ha desarrollado.

Si estudiamos cuidadosamente los informes anuales del DOE sobre baterías de litio (proyectos BATT y ABR), el proyecto ALISTORE de la UE y los proyectos relacionados con el litio NEDO en Japón, podemos ver eso en comparación con el fructífero auge de investigación de baterías de litio de primera ronda en el finales del siglo pasado, esta ronda de investigación básica basada en el litio básicamente no ha logrado ningún avance importante, pero tiene características académicas obvias de "formación de espuma" (expresadas en "nano-litio" y fosfato de hierro y litio), la siguiente etapa de DOE en alta energía Cambiar la dirección de la financiación en el sector de la energía química será cuestión de tiempo. De hecho, la ruta técnica y los objetivos de desarrollo del DOE de EE. UU. Siempre han sido la referencia básica para el Ministerio de Ciencia y Tecnología y el Ministerio de Industria y Tecnología de la Información para formular políticas de investigación e industrialización de vehículos de nueva energía. Entonces, ¿cuál es la próxima ronda de investigación e industrialización del DOE de nuevas fuentes de energía química de alta energía? Esperemos y veremos.

De hecho, los lectores que comprendan la historia del desarrollo de la energía química deben comprender que las baterías secundarias y las pilas de combustible no han estado realmente "frías" en las últimas décadas, pero el grado de atención es diferente. Han pasado por altibajos, y así fue como comenzó la industria de la energía química.

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