Энергетическая плотность аккумулятора: Плотность энергии новой твердотельной батареи в 3,5 раза выше, чем у Tesla — dvd-auto.ru — Штатные головные устройства c GPS навигацией

Содержание

Плотность энергии новой твердотельной батареи в 3,5 раза выше, чем у Tesla

Инженеры компании Samsung сообщили о создании твердотельного литий-металлического аккумулятора с плотностью энергии 900 Вт*ч/л. Это минимум в 3 раза превосходит плотность энергии лучших на сегодняшний день литиевых аккумуляторов. При этом новый аккумулятор намного безопаснее аналогов. Его появление совершит революцию в электромобилях — позволит снизить на 50% размер аккумуляторов (это половина веса и треть стоимости электрокаров), увеличив при этом пробег машин вдвое.

Исследователи из компании Samsung опубликовали работу с описанием твердотельной литий-металлической батареи нового поколения. Как сообщает Clean Technica, плотность энергии у нее намного выше, чем у традиционных литий-ионных аккумуляторов. К тому же, за счет отсутствия электролита, такая конструкция более безопасна.

Долгое время основной проблемой литий-металлических аккумуляторов оставалось нарастание дендритов на анодах. В Samsung нашли способ справиться с ней — серебряно-углеродное напыление на поверхности анода. Слоя толщиной 5 микрометров оказалось достаточно, чтобы защитить батарею от разрушения.

Новый подход позволил довести плотность энергии в аккумуляторах до 900 Вт*ч/л.

Для сравнения: лучшие литий-ионные батареи сегодня имеют плотность энергии в районе 250 Вт*ч/кг. Ежегодно за счет совершенствования технологий удается улучшать этот показатель примерно на 5%. Еще несколько лет назад плотность энергии аккумуляторов Tesla была 180 Вт*ч/кг. Прорыв инженеров Samsung приведет к революции в аккумуляторах для всех вариантов их использования — от электромобилей и смартфонов до промышленных систем хранения энергии.

Плотность хранения энергии, достигнутая инженерами Samsung, резко приблизила аккумуляторы к такому традиционному источнику энергии, как бензин — у него этот показатель 2 900 Вт*ч/кг.

Разумеется, прежде чем технология станет основой для коммерческих устройств, необходимо будет провести множество дополнительных исследований. Однако если учесть, что разработкой занимается одна из крупнейших технологических компаний в мире, путь из лаборатории в производственные цеха может занять не годы, а месяцы.

В случае успеха литий-металлические батареи можно будет использовать во всех видах электроники. В частности, они позволят ускорить распространение электромобилей: можно будет одновременно уменьшить вес батарей и в тоже время существенно увеличить дальность пробега на одной зарядке.

Например, можно будет без проблем уменьшить объем батарей на 50%, увеличив при этом почти в 2 раза их мощность и соответственно дальность пробега.

Применение таких батарей в смартфонах, планшетах и прочих гаджетах позволит также уменьшить их вес за счет более компактного аккумулятора, но при этом они смогут работать без подзарядки в разы дольше.

Исследователи из США разработали литий-ионную батарею, которая сочетает стабильность и высокую плотность энергии. При этом число циклов заряда и разряда превысило 4000 — этого хватит, чтобы электромобиль с такой батареей проехал 1,6 млн км.

Плотность хранения энергии в литий-ионных батареях увеличена в 10 раз

Нынешние литий-ионные батареи, требующие долгой зарядки — самое слабое место электромобилей. Однако их дешевизна ставит крест на иных технологиях, по крайней мере в среднесрочной перспективе. Digital Trends рассказывает о стартапе XNRGI, который утверждает, что совершил невозможное: там разработали безопасные, емкие и быстро впитывающие энергию литий-ионные батареи на базе уже широко используемых решений.

Сейчас литий-ионные аккумуляторы разного размера используются повсеместно — от смартфонов до электромобилей. Для их изготовления задействованы огромные мощности, и, тем не менее, эксперты советуют готовиться неминуемому дефициту при условии сохранения нынешних технологий.

XNRGI утверждает, что нашла выгодный для всех поход — и, в отличие от многих других компаний, там готовы рассказать о нем намного подробнее обычных ссылок на «прорывной техпроцесс» или «революционные материалы». Тем более что и процессы, и материалы компания использует вполне привычные — просто из другой сферы. А их применение для изготовления аккумуляторов защищено рядом патентов.

Основа прорывной батареи Powerchip — обычная кремниевая подложка с пористой структурой, которую десятки лет используют при изготовлении микросхем. Вернее — использовали некоторое время назад. Сейчас техпроцессы шагнули вперед, а вот слишком крупные и толстые для нынешней электроники подложки недавнего прошлого можно использовать для хранения энергии — очень эффективного и безопасного. Их буквально производят по всему миру.

XNRGI утверждает, что, «залив» 12-дюймовую подложку металлом, получает батарею на 1 кВт. Разумеется, это лишь начало истории.

Подложка, изоляционный и металлический слои — все это уже изготавливают для нужд электроники, подчеркивает глава компании Крис Дикуото. Это значит, что для организации производства не нужно строить фабрику полного цикла за миллиарды долларов. Для начала хватит и скромного «сборочного» производства.

Однако потенциальная простота конструкции — лишь одно из преимуществ. В каждой такой 12-дюймовой структуре до 160 млн пор. «Каждая работает словно микроскопическая батарейка», — говорит Дикуото. При этом общая поверхность трехмерной батареи в 70 раз выше, чем у современных двумерных решений. А каждая пора отделена от других, что, во-первых, предотвращает короткое замыкание, а во-вторых, позволяет заряжать батарею в разы быстрее.

Аноду батареи пористая структура тоже дает серьезные преимущества.

Дикуото утверждает, что обычный для Li-Ion батарей графит не используется. Заливая пористую основу чистым литием, в XNRGI получают плотность хранения энергии в 10 раз выше.

По расчетам авторов, такой анод может «переварить» за 15 минут достаточно энергии, чтобы зарядиться на 80%. А батарея Powerchip при равном весе обеспечит прирост «дальнобойности» электрокара на 280%, то есть примерно до 1100 км.

Новая технология обеспечивает прорыв и еще в одной сфере: батареи будут не только быстро заряжаться, но и дольше служить. Главная причина естественной деградации после сотен подзарядок — дендриты. Это кристаллические образования, под микроскопом напоминающие ветви растений. Они проникают в катод и разрушают аккумулятор. Опыты показали, что благодаря кремниевым стенкам дендритам сложно распространяться за пределы отдельных пор. А отказ одной микробатарейки-поры не влияет на характеристики аккумулятора, где их миллионы.

Сейчас, помимо частных инвестиций, XNRGI получила деньги от Минэнерго США и выстраивает планы по захвату мира. В 2020 году, обещает Дикуото, батареи Powerchip появятся на скутерах и дронах. К 2022 или 2023 году он надеется предложить решения для электромобилей: их производители, наконец, смогут выбрать, ставить дальнобойную батарею обычного веса или ограничиться обычными 300-400 км, но сэкономить пару центнеров веса. В 2024 году он прогнозирует широкое внедрение.

Стоит отметить, что исследованием в области улучшения характеристик литий-ионных батарей заняты сотни команд по всему миру: аккумулятор нового поколения создают в самой секретной лаборатории Tesla, в США разработали революционный катод, а в Японии — материал для самовосстанавливающихся батарей. На фоне этого обещания XNRGI улучшить абсолютно все характеристики выглядят очень смело. Однако Digital Trends предлагает взглянуть на это с другой стороны: раз уж над этим работают десятки тысяч специалистов, может, не стоит так удивляться, что у кого-то, похоже, получилось.

Ученые в три раза увеличили плотность энергии в литий-ионных батареях

Юлия Красильникова18 июня 2018, 08:40Фото: EAST NEWS

Повысить плотность электродов в литий-ионных батареях удалось группе исследователей из Брукхейвенской национальной лаборатории (США). Для этого они разработали катодный материал на основе фторида железа (III) с увеличенной емкостью. Такую технологию применяли и раньше, но ее возможности были ограничены. Результаты исследования опубликовали в журнале Nature Communications.

688

Повышение емкости и эффективности литий-ионных аккумуляторов позволит создавать более мощные электромобили и системы хранения энергии. Однако, пока технология еще далека от совершенства. Новый способ ее улучшить нашли химики из Брукхейвенской национальной лаборатории совместно с учеными из Мэрилендского университета в Колледж-Парке и Армейской научно-исследовательской лаборатории США.

По словам исследователей, современные литий-ионные батареи содержат графитовые аноды большой емкости и, в то же время, довольно слабые катоды. «Именно катодные материалы представляют собой главную проблему при повышении плотности энергии у литий-ионных батарей», — цитирует Science Daily автора работы Сюлинь Фаня.

Для устранения этого недостатка американские химики синтезировали улучшенный катодный материал на основе фторида железа (III). В отличие от большинства аналогов, FeF3 способен переносить не один электрон, а несколько с помощью реакции конверсии.

