Натрий вместо лития, или как создают аккумуляторы будущего

Самые большие сетевые батареи

Имя Дата ввода в эксплуатацию Энергия ( МВтч ) Мощность ( МВт ) Продолжительность (часы) Тип Страна Ссылки
Энергетический центр Аламитос Январь 2021 г. 400 100 4 Литий-ионный Соединенные Штаты
Подстанция Бузен 3 марта 2016 г. 300 50 6 Натрий-сера Япония
Шлюз хранения энергии Август 2020 г. 250 250 1 Литий-ионный Соединенные Штаты
Роккашо, Аомори Май 2008 г. 245 34 7 Натрий-сера Япония
1 декабря 2017 г. 193 150 Литий-ионный Австралия
Подстанция Эскондидо 24 февраля 2017 г. 120 30 4 Литий-ионный Соединенные Штаты
Подстанция Помона Январь 2017 г. 80 20 4 Литий-ионный Соединенные Штаты
Подстанция Мира Лома 30 января 2017 г. 80 20 4 Литий-ионный Соединенные Штаты
Солнечная электростанция Тесла 8 марта 2017 г. 52 13 5 Литий-ионный Соединенные Штаты
Завод Stocking Pelham Июль 2018 г. 50 50 1 Литий-ионный Великобритания
Ярделунд Июнь 2018 г. 50 48 1 Литий-ионный Германия
Подстанция Минамисама Февраль 2016 г. 40 40 1 Литий-ионный Япония
Ноябрь 2003 г. 6,25 25 0,25 Никель-кадмиевый (Ni-Cad) Соединенные Штаты

Планируется или строится

Имя Планируемая дата ввода в эксплуатацию Энергия ( МВтч ) Мощность ( МВт ) Продолжительность (часы) Тип Страна Ссылки
Проект хранения энергии в Рейвенсвуде 2024 г. 2,528 316 8 Литий-ионный Соединенные Штаты
система хранения энергии (Фаза 1 и 2)
2 квартал 2021 г. 1,600 400 4 Литий-ионный Соединенные Штаты
Центр хранения энергии ламантина (Southfork Solar Energy Center) Ноябрь 2021 г. 900 409 2,25 Литий-ионный Соединенные Штаты
Хранение энергии Diablo 3 квартал 2021 г. TBD 200 TBD Литий-ионный Соединенные Штаты
система накопления энергии 2 квартал 2021 г. 730 182,5 4 Литий-ионный Соединенные Штаты
2021 г. 560 112 5 Литий-ионный Чили
Ventura Energy Storage 2021 г. 400 100 4 Литий-ионный Соединенные Штаты
Проект энергоаккумулятора Минети 4 квартал 2020 г. 100 100 Литий-ионный Соединенное Королевство
4 квартал 2021 г. TBD 200 TBD Литий-ионный Литва
CEP Energy, проект Курри Курри 2023 г. 4800 1,200 4 Литий-ионный Австралия
Проект хранилища
Origin Energy Eraring
2022 г. 2 800 700 4 Литий-ионный Австралия
Великая западная батарея Неоэн Валлераванг 2022 г. 1000 500 4 Литий-ионный Австралия
Energy Australia Jeeralang большой аккумулятор 2026 г. 1400 350 4 Литий-ионный Австралия

Рабочие характеристики

Поскольку они не требуют какого-либо механического движения, аккумуляторные аккумуляторные электростанции обеспечивают чрезвычайно короткое время управления и время запуска в диапазоне нескольких десятков мсек при полной нагрузке. Таким образом, они могут гасить быстрые колебания (периоды порядка секунды), которые возникают, когда электрические сети работают на пределе своей максимальной мощности. Эти нестабильности представляют собой колебания напряжения с периодами до нескольких десятков секунд, которые в худшем случае могут резко увеличиваться до высоких амплитуд, что может привести к отключениям электроэнергии в регионах. Аккумуляторная аккумуляторная электростанция правильного размера может эффективно противодействовать этим колебаниям; поэтому приложения находят применение в основном в тех регионах, где электроэнергетические системы работают на полную мощность, что создает риск для стабильности сети. Батарейки также обычно используются для пикового бритья до нескольких часов.

Крупные накопительные установки (Na-S) также могут использоваться в сочетании с периодически возобновляемым источником энергии в автономных энергосистемах .

