Японцы создали самые ёмкие в мире литиевые аккумуляторы, которым не страшен сильный мороз

3DNews Технологии и рынок IT. Новости на острие науки Японцы создали самые ёмкие в мире литиев… Самое интересное в обзорах 05.03.2021 [13:02],  Геннадий Детинич В среду на отраслевой выставке в Токио компания Hitachi Zosen показала самые ёмкие в мире литийсодержащие аккумуляторы на твёрдом электролите. Подобные батареи не боятся заморозки до очень низких температур и менее пожароопасны, чем традиционные литиевые батареи на жидком электролите. Разработчикам Hitachi Zosen удалось в семь раз повысить ёмкость твердотельных аккумуляторов, что стало мировым рекордом. Источник изображения: asia.nikkei.com Как мы сообщали, в прошлом году Hitachi Zosen начала мелкосерийное производство твердотельных литиевых аккумуляторов ёмкостью 140 мА·ч. Это намного меньше, чем обеспечивают литиевые батареи с жидким электролитом, но аккумуляторы Hitachi Zosen обещают работать в температурном диапазоне от −40 °C до 120 °C. Такой диапазон «убивает» обычные литиевые батареи и не позволяет им претендовать на роль аккумуляторов в аэрокосмической отрасли и в промышленном оборудовании. Единственный минус твердотельных аккумуляторов — это на порядок меньшая плотность заряда. К счастью, Hitachi Zosen продолжает разработки и на днях представила новый твердотельный элемент с ёмкостью 1000 мА·ч, что примерно в семь раз больше предыдущей разработки. В настоящий момент компания приступает к мелкосерийному производству твердотельных аккумуляторов повышенной ёмкости для рассылки образцов заинтересованным клиентам. Впрочем, для испытания в условиях открытого космоса на МКС будут отправлены экземпляры аккумуляторов предыдущего поколения, что не помешает в целом испытать разработку в экстремальных условиях эксплуатации. Также Hitachi Zosen продолжит совершенствовать технологию и повышать ёмкость твердотельных аккумуляторов. Планируется, что к 2025 году ёмкость аккумуляторов компании с твёрдым электролитом будет увеличена до 2000 мА·ч, а это уже недалеко от возможностей литиевых батарей с жидким электролитом, которые уже сегодня приближаются к своим предельным возможностям. Источник: Если вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER. Материалы по теме Постоянный URL: https://3dnews.ru/1034204/yapontsi-sozdali-samie-yomkie-v-mire-litievie-akkumulyatori-kotorim-ne-strashen-silniy-moroz Рубрики: Новости Hardware, блоки питания, адаптеры, источники питания, на острие науки, Теги: hitachi, твердотельный аккумулятор, аккумулятор ← В прошлое В будущее →

Эпоха новых аккумуляторов — Будущее на vc.ru

Конспект статьи журнала Wired о том, почему учёные во всём мире ищут замену литий-ионному аккумулятору и какие альтернативы есть сегодня.

59 171 просмотров

Современный смартфон — бомба замедленного действия, пишет Wired. Литий, который содержится в аккумуляторе, настолько взрывоопасен, что может воспламениться при контакте с водой. Лёгкий и энергоёмкий, он подходит для портативной электроники, но не справляется с большой нагрузкой.

В течение последних пятидесяти лет производители аккумуляторов и учёные со всего мира вынуждены искать баланс между мощностью аккумулятора и безопасностью его использования: при превышении допустимой нагрузки литий может взорваться.

Ожидается, что объём рынка внешних аккумуляторов достигнет $25 млрд к 2022 году. Тем не менее, большинство потребителей считают, что время работы внутреннего аккумулятора — одна из главных характеристик смартфона.

Десятки компаний пытаются создать новый тип аккумулятора: улучшить его энергоёмкость, срок службы. Сделать так, чтобы он заряжался в течение нескольких секунд и ему хватало заряда на целый день.

Как работает аккумулятор

В основе работы аккумулятора лежит химическая реакция. Его главные компоненты — отрицательно заряженный анод и положительно заряженный катод, разделённые электролитом.

Когда аккумулятор подключен к цепи, происходит окислительно-восстановительная реакция. Атомы металла теряют электроны и становятся положительно заряженными ионами, которые притягиваются к катоду.

Электроны, являясь отрицательно заряженными частицами, тоже притягиваются к катоду. В отличие от атомов металла, электроны притягиваются к катоду не через электролит, а по внешнему участку замкнутой электрической цепи.

Когда атомы металла больше не могут отдавать электроны, аккумулятор разряжается. Однако его можно снова использовать после подзарядки: электрический ток перемещает ионы и электроны обратно к катоду.

Электроды из чистого метала не выдерживают постоянного перемещения атомов и электронов, поэтому аккумуляторы делаются из различных смесей.

Создание литий-ионного аккумулятора

В 1977 году британский учёный Стэн Уиттингэм создал анод из алюминия и лития. При зарядке батареи ионы лития занимали пустые места между атомами алюминия. Уиттингэм создал первый в мире заряжаемый аккумулятор, однако при повышении напряжения он воспламенялся.