Предыдущие эксперименты с FeF3 показали, что у такого материала есть три существенных недостатка. Ученые обнаружили, что ухудшается энергоэффективность, замедляется скорость протекания реакции, а также появляются другие «побочные эффекты», которые плохо сказываются на долговечности аккумулятора.

Чтобы избежать этих последствий, химики дополнили наностержни FeF3 атомами кобальта и кислорода, использовав реакцию замещения. Это позволило контролировать направление химической реакции и сделало ее более обратимой.

Ученые провели несколько экспериментов, чтобы проверить качество катодного материала. Они применили метод просвечивающей электронной микроскопии и установили, что скорость реакции увеличилась. Также в лаборатории провели процедуру порошковой рентгеновской дифракции.

Оба метода показали, что качество материала выросло. Такая технология в теории позволит увеличить плотность электродов литий-ионного аккумулятора в три раза и увеличить емкость батареи.

Ранее ученые из Университета Райса (США) представили простой метод производства трехмерных проводников из графеновой пены при помощи лазера. В ходе эксперимента исследователи собрали из блоков пены конденсатор с гравиметрической емкостью анода в 354 миллиампер-час на грамм — это предельный показатель для графита. Емкость катода также превзошла среднюю емкость других углеродных материалов.

Facebook68Вконтакте8WhatsAppTelegram

Аккумуляторы: плотность энергии

Автор: Юлиюс Мацкерле (Julius Mackerle)
Источник: «Современный экономичный автомобиль» [1]
13750 0

Масса и размеры резервуара, бака или аккумулятора с энергоносителем, используемым для привода автомобиля, не должны быть большими. С этой точки зрения, наиболее удобны бензин и дизельное топливо. Но после исчерпания запасов ископаемого топлива заменить их источниками энергии с такими же массогабаритными параметрами будет очень трудно. Известные в настоящее время аккумуляторы не удовлетворяют многим современным требованиям, поэтому ведется интенсивный поиск их новых видов, однако достигнутые результаты являются пока малообещающими.

Хотя атомная энергия обладает наибольшей плотностью, способы ее высвобождения очень сложны, а обеспечение защиты от вредного влияния радиоактивного излучения в небольших установках настолько затруднительно, что все преимущества первоначального источника энергии обесцениваются, так как сами установки отличаются чрезвычайной сложностью, большими размерами и массой.

Разумеется, полностью отрицать возможность прямого использования атомной энергии для привода автомобиля нельзя, однако полученные в настоящее время результаты не дают достаточного стимула для продолжения поисков. Преобразование тепловой энергии ядерного излучения в электрическую для транспортных средств наиболее приемлемо, но пока это осуществимо только на стационарных атомных электростанциях [2]. Ниже приведена плотность энергии, запасаемой в различных аккумуляторах.

Плотность энергии в различных аккумуляторах
Тип аккумулятора	Плотность энергии, Вт∙ч/кг
Маховик из стали	20—40
Маховик из материала «Кевлар»	70—120
Свинцовый	30—35
Никель-кадмиевый	40—60
Никель-металл-гидридный	60—80
Серебряно-цинковый	100
Литий-ионный	100—150
Литий-полимерный	150—200
Тепловой LiF	470
Гидрид FeTi	470
Гидрид NiMg	940
Гидрид MgH₂ (5 % H₂)	1800
Водород	33000
Бензин	11000

Относительно высокой плотностью энергии обладает тепловой аккумулятор на фтористом литии LiF, который удалось применить, например, в двигателе Стирлинга.

В отличие от электрических аккумуляторов тепловой аккумулятор имеет длительный срок службы.

Последнее обновление 13.06.2012
Опубликовано 08.06.2012

Сноски

↺ Мацкерле Ю. Современный экономичный автомобиль/Пер. с чешск. В. Б. Иванова; Под ред. А. Р. Бенедиктова. — М.: Машиностроение, 1987. — 320 с.: ил.//Стр. 299 — 301 (книга есть в библиотеке сайта). – Прим. icarbio.ru
↺ Этот способ преобразования энергии применяется также в больших судовых энергетических установках. – Прим. ред. А. Р. Бенедиктова

какими могут быть аккумуляторы будущего / Блог компании Mail.ru Group / Хабр

В последние годы мы часто слышали, что вот-вот — и человечество получит аккумуляторы, которые будут способны питать наши гаджеты неделями, а то и месяцами, при этом очень компактные и быстрозаряжаемые.

Но воз и ныне там. Почему до сих пор не появились более эффективные аккумуляторы и какие существуют разработки в мире, читайте под катом.

Сегодня ряд стартапов близки к созданию безопасных компактных аккумуляторов со стоимостью хранения энергии около 100 долларов за кВт⋅ч. Это позволило бы решить проблему электропитания в режиме 24/7 и во многих случаях перейти на возобновляемые источники энергии, а заодно снизило бы вес и стоимость электромобилей.

Но все эти разработки крайне медленно приближаются к коммерческому уровню, что не позволяет ускорить переход с ископаемых на возобновляемые источники. Даже Илон Маск, который любит смелые обещания, был вынужден признать, что его автомобильное подразделение постепенно улучшает литий-ионные аккумуляторы, а не создаёт прорывные технологии.

Многие разработчики верят, что будущие аккумуляторы станут иметь совсем другую форму, строение и химический состав по сравнению с литий-ионными, которые в последнее десятилетие вытеснили иные технологии со многих рынков.

Основатель компании SolidEnergy Systems Кичао Ху (Qichao Hu), в течение десяти лет разрабатывавший литий-металлический аккумулятор (анод металлический, а не графитовый, как в традиционных литий-ионных), утверждает, что главная проблема при создании новых технологий хранения энергии заключается в том, что при улучшении какого-то одного параметра ухудшаются остальные. К тому же сегодня существует столько разработок, авторы которых громко утверждают о своём превосходстве, что стартапам очень трудно убедить потенциальных инвесторов и привлечь достаточно средств для продолжения исследований.

Согласно отчёту Lux Research, за последние 8—9 лет компания вложила в исследование хранения энергии около 4 млрд долларов, из которых стартапам, создающим «технологии нового поколения», в среднем досталось по 40 млн долларов. При этом Tesla вложила около 5 млрд долларов в Gigafactory, занимающуюся производством литий-ионных аккумуляторов. Такой разрыв очень трудно преодолеть.

По словам Герда Седера (Gerd Ceder), профессора в области материаловедения Калифорнийского университета в Беркли, создание маленькой производственной линии и решение всех производственных проблем для налаживания выпуска аккумуляторов обходится примерно в 500 млн долларов. Автопроизводители могут годами тестировать новые аккумуляторные технологии, прежде чем решить, приобретать ли создавшие их стартапы. Даже если новая технология выходит на рынок, нужно преодолеть опасный период наращивания объёмов и поиска клиентов. К примеру, компании Leyden Energy и A123 Systems потерпели неудачу, несмотря на перспективность их продуктов, поскольку финансовые потребности оказались выше расчётных, а спрос не оправдал ожиданий. Ещё два стартапа, Seeo и Sakti3, не успели выйти на массовые объёмы производства и значительный уровень дохода и были куплены за гораздо меньшие суммы, чем ожидали первичные инвесторы.

В то же время три основных мировых производителя аккумуляторов — Samsung, LG и Panasonic — не слишком заинтересованы в появлении инноваций и радикальных переменах, они предпочитают незначительно улучшать свою продукцию. Так что все стартапы, предлагающие «прорывные технологии», сталкиваются с основной проблемой, о которой они предпочитают не упоминать: литий-ионные аккумуляторы, разработанные в конце 1970-х, продолжают совершенствоваться.

Но всё же — какие технологии могут прийти на смену вездесущим литий-ионным аккумуляторам?

Литий-воздушные «дышащие» аккумуляторы

В литий-воздушных аккумуляторах в качестве окислителя используется кислород. Потенциально они могут быть в разы дешевле и легче литий-ионных аккумуляторов, а их ёмкость способна оказаться гораздо больше при сравнимых размерах. Главные проблемы технологии: значительная потеря энергии за счёт теплового рассеивания при зарядке (до 30 %) и относительно быстрая деградация ёмкости. Но есть надежда, что в течение 5—10 лет эти проблемы удастся решить. Например, в прошлом году была представлена новая разновидность литий-воздушной технологии — аккумулятор с нанолитическим катодом.

Зарядное устройство Bioo

Это устройство в виде специального горшка для растений, использующего энергию фотосинтеза для зарядки мобильных гаджетов.

Энергетическая плотность аккумулятора: Плотность энергии новой твердотельной батареи в 3,5 раза выше, чем у Tesla

Причём оно уже доступно в продаже. Устройство может обеспечивать две-три сессии зарядки в день с напряжением 3,5 В и силой тока 0,5 А. Органические материалы в горшке взаимодействуют с водой и продуктами реакции фотосинтеза, в результате получается достаточно энергии для зарядки смартфонов и планшетов.

Представьте себе целые рощи, в которых каждое дерево высажено над таким устройством, только более крупным и мощным. Это позволит снабжать «бесплатной» энергией окружающие дома и будет веской причиной для защиты лесов от вырубки.