Понятие электролита

В емкости с электролитом (смесь дистиллированной воды и серной кислоты) опущены два электрода. Катод (отрицательно заряженный электрод) изготовлен из свинца. Анод (положительно заряженный электрод) в основном изготовлен из диоксида свинца. Через электролит слабо идет электрический ток, но легко двигаются ионы. Ионы с положительным зарядом направляются к плюсовому электроду, а отрицательно заряженные частицы направляются к отрицательному электроду. На электродах создается разность потенциалов. Такой процесс называется электролитической диссоциацией. После подключения нагрузки между электродами по проводникам идет ток.

При этом, на аноде происходит преобразование четырехвалентного свинца в двухвалентный с выделением двух электронов.

В процессе работы протекают процессы:

  • расходуется триоксид серы;
  • восстановление оксида свинца на катоде (до металлического);
  • в процессе реакции кислота заменяется водой и плотность электролита снижается;
  • окисляется металл с образованием оксида свинца на аноде.

Во время зарядки, наоборот, происходит восстановление свинца на аноде.
После полного восстановления идет электролиз (разложение воды в электролите) на водород и кислород. Они скапливаются в виде пузырьков на электродах и начинают выделяться в атмосферу. В небольшом непроветриваемом помещении при появлении открытого огня или просто искры возможен взрыв. Другой неприятный побочный эффект электролиза – увеличение концентрации кислоты в электролите. Уровень рабочей жидкости в банке понижается и соответственно емкость батареи (способность накапливать и отдавать энергию в виде электрического тока) снижается.

Емкость АКБ со временем, снижается из-за образования сульфата, который покрывает поверхность электродов не растворяемым слоем и снижает их рабочую площадь.

Особенности эксплуатации серебряно-цинковых батарей

Этот тип аккумуляторных батарей имеет очень маленькое внутреннее сопротивление, а также большую величину удельной энергоёмкости. Основной отличительной особенностью серебряно-цинковых аккумуляторов можно назвать возможность высокой отдачи тока. На 1 А-ч ёмкости аккумулятора ток может достигать 50 ампер.

В процессе зарядки батареи образуется и окись серебра (AgO). Благодаря этому кривая напряжения при заряде и разряде идёт ступенчато. Отчётливо видны участки с более высокими значениями напряжения, которые соответствуют восстановлению (при разряде) или окислению (при заряде) серебра. При больших токах разряда ступенчатый характер изменения напряжения становится менее заметным.

Удельные характеристики этого вида аккумуляторных батарей также выше, чем у свинцово─кислотных и никель─кадмиевых.

Ниже можно посмотреть сравнение некоторых характеристик серебряно-цинковых, никель-кадмиевых, свинцово-кислотных стартерных аккумуляторов для автомобиля.

Тип аккумулятора Режим разряда Удельная ёмкость, Ач/кг Удельная энергия, Вт-ч/кг Удельная мощность, Вт/кг
Тип аккумулятора Режим разряда Удельная ёмкость, Ач/кг Удельная энергия, Вт-ч/кг Удельная мощность, Вт/кг
Свинцово-кислотные 5 минут
1 час
10 часов
3,2-4,1
9-12,5
11-12,9
5,4-7
18-25
22-25
54-90
18-25
2,1-2,6
Никель-кадмиевые безламельные 5 минут
1 час
10 часов
21
23
23
16,4
27,3
29
197
27,3
2,9
Серебряно-цинковые 5 минут
1 час
10 часов
19-31
41-73
65-100
25-41
60-106
100-150
300-500
60-106
10-15

Серебряно-цинковые аккумуляторы хранятся без электролита долгое время. Чтобы привести в рабочее состояние элементы этого типа, нужно:

  • предварительно провести их визуальный осмотр для выявления механических повреждений и коррозии элементов;
  • далее аккумуляторы нужно залить электролитом. Для этого используется раствор едкого калия в воде с плотностью 1,4 гр./см3, который насыщен окисью цинка;
  • провести формировочные циклы заряд-разряд, а затем контрольный и рабочий заряд батареи.

После визуального осмотра и заливки электролита у всех элементов проверяется ЭДС. Для нормальной работы аккумулятора электроды должны пропитаться электролитом. Чтобы ускорить этот процесс серебряно-цинковые аккумуляторы помещаются в барокамеру. Предварительно у них снимаются крышки с заливочных отверстий.

Размер серебряно-цинковых аккумуляторов

Когда аккумуляторы залиты, то проводится их формировка. Эта процедура заключается в проведении двух полноценных циклов заряд-разряд. При этом нужно контролировать полноту заряда по времени или по напряжению элемента.

После того, как серебряно─цинковый аккумулятор залит электролитом, храниться он должен при температуре 5—10 С. В таком режиме лучше сохраняется целлофан сепаратора.

В таблице ниже представлены характеристики объёма моделей серебряно-цинковых аккумуляторов, выпускаемых российскими производителями.