В 1980 году Джон Гуденаф, специалист по оксидам металла, вместо алюминия и лития использовал оксид лития-кобальта, который позволял «вытягивать» в два раза больше атомов лития.

В 1991 году компания Sony начала использовать катод Гуденафа и углеродный анод для аккумуляторов в видеокамере CCD-TR1. Это был первый потребительский товар с заряжаемым литий-ионным аккумулятором.

В течение 2000-2010 годов производители постоянно улучшали энергоёмкость аккумуляторов, но начиная с 2007 года даже минимальное увеличение энергоёмкости давалось всё сложнее.

Несмотря на тысячи опубликованных исследований, миллиарды потраченных долларов и десятки стартапов технология работы аккумулятора не сильно изменилась с 1991 года. Аккумулятор IPhone X по составу практически идентичен аккумулятору видеокамеры Sony.

Альтернативы литий-ионному аккумулятору

На основе кремния

В 2011 году бывший сотрудник Tesla Джин Бердичевский вместе с Алексом Джейкобсом и Глебом Юшиным основал компанию Sila Nanotechnologies. Они решили использовать кремний как наиболее перспективный материал для производства аккумуляторов: атом кремния способен захватывать до четырёх ионов лития.

Эксперименты с кремнием проводились до 2011 года, однако безуспешно. При зарядке анод поглощает ионы лития и увеличивается в объёме, а при разрядке возвращается к прежнему размеру.

Расширение и сжатие анода — одна из причин, почему аккумулятор смартфонов теряет ёмкость со временем. Графитовый анод может служить около двух лет (1000 циклов разрядки), однако кремния хватает на пару циклов.

Компании Sila потребовалось пять лет, чтобы создать материал, позволяющий кремнию расширяться без изменения внешней структуры анода. По словам Бердичевского, материал будет доступен для производства в 2019 году и сможет повысить уровень безопасности использования аккумуляторов и увеличить энергоёмкость на 20% (а в будущем, возможно, до 40%).

Энергоёмкость современных аккумуляторов постоянно увеличивается, но вместе с ней увеличиваются и риски, потому что слои анода и катода становятся тоньше и располагаются всё ближе друг к другу. Даже маленькая ошибка может привести к катастрофе. Ярким примером тому служит Galaxy Note 7.

Так как литий опасен, то его количество в литий-ионном аккумуляторе не превышает 2%. Если бы можно было использовать чистый литий, энергоёмкость аккумулятора увеличилась бы в десятки раз. Основатель и генеральный директор Ionic Materials Майк Циммерман, возможно, нашёл способ использовать чистый литий в аккумуляторах.

По его мнению, проблема заключается в электролите. В последнее время заметна тенденция использования гелей и полимеров вместо жидких электролитов, однако они в основном огнеопасны. Ionic Materials создала недорогой, гибкий и прочный полимер с электропроводностью при комнатной температуре. Компания вбивала гвозди в аккумуляторы, стреляла в них из огнестрельного оружия и разрезала ножницами, но аккумуляторы не горели.

Циммерман считает, что новый полимер позволит использовать чистый литий и ускорит появление литий-серных и литий-кислородных аккумуляторов на рынке. Но будущее, возможно, не за литием.

На основе углерода

В 2013 году инженер-разработчик в Netscape Стивен Воллер основал компанию ZapGo, занимающуюся разработкой аккумуляторов на основе углерода. Эти аккумуляторы должны заряжаться так же быстро, как суперконденсаторы, сохранять заряд так же долго, как литий-ионные аккумуляторы.

Если аккумуляторы накапливают энергию благодаря химическим реакциям, то суперконденсаторы запасаются ею в электрическом поле. Однако они не могут накопить столько же энергии, как аккумуляторы, и теряют её очень быстро.

Некоторые учёные считают, что объединение суперконденсаторов с аккумуляторами может стать решением всех проблем. Суперконденсаторы могут лечь в основу гибридного телефона, который заряжается за пару минут и у которого есть запасной литий-ионный аккумулятор.

ZapGo разработала аккумулятор с твёрдым невзрывающимся электролитом и двумя электродами из тонких слоёв алюминия, покрытых наноуглеродным материалом. В аккумуляторе не протекает никаких химических реакций, поэтому он может выдержать до 100 тысяч циклов разрядки (30 лет каждодневного использования), что невыгодно производителям техники. Однако Воллер утверждает, что ZapGo может искусственно уменьшить его срок службы.

Аккумуляторам, разработанным ZapGo, ещё не хватает мощности, чтобы питать смартфоны, Воллер планирует решить эту проблему к 2022 году. Для этого придётся изменить способ зарядки смартфонов. Современное зарядное устройство замедляет количество электрического тока, поступающего в аккумулятор, чтобы он не износился раньше времени и не загорелся.

Для аккумулятора компании ZapGo или любого другого, работающего на базе суперконденсатора, нужно зарядное устройство, которое, наоборот, накапливало бы энергию из розетки и подавало бы её в телефон в один миг.