Аккумуляторы с золотыми нанопроводниками

<center><ins class="lazy lazy-hidden adsbygoogle" style="display:block; text-align:center;" data-ad-layout="in-article" data-ad-format="fluid" data-ad-client="ca-pub-5948177564140711" data-ad-slot="2646898692"></ins> <script>(adsbygoogle=window.adsbygoogle||[]).push({});</script></center>

В Калифорнийском университете в Ирвайне разработали нанопроводниковые аккумуляторы, которые могут выдерживать более 200 тыс. циклов зарядки в течение трёх месяцев без каких-либо признаков деградации ёмкости. Это позволит многократно увеличить жизненный цикл систем питания в критически важных системах и потребительской электронике.

Нанопроводники в тысячи раз тоньше человеческого волоса обещают светлое будущее. В своей разработке учёные применили золотые провода в оболочке из диоксида марганца, которые помещены в гелеобразный электролит. Это предотвращает разрушение нанопроводников при каждом цикле зарядки.

Магниевые аккумуляторы

<div id="yandex_rtb_1" class="lazy lazy-hidden yandex-adaptive classYandexRTB"></div> <script type="text/javascript">if(rtbW>=960){var rtbBlockID="R-A-744106-3";} else{var rtbBlockID="R-A-744106-5";} window.yaContextCb.push(()=>{Ya.Context.AdvManager.render({renderTo:"yandex_rtb_1",blockId:rtbBlockID,pageNumber:1,onError:(data)=>{var g=document.createElement("ins");g.className="adsbygoogle";g.style.display="inline";if(rtbW>=960){g.style.width="580px";g.style.height="400px";g.setAttribute("data-ad-slot","7683656859");}else{g.style.width="300px";g.style.height="600px";g.setAttribute("data-ad-slot","7683656859");} g.setAttribute("data-ad-client","ca-pub-5948177564140711");g.setAttribute("data-alternate-ad-url",stroke2);document.getElementById("yandex_rtb_1").appendChild(g);(adsbygoogle=window.adsbygoogle||[]).push({});}})});window.addEventListener("load",()=>{var ins=document.getElementById("yandex_rtb_1");if(ins.clientHeight =="0"){ins.innerHTML=stroke3;}},true);</script>

В Toyota работают над использованием магния в аккумуляторах. Это позволит создавать маленькие, плотно упакованные модули, которым не нужны защитные корпуса. В долгосрочной перспективе такие аккумуляторы могут быть дешевле и компактнее литий-ионных. Правда, случится это ещё не скоро. Если случится.

Твердотельные аккумуляторы

В обычных литий-ионных аккумуляторах в качестве среды для переноса заряженных частиц между электродами используется жидкий легковоспламеняющийся электролит, постепенно приводящий к деградации аккумулятора.

Этого недостатка лишены твердотельные литий-ионные аккумуляторы, которые сегодня считаются одними из самых перспективных. В частности, разработчики Toyota опубликовали научную работу, в которой описали свои эксперименты с сульфидными сверхионными проводниками. Если у них всё получится, то будут созданы аккумуляторы на уровне суперконденсаторов — они станут полностью заряжаться или разряжаться всего за семь минут. Идеальный вариант для электромобилей. А благодаря твердотельной структуре такие аккумуляторы будут гораздо стабильнее и безопаснее современных литий-ионных. Расширится и их рабочий температурный диапазон — от –30 до +100 градусов по Цельсию.

Учёные из Массачусетского технологического института в содружестве с Samsung также разработали твердотельные аккумуляторы, превосходящие по своим характеристикам современные литий-ионные. Они безопаснее, энергоёмкость выше на 20—30 %, да к тому же выдерживают сотни тысяч циклов перезарядки. Да ещё и не пожароопасны.

Топливные ячейки

Совершенствование топливных ячеек может привести к тому, что смартфоны мы будем заряжать раз в неделю, а дроны станут летать дольше часа. Учёные из Пхоханского университета науки и технологии (Южная Корея) создали ячейку, в которой объединили пористые элементы из нержавеющей стали с тонкоплёночным электролитом и электродами с минимальной теплоёмкостью. Конструкция оказалась надёжнее литий-ионных аккумуляторов и работает дольше них. Не исключено, что разработка будет внедрена в коммерческие продукты, в первую очередь в смартфоны Samsung.

Графеновые автомобильные аккумуляторы

Многие специалисты считают, что будущее — за графеновыми аккумуляторами. В компании Graphenano разработали аккумулятор Grabat, который может обеспечить запас хода электромобиля до 800 км. Разработчики утверждают, что аккумулятор заряжается всего за несколько минут — скорость зарядки/разрядки в 33 раза выше, чем у литий-ионных. Быстрая разрядка особенно важна для обеспечения высокой динамики разгона электромобилей.

Ёмкость 2,3-вольтового Grabat огромна: около 1000 Вт⋅ч/кг. Для сравнения, у лучших образцов литий-ионных аккумуляторов — на уровне 180 Вт⋅ч/кг.

Микросуперконденсаторы, изготовленные с помощью лазера

Учёные из Университета Райса добились прогресса в разработке микросуперконденсаторов. Один из главных недостатков технологии — дороговизна изготовления, но применение лазера может привести к существенному удешевлению. Электроды для конденсаторов вырезаются лазером из пластикового листа, что многократно снижает трудоёмкость производства. Такие аккумуляторы могут заряжаться в 50 раз быстрее литий-ионных, а разряжаются медленнее используемых сегодня суперконденсаторов. К тому же они надёжны, в ходе экспериментов продолжали работать даже после 10 тыс. сгибаний.

Натрий-ионные аккумуляторы

Группа французских исследователей и компаний RS2E разработала натрий-ионные аккумуляторы для ноутбуков, в которых используется обычная соль. Принцип работы и процесс изготовления держатся в секрете. Ёмкость 6,5-сантиметрового аккумулятора — 90 Вт⋅ч/кг, что сравнимо с массовыми литий-ионными, но он выдерживает пока не более 2 тыс. циклов зарядки.

Пенные аккумуляторы

Другая тенденция в разработке технологий хранения энергии — создание трёхмерных структур. В частности, компания Prieto создала аккумулятор на основе субстрата пенометалла (меди). Здесь нет легковоспламеняющегося электролита, у такого аккумулятора большой ресурс, он быстрее заряжается, его плотность в пять раз выше, а также он дешевле и меньше современных аккумуляторов. В Prieto надеются сначала внедрить свою разработку в носимую электронику, но утверждают, что технологию можно будет распространить шире: использовать и в смартфонах, и даже в автомобилях.

Быстрозаряжаемый «наножелток» повышенной ёмкости

Ещё одна разработка Массачусетского технологического института — наночастицы для аккумуляторов: полая оболочка из диоксида титана, внутри которой (как желток в яйце) находится наполнитель из алюминиевой пудры, серной кислоты и оксисульфата титана. Размеры наполнителя могут меняться независимо от оболочки. Применение таких частиц позволило в три раза увеличить ёмкость современных аккумуляторов, а длительность полной зарядки снизилась до шести минут. Также снизилась скорость деградации аккумулятора. Вишенка на торте — дешевизна производства и простота масштабирования.

Алюминий-ионный аккумулятор сверхбыстрой зарядки

В Стэнфорде разработали алюминий-ионный аккумулятор, который полностью заряжается примерно за одну минуту. При этом сам аккумулятор обладает некоторой гибкостью. Главная проблема — удельная ёмкость примерно вдвое ниже, чем у литий-ионных аккумуляторов. Хотя, учитывая скорость зарядки, это не так критично.

Alfa battery — две недели на воде

Если компании Fuji Pigment удастся довести до ума свой алюминий-воздушный аккумулятор Alfa battery, то нас ждёт появление носителей энергии, ёмкость которых в 40 раз больше ёмкости литий-ионных. Более того, аккумулятор перезаряжается доливкой воды, простой или подсоленной. Как утверждают разработчики, на одном заряде Alfa сможет работать до двух недель. Возможно, сначала такие аккумуляторы появятся на электромобилях. Представьте себе автозаправку, на которую вы заезжаете за водой.

Аккумуляторы, которые можно сгибать, как бумагу

Компания Jenax создала гибкий аккумулятор J.Flex, похожий на плотную бумагу. Его даже можно складывать. К тому же он не боится воды и потому очень удобен для использования в одежде. Или представьте себе наручные часы с аккумулятором в виде ремешка. Эта технология позволит и уменьшить размер самих гаджетов, и увеличить носимый объём энергии. Другой сценарий — создание гибких складных смартфонов и планшетов. Нужен экран побольше? Просто разверните сложенный вдвое гаджет.

Как утверждают разработчики, тестовый образец выдерживает 200 тыс. складываний без потери ёмкости.

Эластичные аккумуляторы

Над созданием гибких носителей энергии работают во многих компаниях. А команда учёных из Университета штата Аризона пошла дальше и с помощью особой механической конструкции создала аккумулятор в виде эластичной ленты. Не исключено, что идея будет развита и позволит встраивать аккумуляторы в одежду.

