Oxis создала прорывную литий-серную батарею с энергоемкостью 470 Вт*ч/кг
Компания Oxis создала безопасный и емкий литий-серный аккумулятор с удельной энергоемкостью 470 Вт*ч/кг и объемной плотностью почти 800 Вт*ч на литр. Это почти в 2 раза лучше, чем плотность энергии топовых линий-ионных батарей. К 2025 году Oxis намерена довести этот показатель до 600 Вт*ч/кг. Батарея, которую компания представила на авиационной выставке в Техасе, при той же производительности была на 40% легче литий-ионной и обеспечила электросамолету eColt два часа полета.
Литий-серный источник тока — один из претендентов на главенствующее место среди аккумуляторов, которое сейчас занимает литий-ионная батарея. Теоретически, она способна накапливать в пять раз больше заряда, чем литий-ионная, при том же размере и массе элемента. Кроме того, сера дешевый и доступный материал, то есть расходы на производство батарей можно было бы значимо снизить.
На практике, однако, все не так гладко: литий-серные аккумуляторы больше подвержены опасности дендритов — кристаллических отростков на аноде, которые вызывают короткое замыкание и возгорание.
Компания Oxis описала метод решения этой проблемы. Он заключается в нанесении на анод тонкого слоя керамического материала. В результате получаются безопасные и емкие элементы со значительно большим сроком службы, чем у обычных литий-серных батарей, пишет New Atlas.
«Литий-ионный аккумулятор обычной конструкции может накапливать от 100 до 265 Вт*ч на кг, в зависимости от прочих рабочих характеристик, для которых он был оптимизирован, таких как пиковая мощность или срок службы, — написал в статье Марк Криттенден, главный разработчик батареи. — Недавно Oxis разработала прототип литий-серной батареи, которая показала результат 470 Вт*ч на кг, и мы ожидаем получить 500 Вт*ч на кг в течение года. А поскольку технология еще новая, и есть пространство для улучшений, вполне допустимо предположить и 600 Вт*ч на кг к 2025».
Объемная плотность также выглядит многообещающе, приближаясь к 800 Вт*ч на литр.
Что касается срока службы, то тут дела не так хороши. В течение двух ближайших лет ученые собираются удвоить нынешнее количество циклов заряда/разряда — с нынешних 250 до до 500. В применении к смартфонам это уже будет прекрасный результат — с литий-серными батареями они смогут работать в 3-4 раза дольше при том же размере аккумулятора и ресурса в 500 циклов будет хватать минимум на 3-4 года. Но вот для электромобилей и электросамолетов 500 циклов — недостаточный ресурс. Здесь он должен составлять 1000 циклов и более. Возможно, к 2025 году эта цель также будет достигнута.
Oxis представила свой аккумулятор на 90 кВт*ч и удельной энергоемкостью 400 Вт*ч/кг на авиационной выставке Texas Aircraft Manufacturing. Такая батарея на 40% легче, чем аналогичная литий-ионная, что крайне важно для электросамолетов. В частности, для модели eColt такой батареи хватит на два часа полета или на 370 км.
Специалисты из Техасского университета в Остине разработали литий-серные батареи с защитным слоем из редкого полуметалла теллурия, который чаще всего используется при производстве солнечных элементов. Если нанести его на анод из лития, то он замедлит формирование дендритов, следовательно, увеличит срок службы аккумулятора.
Литий-серные аккумуляторы будут экологичней и объёмней традиционных
Австралийская компания Brighsun New Energy разработала новые литий-серные (Li-S) батареи с плотностью энергии в 5-8 раз выше, чем у использующихся сейчас аккумуляторов. Кроме того, новые батареи способны сохранять 91% своей первоначальной ёмкости после 1700 циклов на скорости 2C (полная зарядка/разрядка за 30 минут) со снижением ёмкости за цикл 0,01%. Даже при более агрессивном испытании на скорости 5С (будучи полностью заряженной/разряженной за 12,5 минут), Li-S батарея сохраняет 74% своей первоначальной ёмкости после 1000 циклов (снижение ёмкости за цикл 0,026%).
У литий-серных аккумуляторов, несмотря на их характеристики, главной проблемой было появление в процессе эксплуатации полисульфидов лития, который растворялся в электролите и существенно понижал эффективность батареи. Австралийским инженерам удалось создать решение, в котором сера и углерод катода и электролит разделены особой мембраной, предотвращающей образование полисульфида на серном катоде и дендритный рост лития на аноде.
Brighsun New Energy начала подготовку к производству первой опытной партии Li-S батарей с плотностью энергии 1000 Вт•ч/кг, которая после активации при скорости заряда 1C способна вырасти уже до 2103,8 Вт•ч/кг. Как заявили авторы новых аккумуляторов, технология позволит оснащать мобильные устройства батареями, заряжающимися с нуля всего за 10 минут, а электромобили можно будет комплектовать аккумуляторами, обеспечивающими запас хода без подзарядки до 2000 километров и жизненным циклом батарей до 2 миллионов километров.
Примечательно, что стоимость новых литий-серных батарей будет около $63 за 1 кВт•ч, что существенно ниже, чем у литий-ионных аккумуляторов, а сырья для производства новых батарей в одной только Австралии хватит более чем на век. При этом процесс создания Li-S аккумуляторов более экологичен, а кроме того новые батареи позволяют практически полностью перерабатывать их по окончании срока службы.
дешевле, экологичнее, содержат больше энергии — ЭНЕРГОСМИ.РУ
Стремительное развитие электроэнергетики во всем мире создает дополнительную нагрузку на производство аккумуляторов. Стандартная литий-ионная батарея зависит от минералов и металлов в ограниченной поставке, поэтому альтернативы необходимы срочно. Махдохт Шайбани из Университета Монаш описывает работу своей команды по разработке литий-серных аккумуляторов. Есть много преимуществ, не в последнюю очередь обилие серы, 16-го самого распространенного элемента на Земле. Кроме того, теория предполагает, что они могут хранить в шесть раз больше энергии, чем литий-ион для данного веса. Большой проблемой является срок службы батареи. Производительность быстро ухудшается из-за цикла набухания и сжатия, когда этот мощный аккумулятор заряжается и разряжается. Команда говорит, что они решили эту проблему, создав “связующее” с сетью, которая оставляет много места для расширения материала. Это легко и дешево в производстве. Они нацелены на создание коммерческого продукта через 2-4 года. Ни один прогноз никогда не может предсказать, какие прорывные инновации находятся за углом, которые могут сделать переход успешным. Может быть, это один из них?
Литий-ионные аккумуляторы изменили мир. Без возможности хранения значительного количества энергии в перезаряжаемом, портативном формате у нас не было бы смартфонов или других персональных электронных устройств. Пионеры технологии были награждены Нобелевской премией по химии 2019 года.
Но по мере того, как общество будет отходить от ископаемого топлива, нам понадобятся более радикальные новые технологии для хранения энергии для поддержки производства возобновляемой электроэнергии, электромобилей и других потребностей.
Литий-серные аккумуляторы
До сих пор литий-серные батареи были непрактичными. Их химия позволяет им накапливать столько энергии, что батарея физически разламывается под напряжением.
Тем не менее, уже сейчас разработан новый дизайн для этих батарей, который позволяет им заряжаться и разряжаться сотни раз без разрушения.
Проблема с литием-ионом
Литий-ионные аккумуляторы требуют наличия минералов, таких как редкоземельные металлы, никель и кобальт, для производства их положительных электродов. Предложение этих металлов ограничено, цены растут, а их добыча зачастую сопряжена с большими социальными и экологическими издержками.
Отраслевые инсайдеры даже прогнозировали серьезную нехватку этих ключевых материалов в ближайшем будущем, возможно, уже в 2022 году.
Сера обильна, дешева, хранит гораздо больше энергии
Напротив, сера относительно распространена и дешева. Сера является 16-м самым распространенным элементом на Земле, и шахтеры добывают около 70 миллионов тонн ее каждый год. Это делает серу идеальным ингредиентом для батарей, если мы хотим, чтобы они широко использовались.
Более того, литий-серные батареи полагаются на другой вид химической реакции, что означает, что их способность накапливать энергию (известная как “удельная емкость”) намного больше, чем у литий-ионных батарей.
… но большие возможности приносит большой стресс
Человек, столкнувшийся с тяжёлой работой, может испытывать стресс, если требования превышают его способность справиться, что приводит к падению производительности. Во многом таким же образом работает электрод батареи, который может подвергаться повышенному напряжению для сохранения большого количества энергии.
В литий-серной батарее энергия сохраняется, когда положительно заряженные ионы лития поглощаются электродом, выполненным из частиц серы в углеродной матрице, удерживаемой вместе с полимерным связующим. Высокая емкость запоминающего устройства значит что электрод распухает до почти двойного своего размера когда полностью заряжен.
Цикл набухания и уменьшения по мере заряда и разряда аккумулятора приводит к прогрессирующей потере сцепления частиц и постоянному искажению углеродной матрицы и полимерного связующего.
Углеродная матрица является жизненно важным компонентом батареи, которая доставляет электроны к изолирующей сере, а полимер склеивает серу и углерод вместе. Когда они искажены, пути для электронов, чтобы двигаться через электрод (эффективно электрическая проводка) разрушаются и производительность батареи распадается очень быстро.
Давая частицам немного пространства для дыхания
Обычный способ изготовления аккумуляторов создает непрерывную плотную сеть связующего вещества поперек основной массы электрода, которая не оставляет большого свободного пространства для движения.
Обычный метод работает для литий-ионных аккумуляторов, но для серы пришлось разработать новую методику.
Чтобы батареи были простыми и дешевыми в изготовлении, использовался тот же материал в качестве связующего, но обрабатывался немного по-другому. Результатом является паутинная сеть связующего, которая удерживает частицы вместе, но также оставляет много места для расширения материала.
Эти устойчивые к расширению электроды могут эффективно приспосабливаться к циклическим напряжениям, позволяя частицам серы жить до полной емкости накопления энергии.
Ученые создали литий-серный аккумулятор – более дешевый, мощный и долговечный аналог литий-ионного аккумулятора « МегаБат
Ученым из американского Национального института стандартов и технологий (NIST), Университета Аризоны в Тусоне и Сеульского национального университета в Корее удалось создать из промышленных отходов и небольшого количества пластика недорогой и высокоемкостной литий-серный аккумулятор, который может подвергаться сотням циклов зарядки-разрядки без потери своих первоначальных характеристик.
Что касается производительности нового аккумулятора, то, по словам материаловеда из NIST Кристофера Солеса, она будет конкурентоспособной по отношению к сегодняшним рыночным аналогам, поскольку им уже удалось добиться 500 циклов з/р, что выше, чем у батарей в современных ноутбуках.
Принцип работы аккумуляторной батареи заключается в движении положительных ионов между двумя электродами – анодом и катодом. В последнее десятилетие разработчикам компактных батарей, использующих крошечные ионы лития, удалось добиться очень высокой плотности энергии, что позволяет устанавливать небольшие и одновременно с этим очень мощные аккумуляторы в портативные устройства, такие как смартфоны.
Однако технология производства литий-ионных (Li-ion) аккумуляторов требует достаточно громоздких катодов, которые обычно изготавливаются из керамических оксидов, таких как оксид кобальта, необходимых для хранения ионов, что ограничивает энергетическую плотность батареи. Это означает, что для более энергоемких систем, таких как электрические автомобили с большой дальностью хода, даже литий-ионная технология не является идеальной.