Маркировка аккумулятора Вес АКБ с залитым электролитом, кг Номинальная ёмкость (разряд 10 часов), Ач Ток пяти минутного разряда, А
Маркировка аккумулятора Вес АКБ с залитым электролитом, кг Номинальная ёмкость (разряд 10 часов), Ач Ток пяти минутного разряда, А
СЦ-0,5 0,024 0,85 2
СЦ-1,5 0,035 1,8 3,5
СЦ-3 0,095 4,5 35
СЦ-5 0,16 7,5 60
СЦ-12 0,195 14 80
СЦ-15 0,245 16,5 95
СЦ-18 0,3 20 120
СЦ-25 0,47 27 150
СЦ-40 0,72 45 180
СЦ-45 0,76 50 200
СЦ-50 0,84 55 250
СЦ-70 1,35 80 400
СЦ-100 1,6 100 600
СЦ-120 1,9 130 650

Концентрация и плотность

Основным показателем концентрации кислоты в аккумуляторе является его плотность. В нормальном состоянии плотность электролита 1,23 г/см3. В зависимости от времени года кислота в аккумуляторе должна иметь разную плотность. Летом она может быть 1,07 г/см3, зимой 1,3 г/см3. Зимой повышение плотности требуется для того, чтобы жидкость не замерзла и банки не разорвало.

Работа АКБ зависит и от уровня электролита в банках. Для его определения применяется стеклянная трубочка.

Выполняются следующие операции:

  • откручиваются пробки на всех банках;
  • трубка опускается до уровня пластин;
  • отверстие трубки зажимается пальцем;
  • вытаскивается трубка и определяется высота заполнения.

Рекомендуется выдерживать расстояние от 10 до 15 мм выше уровня пластин.

Одновременно замеряется плотность электролита. В случае больших отклонений уровня и плотности электролита приступают к регулировке.

состояние исследования

На протяжении более четырех десятилетий полученные в ходе исследований элементы страдали от плохой перезарядки, поскольку циклы зарядки и разрядки приводили к быстрой потере емкости. Только примерно с 2013 года появились отчеты исследовательских групп, которые использовали литий-серные батареи в течение тысячи и более циклов.

В обзорной статье, опубликованной в декабре 2014 года, перечислены z. B. Составьте список публикаций из одиннадцати групп, которые достигли этого количества циклов. Это включает в себя ученых в Дрезденской Fraunhofer IWS , в 2013 году новую структуру батареи с кремнием — углерод — анод воображаемую , что число циклов заряда и кнопки клеток в семь раз от 200 до 1400 — К началу 2014 года исследовательская группа достигла 2000 циклов. Также в 2013 году исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли сообщили, что их оптимизированный серный электрод имел большую емкость, чем катод в литий-ионных элементах после 1500 циклов заряда-разряда. В них использовался специальный электролит на основе ионной жидкости . Тем временем было продемонстрировано 3000 или более 4000 циклов.

В 2016 году исследователи из Кембриджского университета сообщили о дальнейшем повышении прочности электродов. Это показывает, что в принципе возможно большое количество циклов, но необходимы дальнейшие улучшения, пока Li-S элементы не станут реальной альтернативой обычным литий-ионным батареям, которые также постоянно совершенствуются.

В январе 2020 года австралийские исследователи заявили, что они разработали самую мощную на сегодняшний день литий-серную батарею, в которой они используют особо прочный серный электрод, в котором сера заключена в специальный слой из связующего и углерода, что увеличивает производительность. и уменьшить потерю емкости.

После того, как британская компания OXIS Energy сообщила в октябре 2018 года, что она разработала элемент на 425 Втч / кг, в августе 2020 года была опубликована новая статья, в которой сообщается о керамическом слое вокруг катода; кроме того, сейчас достигнуто 470 Втч / кг, и можно предположить, что 500 Втч / кг могут быть достигнуты в течение одного года.

В октябре 2020 года было опубликовано, что емкость, стабильность цикла и саморазряд литий-серных батарей можно значительно улучшить с помощью оксалата кобальта .

Развитие [ править ]

Соединенные Штаты

Компания Ford Motor впервые применила аккумуляторную батарею в 1960-х годах для установки на электромобили ранних моделей .

С 2009 года , более низкая температура, твердого электрода версия находилась в стадии разработки в штате Юта по . В них используется мембрана NASICON, позволяющая работать при 90 ° C, при этом все компоненты остаются твердыми.

В 2014 году исследователи определили жидкий натрий-цезиевый сплав, который работает при 150 ° C и производит 420 миллиампер- часов на грамм. Материал полностью покрыл («смачивает») электролит. После 100 циклов зарядки / разрядки тестовая батарея сохранила около 97% своей начальной емкости. Более низкая рабочая температура позволила использовать менее дорогой полимерный внешний кожух вместо стали, что частично компенсировало увеличение затрат, связанных с использованием цезия.

Япония

Батарея NaS была одним из четырех типов батарей, выбранных в качестве кандидатов на интенсивное исследование MITI в рамках «Проекта лунного света» в 1980 году. Этот проект был направлен на разработку долговечного устройства накопления энергии, отвечающего критериям, указанным ниже, в 10-летнем проекте. .

  • Класс 1000 кВт
  • 8 часов зарядки / 8 часов разрядки при номинальной нагрузке
  • КПД 70% или выше
  • Срок службы 1500 циклов или лучше

Остальные три были улучшенными свинцово-кислотными , окислительно-восстановительными батареями (ванадиевого типа) и бромисто-цинковыми батареями .

Консорциум, образованный TEPCO ( Tokyo Electric Power Co.) и NGK ( NGK Insulators Ltd.), объявил о своей заинтересованности в исследовании NaS-батареи в 1983 году и с тех пор стал основной движущей силой разработки этого типа. Компания TEPCO выбрала NaS-батарею, потому что все ее составляющие (натрий, сера и керамика) широко распространены в Японии. Первые крупномасштабные полевые испытания были проведены на подстанции TEPCO в Цунашиме в период с 1993 по 1996 год с использованием батарейных блоков 3 x 2 МВт, 6,6 кВ. На основе результатов этого испытания были разработаны улучшенные аккумуляторные модули, которые стали коммерчески доступными в 2000 году. Коммерческий банк аккумуляторов NaS предлагает:

  • Мощность: 25–250 кВтч на банк.
  • КПД 87%
  • Срок службы 2500 циклов при 100% глубине разряда (DOD) или 4500 циклов при 80% DOD

В демонстрационном проекте использовалась батарея NaS в ветропарке Miura Wind Park компании Japan Wind Development Co. в Японии.

В мае 2008 года компания Japan Wind Development открыла ветряную электростанцию ​​мощностью 51 МВт, которая включает в себя систему натриево-серных батарей мощностью 34 МВт, в Футамате в префектуре Аомори в мае 2008 года

По состоянию на 2007 год в Японии было установлено 165 МВт мощности. В 2008 году NGK объявила о плане увеличения мощности завода NaS с 90 МВт в год до 150 МВт в год.

В 2010 году Xcel Energy объявила, что будет тестировать аккумуляторную батарею энергии ветряной электростанции на основе двадцати натрий-серных батарей мощностью 50 кВт. Ожидается, что 80-тонная батарея размером с 2 полуприцепа будет иметь мощность 7,2 МВт · ч при мощности заряда и разряда 1 МВт. С тех пор NGK объявила о нескольких крупномасштабных развертываниях, включая виртуальную установку, распределенную на 10 площадках в ОАЭ, общей мощностью 108 МВт / 648 МВтч в 2019 году.

В марте 2011 года Sumitomo Electric Industries и Киотский университет объявили, что они разработали низкотемпературную ионно-натриевую батарею, которая может выдавать мощность при температуре ниже 100 ° C. Батареи имеют удвоенную плотность энергии, чем литий-ионные, и значительно более низкую стоимость. Генеральный директор Sumitomo Electric Industry Масаеши Мацумото сообщил, что компания планирует начать производство в 2015 году. Предполагается, что первыми приложениями будут здания и автобусы. неудачная проверка

Проблемы

Было обнаружено, что коррозия изоляторов представляет собой проблему в агрессивной химической среде, поскольку они постепенно становились проводящими, и скорость саморазряда увеличивалась. Рост дендритов натрия также может быть проблемой.

