100kitov.ru

Интересные факты — события, биографии людей, психология
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Разработаны недорогие и эффективные натрий-ионные аккумуляторы для электромобилей

В Корее создали натрий-ионный аккумулятор с емкостью в 1,5 раза выше литий-ионного

Корейский институт науки и технологий (KIST) объявил, что команда доктора Санг-Ок Кима из Центра исследований в области накопления энергии разработала новый высокоэффективный и экономичный анодный материал для натрий-ионных батарей. По словам разработчиков, этот материал может хранить в 1,5 раза больше электроэнергии на единицу веса, чем графитовый анод, используемый в литий-ионных аккумуляторах.

Схема работы аккумулятора / KIST

Схема работы аккумулятора / KIST

При этом характеристики сохраняются после 200 циклов высокой скорости зарядки/разрядки 10 А/г.

Натрий-ионные батареи давно привлекли внимание исследователей благодаря тому, что их производство может обходиться на 40 % дешевле, чем выпуск литий-ионных батарей. Это объясняется тем, что натрий гораздо более распространен, чем литий. Однако по сравнению с ионами лития ионы натрия крупнее и, следовательно, не могут стабильно храниться в графите и кремнии, которые широко используются в качестве анодов в батареях. Для их эффективного применения требовался новый анодный материал большой емкости.

Исследовательская группа KIST использовала дисульфид молибдена (MoS2). MoS2 может накапливать большое количество электроэнергии, но не может использоваться из-за высокого электрического сопротивления и структурной нестабильности, которые возникают во время работы от батареи.

Схема процесса синтеза анодного материала на основе MoS2

Схема процесса синтеза анодного материала на основе MoS2

Однако команда доктора Санг-Ок Кима решила эту проблему, создав слой керамического нанопокрытия с использованием силиконового масла, которое является недорогим и экологически чистым. Этот слой позволяет создать стабильную гетероструктуру с низким сопротивлением. Кроме того, оценка электрохимических свойств анода показала, что этот материал может стабильно хранить как минимум вдвое больше электричества (

600 мАч/г) и может поддерживать такую емкость.

Санг-Ок Ким заявил, что метод его команды адаптирован для крупномасштабного производства анодных материалов, поможет снизить производственные затраты и, следовательно, ускорить коммерциализацию натрий-ионных батарей для производства аккумуляторов, в том числе и для электромобилей.

Ранее группа из технологического университета Чалмерса в Швеции во главе с профессором Лифом Аспом продемонстрировала батареи из углеродного волокна. Конструкция батареи представляет из себя анод из углеродного волокна и катод из алюминиевой фольги, покрытый фосфатом лития и железа, которые разделены стекловолоконным сепаратором в матричном материале структурного электролита батареи. Разработчики надеются, что в будущем такие аккумуляторы можно будет встраивать в транспорт, чтобы делать его дешевле, легче и экологичнее.

Читайте так же:
Как работал нилометр

Согласно отраслевому исследованию BloombergNEF 2020 года, средняя цена литий-ионных аккумуляторов за одно десятилетие упала с $ 1191 до $ 137 за кВт*ч. Ожидается, что к 2023 году цены будут близки к $ 100. Однако автомобильная отрасль начала сталкиваться с проблемой дефицита этого металла.

Гибридная натриево-ионная батарея нового поколения расширит возможности электромобилей

Китайский гигант по производству аккумуляторных батарей CATL выпустил первое поколение натрий-ионных аккумуляторов, предоставив новые решения для развития экологически чистой энергии и электрифицированного транспорта, а также внеся свой вклад в достижение углеродной нейтральности.

По мере того как электромобили становятся все более популярными, спрос на основные компоненты аккумуляторов, особенно кобальт, резко вырос. Это вынуждает производителей электромобилей искать альтернативные решения существующим типам аккумуляторов, в том числе никель-кобальт-алюминиевым (NCA), никель-кобальт-марганцевым (NCM) и литий-железо-фосфатным (LFP).

натрий-ионный аккумулятор

По сравнению с литий-железо-фосфатными батареями (LFP), натриево-ионные батареи не содержит кобальта или никеля и будут доступными в больших количествах.

Химические процессы, протекающие в натрий-ионной батарее, превосходят LFP по основным характеристикам при низких температурах, быстрой зарядке, сроку службы и эффективности системной интеграции. Но в настоящее время такие батареи недостаточно энергоемкие.

У новой китайской батареи, удельная энергия элементов достигает 160 Вт·ч/кг, что в настоящее время является самой высокой для данного типа элементов в мире. При комнатной температуре аккумулятор можно зарядить до 80% всего за 15 минут. Даже в окружающей среде с температурой ниже −20 ℃ такой натрий-ионный аккумулятор сохраняет более 90% емкости, а эффективность интеграции системы может достигать более 80%. Исследователи CATL стремятся к удельной энергоемкости следующего поколения своих натриево-ионных аккумуляторов 200 Вт·ч/кг и более и планируют начинать их промышленное производство в 2023 году.