Мочевой аккумулятор

В 2013 году Фонд Билла Гейтса вложился в продолжение исследований Bristol Robotic Laboratory по созданию аккумуляторов, работающих на моче. Весь цимес в использовании «микробных топливных ячеек»: в них содержатся микроорганизмы, расщепляющие мочу и вырабатывающие электричество. Кто знает, возможно, скоро поход в туалет будет не только потребностью, но и в буквальном смысле полезным занятием.

Ryden — углеродные аккумуляторы с быстрой зарядкой

В 2014 году компания Power Japan Plus сообщила о планах по выпуску аккумуляторов, в основе которых лежат углеродные материалы. Их можно было производить на том же оборудовании, что и литий-ионные. Углеродные аккумуляторы должны работать дольше и заряжаться в 20 раз быстрее литий-ионных. Был заявлен ресурс в 3 тыс. циклов зарядки.

Органический аккумулятор, почти даром

В Гарварде была создана технология органических аккумуляторов, стоимость производства которых составляла бы 27 долларов за кВт⋅ч. Это на 96 % дешевле аккумуляторов на основе металлов (порядка 700 долларов за кВт⋅ч). В изобретении применяются молекулы хинонов, практически идентичные тем, что содержатся в ревене. По эффективности органические аккумуляторы не уступают традиционным и могут без проблем масштабироваться до огромных размеров.

Просто добавь песка

Эта технология представляет собой модернизацию литий-ионных аккумуляторов. В Калифорнийском университете в Риверсайде вместо графитовых анодов использовали обожжённую смесь очищенного и измельчённого песка (читай — кварца) с солью и магнием. Это позволило повысить производительность обычных литий-ионных аккумуляторов и примерно втрое увеличить их срок службы.

Быстрозаряжаемые и долгоживущие

В Наньянском технологическом университете (Сингапур) разработали свою модификацию литий-ионного аккумулятора, который заряжается на 70 % за две минуты и служит в 10 раз дольше обычных литий-ионных. В нём анод изготовлен не из графита, а из гелеобразного вещества на основе диоксида титана — дешёвого и широко распространённого сырья.

Аккумуляторы с нанопорами

В Мэрилендском университете в Колледж-Парке создали нанопористую структуру, каждая ячейка которой работает как крохотный аккумулятор. Такой массив заряжается 12 минут, по ёмкости втрое превосходит литий-ионные аккумуляторы такого же размера и выдерживает около 1 тыс. циклов зарядки.

Генерирование электричества

Энергия кожи

Тут речь идёт не столько об аккумуляторах, сколько о способе получения энергии. Теоретически, используя энергию трения носимого устройства (часов, фитнес-трекера) о кожу, можно генерировать электричество. Если технологию удастся достаточно усовершенствовать, то в будущем в некоторых гаджетах аккумуляторы станут работать просто потому, что вы носите их на теле. Прототип такого наногенератора — золотая плёнка толщиной 50 нанометров, нанесённая на силиконовую подложку, содержащую тысячи крошечных ножек, которые увеличивают трение подложки о кожу. В результате возникает трибоэлектрический эффект.

uBeam — зарядка по воздуху

uBeam — любопытный концепт передачи энергии на мобильное устройство с помощью ультразвука. Зарядное устройство испускает ультразвуковые волны, которые улавливаются приёмником на гаджете и преобразуются в электричество. Судя по всему, в основе изобретения лежит пьезоэлектрический эффект: приёмник резонирует под действием ультразвука, и его колебания генерируют энергию.

Схожим путём пошли и учёные из Лондонского университета королевы Марии. Они создали прототип смартфона, который заряжается просто благодаря внешним шумам, в том числе от голосов людей.

StoreDot

Зарядное устройство StoreDot разработано стартапом, появившимся на базе Тель-Авивского университета. Лабораторный образец смог зарядить аккумулятор Samsung Galaxy 4 за 30 секунд. Сообщается, что устройство создано на базе органических полупроводников, изготовленных из пептидов. В конце 2017 года в продажу должен поступить карманный аккумулятор, способный заряжать смартфоны за пять минут.

Прозрачная солнечная панель

В Alcatel был разработан прототип прозрачной солнечной панели, которая помещается поверх экрана, так что телефон можно заряжать, просто положив на солнце. Конечно, концепт не идеален с точки зрения углов обзора и мощности зарядки. Но идея красивая.

Год спустя, в 2014-м, компания Tag Heuer анонсировала новую версию своего телефона ~~для понтов~~ Tag Heuer Meridiist Infinite, у которого между внешним стеклом и самим дисплеем должна была быть проложена прозрачная солнечная панель. Правда, непонятно, дошло ли дело до производства.

Свойства многозарядных (перезаряжаемых) батарей и аккумуляторов. Плотность хранения энергии, эффективность заряд/разряд, температурный диапазон, достижимое число полных циклов.

Адрес этой страницы (вложенность) в справочнике dpva.ru: главная страница / / Техническая информация / / Оборудование / / Аккумуляторы, батареи электрические. / / Свойства многозарядных (перезаряжаемых) батарей и аккумуляторов. Плотность хранения энергии, эффективность заряд/разряд, температурный диапазон, достижимое число полных циклов.

Свойства многозарядных (перезаряжаемых) батарей и аккумуляторов. Плотность хранения энергии, эффективность заряд/разряд, температурный диапазон, достижимое число полных циклов.

Тип батареи (аккумулятора)	Электролит	Температурный диапазон (^oC)	ЭДС ячейки (В) / Open_Cell_Voltage (V)	Плотность хранения энергии (Вт*ч/кг)		Эффективность Заряд / Разряд (%)	Плотность мощности		Достижимое число полных циклов зарядки/разрядки / Life Cycles
Тип батареи (аккумулятора)	Электролит	Температурный диапазон (^oC)	ЭДС ячейки (В) / Open_Cell_Voltage (V)	Теорети-ческая	Дости-жимая	Эффективность Заряд / Разряд (%)	Пиковая (Вт/кг)	Средняя (Вт/кг)
Свинцово-кислотный аккумулятор / Lead-Acid	H₂SO₄	-20/60°C	2.1-2.2	171	30-40	70-90	120	25	200-2000
Железоникелевый аккумулятор / Nickel-Iron	KOH	20/30°C	1.2	267	60	65			2000
Железоцинковый / Zinc-Iron	KOH	50/60°C	1.65	1084	90	45			600
Серно-натриевый аккумулятор / Sodium-Sulfur	β-Al₂O₃	300/400°C	1.76-2.08	664	120	70	240	120	2000
Литий-железо-сульфидный аккумулятор / Lithium-Iron Sulfide	LiCl-KCl	400/450°C	1.6	869	150	75			1000
Никелькадмиевый аккумуляторов / Nickel-Cadmium	KOH	-40/60°C	1.2		40 — 60	70-90	300	140	500 — 2000
Никель-металл-гидридный аккумулятор / Nickel-Metal Hydride	KOH	10/50°C

Плотность энергии батареи

— Блог Grepow

Что такое плотность энергии батареи?

Плотность энергии — это мера того, сколько энергии содержит батарея по отношению к ее весу. Это измерение обычно выражается в ватт-часах на килограмм (Втч / кг). Ватт-час — это единица измерения электрической энергии, которая эквивалентна потреблению одного ватта за один час.

Плотность мощности — это мера того, насколько быстро может быть доставлена энергия, а не количество доступной накопленной энергии.Плотность энергии часто путают с плотностью мощности, поэтому важно понимать разницу между ними.

Чтобы лучше понять литиевые батареи, вы должны понять, почему высокая плотность энергии является желательной характеристикой батареи.

Аккумулятор с высокой плотностью энергии имеет большее время работы от аккумулятора по сравнению с размером аккумулятора. В качестве альтернативы аккумулятор с высокой плотностью энергии может выдавать такое же количество энергии, но занимает меньшую площадь по сравнению с аккумулятором с более низкой плотностью энергии.Это значительно расширяет возможности аккумуляторных приложений.

При заводских или складских настройках батареи для вилочных погрузчиков могут весить тысячи фунтов. Легкий аккумулятор для вилочных погрузчиков дает некоторые преимущества с точки зрения безопасности и обслуживания.

Если плотность энергии батареи слишком высока, это может представлять угрозу безопасности. Когда в ячейку упаковано больше активного материала, это увеличивает риск теплового события.

Какой тип аккумуляторной батареи имеет самую высокую плотность энергии?

Существует несколько различных типов перезаряжаемых батарей с различной плотностью энергии, отражающей их внутренний химический состав.

Плотность энергии свинцово-кислотных аккумуляторов составляет 30-50 Втч / кг
Плотность энергии никель-кадмиевых батарей составляет 45-80 Втч / кг
Плотность энергии никель-металлогидридных батарей составляет 60-120 Втч / кг
Плотность энергии литий-ионного аккумулятора составляет 50-260 Втч / кг

Типы литий-ионных батарей и их удельная энергия

Литий-ионные батареи

часто объединяют в группу батарей, каждая из которых содержит литий, но их химический состав может сильно различаться и, как следствие, иметь разную производительность.

