Миру нужно больше энергии, желательно в чистой и возобновляемой форме.Наши стратегии хранения энергии в настоящее время формируются литий-ионными батареями – передовыми технологиями – но чего мы можем ожидать в ближайшие годы?
Начнем с некоторых основ батареи.Аккумулятор представляет собой блок из одной или нескольких ячеек, каждая из которых имеет положительный электрод (катод), отрицательный электрод (анод), сепаратор и электролит.Использование для этого различных химикатов и материалов влияет на свойства аккумулятора – сколько энергии он может хранить и выдавать, сколько энергии он может обеспечить или сколько раз его можно разряжать и перезаряжать (также называемая циклической емкостью).
Производители аккумуляторов постоянно экспериментируют, пытаясь найти более дешевые, плотные, легкие и мощные химические материалы.Мы поговорили с Патриком Бернардом, директором по исследованиям Saft, который рассказал о трех новых аккумуляторных технологиях, обладающих преобразующим потенциалом.
ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ
Что это такое?
В литий-ионных (li-ion) аккумуляторах накопление и выделение энергии обеспечивается перемещением ионов лития от положительного к отрицательному электроду туда и обратно через электролит.В этой технологии положительный электрод действует как исходный источник лития, а отрицательный электрод — как хозяин лития.Несколько химических соединений объединены под названием литий-ионные аккумуляторы, что является результатом десятилетий отбора и оптимизации положительных и отрицательных активных материалов, близких к совершенству.Литированные оксиды или фосфаты металлов являются наиболее распространенным материалом, используемым в качестве положительных материалов.В качестве негативных материалов используются графит, а также графит/кремний или литированные оксиды титана.
Ожидается, что благодаря реальным материалам и конструкциям элементов литий-ионная технология достигнет энергетического предела в ближайшие годы.Тем не менее, недавние открытия новых семейств разрушительных активных материалов должны разблокировать нынешние ограничения.Эти инновационные соединения смогут хранить больше лития в положительных и отрицательных электродах и впервые позволят объединить энергию и мощность.Кроме того, в этих новых соединениях также учитываются дефицитность и критичность сырья.
Каковы его преимущества?
Сегодня среди всех современных технологий хранения данных технология литий-ионных аккумуляторов обеспечивает самый высокий уровень плотности энергии.Такие характеристики, как быстрая зарядка или рабочий диапазон температур (от -50°C до 125°C), можно точно настроить благодаря большому выбору конструкции и химического состава элементов.Кроме того, литий-ионные аккумуляторы обладают дополнительными преимуществами, такими как очень низкий саморазряд, очень длительный срок службы и цикличность, обычно тысячи циклов зарядки/разрядки.
Когда мы можем этого ожидать?
Ожидается, что новое поколение усовершенствованных литий-ионных батарей будет внедрено раньше, чем первое поколение твердотельных батарей.Они идеально подходят для использования в таких приложениях, как системы хранения энергии длявозобновляемые источники энергиии транспорт (морской, железнодорожные пути,авиацияи мобильность по бездорожью), где высокая энергия, высокая мощность и безопасность являются обязательными.
ЛИТИЙ-СЕРНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Что это такое?
В литий-ионных батареях ионы лития хранятся в активных материалах, выступающих в качестве стабильных структур-хозяев во время заряда и разряда.В литий-серных (Li-S) батареях хозяинские структуры отсутствуют.При разрядке литиевый анод расходуется, а сера превращается в различные химические соединения;во время зарядки происходит обратный процесс.
Каковы его преимущества?
В аккумуляторе Li-S используются очень легкие активные материалы: сера в положительном электроде и металлический литий в качестве отрицательного электрода.Вот почему его теоретическая плотность энергии чрезвычайно высока: в четыре раза выше, чем у литий-ионного аккумулятора.Это делает его подходящим для авиационной и космической промышленности.
Компания Saft выбрала и отдала предпочтение наиболее перспективной технологии Li-S, основанной на твердотельном электролите.Этот технический путь обеспечивает очень высокую плотность энергии, длительный срок службы и устраняет основные недостатки жидкого Li-S (ограниченный срок службы, высокий саморазряд и т. д.).
Кроме того, эта технология дополняет твердотельную литий-ионную технологию благодаря своей превосходной гравиметрической плотности энергии (+30% в Втч/кг).
Когда мы можем этого ожидать?
Основные технологические барьеры уже преодолены, и уровень зрелости очень быстро приближается к полномасштабным прототипам.
Ожидается, что для приложений, требующих длительного срока службы батареи, эта технология появится на рынке сразу после твердотельных литий-ионных аккумуляторов.
ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Что это такое?
Твердотельные батареи представляют собой сдвиг парадигмы с точки зрения технологии.В современных литий-ионных батареях ионы перемещаются от одного электрода к другому по жидкому электролиту (это также называется ионной проводимостью).В твердотельных батареях жидкий электролит заменен твердым соединением, которое, тем не менее, позволяет ионам лития мигрировать внутри него.Эта концепция далеко не нова, но за последние 10 лет – благодаря интенсивным исследованиям во всем мире – были открыты новые семейства твердых электролитов с очень высокой ионной проводимостью, подобной жидкому электролиту, что позволяет преодолеть этот конкретный технологический барьер.
Сегодня,СафтУсилия по исследованиям и разработкам сосредоточены на двух основных типах материалов: полимерах и неорганических соединениях, с целью синергии физико-химических свойств, таких как технологичность, стабильность, проводимость…
Каковы его преимущества?
Первым огромным преимуществом является заметное улучшение безопасности на уровне элементов и батарей: твердые электролиты негорючи при нагревании, в отличие от своих жидких аналогов.Во-вторых, это позволяет использовать инновационные высоковольтные материалы с высокой емкостью, что позволяет создавать более плотные и легкие батареи с лучшим сроком хранения за счет уменьшения саморазряда.Более того, на уровне системы это принесет дополнительные преимущества, такие как упрощение механики, а также управление температурным режимом и безопасностью.
Поскольку батареи могут иметь высокое соотношение мощности к весу, они могут быть идеальными для использования в электромобилях.
Когда мы можем этого ожидать?
По мере продолжения технического прогресса на рынке, вероятно, появятся несколько видов твердотельных батарей.Первыми будут твердотельные батареи с анодами на основе графита, обеспечивающие улучшенные энергетические характеристики и безопасность.Со временем более легкие технологии твердотельных батарей с использованием металлического литиевого анода должны стать коммерчески доступными.
Время публикации: 03 августа 2022 г.