Исследовать

Исследовать
Анод Катод Дата Источник Удельная мощность после цикла Заметки
Литий металлический Покрытый полиэтиленгликолем , мезопористый углерод с ямками 17 мая 2009 г. Университет Ватерлоо 1110 мА⋅ч / г после 20 циклов при токе 168 мА⋅г- 1 Минимальная деградация во время цикла зарядки. Чтобы удерживать полисульфиды на катоде, поверхность была функционализирована так, чтобы отталкивать (гидрофобные) полисульфиды. В испытании с использованием глимового растворителя традиционный серный катод потерял 96% серы за 30 циклов , в то время как экспериментальный катод потерял только 25%.
Литий металлический Покрытые серой неупорядоченные углеродные полые углеродные нановолокна 2011 г. Стэндфордский Университет 730 мА⋅ч / г после 150 циклов (при 0,5 C) Добавка к электролиту повысила КПД Фарадея с 85% до более 99%.
Кремниевая нанопроволока / углерод Неупорядоченные углеродные нанотрубки с серным покрытием, изготовленные из углеводов 2013 CGS 1300 мА⋅ч / г после 400 циклов (при 1 ° C) Микроволновая обработка материалов и лазерная печать электродов.
Кремний-углерод Сера 2013 Институт материаловедения и балочных технологий им. Фраунгофера IWS ? после 1400 циклов
Сополимеризованная сера 2013 Университет Аризоны 823 мА⋅ч / г при 100 циклах Использует «обратную вулканизацию » в основном на сере с небольшим количеством добавки 1,3-диизопропенилбензола (DIB).
Пористый TiO2-инкапсулированные наночастицы серы 2013 Стэндфордский Университет 721 мА⋅ч / г при 1000 циклах (0,5 C) Оболочка защищает серно-литиевый промежуточный продукт от растворителя электролита. Каждая катодная частица имеет диаметр 800 нанометров. Эффективность Фарадея 98,4%.
Сера июнь 2013 Национальная лаборатория Окриджа 1200 мА · ч / г при 300 циклах при 60 ° C (0,1 C)

800 мА · ч / г при 300 циклах при 60 ° C (1 C)

Твердый электролит из полисульфидофосфата лития. Половина напряжения типичных LIB. К остающимся проблемам относятся низкая ионная проводимость электролита и хрупкость керамической структуры.
Литий Серо- графен оксида нанокомпозит с стирол-бутадиен — карбоксиметилцеллюлозу сополимер связующего 2013 Национальная лаборатория Лоуренса Беркли 700 мА · ч / г при 1500 циклах ( разряд 0,05 ° C)

400 мА · ч / г при 1500 циклах (0,5 C заряд / 1 C разряд)

Напряжение от 1,7 до 2,5 вольт, в зависимости от уровня заряда. Бис (трифторметансульфонил) имид), растворенный в смеси нметил- (н-бутил) пирролидиния бис (трифторметансульфонил) -имида (PYR14TFSI), 1,3-диоксолана (DOL), диметоксиэтана (DME) с 1 М бис- ( трифторметилсульфонил) имид (LiTFSI) и нитрат лития ( LiNO3). Сепаратор из полипропилена с высокой пористостью. Удельная энергия составляет 500 Вт⋅ч / кг (начальная) и 250 Вт⋅ч / кг при 1500 циклах (C = 1,0).
Литированный графит Сера Февраль 2014 года Тихоокеанская Северо-Западная национальная лаборатория 400 циклов Покрытие предотвращает разрушение анода полисульфидами.
Литированный графен Пассивирующий слой серы / сульфида лития 2014 г. OXIS Energy 240 мА · ч / г (1000 циклов)

25 А · ч / ячейка

Пассивирующий слой предотвращает потерю серы
Литированный твердый углерод Сополимер серы (поли (S-co-DVB)) 2019 г. Национальный университет Чунгнам 400 мАч / г на 500 циклов при 3 ° C SEI твердого углерода предотвращает осаждение полисульфидов на аноде и обеспечивает высокую производительность.
Литий-серные батареи Углеродные нанотрубки / сера 2014 г. Университет Цинхуа 15,1 мА · ч⋅см −2 при содержании серы 17,3 мг См · см −2 Был изготовлен отдельно стоящий бумажный электрод CNT – S с высокой поверхностной загрузкой серы, в котором короткие MWCNT служили электропроводящей сетью на малых расстояниях, а сверхдлинные УНТ действовали как проводящая сеть на большие расстояния, так и как скрещенные связующие.
Покрытая стеклом сера с умеренно восстановленным оксидом графена для структурной поддержки 2015 г. Калифорнийский университет, Риверсайд 700 мА⋅ч⋅г -1 (50 циклов) Стеклянное покрытие предотвращает постоянную миграцию полисульфидов лития на электрод
Литий Сера 2016 г. 500 Вт⋅ч / кг Проект ALISE H2020 по разработке Li – S аккумуляторной батареи для автомобилей с новыми компонентами, оптимизированной в отношении анода, катода, электролита и сепаратора.

Альтернативы

Аккумуляторная батарея — это только один из нескольких типов аккумуляторных систем хранения энергии . Существует или разрабатывается несколько альтернатив аккумуляторным батареям. Для таких целей, как портативные радиоприемники , аккумуляторные батареи могут быть заменены часовыми механизмами, которые заводятся вручную, приводя в движение динамо-машины , хотя эта система может использоваться для зарядки аккумулятора, а не для непосредственного управления радиоприемником. Фонари могут управляться напрямую от динамо-машины. Для транспорта, систем бесперебойного питания и лабораторий, системы хранения энергии с маховиком накапливают энергию во вращающемся роторе для преобразования в электроэнергию, когда это необходимо; такие системы могут использоваться для обеспечения больших импульсов мощности, которые в противном случае были бы нежелательны в общей электрической сети.

Также используются ультраконденсаторы  — конденсаторы очень высокой стоимости; электрические отвертки , который заряжает за 90 секунд , и будет вести около половины , как много винтов в качестве устройства с использованием аккумуляторной батареи были введены в 2007 году, и аналогичные фонари были произведены. В соответствии с концепцией ультраконденсаторов, бета-гальванические батареи могут использоваться как способ обеспечения непрерывного заряда вторичной батареи, что значительно продлевает срок службы и энергоемкость используемой системы батарей; Этот тип устройства часто называют «гибридным бета-гальваническим источником энергии» в промышленности.

Ультраконденсаторы разрабатываются для транспорта, в которых для хранения энергии используется большой конденсатор вместо аккумуляторных батарей, используемых в гибридных транспортных средствах . Одним из недостатков конденсаторов по сравнению с батареями является быстрое падение напряжения на клеммах; конденсатор, в котором осталось 25% начальной энергии, будет иметь половину своего начального напряжения. Напротив, аккумуляторные системы имеют тенденцию иметь напряжение на клеммах, которое не падает быстро, пока почти не разрядится. Это падение напряжения на клеммах усложняет конструкцию силовой электроники для использования с ультраконденсаторами. Однако есть потенциальные преимущества в эффективности цикла, сроке службы и весе по сравнению с перезаряжаемыми системами. Китай начал использовать ультраконденсаторы на двух маршрутах коммерческих автобусов в 2006 году; один из них — маршрут 11 в Шанхае .

Аккумуляторы Flow , используемые в специализированных приложениях, заряжаются путем замены жидкого электролита. Проточную батарею можно рассматривать как тип перезаряжаемого топливного элемента .

История [ править ]

Изобретение Li-S батарей относится к 1960-м годам, когда Герберт и Улам запатентовали в 1962 году первичную батарею, в которой использовался литий или литиевые сплавы в качестве анодного материала, сера в качестве катодного материала и электролит, состоящий из алифатических насыщенных аминов . Несколько лет спустя технология была улучшена за счет внедрения органических растворителей, таких как ПК , ДМСО и ДМФ, с получением батареи на 2,35-2,5 В. К концу 1980-х была продемонстрирована перезаряжаемая Li – S батарея, в которой в качестве растворителя электролита использовались эфиры, в частности DOL . Благодаря научным достижениям в этой области был подчеркнут потенциал Li – S батарей. Аккумуляторы Li – S за последние двадцать лет снова стали популярными. В частности, стратегии ингибирования или смягчения эффекта полисульфидного «челнока» были глубоко исследованы и были предметом изучения многих исследователей.

Manthiram определила критические параметры, необходимые для перехода литий-серных батарей к коммерческому использованию. В частности, батареи лития серы необходимо достичь погрузки серы> 5 мг см -2 , содержание углерода <соотношении 5%, электролит к-серы <5 мкл мг -1 , электролит к — отношение емкости <5 мкл (мА · ч) -1 и отношение отрицательной емкости к положительной <5 в ячейках мешочного типа.

По состоянию на 2017 год вышло 700 публикаций.

Строительство

Аккумуляторная батарея, используемая в центре обработки данных

Аккумуляторные аккумуляторные электростанции и источники бесперебойного питания (ИБП) сопоставимы по технологии и функциям. Однако аккумуляторные аккумуляторные электростанции больше.

В целях безопасности фактические батареи размещаются в собственных конструкциях, таких как склады или контейнеры. Как и в случае с ИБП, одна проблема заключается в том, что электрохимическая энергия накапливается или излучается в форме постоянного тока (DC), в то время как электрические сети обычно работают с переменным током (AC). По этой причине необходимы дополнительные инверторы для подключения аккумуляторных аккумуляторных электростанций к высоковольтной сети. Этот тип силовой электроники включает тиристоры GTO , обычно используемые в передаче постоянного тока высокого напряжения (HVDC).