Наиболее подходящим на эту роль является литий-серный аккумулятор (Li-S), оснащенный серным катодом. Главным преимуществом серы перед кобальтом является ее очень низкая стоимость, поскольку этот материал является отходом переработки нефти. Кроме того, сера весит почти вдвое меньше кобальта, а также может вместить в себя более чем в два раза больше ионов лития, чем оксид кобальта. Таким образом, энергетическая плотность Li-S аккумуляторных батарей в несколько раз превышает плотность Li-ion.
Однако не лишены серные катоды и недостатков: атомы серы очень легко вступают в реакцию с ионами лития, что приводит к образованию соединений, которые затем кристаллизуются и нарушают целостность внутренних элементов батареи, что приводит к ее разрушению во время последующих циклов з/р. В итоге обычный Li-S аккумулятор становится бесполезным после всего нескольких десятков циклов з/р, что очень мало для ноутбука или автомобиля, аккумуляторы которых могут подвергаться одному циклу з/р ежедневно в течение многих лет.
Чтобы создать более стабильный серный катод, ученые нагрели серу до 185 градусов по Цельсию, что позволило превратить молекулу элемента в незамкнутую длинную цепочку из восьми атомов. Затем они соединили получившиеся цепочки при помощи диизопропенилбензола (ДИБ), получив в результате так называемый сополимер. Ученые окрестили процесс получения серных катодов «обратной вулканизаций», поскольку он напоминает процесс изготовления резиновых шин, правда, с одним существенным отличием: во втором случае углеродсодержащий материал составляет основу, а количество серы минимально.
Добавление ДИБ позволило уменьшить способность катодов к образованию трещин, а также предотвратить кристаллизацию литий-серных соединений. Ученые проверили ряд исследований и выявили, что оптимальное количество ДИБ находится в пределах 10-20% от общей массы катода. Кроме того, исследователи подвергли свою оптимизированную батарею 500 циклам з/р и обнаружили, что она сохранил более половины своей начальной емкости.
Источник: Energy Base
Литий-серные аккумуляторы принимают эстафету у литий-ионных
Компания OXIS Energy объявила о готовности в 2016 году к промышленным поставкам на рынок литий-серных Li-S аккумуляторов, превышающих по удельной энергоемкости и другим показателям литий-ионные Li-ion.
Cтоимость ниже
Безусловно, литий-серные аккумуляторы Oxis могут обрушить стоимость систем хранения энергии из-за очень низкой стоимости серы, как одного из компонентов аккумуляторов.
Компания Oxis заявляет, что начнет продажи в 2016 году, с целью достигнуть цены в 250 долларов за Квт*ч к 2020 году. Это значительно дешевле современных литий-ионных батарей, таких как Tesla Powerwall. По данным OXIS, типичная стоимость для литий-ионных батарей находится в пределах от 400 до 500 долларов за кВт*ч, хотя по словам Илона Маска в 2020 году она также составит 250 долларов/кВт*час.
Низкий удельный вес
Сера является обычным катодным элементом для металлического лития и химические процессы включают растворение с поверхности анода в процессе разряда и обратном осаждении лития на аноде во время зарядки. Поэтому, литий-серные аккумуляторы теоретически позволяют достичь величины удельной энергоемкости в 2700 Вт*часов/кг, что примерно в пять раз лучше, чем у литий-ионных, уже почти достигших своего верхнего предела.
К 2016 году OXIS обещает плотность хранения энергии у своих аккумуляторов 400 Вт*часов на килограмм в 2016 году, а 500 Вт*ч/ кг в 2018 году. При этом плотность в 300 Вт*ч, сравнимая с лучшими литий-ионными аккумуляторами, была достигнута уже в 2013 году.
Безопасность
Oxis запатентовал химические процессы, обеспечиваюшие безопасность аккумулятора, в соответствии с международными стандартами при повреждениях, разрушении, перегреве и коротком замыкании (UN38.3, IEC62133). Благодаря двум ключевым механизмам, керамическому слою пассивации сульфида лития и негорючиему электролиту, Li-S ячейки могут выдерживать такие экстремальные ситуации, как пуля или пробивка гвоздем без аварийных ситуаций.
Количество циклов заряд-разряд
Первые ячейки Li-S произведенные компанией Oxis показывали жизненный цикл до 1000 разядок-разрядок при снижении емкости до 80% от первоначальной. Новые ячейки, как офидается будут иметь уже жизненный цикл до 2000.
Глубина разряда
Ячейкам Oxis доступна 100%-ая глубина разряда, при этом ячейки не повреждаются. Это не сопоставимо с литий-ионными батарями, которые используют только до 80% (или менее) доступного диапазона разряда, и повреждаются в результате чрезмерного разряда. Oxis ячейки не имеют этой проблемы, поэтому вся энергия может быть использована.
Неограниченный срок хранения
Поистине удивительное свойство. Аккумуляты Oxis могут хранится неограниченное время в разряженном состоянии, их не требуется подзаряжать каждые 3-6 месяцев, чтобы не допустить полного разряда и потери гарантии.
Экологичность
В отличии от литий-ионных аккумуляторов в литий-серных отсутствуют тяжелые металлы такие как никель и кобальт. вместо них в аккумуляторах присутствует сера, являющаяся вторичным продуктом переработки нефти.
Применение
Из-за своих выдающихся параметров Li-S аккумуляторы могут вытеснить литий-ионные практически во всех сферах: мобильных телефонах и ноутбуках, в электротранспорте, в зеленой энергетике, в военной области, в системах стационарного хранения энергии (подобного Tesla Powerwall).
Для активного выхода н рынок систем хранения компания OXIS заключила партнерские соглашения с компанией Anesco, мощной компанией в секторе стационарных установок аккумулирования энергии. Oxis Energy, так же как и Tesla Powerwall, планирует развивать системы хранения энергии для домашнего и коммерческого использования. При этом Oxis имеет все шансы забрать пальму перенства у Tesla.