Большинство типов литий-ионных аккумуляторов имеют аналогичную конструкцию катода с алюминиевой подложкой, угольного или графитового анода с медной подложкой, сепаратора и электролита из литиевой соли в органическом растворителе.

Производители экспериментировали с материалами, из которых изготовлены катод и анод. Они также изменили состав электролита. Эти различия являются причиной того, что литий-ионные батареи различаются по уровню плотности энергии.

Теперь мы рассмотрим самые популярные химические составы литий-ионных аккумуляторов, а также их соответствующие плотности энергии, варианты использования, преимущества и недостатки.

Industry Titans: Литий-титанатные (LTO) батареи

Аккумулятор LTO является одним из старейших типов литий-ионных аккумуляторов и имеет плотность энергии на нижней стороне, как у литий-ионных аккумуляторов, около 50-80 Втч / кг.

В этих батареях титанат лития используется в аноде вместо углерода, что позволяет электронам входить и выходить из анода быстрее, чем в других типах литий-ионных батарей.

Такая конструкция позволяет батареям LTO заряжаться намного быстрее и безопасно выдерживать большие токи, но низкая плотность энергии делает их плохо подходящими для погрузочно-разгрузочного оборудования.

Они, как правило, дороже и обычно используются для электромобилей, автомобильных аудиоприложений и мобильных медицинских устройств.

Высокая энергия, высокий риск: литий-кобальтовые батареи (LCO)

Литий-кобальтооксидные батареи

имеют высокую плотность энергии 150-200 Втч / кг. Их катод состоит из оксида кобальта с типичным углеродным анодом со слоистой структурой, которая перемещает ионы лития от анода к катоду и обратно.

Эти типы аккумуляторов популярны благодаря своей высокой плотности энергии и обычно используются в сотовых телефонах, ноутбуках и, в последнее время, в электромобилях.

Кобальт — очень энергоемкий материал, но он может быть дорогим. Поскольку спрос на электромобили возрастает, этот ресурс быстро истощается. Фактически, вскоре мир может столкнуться с дефицитом кобальта.

Кобальт также очень летуч. Литий-кобальтовые батареи не выдерживают больших токов из-за риска перегрева, что представляет собой значительный риск для безопасности. Аккумуляторы LCO имеют более низкую термическую стабильность, что означает, что они очень чувствительны к более высоким рабочим температурам и перезарядке.

Производительность по цене: Литий-никель-марганец-оксид-кобальт (NMC) Батареи

Литий-никель-марганцево-кобальтооксидные батареи

также имеют высокую плотность энергии — 150–220 Вт · ч / кг. Они используют кобальт в катоде так же, как батареи LCO, но они также содержат никель и марганец для повышения стабильности.

Аккумуляторы

NMC используются сегодня в большинстве производимых электромобилей, но также используются в медицинских устройствах и электровелосипедах.

Секрет успеха этой батареи кроется в ее хорошо сбалансированном химическом составе; Никель, как известно, является энергоемким, но нестабильным, как и кобальт, в то время как марганец более стабилен, но также имеет более низкую плотность энергии.Конкретное соотношение различных элементов варьируется в зависимости от производителя, но добавление никеля обычно предназначено для уменьшения количества дорогостоящего кобальта.

Аккумуляторы

NMC могут выдерживать большие токи заряда и больший диапазон температур, чем аккумуляторы LCO. Однако, поскольку батарея по-прежнему содержит кобальт, стоимость повышается из-за дефицита на рынке.

Доступное, безопасное и надежное: литий-железо-фосфатные батареи (LFP)

Аккумуляторы

LFP обладают высокой плотностью энергии 90–160 Втч / кг.Хотя это меньше, чем у некоторых кобальтовых батарей, он по-прежнему остается одним из самых высоких среди всех типов батарей.

В батареях

LFP используется фосфат железа для катода и графитовый электрод в сочетании с металлической подложкой для анода.

Литий-фосфат железа или LiFePO4 — это природный минерал, недорогой, нетоксичный и обладающий хорошей термической стабильностью и высокой плотностью энергии.

Аккумуляторы

LFP идеально подходят для тяжелого оборудования и промышленных сред, поскольку они способны выдерживать большие нагрузки и широкий диапазон температур.Они появились как новый вариант для вилочных погрузчиков и другого тяжелого электрического оборудования, которое требует высокого уровня надежности и исторически использует свинцово-кислотные батареи.

Все типы литий-ионных аккумуляторов уникальны. Крайне важно понимать, какой химический состав литий-ионных ионов лучше всего подходит для вашего применения.

Если вы ищете лучший аккумулятор для погрузочно-разгрузочного оборудования, литий-железо-фосфатный аккумулятор, вероятно, станет лучшим выбором. Конечно, для радиоуправляемого хобби или беспилотного летательного аппарата высокая плотность энергии липо-батареи даст вам разные ощущения от полета, они предлагают лучший баланс между безопасностью и производительностью.

Производитель аккумуляторов Grepow предлагает лучшую батарею с более высокой плотностью энергии, если у вас есть какие-либо вопросы, напишите нам: [email protected]

Заряд в секундах, в последние месяцы

(Pocket-lint) — хотя смартфоны, умные дома и даже умные носимые устройства становятся все более совершенными, они все еще ограничены мощностью.Аккумулятор не совершенствовался десятилетиями. Но мы находимся на пороге революции власти.

Крупные технологические и автомобильные компании слишком хорошо осведомлены об ограничениях литий-ионных батарей. Несмотря на то, что чипы и операционные системы становятся более эффективными для экономии энергии, мы все еще рассматриваем только один или два дня использования смартфона перед подзарядкой.

Хотя может пройти некоторое время, прежде чем мы сможем прожить неделю жизни наших телефонов, разработка идет хорошо. Мы собрали все лучшие открытия в области аккумуляторов, которые могут быть с нами в ближайшее время, от беспроводной зарядки до сверхбыстрой 30-секундной подзарядки.Надеюсь, скоро вы увидите эту технологию в своих гаджетах.

NAWA Technologies

Вертикально выровненный электрод из углеродных нанотрубок

NAWA Technologies разработала и запатентовала сверхбыстрый углеродный электрод, который, как утверждается, изменил правила игры на рынке аккумуляторных батарей. В нем используется конструкция с вертикально расположенными углеродными нанотрубками (VACNT), и NAWA заявляет, что он может увеличить мощность батареи в десять раз, увеличить запас энергии в три раза и увеличить срок службы батареи в пять раз. Компания считает, что электромобили являются основным бенефициаром, уменьшая углеродный след и стоимость производства аккумуляторов, одновременно повышая производительность.NAWA заявляет, что дальность действия 1000 км может стать нормой, а время зарядки сокращено до 5 минут, чтобы достичь 80 процентов. Технология может быть запущена в производство уже в 2023 году.

Литий-ионная батарея без кобальта

Исследователи из Техасского университета разработали литий-ионную батарею, в которой в качестве катода не используется кобальт. Вместо этого он переключился на высокий процент никеля (89 процентов), используя марганец и алюминий в качестве других ингредиентов. «Кобальт — наименее распространенный и самый дорогой компонент в катодах аккумуляторных батарей», — сказал профессор Арумугам Мантирам, профессор кафедры машиностроения Уокера и директор Техасского института материалов.«И мы полностью устраняем это». Команда говорит, что с помощью этого решения они преодолели типичные проблемы, обеспечив длительный срок службы батареи и равномерное распределение ионов.

SVOLT представляет батареи для электромобилей, не содержащие кобальт.

Несмотря на то, что свойства электромобилей по снижению выбросов широко распространены, все еще существуют разногласия по поводу аккумуляторов, особенно по поводу использования таких металлов, как кобальт. Компания SVOLT, штаб-квартира которой расположена в Чанчжоу, Китай, объявила о производстве безкобальтовых батарей, предназначенных для рынка электромобилей.Помимо сокращения содержания редкоземельных металлов, компания заявляет, что они обладают более высокой плотностью энергии, что может привести к дальности действия до 800 км (500 миль) для электромобилей, а также продлить срок службы батареи и повысить безопасность. Мы не знаем, где именно мы увидим эти батареи, но компания подтвердила, что работает с крупным европейским производителем.

Тимо Иконен, Университет Восточной Финляндии

На шаг ближе к литий-ионным батареям с кремниевым анодом

Стремясь решить проблему нестабильного кремния в литий-ионных батареях, исследователи из Университета Восточной Финляндии разработали метод производства гибридного анода. , используя микрочастицы мезопористого кремния и углеродные нанотрубки.В конечном итоге цель состоит в том, чтобы заменить графит в качестве анода в батареях и использовать кремний, емкость которого в десять раз больше. Использование этого гибридного материала улучшает характеристики батареи, в то время как силиконовый материал устойчиво производится из золы шелухи ячменя.