В зависимости от отношения мощности к энергии, ожидаемого срока службы и затрат могут использоваться различные аккумуляторные системы. В 1980-х годах свинцово-кислотные батареи использовались для первых аккумуляторных электростанций. В течение следующих нескольких десятилетий все чаще использовались никель-кадмиевые и натриево-серные батареи. С 2010 года все больше и больше аккумуляторных батарей для коммунальных предприятий полагаются на литий-ионные батареи в результате быстрого снижения стоимости этой технологии, вызванного автомобильной промышленностью. В основном используются литий-ионные аккумуляторы . Появилась система проточных батарей , но свинцово-кислотные батареи все еще используются в небольших бюджетных приложениях.

Некоторые батареи, работающие при высоких температурах ( натриево-серные батареи ) или использующие коррозионные компоненты, подвержены календарному старению или выходу из строя, даже если они не используются. Другие технологии страдают от циклического старения или износа, вызванного циклами заряда-разряда. Это ухудшение обычно выше при высоких скоростях зарядки. Эти два типа старения вызывают потерю производительности (снижение емкости или напряжения), перегрев и могут в конечном итоге привести к критическому отказу (утечка электролита, пожар, взрыв). Некоторые батареи можно обслуживать, чтобы предотвратить потерю производительности из-за старения. Например, негерметичные свинцово-кислотные батареи выделяют водород и кислород из водного электролита при перезарядке. Воду необходимо регулярно доливать, чтобы не повредить аккумулятор; и, чтобы избежать опасности взрыва, необходимо удалить горючие газы. Однако такое обслуживание требует затрат, и современные батареи, такие как литий-ионные , рассчитаны на длительный срок службы без обслуживания. Поэтому большинство современных систем состоит из надежно закрытых аккумуляторных блоков , которые контролируются электроникой и заменяются, когда их производительность падает ниже заданного порогового значения. Иногда аккумуляторные электростанции строятся с системами аккумулирования энергии с маховиком для экономии заряда аккумулятора. Маховики могут справляться с резкими колебаниями лучше, чем старые аккумуляторные установки.

Из чего состоит серебряно-цинковая АКБ

Батарея на основе оксидов цинка представляет собой стандартную цельную конструкцию, погруженную в пластик, как и любой другой аккумулятор. Однако стоит открыть заглушки, и сразу же будут заметны отличия. В качестве отрицательного компонента в батарее выступают пластины из цинка либо из смеси этого металла. За плюсовой компонент батареи отвечают серебряные пластины либо из смеси серебра.

Минусовые элементы содержатся в целлюлозных конвертиках, что позволяет проникать сквозь них щелочному электролиту. Чаще всего используется щелочной раствор калия. Пластины, заряженные положительно, содержатся уже в конвертиках из пленки, в состав которой входит лоза. Данный материал препятствует проникновению щелочного электролита.

Материалы конвертов подбираются в зависимости от свойств серебра и цинка. Как только электролит заливается, конвертики с отрицательно заряженными пластинами набухают, что препятствует образованию наплывов на массе отрицательных электродов. Также данный материал противодействует перемещению серебряных частниц с противоположно заряженных электродов.

Благодаря перечисленным свойствам риск возникновения короткого замыкания уменьшается в несколько раз, что, однако, не мешает плотному соприкосновению заряженных пластин с щелочным электролитом.

При сборке АКБ пластины надежно соприкасаются между собой, что позволяет крепить их к нижней части корпуса батареи. Дополнительные решетки при сборке пластин не нужны из-за прочности цинковых и серебряных электродов и высокой электропроводимости данных металлов.

Также цинково-серебряные аккумуляторы имеют большую устойчивость к колебаниям и ударным нагрузкам.

При заливке АКБ применяется калиевый электролит. Требуется лишь небольшая доля щелочного раствора для нормального функционирования аккумулятора, что позволяет располагать устройство в горизонтальном и вертикальном положениях.

Не пропускающая влагу пробка требует открытия только во время заряда. К тому же корпус располагает отметками, характеризующими наивысший и наименьший уровни щелочного электролита.

Во время работы АКБ происходит химическая реакция высвобождения оксидов серебра с образованием оксидов цинка. Реакция полностью обратимая, и в этом случае уже оксиды цинка распадаются, приводя к образованию окисей серебра.

Исследование [ править ]

Исследование
Анод Катод Дата Источник Удельная мощность после цикла Примечания
Литий металлический Покрытый полиэтиленгликолем , мезопористый углерод с ямками 17 мая 2009 г. Университет Ватерлоо 1110 мА⋅ч / г после 20 циклов при токе 168 мА⋅г -1 Минимальная деградация во время цикла зарядки. Чтобы удерживать полисульфиды на катоде, поверхность была функционализирована так, чтобы отталкивать (гидрофобные) полисульфиды. В испытании с использованием глимового растворителя традиционный серный катод потерял 96% серы за 30 циклов , в то время как экспериментальный катод потерял только 25%.
Литий металлический Покрытые серой неупорядоченные углеродные полые углеродные нановолокна 2011 г. Стэнфордский университет 730 мА⋅ч / г после 150 циклов (при 0,5 C) Добавка к электролиту повысила КПД Фарадея с 85% до более 99%.
Кремниевая нанопроволока / углерод Неупорядоченные углеродные нанотрубки с серным покрытием, изготовленные из углеводов 2013 CGS 1300 мА⋅ч / г после 400 циклов (при 1 ° C) Микроволновая обработка материалов и лазерная печать электродов.
Кремний-углерод Сера 2013 Институт материаловедения и балочных технологий им. Фраунгофера IWS ? после 1400 циклов
Сополимеризованная сера 2013 Университет Аризоны 823 мА⋅ч / г при 100 циклах Использует «обратную вулканизацию » в основном на сере с небольшим количеством добавки 1,3-диизопропенилбензола (DIB).
Пористый TiO2-инкапсулированные наночастицы серы 2013 Стэнфордский университет 721 мА⋅ч / г при 1000 циклах (0,5 C) Оболочка защищает серно-литиевый промежуточный продукт от растворителя электролита. Каждая катодная частица имеет диаметр 800 нанометров. Эффективность Фарадея 98,4%.
Сера июнь 2013 Национальная лаборатория Окриджа 1200 мА · ч / г при 300 циклах при 60 ° C (0,1 C)

800 мА · ч / г при 300 циклах при 60 ° C (1 C)

Электролит твердый полисульфидофосфат лития. Половина напряжения типичных LIB. К остающимся проблемам относятся низкая ионная проводимость электролита и хрупкость керамической структуры.
Литий Серо- графен оксида нанокомпозит с стирол-бутадиенкарбоксиметилцеллюлозу сополимер связующего 2013 Национальная лаборатория Лоуренса Беркли 700 мА · ч / г при 1500 циклах ( разряд 0,05 ° C)

400 мА · ч / г при 1500 циклах (0,5 C заряд / 1 C разряд)

Напряжение от 1,7 до 2,5 В в зависимости от уровня заряда. Бис (трифторметансульфонил) имид), растворенный в смеси нметил- (н-бутил) пирролидиния бис (трифторметансульфонил) -имида (PYR14TFSI), 1,3-диоксолана (DOL), диметоксиэтана (DME) с 1 М бис- ( трифторметилсульфонил) имид (LiTFSI) и нитрат лития ( LiNO3). Сепаратор из полипропилена с высокой пористостью. Удельная энергия составляет 500 Вт⋅ч / кг (начальная) и 250 Вт⋅ч / кг при 1500 циклах (C = 1,0).
Литированный графит Сера Февраль 2014 Тихоокеанская Северо-Западная национальная лаборатория 400 циклов Покрытие предотвращает разрушение анода полисульфидами.
Литированный графен
Пассивирующий слой серы / сульфида лития
2014 г.
OXIS Energy 240 мА · ч / г (1000 циклов)

25 А · ч / ячейка

Пассивирующий слой предотвращает потерю серы
Литированный твердый углерод Сополимер серы (поли (S-co-DVB)) 2019 г. Национальный университет Чунгнам 400 мАч / г на 500 циклов при 3 ° C SEI твердого углерода предотвращает осаждение полисульфидов на аноде и обеспечивает высокую производительность.
Литий-серные батареи
Углеродные нанотрубки / сера
2014 г.
Университет Цинхуа 15,1 мА · ч⋅см −2 при содержании серы 17,3 мг См · см −2 Был изготовлен автономный бумажный электрод CNT – S с высокой поверхностной загрузкой серы, в котором короткие MWCNT служили электропроводящей сетью на коротких расстояниях, а сверхдлинные УНТ действовали как проводящая сеть на большие расстояния, так и как скрещенные связующие.
Покрытая стеклом сера с умеренно восстановленным оксидом графена для структурной поддержки
2015 г.
Калифорнийский университет, Риверсайд 700 мА⋅ч⋅г -1 (50 циклов) Стеклянное покрытие предотвращает постоянную миграцию полисульфидов лития на электрод
Литий
Сера
2016 г.
500 Вт⋅ч / кг
Проект ALISE H2020 по разработке Li – S аккумуляторной батареи для автомобилей с новыми компонентами, оптимизированными в отношении анода, катода, электролита и сепаратора.
Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Ремонт авто
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Adblock
detector