Источник: www.oxisenergy.com
Читайте также:
Аккумуляторы и батареи будущего
- Категория: Поддержка по аккумуляторным батареям
- Опубликовано 07.04.2016 05:00
- Автор: Abramova Olesya
Экспериментальные модели батарей в большинстве своем находятся за закрытыми дверьми лабораторий и исследовательских центров, и декларируют свои многообещающие характеристики посредством пресс-релизов, не последней целью которых является привлечение инвестиций. Некоторые проекты показывают просто нереальные результаты, а дата предполагаемого реального представления публике все время переносится. Значительная часть прототипов так и остается неоцененной конечными потребителями из-за так и не завершившейся лабораторной части разработки.
Но подобная риторика разработчиков не в последнюю очередь вызвана инвестиционной спецификой. Современные представители венчурных фондов жаждут быстрейшего приумножения капитала, поэтому десятилетний период разработки нового электрохимического источника питания им не слишком выгоден. К сожалению, поиск и привлечение капитала становятся значительным препятствием для новых перспективных разработок. (Смотрите: Знакомство с электрической батареей).
Большинство экспериментальных электрических батарей на основе лития имеют одну общую черту — они используют анод из металлического лития для достижения более высокой удельной энергоемкости, чем это возможно, используя оксидный катод широко распространенной сегодня литий-ионной батареи.
Кампания Moli Energy впервые начала массовое производство литий-металлического аккумулятора в 1980-е, но его использование представляло собой угрозу из-за дендритов, которые могли вызвать короткое замыкание или даже взрыв батареи. В связи с этими недостатками, компании пришлось отзывать все свои литий-металлические аккумуляторы. В 1989 году компании NEC и Tadiran пытались улучшить эту технологию, что вышло у них с ограниченным успехом. Очень мало компаний сейчас выпускают литий-металлические аккумуляторы, большинство ограничиваются неперезаряжаемой версией. Исследования в этой сфере продолжаются, и вполне возможно, что безопасная и надежная конструкция аккумулятора с твердотельным литием не за горами. Ниже в тексте будут описаны новейшие разработки.
Была также разработана новая структура анода для литий-ионных аккумуляторов, основанная на кремний-углеродных наноструктурах. Кремниевый анод теоретически может хранить в 10 раз больше энергии, чем графитовый, но его расширение и сжатие во время заряда и разряда делает всю конструкцию аккумулятора неустойчивой. Но если использовать и кремний и графит для анода, это позволит в пять раз превысить показатель емкости стандартного графитового электрода, однако такой союз негативно скажется на времени жизни анода.
Гармоничное совмещение хороших показателей всех основных характеристик электрической батареи является непростой задачей для разработчиков. Ниже перечислены наиболее перспективные экспериментальные батареи.
Литий-воздушная электрохимическая система открывает новые захватывающие грани, так как она позволяет хранить гораздо большее количество энергии, чем это позволяют нынешние литий-ионные технологии. Исследователи заимствовали идею использования кислорода из атмосферы, которая реализована в воздушно-цинковом и топливном элементе. Каталитический воздух, поставляющий кислород, выполняет в литий-воздушном аккумуляторе роль катода.
Теоретическая удельная энергоемкость литий-воздушного аккумулятора составляет 13кВт*ч/кг. Существуют и алюминий-воздушные прототипы с удельной энергоемкостью, немногим меньшей 8 кВт*ч/кг. Если удастся создать рабочую модель металл-воздушного аккумулятора с таким показателем энергоемкости, то по этому параметру он будет сравним с бензиновым двигателем с показателем в 13 кВт*ч/кг. Даже если этот прототип покажет четверть от теоретической плотности энергии, подключенный к нему электродвигатель с КПД более чем 90% компенсирует это отставание, так как КПД бензинового двигателя внутреннего сгорания составляет всего лишь 25-30%.
Литий-воздушная технология была впервые предложена в 1970-х годах, и получила повторный всплеск интереса в 2000-х, когда достижения науки сделали возможным разработку аккумулятора этой электрохимической системы для нужд электротранспорта. В зависимости от используемых материалов, ячейка такого аккумулятора способна обеспечить от 1,70 до 3,20 В. Стабильную рабочую версию аккумулятора пытаются разработать IBM, Массачусетский Технологический Университет, Калифорнийский Университет и другие научно-исследовательские центры.
Аккумуляторы EverExceed
| OPzS | NI-CD | OPzV |
| 20 лет / 1500 циклов | 25 лет / 2000 циклов | 20 лет / 1500 циклов |
| для промышленного и частного применения: телекоммуникации, аварийное освещение, солнечные электростанции, системы безопасности, (UPS) источники бесперебойного питания и т.д. | ||
Как и в других воздухсодержащих батареях, удельная мощность литий-воздушного аккумулятора снижается при низких температурах. Чистота воздуха также является важной, и в случае использования аккумулятора при недостаточно чистом воздухе ему нужна система фильтрации. Это система, состоящая из компрессоров, насосов и фильтров, делает аккумулятор похожим на топливный элемент и потребляет до 30% вырабатываемой мощности.
Еще одной проблемой является синдром “внезапной смерти” аккумулятора. Литий и кислород образуют пленку пероксида лития, которая выступает барьером и препятствует движению электронов, что приводит к резкому уменьшению емкости аккумулятора. В связи с этим, ученые экспериментируют с примесями, предотвращающими образование пленки. Также проводятся мероприятия по увеличению количества циклов заряда/разряда, так как нынешние 50 циклов являются неудовлетворительным показателем.
2. Литий-металлический аккумуляторНесмотря на несколько неудачных попыток коммерциализировать перезаряжаемые литий-металлические батареи, исследования и ограниченное производство этой электрохимической системы продолжается. В 2010 году в электромобиль Audi F2 был установлен экспериментальный литий-металлический аккумулятор с удельной энергоемкостью 300 Вт*ч/кг. DBM Energy, производитель этого аккумулятора, утверждает, что он будет иметь 2500 циклов заряда/разряда, короткое время зарядки и конкурентную цену при условии массового производства.
Audi A2 с этим аккумулятором смог проехать расстояние от Мюнхена до Берлина (450 км) на одной зарядке. По некоторым слухам, во время лабораторных испытаний были случаи воспламенения этого аккумулятора, и хотя он прошел официальные тесты, долгосрочная безопасность остается проблемой из-за образования металлических нитей, которые могут приводить к короткому замыканию.
Показатель удельной энергоемкости литий-воздушного аккумулятора в 300 Вт*ч/кг является одним из самых высоких для систем на основе лития. NCA (литий-никель-кобальт-алюминий-оксидный) аккумулятор в электромобиле Tesla S 85 имеет удельную энергоемкость 250 Вт*ч/кг, LMO (литий-марганцево-оксидный) в BMW i3 достигает 120 Вт*ч/кг, а аналогичная электрохимическая система в Nissan Leaf — 80 Вт*ч/кг.
3. Твердотельный литиевый аккумуляторСтандартный литий-ионный аккумулятор использует графитовый анод, что приводит к некоторому снижению удельной энергоемкости. Твердотельная технология подразумевает замену графита чистым литием, а пористого полимерного сепаратора с впитанным электролитом — керамическим сепаратором. Это конструкция напоминает литий-полимерный аккумулятор из 1970-х, развитие которого было ограниченным из-за его низкой производительности и соображений безопасности. (Смотрите: Литий-полимерный аккумулятор: перспективная электрохимия или переоцененный источник питания?).
Твердотельный литиевый аккумулятор довольно схож с литий-металлическим, но в нем разработчики попытались решить проблему образования металлических нитей с помощью сухого полимера и керамического сепаратора. Также к недостаткам, которые исследователи надеются исправить, относятся недостаточная проводимость при низких температурах и ограниченное количество циклов. На данном этапе разработки твердотельные литиевые аккумуляторы имеют около 100 циклов заряда/разряда.
Ожидается, что твердотельные литиевые аккумуляторы смогут вмещать в два раза больше энергии по сравнению с литий-ионными, но нагрузочные характеристики будут меньше, что не позволит использовать их для электрических силовых агрегатов и устройств, требующих высоких показателей силы тока. Целевым применением могут стать накопительные системы хранения энергии для возобновляемых источников, а также роль вспомогательных аккумуляторов в электротранспорте. По прогнозу научно-исследовательских центров, в частности, компании Bosch, эта электрохимическая система станет коммерчески доступной в 2020 году, а ее использование в электротранспорте ожидается к 2025 году.
4. Литий-серный аккумулятор (Li-S)В силу низкого атомного веса лития и умеренной массы серы, литий-серная электрохимическая система может обеспечить очень высокую удельную энергоемкость 550 Вт*ч/кг, что примерно в три раза больше, чем у литий-ионной системы. Li-S также имеет отличный показатель удельной мощности в 2500 Вт/кг. Напряжение ячейки такого аккумулятора составляет 2,10 В. Сам аккумулятор имеет отличные низкотемпературные характеристики, к примеру, он может быть заряжен при -60°С. Литий-серная электрохимическая система является экологически чистой, а ее основной ингредиент, сера, имеется в изобилии. Ожидаемая стоимость литий-серного аккумулятора составляет $ 250 за кВт*ч.
Стандартный литий-ионный аккумулятор имеет графитовый анод, который содержит ионы лития. В литий-серном графит заменяется на металлический литий, который выполняет двойную работу в качестве электрода и поставщика ионов. Также литий-серный аккумулятор избавлен от “мертвого груза” в виде оксидов металлов, которые заменены на более дешевую и легкую серу. Сера имеет дополнительное преимущество в виде возможности захвата двух атомов лития, что недоступно в литий-ионном аккумуляторе.
Проблемой литий-серных аккумуляторов является ограниченное количество циклов заряда/разряда — около 40-50. Другие недостатки – это плохая проводимость, деградация серного катода и плохая стабильность при высоких температурах. Но с 2007 года исследователями проводятся эксперименты с нанопроводами и графеном, использование которых в литий-серной электрохимической системе показывает многообещающие результаты.
5. Натрий-ионный аккумулятор (Na-ion)Натрий-ионная электрохимическая система представляет собой крайне интересную альтернативу литий-ионной, так как натрий является недорогим и легкодоступным материалом. Проиграв конкуренцию в конце 1980-х литий-ионной системе, натрий-ионная обладает одним интересным преимуществом — она может быть полностью разряжена без деградационных последствий, что присуще другим электрохимическим системам. Также использование и транспортировка Na-ion не регламентируется специальными правилами ввиду ее безопасности. Напряжение ячейки натрий-ионного аккумулятора составляет 3,60 В, а удельная энергоемкость — 90 Вт*ч/кг. По стоимости киловатт-часа такой аккумулятор сопоставим со свинцово-кислотным. Дальнейшее развитие этой технологии предполагает решение проблемы небольшого количества циклов заряда/разряда и объемного расширения аккумулятора в заряженном состоянии.
Последнее обновление 2016-02-21
Литий-серные батареи могут решить проблему электромобилей
Сотрудники Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (США) создали лабораторный прототип литий-серной батареи (Li-S), отличающейся в два раза большей плотностью энергии по сравнению литий-ионными батареями.
Новая батарея обеспечивает более 1500 циклов заряда-разряда, потери емкости при этом минимальны. На сегодняшний день это самый длинный жизненный цикл для батарей такого типа. Спрос на емкие батареи для гибридных и полностью электрических автомобилей стимулирует ученых к поиску новых типов аккумуляторов, которые смогли бы обеспечивать транспортным средствам больший запас хода, нежели популярные сегодн сегодня литий-ионные аккумуляторы.
Схематическое изображение литий-серной батареи и фотография графен-кремниевого композита, полученная при помощи растрового электронного микроскопа. Фото: Berkeley Lab
Для того чтобы электромобиль смог преодолеть на одной зарядке хотя бы 450 км, производимая батареей удельная энергия должна быть от 350 до 400 Вт*ч/кг. Однако современные литий-ионные батареи выдают лишь половину такой энергии. Еще одно важное требование: батареи должны обеспечивать порядка 1000–1500 циклов заряда-разряда без значительной потери мощности.
Прототипы аккумуляторов, созданные в лаборатории им. Лоуренса, потенциально обеспечивают возможность создания электромобилей с дальностью пробега, равнозначной дальности пробега автомобилей с бензиновыми агрегатами. При этом электромобили принципиально отличаются тем, что обладают нулевыми выбросами. В условиях лаборатории литий-серный аккумулятор выработал более 500 Вт*ч/кг на начальном этапе испытаний и обеспечил выработку энергии порядка 300 Вт*ч/кг после прохождения 1000 циклов заряд/разряд.
Ипытания прототипа литий-серного аккумулятора в течение 1500 циклов заряда-разряда показали рекордные результаты: падение удельной энергии составило всего лишь 0,039% на цикл. Изображение: Berkeley Lab. Для увеличения нажмите на изображение
В настоящее время команда разработчиков ищет поддержки для продолжения работ по усовершенствованию литий-серных аккумуляторов. Ученым требуется также решить вопросы более полной утилизации серы, вопросы экстремальной эксплуатации аккумуляторов и др.
Читайте также:
Батареи с твердым Li-S-электролитом в 4 раза лучше Li-ion-аккумуляторов
Аккумуляторы станут в 5 раз эффективнее
Мощные аккумуляторы наконец-то пойдут в серию
Создана первая в мире батарейка на базе наночастиц серы
Разработчики на треть увеличили емкость аккумуляторов
У литий-ионных аккумуляторов есть «эффект памяти»
Прогноз Navigant Research: в 2023 г. будет продаваться шесть миллиардов портативных аккумуляторных батарей
Графеновые электроды на 300% улучшают литий-ионные батареи
Источник: Phys.org
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.
Настройка вашего браузера для приема файлов cookie
Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:
- В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
- Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
- Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
- Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
- Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.
Почему этому сайту требуются файлы cookie?
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.
Что сохраняется в файле cookie?
Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.
Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.
Настройка вашего браузера для приема файлов cookie
Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:
- В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
- Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
- Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
- Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
- Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.
Почему этому сайту требуются файлы cookie?
Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.
Что сохраняется в файле cookie?
Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.
Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.
На пути к долговечным литий-серным батареям — Advanced Science News
Новый композит из нитрида титана и серы снижает пресловутый эффект челнока и улучшает общие характеристики литий-серных батарей.
Изображение предоставлено: Unsplash
В связи с повышением осведомленности о глобальном потеплении во всем мире было предпринято множество инициатив по снижению выбросов углерода. Одна из областей, в которой необходимо сокращение выбросов углекислого газа, — это транспортный сектор.Например, повышенное внимание уделяется разработке электромобилей, работающих от аккумуляторов. В настоящее время для питания этих автомобилей используются литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы, однако эта технология в настоящее время приближается к своему теоретическому пределу плотности энергии и может использоваться только для коротких поездок. Следовательно, чтобы еще больше увеличить количество энергии, обеспечиваемой батареей, для использования в электромобилях дальнего действия, необходимо изучить новый химический состав батарей.
Одним из возможных решений, которое могло бы заменить существующие коммерческие батареи, является литий-сера (Li-S).Эти батареи имеют гораздо более высокую теоретическую плотность энергии и изготовлены из доступных по цене материалов, что делает их в целом более устойчивой технологией.
Несмотря на это, у Li-S аккумуляторов есть свои недостатки, мешающие их коммерциализации. Например, катод претерпевает большое изменение объема во время цикла, вызывая разрушение материала с течением времени. Кроме того, сера является изолятором, который препятствует потоку электронов / ионов в катоде, снижая производительность батареи.Наконец, происходит потеря серы с катода из-за растворения и диффузии определенных частиц (полисульфидов) через элемент, что приводит к уменьшению срока службы батареи.
Для решения этих проблем серу можно смешивать с другим материалом, образующим композит, чтобы улучшить проводимость, а также абсорбцию полисульфидов, удерживая их на катоде, чтобы избежать потери материала.
Композиционные материалы, которые ранее использовались в этом контексте, включают различные материалы, изготовленные из пористого углерода и оксидов металлов.Пористый углерод увеличивает проводимость электрода, однако не препятствует миграции полисульфидов. С другой стороны, оксиды металлов поглощают полисульфиды, но их электропроводность низкая. Следовательно, необходимы материалы, которые решают обе проблемы одновременно.
Одним из таких многообещающих веществ является нитрид титана, который имеет электрическую проводимость, близкую к проводимости металлов, и, как было показано, химически поглощает полисульфиды.
В своей недавней статье, опубликованной в журнале ChemistrySelect , Dr.Дин-Ронг Денг и профессор Ци-Хуэй Ву из Университета Цзимей разработали простой метод изготовления полых микросфер из нитрида титана без использования шаблонов в попытке преодолеть вышеупомянутые ограничения и улучшить характеристики Li-S аккумуляторов.
Полые структуры содержат много пустот, что означает, что они могут сдерживать расширение объема, что приводит к деградации катода. Однако полые материалы обычно требуют использования шаблона во время подготовки, что может увеличить сложность, а также стоимость процедуры изготовления.Вот почему этот новый безшаблонный метод является многообещающим для будущих Li-S батарей.