Университет Монаша

Литий-серные аккумуляторы могут превзойти литий-ионные, снизить воздействие на окружающую среду

Исследователи из Университета Монаша разработали литий-серные аккумуляторы, способные питать смартфон в течение 5 дней, превосходя литий-ионные.Исследователи изготовили эту батарею, имеют патенты и интерес производителей. У группы есть финансирование для дальнейших исследований в 2020 году, заявив, что дальнейшие исследования автомобилей и использования сетей будут продолжены.

Утверждается, что новая аккумуляторная технология оказывает меньшее воздействие на окружающую среду, чем литий-ионные, и снижает производственные затраты, при этом предлагая потенциал для питания автомобиля на 1000 км (620 миль) или смартфона в течение 5 дней.

Аккумулятор IBM получен из морской воды и превосходит по своим характеристикам литий-ионный

IBM Research сообщает, что они обнаружили новый химический состав аккумулятора, который не содержит тяжелых металлов, таких как никель и кобальт, и потенциально может превзойти литий-ионные.IBM Research утверждает, что этот химический состав никогда раньше не использовался в комбинации в батареях и что материалы можно извлекать из морской воды.

Производительность аккумулятора многообещающая, при этом IBM Research заявляет, что он может превзойти литий-ионный в ряде различных областей — он дешевле в производстве, он может заряжаться быстрее, чем литий-ионный, и может иметь как более высокую мощность. и плотности энергии. Все это доступно в аккумуляторах с низкой горючестью электролитов.

IBM Research отмечает, что эти преимущества сделают ее новую технологию аккумуляторов подходящей для электромобилей, и вместе с Mercedes-Benz, среди прочих, компания работает над превращением этой технологии в жизнеспособную коммерческую батарею.

Panasonic

Система управления батареями Panasonic

Хотя литий-ионные батареи повсюду и их количество растет, управление этими батареями, включая определение того, когда у них закончился срок службы, затруднено.Panasonic, работая с профессором Масахиро Фукуи из Университета Рицумейкан, разработала новую технологию управления батареями, которая значительно упростит отслеживание батарей и определение остаточной стоимости литий-ионных в них.

Panasonic заявляет, что ее новую технологию можно легко применить с изменением системы управления батареями, что упростит мониторинг и оценку батарей с несколькими составными ячейками, которые вы можете найти в электромобиле. Panasonic считает, что эта система поможет продвинуться в направлении устойчивого развития, поскольку сможет лучше управлять повторным использованием и переработкой литий-ионных батарей.

Асимметричная модуляция температуры

Исследования продемонстрировали метод зарядки, который приближает нас на шаг ближе к сверхбыстрой зарядке — XFC — который направлен на обеспечение 200 миль пробега электромобиля примерно за 10 минут с зарядкой 400 кВт. Одна из проблем с зарядкой — это литиевая гальваника в батареях, поэтому метод асимметричной температурной модуляции заряжает при более высокой температуре для уменьшения гальванического покрытия, но ограничивает это до 10-минутных циклов, избегая роста межфазной границы твердого электролита, что может сократить срок службы батареи.Сообщается, что этот метод снижает деградацию батареи, позволяя заряжать XFC.

Pocket-lint

Песочная батарея дает в три раза больше времени автономной работы

В этом альтернативном типе литий-ионной батареи используется кремний для достижения в три раза большей производительности, чем у нынешних графитовых литий-ионных батарей. Батарея по-прежнему литий-ионная, как и в вашем смартфоне, но в анодах используется кремний вместо графита.

Ученые из Калифорнийского университета в Риверсайде какое-то время занимались нанокремнием, но он слишком быстро разрушается, и его сложно производить в больших количествах.Используя песок, его можно очистить, измельчить в порошок, затем измельчить с солью и магнием перед нагреванием для удаления кислорода, что приведет к получению чистого кремния. Он пористый и трехмерный, что помогает повысить производительность и, возможно, продлить срок службы батарей. Изначально мы начали это исследование в 2014 году, и теперь оно приносит свои плоды.

Silanano — это стартап по производству аккумуляторных батарей, который выводит эту технологию на рынок и получил большие инвестиции от таких компаний, как Daimler и BMW. Компания заявляет, что ее решение может быть применено к существующему производству литий-ионных аккумуляторов, поэтому оно настроено на масштабируемое развертывание, обещая прирост производительности батареи на 20% сейчас или на 40% в ближайшем будущем.

Захват энергии от Wi-Fi

Хотя беспроводная индуктивная зарядка является обычным явлением, возможность захвата энергии от Wi-Fi или других электромагнитных волн остается проблемой. Однако группа исследователей разработала ректенну (антенну, собирающую радиоволны), которая представляет собой всего лишь несколько атомов, что делает ее невероятно гибкой.

Идея состоит в том, что устройства могут включать в себя эту ректенну на основе дисульфида молибдена, чтобы энергия переменного тока могла быть получена от Wi-Fi в воздухе и преобразована в постоянный ток либо для подзарядки батареи, либо для непосредственного питания устройства.Это может позволить использовать медицинские таблетки с питанием без необходимости во внутренней батарее (более безопасно для пациента) или мобильных устройств, которые не нужно подключать к источнику питания для подзарядки.

Энергия, полученная от владельца устройства

Вы можете стать источником энергии для своего следующего устройства, если исследования TENG принесут свои плоды. TENG или трибоэлектрический наногенератор — это технология сбора энергии, которая улавливает электрический ток, генерируемый при контакте двух материалов.

Исследовательская группа из Суррейского института передовых технологий и Университета Суррея дала представление о том, как эту технологию можно использовать для питания таких вещей, как носимые устройства. Хотя мы еще далеки от того, чтобы увидеть это в действии, исследование должно дать дизайнерам инструменты, необходимые для эффективного понимания и оптимизации будущей реализации TENG.

Золотые батареи с нанопроволокой

Великие умы Калифорнийского университета в Ирвине создали треснувшие батареи с нанопроволокой, которые могут выдержать много перезарядок.В результате в будущем батареи могут не разрядиться.

Нанопроволока, в тысячу раз тоньше человеческого волоса, открывает большие возможности для батарей будущего. Но они всегда ломались при подзарядке. Это открытие использует золотые нанопроволоки в гелевом электролите, чтобы этого избежать. Фактически, эти батареи были проверены на перезарядку более 200 000 раз за три месяца и не показали никаких повреждений.

Твердотельные литий-ионные

Твердотельные батареи традиционно обеспечивают стабильность, но за счет передачи электролита.В статье, опубликованной учеными Toyota, рассказывается об их испытаниях твердотельной батареи, в которой используются сульфидные суперионные проводники. Все это означает превосходный аккумулятор.

В результате получился аккумулятор, способный работать на уровне суперконденсатора и полностью заряжаться или разряжаться всего за семь минут, что делает его идеальным для автомобилей. Поскольку он твердотельный, это также означает, что он намного стабильнее и безопаснее, чем существующие батареи. Твердотельный блок также должен работать при температуре минус 30 градусов.

Li-CO2. Батареи обещают в 7 раз большую плотность энергии, чем литий-ионные

Вы можете подумать, что литий-ионные батареи — лучшее, что может создать человек, но исследователи считают иначе.Есть и другие комбинации элементов, которые очень перспективны. А что насчет ячейки с потенциалом для плотности энергии в семь раз большей, чем у Li-Ion? Уровень техники для нынешних аккумуляторов будет 256 Втч / кг. Литий-углекислые батареи, или сокращенно Li-CO2, теоретически могут достигать 1876 Втч / кг. Исследователи из Университета Иллинойса в Чикаго создали первую пригодную для использования батарею Li-CO2. Он был протестирован до 500 циклов, и он работал, и это отличная новость.

Их исследование было опубликовано в журнале Advanced Materials .И это показывает, что основные проблемы с этими батареями были решены и, по всей видимости, решены.

Основная проблема с этими батареями заключается в том, что в химических реакциях, которые они используют для выработки электроэнергии, в качестве побочных продуктов используются углерод и карбонат лития. При зарядке перерабатывается карбонат лития, но не углерод. Он накапливается и приводит к выходу батареи из строя до того, как будет выполнено 100 циклов.

Исследователи изменили состав батареи.Они добавили дисульфид молибдена в качестве катодного катализатора. Гибридный электролит помог вернуть углерод в действие при зарядке аккумулятора, что предотвращает его накопление.

Их наиболее значительным достижением было получение единого многокомпонентного композита вместо отдельных продуктов. Это сделало зарядку более эффективной.

В исследовании говорится следующее:

«Таким образом, мы разработали перезаряжаемую Li-CO2 батарею на основе MoS2 NF, которая демонстрирует обратимое циклическое переключение при 500 мАч г-1 в течение 500 циклов, а также очень высокую емкость заряда / разряда 60 000 мАч г-1 для один цикл.”

Это фантастическое достижение, сравнимое с тем, чего достигли литий-серные или литий-ионные батареи. Разница в том, что батареям Li-CO2 потребуется молибден, который встречается относительно редко. Элементы Li-S не зависят от критически важного сырья и обладают большим потенциалом. В то время как батареи Li-CO2 теоретически могут достигать 1876 Втч / кг, теоретический предел плотности энергии Li-S составляет 2600 Втч / кг, или 2,6 кВтч / кг.