натрий-ионный аккумулятор

Что касается системной интеграции, натрий-ионные батареи могут использоваться вместе с другими типами (например, литий-ионными, обладающими более высокой плотностью энергии) в одном аккумуляторном блоке. Для этого CATL разработала гибридное решение для аккумуляторной системы, которое позволяет совместное использование натрий-ионных и литий-ионных батарей.

В сочетании с интеллектуальной системой управления, автомобиль может использовать низкотемпературные характеристики натрий-ионной батареи или высокую плотность энергии литий-ионной, в зависимости от эксплуатационной необходимости. Таким образом, преимущества высокой мощности и низкотемпературных характеристик могут быть хорошо реализованы натрий-ионной батареей, а недостаток плотности энергии компенсирован литий-ионной.

Читайте так же:
Ой, боюсь, 18 самых странный человеческих фобий

Фирма CATL создала морозостойкие натрий-ионные аккумуляторы

По данным SNE Research, в первом полугодии 2021-го CATL реализовала 34,1 ГВт•ч тяговых батарей (ячеек), заняв 29,9% мирового рынка. На втором месте — LG (28 ГВт•ч, 24,5% рынка), на третьем — Panasonic (17,1 ГВт•ч, 15% рынка). В сравнении с первым полугодием 2020-го три лидера увеличили поставки на 234,2%; 169,8% и 69% соответственно.

Китайская компания CATL (Contemporary Amperex Technology Co., Limited) — крупнейший мировой поставщик батарей для электрокаров, сотрудничающий с десятками автопроизводителей, от BMW до Фольксвагена и от Мерседеса до Экспэнга. Неудивительно, что её разработки привлекают внимание. Вчера CATL показала в сети своё первое поколение натрий-ионных аккумуляторов. У них есть сильные и слабые стороны (о них ниже). Фирма CATL начала подготовку к промышленному внедрению этого типа ячеек, которое собирается осуществить к 2023 году.

Натриевые аккумуляторы (в нескольких вариациях) для индустрии не новинка. Весь вопрос в удачной конструкции с подбором материалов для электродов и другими тонкостями в конструкции и химии. Несколько лет экспериментов — и фирма получила приличную для данного типа батарей удельную ёмкость в 160 Вт•ч/кг. Анонсирован рост до 200 Вт•ч/кг во втором поколении. Но это всё же не выдающийся показатель.

Контекст таков. Массовые литиево-ионные ячейки обладают ёмкостью 200–260 Вт•ч/кг. Для новых тесловских «цилиндров» 4680 (производство пока экспериментальное) заявлены 300 Вт•ч/кг. То же число получается у литиевых элементов с кремниевым анодом. Эксперименты с твердотельными батареями позволяют говорить о вполне достижимых 400–500 Вт•ч/кг (на уровне ячейки). А экзотические пока ещё литиево-серные аккумуляторы замахнулись на 500–1000 Вт•ч/кг.

Зато натрий-ионные ячейки CATL обладают высокой термической стабильностью, заряжаются за 15 минут до 80% при комнатной температуре, а главное — сохраняют более 90% ёмкости при температуре в минус 20 градусов по Цельсию. Компания сочла, что преимущества новых ячеек можно совместить с плюсами классических литиево-ионных. Потому вместе с этим проектом CATL представила аккумуляторную систему AB, в которой вместе будут работать и литиево-ионные, и натрий-ионные ячейки. Они будут смешаны в аккумуляторном блоке в некой оптимальной пропорции. Система управления (BMS) сможет прецизионно управлять ими, добиваясь наилучшей производительности. Такие тяговые блоки будут сравнительно ёмкими и мощными за счёт литиево-ионной части и при этом не спасуют в морозы за счёт натриевого компонента.

Читайте так же:
Орторексия — как убивает здоровый образ жизни

Бонус

Бок о бок с сообщениями о развитии тяговых аккумуляторов часто идут новости из области зарядки электрокаров. На этот раз наше внимание привлёк опыт, начатый в Лондоне, на улице Mortimer Road. Шотландский стартап Trojan Energy создал выдвижные зарядные точки, которые в отсутствие электрокаров убираются вровень с тротуаром, не мешая прохожим, уборочным машинам и не занимая место.

Пользователь может вытащить зарядку на свет с помощью персонального штока (предполагается, что его возят в багажнике). Он блокируется и разблокируется со смартфона или брелока. Энергетическая компания UK Power Networks подключила первые пять таких колонок к сети, а некоторому числу автомобилистов раздали соответствующий доступ в качестве эксперимента. Позднее опыт будет расширен на пару лондонских районов и 150 зарядных точек.

Российские ученые нашли дешевую и надежную замену литиевым аккумуляторам

Ученые из России разработали технологию использования натрия вместо лития в аккумуляторах. Они смогли добиться схожей емкости АКБ, что делает технологию весьма перспективной на фоне того, что натрий дешевле лития вследствие более широкого его распространения. Кроме того, батареи на его основе намного более стабильны в сравнении с литиевыми.