Способность микросфер нитрида титана поглощать полисульфиды была исследована и сравнена со способностью обычно используемой углеродной добавки. В эксперименте оба этих материала помещали в раствор, содержащий полисульфиды. Было обнаружено, что образец, содержащий нитрид титана, абсорбировал почти весь полисульфид в растворе, тогда как образец, содержащий углерод, вообще не реагировал, даже если оставить его более чем на три часа.Причина этого была объяснена сильным взаимодействием между азотом и серой.
Затем микросферы нитрида титана смешивали с серой с образованием композита, который использовали в качестве катодного материала в работающей батарее. Производительность этой батареи сравнивали с батареей, в которой вместо полых микросфер в композите использовался уголь, смешанный с серой.
Было обнаружено, что при использовании катода на углеродной основе способность батареи вырабатывать энергию значительно снизилась всего за 400 циклов.Однако при включении микросфер нитрида титана в катод батарея оставалась относительно стабильной в течение того же периода времени. Авторы объясняют это его способностью абсорбировать полисульфиды и минимизировать катодную деградацию. Чтобы проверить, были ли микросферы полезными для выходной мощности батареи, был использован катод, сделанный из объемного нитрида титана, и было обнаружено, что он дает более низкие характеристики.
В исследовании представлен простой и новый метод изготовления катодов в Li-S батареях, которые уменьшают эффект челнока и улучшают общую производительность, приближая их на шаг к коммерциализации.
Ссылка: Ding ‐ Rong Deng и Qi ‐ Hui Wu, « Полые микросферы TiN, синтезированные без использования шаблонов в качестве матрицы для высокоэффективной Li ‐ S батареи » ChemistrySelect (2020). DOI: 10.1002 / slct.202002641
литий-серных батарей: от жидких к твердым элементам? (Журнальная статья)
Линь, Чжань и Лян, Чэнду. Литий-серные батареи: от жидких к твердым элементам? .США: Н. П., 2014.
Интернет. DOI: 10.1039 / C4TA04727C.
Линь, Чжань и Лян, Чэнду. Литий-серные батареи: от жидких к твердым элементам? . Соединенные Штаты. https://doi.org/10.1039/C4TA04727C
Линь, Чжань и Лян, Чэнду.Вт.
«Литий-серные батареи: от жидких к твердым элементам?». Соединенные Штаты. https://doi.org/10.1039/C4TA04727C. https://www.osti.gov/servlets/purl/1185628.
@article {osti_1185628,
title = {Литий-серные батареи: от жидких к твердым элементам?},
author = {Линь, Чжань и Лян, Чэнду},
abstractNote = {Литий-серные (Li-S) батареи вырабатывают теоретическую удельную энергию в 5 раз больше, чем у литий-ионных батарей (2500 vs.~ 500 Вт · ч кг-1). Однако изолирующие свойства и полисульфидные челночные эффекты серного катода и проблемы безопасности литиевого анода в жидких электролитах по-прежнему являются ключевыми ограничениями для практического использования традиционных Li-S батарей. В этом обзоре мы начнем с краткого обсуждения основ Li-S батарей и ключевых проблем, связанных с обычными жидкими элементами. Затем мы представляем самые последние достижения в жидких системах, включая серные положительные электроды, литиевые отрицательные электроды, а также электролиты и связующие.Мы обсуждаем важность изучения механизмов электродных реакций в жидких ячейках с использованием методов in-situ для отслеживания изменений состава и морфологии. Переходя от традиционных жидких элементов к современным твердым элементам, мы обсуждаем важность этого революционного сдвига с положительными достижениями как в твердых электролитах, так и в материалах электродов. Наконец, представлены возможности и перспективы будущих исследований Li-S батарей.},
doi = {10.1039 / C4TA04727C},
url = {https://www.osti.gov/biblio/1185628},
journal = {Журнал химии материалов. A},
issn = {2050-7488},
число = 3,
объем = 3,
place = {United States},
год = {2014},
месяц = {11}
}
Новый катализатор может способствовать созданию более совершенных литий-серных батарей и питания электроники нового поколения
ИЗОБРАЖЕНИЕ: Литий-ионные батареи в настоящее время широко используются в электронике, но литий-серные батареи могут заменить их в ближайшем будущем как более легкие, дешевые и более емкие альтернативы благодаря новым… посмотреть еще
Кредит: Институт науки и технологий Кванджу
В основе большинства электронных устройств сегодня лежат перезаряжаемые литий-ионные батареи (LIB). Но их емкости хранения энергии недостаточно для крупномасштабных систем хранения энергии (ESS). Литий-серные батареи (LSB) могут быть полезны в таком сценарии из-за их более высокой теоретической емкости хранения энергии. Они могут даже заменить LIB в других приложениях, таких как дроны, учитывая их легкий вес и более низкую стоимость.
Но тот же самый механизм, который дает им всю эту силу, удерживает их, превращая их в широко распространенную практическую реальность. В отличие от LIB, путь реакции в LSB приводит к накоплению твердого сульфида лития (Li 2 S 6 ) и жидкого полисульфида лития (LiPS), вызывая потерю активного материала с серного катода (положительно заряженного электрода) и коррозия литиевого анода (отрицательно заряженного электрода). Чтобы продлить срок службы батарей, ученые искали катализаторы, которые могут сделать это разложение эффективно обратимым во время использования.
В новом исследовании, опубликованном в ChemSusChem , ученые из Технологического института Кванджу (GIST), Корея, сообщают о своем прорыве в этом начинании. «В поисках нового электрокатализатора для LSB мы вспомнили о предыдущем исследовании, которое мы провели с оксалатом кобальта (CoC 2 O 4 ), в котором мы обнаружили, что отрицательно заряженные ионы могут легко адсорбироваться на поверхности этого материала во время электролиза. «Это побудило нас предположить, что CoC 2 O 4 будет демонстрировать аналогичное поведение с серой в LSB», — объясняет проф.Джеён Ли из GIST, который руководил исследованием.
Чтобы проверить свою гипотезу, ученые построили LSB, добавив слой CoC 2 O 4 на серный катод.
Разумеется, наблюдения и анализ показали, что способность CoC 2 O 4 адсорбировать серу позволяет восстанавливать и диссоциацию Li 2 S 6 и LiPS. Кроме того, он подавлял диффузию LiPS в электролит, адсорбируя LiPS на своей поверхности, предотвращая его попадание на литиевый анод и вызывая реакцию саморазряда.Эти действия вместе улучшили использование серы и уменьшили деградацию анода, тем самым увеличив долговечность, производительность и емкость аккумулятора.
Обвиняемый этими открытиями, профессор Ли предвидит электронное будущее, управляемое LSB, чего не могут реализовать LIB. «LSB могут обеспечить эффективный электрический транспорт, такой как беспилотные самолеты, электрические автобусы, грузовики и локомотивы, в дополнение к крупномасштабным устройствам хранения энергии», — отмечает он. «Мы надеемся, что наши результаты могут приблизить LSB на один шаг к коммерциализации для этих целей.«
Возможно, появление литий-серных батарей в мире — это лишь вопрос времени.
###
О Институте науки и технологий Кванджу (GIST)
Институт науки и технологий Кванджу (GIST) — это исследовательский университет, расположенный в Кванджу, Южная Корея. Одна из самых престижных школ в Южной Корее, она была основана в 1993 году. Университет стремится создать сильную исследовательскую среду, чтобы стимулировать достижения в области науки и технологий и способствовать сотрудничеству между зарубежными и отечественными исследовательскими программами.Под девизом «Гордый создатель науки и технологий будущего» университет неизменно получает один из самых высоких рейтингов университетов в Корее.
Веб-сайт: http: // www.
Об авторе
Доктор Джеён Ли получил докторскую степень в области физической электрохимии в Институте Фрица-Хабера в Берлине, Германия, в 2001 году под руководством доктора Герхарда Эртля, лауреата Нобелевской премии 2007 года.В настоящее время он является профессором Школы наук о Земле и инженерии окружающей среды и заместителем директора Центра электрохимии и катализа Ertl в Институте науки и технологий Кванджу (GIST), Корея. Он интересуется разработкой, синтезом и применением электрокатализаторов для различных секторов энергетики и окружающей среды.
Заявление об ограничении ответственности: AAAS и EurekAlert! не несут ответственности за точность выпусков новостей, размещенных на EurekAlert! участвующими учреждениями или для использования любой информации через систему EurekAlert.
Разложение лития в литий-серных батареях: понимание истощения запасов и межфазной эволюции с циклической сменой
Перспективы литий-серных батарей с высокой плотностью энергии и длительным сроком службы в настоящее время сдерживаются быстрой деградацией литий-металлических анодов при циклировании. Глубокое понимание динамического поведения жидких электролитов, включая механизмы, лежащие в основе истощения запасов лития и эволюции литиевых межфазных границ, имеет решающее значение для того, чтобы Li – S аккумуляторы стали реальностью.Мы используем здесь безанодную конфигурацию полной ячейки, соединяя катод Li 2 S с голым никелевым токосъемником без металлического лития, чтобы количественно оценить потери запасов лития за цикл. Показано, что потеря запасов лития является основным фактором, ограничивающим общую циклируемость Li – S батарей. Времяпролетные измерения вторичной ионной масс-спектрометрии осажденного лития показывают наличие значительного количества металлического лития даже после того, как большая часть активного запаса лития была исчерпана.Захваченный металлический литий становится электрохимически неактивным из-за роста резистивной межфазной границы разложения электролита на поверхности лития. Показано, что основная часть осажденного лития состоит из различных полностью восстановленных межфазных компонентов, включая несколько водородсодержащих частиц, интенсивность которых существенно снижается при циклировании. Это указывает на значительное выделение газа, а также коррелирует с потерей запасов лития. Использование полной конфигурации ячейки без анода обеспечивает основу для точной оценки динамики истощения запасов лития и характеристики сопутствующей межфазной эволюции с циклированием.Полученные данные окажутся неоценимыми для разработки стратегий по продлению срока службы энергоемких Li – S батарей.
У вас есть доступ к этой статье
Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуйте еще раз?Литий-серные батареи: от жидких до твердотельных
Литий-серные (Li-S) батареи обеспечивают теоретическую удельную энергию в 5 раз выше, чем у литий-ионных батарей (2500 vs. ∼500 Вт · ч кг −1 ). Однако изолирующие свойства и полисульфидные челночные эффекты серного катода и проблемы безопасности литиевого анода в жидких электролитах по-прежнему являются ключевыми ограничениями для практического использования традиционных Li-S батарей. В этом обзоре мы начнем с краткого обсуждения основ Li – S батарей и ключевых проблем, связанных с обычными жидкими элементами. Затем мы представляем самые последние достижения в жидких системах, включая серные положительные электроды, литиевые отрицательные электроды, а также электролиты и связующие.Мы обсуждаем важность изучения механизмов электродных реакций в жидких ячейках с использованием методов in situ и для отслеживания изменений состава и морфологии. Мы также обсуждаем важность этого кардинального перехода от традиционных жидких ячеек к недавно разработанным твердым элементам с положительным прогрессом как в твердых электролитах, так и в материалах электродов. Наконец, представлены возможности и перспективы будущих исследований Li – S аккумуляторов.
У вас есть доступ к этой статье
Подождите, пока мы загрузим ваш контент.