Какой из них мы предпочитаем? Тот, который выходит на рынок первым, будь он в 12 или 17 раз более энергоемким, чем существующие литий-ионные батареи.

Источник: UIC

Frontiers | Мультивалентные батареи — перспективы высокой плотности энергии: Ca Batteries

Введение

Хотя литий-ионные батареи (LIB) доминируют на рынке батарей для портативной электроники, существует большое разнообразие альтернативных технологий, которые успешно используются в более нишевых приложениях, обеспечивая различные показатели качества с точки зрения плотности энергии, стоимости, срока службы и т. Д. Перспектива новой или старой аккумуляторной технологии для охвата крупномасштабных приложений, таких как электросеть и возобновляемые солнечные и ветровые электростанции, мотивирует множество текущих направлений новых химических составов аккумуляторных батарей, которые могут заменить / дополнить LIB.Одним из возможных решений является разработка мультивалентных (Mg, Ca, Al) батарей, которые, в отличие от LIB, будут основаны на использовании металлических анодов (Canepa et al., 2017). В случае успеха эта концепция приведет к прорыву в области плотности энергии, в то же время основанной на более дешевых и распространенных элементах. До сих пор большие усилия были направлены в основном на Mg-батареи. Однако проблемы с электролитом, такие как ограниченные окна электрохимической стабильности (Lipson et al., 2016), и отсутствие исправных катодных материалов значительно замедлили прогресс в этой области (Yoo et al., 2013). Напротив, обратимое электроосаждение Ca было открыто только недавно, что открывает новые возможности для исследований (Ponrouch et al., 2016). Батареи на основе кальциевых металлических анодов позволят получить большие гравиметрические и объемные удельные энергии, но эта новая технология сдерживается ограниченным набором подходящих электролитов и катодов, несмотря на недавно засвидетельствованные и значительные технические прорывы (Gummow et al., 2018; Ponrouch и Палацин, 2018). Прежде чем батареи на основе кальция смогут выйти на рынок, составы электролитов должны иметь окна электрохимической стабильности более 4 В и обеспечивать сольватацию Ca ²⁺ за счет слабых кулоновских взаимодействий, улучшая общую кинетику и десольватацию на поверхности катода.С другой стороны, чтобы преодолеть медленную диффузию в твердом состоянии, следует разработать катодные материалы с низкими барьерами миграции для ионов кальция. Целью данной статьи является количественная оценка показателей качества, достижимого с помощью этой технологии, с использованием надежных технико-экономических моделей. Хотя модель производительности и стоимости батареи (BatPaC) (Nelson et al., 2011, 2012) элегантно и всесторонне применялась к Mg-батареям (Canepa et al., 2017), в подобных отчетах не рассматривались Ca-батареи. Намного проще, чем BatPaC, который всегда учитывает полную батарею, модель затрат на электроэнергию, разработанная Berg et al.(2015) используется в этом исследовании, учитывая производительность на уровне одной электрохимической ячейки (рисунок 1). Следовательно, мы избегаем любых возможных и неопределенных различий в электрических соединениях и упаковке пакетов, и вместо этого необходимые входные параметры представляют собой в основном рабочие потенциалы и удельные емкости материалов активных электродов.

Рисунок 1 . Схема LIB (слева) с токосъемниками из Cu и Al и CaB (справа) с двумя токосъемниками из алюминия.Укомплектованы сепаратором, электролитом и электродами. Каждый композитный электрод здесь состоит из активного материала, добавки сажи и связующего. Воспроизведено из Palacín (2009) с разрешения Королевского химического общества.

Здесь мы оцениваем плотность энергии набора гипотетических электрохимических ячеек с полным кальцием, изменяя конфигурацию анода, удельную емкость катода и рабочее напряжение. Кроме того, полученные результаты будут сравниваться с современными LIB (Nitta et al., 2015), Na-ионные аккумуляторы (SIB) (Ponrouch et al., 2013; Hwang et al., 2017) и технологии аккумуляторов Li / Ca-серы (Li-S / Ca-S) (Bruce et al., 2011; Hagen et al., 2015), а также к гипотетической батарее с ионами кальция, с графитом в качестве анода, альтернативного металлическому Са. Наконец, некоторые цифры относительно стоимости будут приведены с использованием LiNi _0,33 Mn _0,33 Co _0,33 O ₂ (литий-никель-марганцево-кобальтовый оксид, или NMC) / современной графитовой технологии LIB в качестве справочной (Shaju and Bruce, 2006), сначала определив конфигурации Ca, которые могут конкурировать с точки зрения плотности энергии, а затем моделировать различные возможные затраты на катод и металлический анод Ca.Кроме того, рассматриваются гипотетические системы на основе кальция с идентичным рабочим напряжением (т. Е. 3,5 В), исходя из условий, необходимых для обеспечения аналогичной стоимости. В целом, все эти оценки энергии и затрат служат для изучения будущей рыночной жизнеспособности технологии батарей с металлическими анодами (CaB), включая отдельные катоды, для которых доступны надежные данные на уровне ячейки лабораторного масштаба.

Результаты и обсуждение

В таблице 1 показаны свойства активного материала, такие как средний потенциал разряда и удельная емкость, используемые для оценки плотности энергии, которые впоследствии нормируются на объем или вес исследуемой конфигурации ячейки, включая токосъемники, сепаратор и электролит, а также материалы электродов.Кроме того, состав электродов указан для LIB, SIB, CaB, Li-S, а также для батарей Ca-S. LIB используют алюминиевый токоприемник на катоде, но медь на аноде, как сплавы Al с Li при потенциалах ниже 0,6 В по сравнению с Li ⁺ / Li. Однако для SIB Al может использоваться для обоих токоприемников (поскольку Na не сплавляется с Al) (Ponrouch et al., 2013, 2016), и это также может относиться к CaB. Толщина покрытия электрода была доведена до 100 мкм, чтобы катод достиг баланса заряда 1: 1 — c.f. диапазон толщин графита и металлического Ca в таблице 1, а также количество и плотность электролита такие же, как для LIB в модели Берга. Для гипотетической батареи с кальцием были протестированы две конфигурации анода: избыток кальция на 50% с токосъемником из алюминия (обозначен как конф.1 в таблице 1), имитирующий предположения Берга для металлического литиевого анода, и 100% избыток кальция без коллектора тока из алюминия (обозначается как конф. 2). Этот избыток должен компенсировать потенциальную потерю Ca, израсходованного при формировании пассивирующего слоя, как в случае создания межфазной границы твердого электролита (SEI) в LIB.Во второй конфигурации считается необходимым большее превышение для обеспечения надлежащей механической прочности анода при отсутствии какого-либо дополнительного токоприемника. Расчеты были выполнены для гипотетических катодов из СаВ с удельной емкостью и рабочим напряжением в диапазоне 50–300 мАч. Г, ^–1, и 2,0–4,5 В соответственно. Такие напряжения должны быть возможны при использовании электролитов, состоящих, например, из Ca (BF ₄) ₂ в смеси (1: 1) этиленкарбоната (EC) и пропиленкарбоната (PC) (Ponrouch et al., 2016) или Ca (BH ₄) ₂ в тетрагидрофуране (THF) (Wang et al., 2017), со стабильностью к окислению 4,0 В и 3,0 В соответственно. Разница в плотности энергии между двумя конфигурациями анодов незначительна, как по объему, так и по весу, <5% даже в самом крайнем случае - например, 4,5 В и 300 мАч. L ⁻¹ против 1719 Втч L ⁻¹ и 755 Втч кг ⁻¹ против 750 Втч кг ⁻¹. Поэтому использовалась конфигурация с использованием токосъемника, что является стандартом для LIB.На рис. 2 показан рабочий потенциал в зависимости от гравиметрической и объемной плотности энергии для современных LIB, а также SIB, а также показаны гипотетические батареи CaB, Ca-ion, Li-S и Ca-S. Конкретные аккумуляторные технологии обозначены символами, а гипотетические CaB представлены прямыми линиями с плотностями энергии как функцией рабочего напряжения и удельной емкости катодов — емкости указаны на каждой строке. Два конкретных CaB также были рассмотрены более подробно: при использовании TiS ₂ и Ca ₃ Co ₂ O ₆ в качестве катодных материалов было показано, что оба они обладают электрохимической активностью при 100 ° C (Tchitchekova et al., 2018a, b), хотя полная обратимость и цикличность еще предстоит продемонстрировать. Гипотетическая технология с использованием ионов Ca включает Ca ₃ Co ₂ O ₆ в качестве катода и графитового анода.

Таблица 1 . Активные материалы и их свойства в наших конструкциях ячеек.