Достойная замена литию

Российские ученые нашли возможную альтернативу литию для использования в современных аккумуляторах. Команда отечественных специалистов из Национального исследовательского технологического университета «МИСиС», Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН совместно с иностранными коллегами из Центра им. Гельмгольца в Дрезден-Россендорфе (Германия) под руководством профессора Центра Аркадия Крашенинникова нашла способ замены этого щелочного металла на другой – натрий.

Как сообщили CNews представители «МИСиС», использование натрия в элементах питания выгодно тем, что он представлен на Земле в значительно большем количестве, чем литий – к примеру, он есть даже в обычной поваренной соли. При этом его использование в АКБ не приведет к значительной потере емкости в сравнении с батареями на основе лития, который, к тому же, за счет ограниченных запасов этого металла, стоит заметно дороже натрия.

Читайте так же:
Почему мужские голоса ниже женских? Причины, фото и видео

Как натрий работает в аккумуляторах

В ходе исследований российские ученые выяснили, что для достижения схожей с литиевым аккумулятором емкости при использовании натрия нужно «уложить» атомы элементов определенным, многослойным способом. Они экспериментировали с трехслойной структурой – слой атомов натрия сверху и снизу был закрыт слоями графена – перспективного материала, представляющего собой двухмерную решетку из атомов углерода.

batt601.jpg

Особенный способ укладки атомов натрия заключается в их расположении в несколько слоев, находящихся один над другим. Подобная структура достигается за счет перехода атомов из металла в пространство между двумя листами графена под высоким напряжением, что имитирует процесс заряда аккумулятора. Получается своего рода «сэндвич» из слоя углерода, двух слоев щелочного металла (натрия) и дополнительного слоя углерода.

При такой структуре емкость аккумуляторов, по словам специалистов, становится схожей с емкостью стандартных литиевых батарей – 335 мАч/гр у натриевых (мАч на один грамм вещества) против 372 мАч/гр у литиевых

Надежность натриевых АКБ

Эксперименты по использованию натрия в элементах питания показали, что увеличение количества слоев не приводит к дестабилизации всего аккумулятора. Если бы вместо натрия применялся литий, эффект был бы прямо противоположный – чем выше число слоев, тем хуже была бы стабильность.

batt602.jpg

«Долгое время считалось, что атомы лития в аккумуляторах могут располагаться только в один слой, в противном случае система будет нестабильна. Несмотря на это недавние эксперименты наших коллег из Германии показали, что при тщательном подборе методов можно создавать многослойные стабильные структуры лития между слоями графена. Это открывает широкие перспективы к увеличению емкости таких структур. Поэтому нам было интересно изучить возможность формирования многослойных структур с другими щелочными металлами, в том числе и с натрием, при помощи численного моделирования», – отметил научный сотрудник лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» Илья Чепкасов, один из авторов исследования с использованием натрия в аккумуляторах.

Слова Ильи Чепкасова подтвердил его коллега Захар Попов, старший научный сотрудник лаборатории «Неорганические наноматериалы» НИТУ «МИСиС» и ИБХФ РАН. Он добавил, что, несмотря на тот факт, что атомы лития гораздо сильнее связываются с графеном, увеличение числа слоев лития приводит к меньшей стабильности. В случае натрия наблюдается обратная тенденция – рост числа слоев этого металла приводит к росту стабильности таких структур.

Читайте так же:
Как чеканят монеты в США (видео)

Преимущество натрия над литием при использовании в элементах питания признал даже сам Джон Гуденаф (John Goodenough), создатель литий-ионной батареи и лауреат многих престижных премий. Весной 2017 г. совместно с группой исследователей из Техасского университета США он разработал технологию твердотельного аккумулятора с повышенной плотностью энергии. Новый тип батарей выдерживает температур до -60 градусов Цельсия, не взрывается от перегрева или повреждения оболочки, а при утилизации не вредит окружающей среде. Для накапливания энергии в такой батарее вместо лития используется натрий, который можно добывать даже из морской воды.

До отказа от лития еще далеко

На момент публикации материала разработка натриевых аккумуляторов находилась на стадии подготовки к созданию экспериментального образца, который в дальнейшем будет изучаться в лабораторных условиях. Притом выполнять эти работы будут иностранные коллеги российских ученых – из Центра им. Гельмгольца Дрезден-Россендорф.

batt600.jpg

Между тем, сроки начала распространения новых АКБ, даже примерные, специалисты не называют. Технология Джона Гуденафа, даже по прошествии более трех лет с момента анонса, тоже пока не применяется в производстве батарей.

Другая разработка «МИСиС»

В августе 2019 г. специалисты «МИСиС» разработали еще одну альтернативу литиевым элементам питания. Как сообщал CNews, они придумали принцип использования растения «борщевик» при производстве электродов для суперконденсаторов (СК). Созданная ими технология была протестирована в лабораторных условиях, и эксперимент завершился успехом.

По задумке ученых из МИСиС, в качестве сырья для производства электродов суперконденсаторов должны использоваться только стебли борщевика. Для их превращения в углеродный материал, а затем и в электроды они подвергаются обработке по особой технологии, включающей в себя ряд этапов, к примеру, обработку в соляной кислоте и насыщение углекислым газом.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию