对电池的研究将使汽车与汽车相同

2019-04-12 16:19:09
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锂空气电池是电动汽车的一个很好的机会。“如果我们成功开发这项技术,我们将面临电动汽车的最终突破,因为在实践中,如果考虑到锂电池,锂空气电池的能量密度将与汽油和柴油的能量密度相当。 RisøDTU材料研究部高级科学家Tejs Vegge表示,内燃机的效率仅为30%左右。如果具有能量密度的电池成为现实,人们很容易想象出电动卡车。

电动汽车早在1900年由爱迪生推出。但是,众所周知,亨利福特的车辆概念与嘈杂,有臭味的内燃机赢得了成为人们最珍贵的个人交通工具的竞赛,尽管原则上,内燃机毫无希望。

然后,就像现在一样,电动汽车的阿喀琉斯之踵是电池的能量密度有限,只能维持短距离驱动。现在 - 110年后 - 电池技术与效果电子和电动发动机相结合,在性能,尺寸和价格方面已经走到了尽头,电动汽车再次变得有趣。电动汽车不会局部污染,如果巧妙地使用,它可以用来将更多的可再生能源引入电力供应。

对于一个放弃使用化石燃料的社会来说,电动汽车是一个很好的选择。

这就是为什么电动汽车已经重生成为没有化石燃料的社会愿景的重要因素,并且第一批电动汽车已经上路,尽管数量非常有限且充电之间的距离非常短。

电动汽车的优点首先在于它可以集成到电力系统中,并可能作为未来电力系统的缓冲器,其中大部分电力来自波动的可再生能源。如果风力涡轮机有过剩电力,电动汽车可以充电。当电力短缺时,部分电力可以返回电网。另一个主要优点是,如果大规模生产,电动汽车的生产成本可能比目前的汽车便宜。

2吨电池或50升汽油

如今,电池组价格昂贵,并且只能存储相对较少的能量。世界各地的研究人员正在努力改变这种状况。在目前的情况下,如果你带着家人去意大利的加尔达湖度假,那么电动车就没有用。要使电动汽车成为消费者的首选运输方式,必须大幅提高电池容量。在RisøEnergyReport 9,第58页,你可以看到今天电池的能量密度几乎比化石燃料低两个数量级。这意味着含有相当于50升汽油的能量的电池组重量在1.5到2吨之间。

锂是一种柔软的银白色金属 - 是所有金属中最轻的。锂极易反应并在潮湿的环境中快速腐蚀。在那里,锂通常储存在煤油或保护气氛中以避免与氧气和水接触。

最有前途的电动汽车电池基于金属锂(Li)。锂是一种柔软的银白色金属 - 是所有金属中最轻的。锂极易反应并在潮湿的环境中快速腐蚀。在那里,锂通常储存在煤油下以避免与氧气和水接触。轻盈是锂的优势之一。传统的汽车电池基于铅(Pb),铅是现有最重的金属之一。为了减轻电池的重量,锂电池是可行的方法,这也得益于可充电锂离子电池在移动电话,相机和MP3和MP4播放器中的重要性。这些电池在可充电电池中具有最高的能量密度。

锂电池市场将成倍增长,并且已经出现了关于是否有足够的锂能够为整个世界的停车场供电的讨论。锂是自然发生的约。在顶部土壤中每吨65克,约 每吨水0.1克,可以从土壤和水中提取,但如果锂含量很少,则提取成本很高。

除了用于电池外,锂还用于抗抑郁剂,陶瓷,玻璃,铝生产,润滑剂和合成橡胶。在未来(2050年之后),锂也可能用于电力生产的融合反应堆。世界上的锂储备存在于智利,中国,澳大利亚,俄罗斯,阿根廷,美国,津巴布韦和玻利维亚等国家。最近,在阿富汗发现了大量的矿藏 - 这么大,以至于美国称这个国家为“沙特阿拉伯的锂”。在玻利维亚,在世界上最大的盐湖 - 乌尤尼盐沼(Salar de Uyuni)下大量发现锂。去年,玻利维亚总统莫拉莱斯宣布,该国将投资50亿丹麦克朗用于从覆盖10多个的干涸盐湖中提取锂,

未来对世界锂资源的争夺将会加剧,但好处是电池的锂电池部分可以回收,因此当电池耗尽时,锂可以被提取并形成新电池的一部分。

锂空气电池可以具有与汽油相同的有效能量密度

从长远来看,锂空气电池是一个充满希望的机会。“如果我们成功开发这项技术,我们将面临电动汽车的最终突破,因为在实践中,如果考虑到锂电池,锂空气电池的能量密度将与汽油和柴油的能量密度相当。燃烧发动机的效率仅为30%左右,“材料研究部高级科学家Tejs Vegge说。如果具有能量密度的电池成为现实,人们很容易想象出电动卡车。因此,锂空气电池是一个很有前景的研究领域,但在电池进入电动汽车之前,还有许多研究挑战要克服。