Рисунок 2 . Объемная (A) и гравиметрическая (B) плотности энергии для LIB (кружок), SIB (ромб), Li-S (квадрат) и рассматриваемых технологий Ca (треугольники) батарей.Прямые линии представляют собой рассчитанные плотности энергии гипотетических CaB в зависимости от рабочего потенциала и емкости (обозначены справа от каждой линии). Все расчеты проводились с использованием модели, разработанной Berg et al. (2015).

Начиная с Ca ₃ Co ₂ O ₆ / Ca, теоретическая плотность энергии для полученного CaB превзойдет как современные технологии LIB, так и SIB, будучи дешевле из-за более низкой стоимости Ca (3 доллара за тонну) (Lime, 2015) по сравнению с Na (10 долларов за тонну) (Sodium, 2015) и Li (15 000 долларов за тонну) рудами (Lithium, 2015).Действительно, Ca ₃ Co ₂ O ₆ / Ca CaB будет на ~ 80 Вт · ч. Л ⁻¹ и 30 Вт · ч · кг ⁻¹ лучше, чем NMC или LiCoO ₂ (LCO) / графитовые LIB, в основном из-за большей плотности энергии металлического Са анода по сравнению с графитом (поскольку катодная емкость, плотность и рабочий потенциал аналогичны). Переходя к TiS ₂ / Ca, этот CaB достигает 250 Вт · ч, ⁻¹ и 55 Вт · ч · кг ⁻¹ хуже, чем Ca ₃ Co ₂ O ₆ / Ca из-за более низкого рабочий потенциал и более высокая плотность катода, а также 170 Втч.L ^-1 под LIB LCO или NMC / графит. Однако TiS ₂ / Ca CaB еще лучше, чем LiFePO ₄ (LFP) / графитовый LIB и Na ₃ V ₂ (PO ₄) ₂ F ₃ (NVPF) / HC (Ponrouch et al., 2013) SIBs. В случае гипотетического иона Са в качестве анода рассматривался состав CaC ₆, что было достигнуто путем химического восстановления графита в присутствии кальция (Cahen et al., 2013). Рабочее напряжение регулируется цифрой 0.172 В разница в стандартном восстановительном потенциале между парами Li ⁺ / Li и Ca ²⁺ / Ca. Как и ожидалось, плотности энергии гипотетической концепции ионов Са намного ниже, чем концепции металлического Са: 120 Вт · ч ^-1 и 50 Втч кг ^-1. Это происходит из-за несколько более низкого потенциала ячейки, но прежде всего из-за более низкой плотности энергии, связанной с использованием графита. Однако такая конфигурация все равно будет обеспечивать более высокую плотность энергии, чем конфигурации LFP / графит и NVPF / HC.

Кроме того, используя значения для Li-S батарей с металлическими Li-анодами, рассчитанные Berg et al. В качестве отправной точки мы выбрали аналогичную батарею Ca-S. Плотность энергии такой батареи Ca-S вместе с батареей Li-S явно выше, чем у любой другой рассматриваемой здесь технологии, поскольку и анод, и катод имеют очень высокую емкость. Однако из-за того, что Ca более плотный, чем Li, батарея из Ca-S имеет более высокую объемную плотность энергии, но более низкую плотность гравиметрической энергии.Следовательно, могут быть преимущества для крупномасштабных приложений из-за более низкой стоимости Ca-S по сравнению с Li-S. Есть также много приложений, в которых объемная плотность энергии столь же или даже более важна, чем гравиметрическая, когда достигается определенный порог последней.

В целом, CaB с умеренным рабочим напряжением 2,1 или 2,5 В и катодной емкостью 250 или 200 мАч. Г ^-1 уже будут давать более высокие плотности энергии, чем лучшие современные LIB.Более того, в определенных случаях, таких как 3,0 В / 250 мАч. Г ^-1 или 3,5 В / 200 мАч. Г ^-1, CaB будут иметь объемную плотность энергии выше 1000 Вт-ч. Л ^-1, следовательно, выше, чем любая из серных катодных технологий. Для гравиметрических плотностей энергии, 3,5 В / 300 мАч. G ^-1 или 4,0 В / 250 мАч. G ^-1 необходимы, чтобы заменить Li-S и Ca-S.

Во-вторых, рентабельность гипотетических CaB рассчитывается и сравнивается с NMC / графитом.Для последнего стоимость обоих электродов, токосъемников (Cu и Al), сепаратора и электролита, что в сумме составляет 110 долл. За киловатт-час ^-1, была взята из Berg et al. Были использованы два подхода: (1) фиксированная емкость катода 100, 200 и 300 мАч. Г ^-1, а рабочее напряжение изменялось, чтобы соответствовать расчетной плотности энергии NMC / графитового элемента (279 Втч / кг ^{— 1},711 Вт · ч L ^-1), что дает 4,5, 2,5 и 2,0 В соответственно; и (2) фиксированное рабочее напряжение 3.5 В — идентично NMC / графитовой ячейке — и емкость катода варьировалась на 100, 200 и 300 мАч. Изб. ^-1 (Рисунок 3). Поскольку стоимость электродов меняется, цветные области на Рисунке 3 представляют пары анод / катод с ценами, позволяющими CaB быть равными или ниже по стоимости, чем NMC / графит (110 $. КВт · ч ^-1). Стоимость катода является основным фактором, учитывая гораздо более высокую емкость металлического Са анода. Установив напряжение на 3,5 В, плотности энергии в целом превосходят NMC / графит (711 Вт · ч.L ⁻¹ и 279 Вт · ч · кг ⁻¹), только CaB с катодом 100 мАч. Г ⁻¹ давал более низкие плотности энергии и, следовательно, ограничивал стоимость катода до 21 $ .kg ⁻¹ (Рисунок 3B). С другой стороны, конфигурации из CaB, использующие катоды ^-1 емкостью 200 и 300 мАч. Г, дают гораздо более высокие плотности энергии — 1030 и 1398 Втч / л ^-1 соответственно, что обеспечивает стоимость катода в размере 50 и 80 долл. Кг. ⁻¹, что значительно выше стоимости NMC (33 $.кг ⁻¹) (Berg et al., 2015).

Рисунок 3 . Экономическая эффективность расчетных CaB с катодной емкостью 100 (синий), 200 (оранжевый) и 300 (зеленый) мАч. Г ^-1 по сравнению с эталонным NMC / графитовым элементом (110 долл. КВтч ^-1) взяты как площади, представляющие стоимость как катода, так и анода (металлический Ca), при этом общая стоимость элемента равна или ниже 110 $. кВтч ^-1 для: (A) CaB с плотностями энергии, равными или превышающими NMC / графит и (B) с рабочим потенциалом 3.5 В, идентично NMC / графиту. Оранжевая линия представляет цену NMC, предложенную Berg et al. (33 долл. Кг ^-1).

Выводы

Наша простая оценка подтверждает, что CaB в принципе могут конкурировать с современными LIB, и это в максимальной степени зависит от жизнеспособности металлических анодов Ca. Напротив, ионно-кальциевые батареи не будут иметь достаточных показателей качества и будут выгодны только с точки зрения стоимости. Если бы серные катоды были жизнеспособными, их соединение с металлическими анодами Ca обеспечило бы лучшие показатели качества, аналогично Li-S батареям.Учитывая относительно высокую цену на металлический Li (в дополнение к неизбежным проблемам с производством и ресурсами), прогнозируются преимущества в стоимости и ресурсах для батареи Ca-S. В целом, с точки зрения стоимости, CaB сопоставимы с NMC / графитом даже при очень высокой стоимости катода (> 80 долл. Кг ^-1).

Несмотря на необходимые технические прорывы, такие как разработка эффективных комбинаций металлического Са-анода / электролита, работающих при комнатной температуре, и катодных материалов, CaB, несомненно, является направлением исследований, которым стоит заниматься, поскольку, если эти прорывы будут достигнуты, эта развивающаяся технология будущего будет иметь преимущества с технико-экономической точки зрения.

Авторские взносы

DM: расчет производительности и данные по электродным материалам. AP: обсуждение результатов по материалам и электролитам. РА: данные по электролитам и обсуждение результатов. FB: обсуждение результатов по глобальной производительности. PJ: дизайн исследования и обсуждение результатов. МП: дизайн исследования и обсуждение результатов.

Заявление о конфликте интересов

FB — сотрудник компании Toyota Motor Europe.

Остальные авторы заявляют, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Мы, авторы, признательны за поддержку со стороны Программы Северо-Очоа для центров передового опыта в области исследований и разработок (SEV-2015-0496). DM благодарит ЕК за грант h3020 MSCA-IF (номер контракта 743439). PJ благодарен Энергетическому агентству Швеции за финансовую поддержку в рамках программы Batterifonds: проект «Батареи нового поколения» (# 37671-1), а также за постоянную поддержку со стороны нескольких специалистов из области развития Чалмерса: материаловедение, энергетика и транспорт.

Список литературы

Берг, Э. Дж., Виллевьей, К., Штрайх, Д., Трабезингер, С., и Новак, П. (2015). Аккумуляторные батареи: хватка за пределы химии. J. Electrochem. Soc. 162, A2468 – A2475. DOI: 10.1149 / 2.0081514jes