自从发明传统的铅酸电池以来,可再充电电池的发展已经缓慢地发展,传统的铅酸电池仍然用于大多数例如传统汽车的起动电池。锂离子电池的发展标志着可充电电池的能量密度的显着飞跃。最后的突破可能属于锂空气电池,实际上,它可以具有与汽油相同的有效能量密度。资料来源:锂 - 空气电池:承诺和挑战,G。Girishkumar,B。McCloskey,AC Luntz,S。Swanson和W. Wilcke,IBM研究,发表于J.Phys.Chem.Lett.2010,1,2193- 2203。

锂空气电池设计有锂电极(阳极),电解质和多孔碳电极(阴极),其在电池运行时吸引空气中的氧气。因此,可以说电池在一端打开,或者它具有自己的氧气供应。在放电期间,氧气与锂反应形成过氧化锂(Li2O2),并且在充电期间,该过程被反转以释放氧气。两种反应都发生在多孔碳电极的表面上。

电池类似于人类:体重增加,呼吸急促

与空气的相互作用要求电极具有非常大的表面积。现在正在进行的原型的电流密度约为。每平方厘米表面积1毫安,在电池准备好在现实生活中使用之前,必须至少增加一个订单。

电池从空气中吸收氧原子的事实意味着电池在放电时会增加重量。从理论上讲,电池的重量可以增加一倍以上。

同时,可以说电极可能会变得短暂。电池吸收的氧气与锂反应形成过氧化锂,这可能导致电池通道中的聚集体堵塞,导致它们被堵塞并阻止进一步供应氧气。“在我们的试验中,我们使用纯氧,所以我们没问题,但是当必须从普通空气中提取氧气时,问题就会积累,”燃料电池和固态化学部门的SørenHøjgaardJensen说。普通空气也含有水分,必须考虑到,如上所述,锂和湿度不能成为有吸引力的组合。

很难充电

在放电后再次为电池充电需要极高的过电压。所谓的锂空气电池的平衡电压是3伏。当电池放电时,电压降至2.6-2.7伏。但是当你想给电池充电时,电压必须增加到4.5伏。相比之下,锂离子电池可以在仅为10%的过电压下进行充电。

“放电过程进展顺利。我们的问题是逆向过程具有很高的能量损失,”材料研究部门的资深科学家Poul Norby说。“对于当前的电池组件来说,充电的高过压是很难的,这限制了电池可以充电的次数,”Poul Norby说。锂空气电池的充电/充电循环能量损失约为40%。与锂离子电池相对应的挑战是将此数量减少到10%。

为了解决这个问题,Tejs Vegge对锂空气电池进行了大量的计算机计算,即所谓的DFT计算(密度泛函理论)。使用这种方法,有可能 - 在原子水平上应用着名的薛定谔方程的近似值,来计算锂和氧原子如何相互作用。“通过这种方式,我们希望找到高过电压的解释,并找到我们可以采取哪些措施来减少它,例如通过添加适当的催化剂,”Tejs Vegge说。

除了计算机计算之外,还使用X射线和中子射线检查电池。这些技术使科学家们能够研究当电池充电和放电时离子和电子如何在电极 - 电解质界面中移动。“我们特别关注固态电解质,因为它们具有安全性和运输优势。带有液体电解质的大型锂电池在发生事故时可能会带来安全风险,”Tejs Vegge说。

最后,在实践中测试电池特性。大型锂电池的测试在燃料电池和固态化学部门的实验室中的转换式冷冻柜中进行。“电池必须能够承受严重的霜冻和极端高温,我们可以在我们改装的冷冻柜中对它们进行处理,它可以将物体冷却到-60°C并将其加热到50°C左右,” SørenHøjgaardJensen说。

必须快速充电 - 至少300次

如今,金属 - 空气电池仅用作具有高能量密度要求的特殊用途的一次性电池,例如用于军事设备,并且锌 - 空气电池用作例如助听器中的一次性电池。

如果电池能够承受汽车在其使用寿命期间行驶250,000公里的距离,并且电池能够提供约。一次充电800公里,必须能够完全充电和放电至少300次。锂空气电池原型目前可以处理50个电荷,因此研究人员面临着其他科学挑战。

除了电池必须能够承受的充电次数之外,还必须能够快速充电。“考虑一下当你把汽油放入汽车时所传递的能量。这需要几分钟,然后再行驶800-1000公里。这对锂空气电池来说是一个真正的挑战,因为它们可能潜在能够含有与汽油相同的能量,但加油需要相当长的时间,“Tejs Vegge说。

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