Углеродные аккумуляторы — это, возможно, один из шагов на пути к будущему, в котором у телефонов есть гибкие экраны и 5G-интернет.

Сколько CO2 выбрасывается при производстве аккумуляторов?

---

Айрис Кроуфорд | Инициатива экологических решений 1 марта 2022 г.

FacebookTwitterLinkedInGoogle PlusЭлектронная почта

---

Это зависит от того, где и как изготовлена ​​батарея, но когда речь идет о чистых технологиях, таких как электромобили и солнечная энергия, даже самые грязные батареи выделяют меньше CO2, чем при их полном отсутствии.

Литий-ионные аккумуляторы являются популярным источником питания для экологически чистых технологий, таких как электромобили, из-за количества энергии, которое они могут хранить в небольшом пространстве, возможности зарядки и способности оставаться эффективными после сотен или даже тысяч циклов зарядки. . Эти батареи являются важной частью текущих усилий по замене автомобилей с газовым двигателем, которые выделяют CO2 и другие парниковые газы. Эти же возможности также делают эти батареи хорошими кандидатами для хранения энергии в электросети. Однако за это приходится платить, поскольку в процессе производства аккумуляторов и их компонентов выделяется CO2, помимо других экологических и социальных проблем.

Производственный процесс

Производство литий-ионных аккумуляторов для электромобилей является более материалоемким, чем производство традиционных двигателей внутреннего сгорания, и спрос на материалы для аккумуляторов растет, объясняет Ян Шао-Хорн, профессор инженерных наук JR East на факультете Массачусетского технологического института. машиностроения и материаловедения и инженерии. В настоящее время большая часть лития добывается из горных рудников или подземных резервуаров с рассолом, и большая часть энергии, используемой для его добычи и переработки, поступает из ископаемого топлива, выделяющего CO2. В частности, при добыче твердых пород на каждую тонну добытого лития в воздух выбрасывается 15 тонн CO2.

Материалы для аккумуляторов также оплачиваются отдельно. Добыча сырья, такого как литий, кобальт и никель, трудоемка, требует химикатов и огромного количества воды — часто из районов с дефицитом воды — и может оставить после себя загрязняющие вещества и токсичные отходы. 60% мирового кобальта поступает из Демократической Республики Конго, где продолжают возникать вопросы о нарушениях прав человека, таких как детский труд.

Производство также увеличивает экологический след этих батарей, говорит Шао-Хорн. Для синтеза материалов, необходимых для производства, требуется тепло от 800 до 1000 градусов Цельсия — температура, которую можно экономически эффективно достичь только путем сжигания ископаемого топлива, что опять же увеличивает выбросы CO2.

Точное количество CO2, выбрасываемого в атмосферу в ходе длительного процесса изготовления батареи, может сильно различаться в зависимости от того, какие материалы используются, откуда они получены и какие источники энергии используются при производстве. Подавляющее большинство литий-ионных аккумуляторов — около 77% мировых поставок — производится в Китае, где уголь является основным источником энергии. (Уголь выделяет примерно в два раза больше парниковых газов, чем природный газ, еще одно ископаемое топливо, которое можно использовать в высокотемпературном производстве.)

Например, Tesla Model 3 содержит литий-ионный аккумулятор емкостью 80 кВтч. Выбросы CO2 при производстве этой батареи будут варьироваться от 3120 кг (около 3 тонн) до 15 680 кг (около 16 тонн). Сколько стоит одна тонна CO2? Примерно такого же веса, как большая белая акула!

Исследователи по всему миру пытаются разработать новые производственные процессы или новый химический состав аккумуляторов, которые могут работать с более доступными и экологически чистыми материалами, но эти технологии еще не доступны в широком масштабе. «Если мы не изменим то, как мы производим материалы, как мы делаем химикаты, как мы производим, все, по сути, останется прежним», — говорит Шао-Хорн.

Аккумуляторы: большее влияние

Несмотря на воздействие производства литий-ионных аккумуляторов на окружающую среду, эта технология гораздо более благоприятна для климата, чем альтернативы, говорит Шао-Хорн. В Соединенных Штатах транспортный сектор производит наибольшую долю выбросов парниковых газов — почти одну треть от общего объема выбросов в стране. Большая часть этих выбросов — около 80% — происходит из выхлопных газов, которые можно было бы полностью исключить, если бы все автомобили работали от аккумуляторов. Убрав с дороги один пассажирский автомобиль, работающий на газе, и заменив его на электрический, мы предотвратим ежегодное попадание в атмосферу в среднем 4,6 тонны CO2. Если мы сравним это с верхним диапазоном производства батареи Tesla Model 3 — 16 тонн CO2, — вождение Tesla в течение четырех лет означает, что мы экономим больше CO2, чем производим, производя батарею.

Вторым важным экологическим преимуществом, которое могут предложить эти батареи, является стабилизация энергосистемы, добавляет Шао-Хорн. По мере того, как мир движется к возобновляемым источникам энергии, таким как солнечная и ветровая энергия, растет спрос на способы хранения и сохранения этой энергии. Использование аккумуляторов для хранения солнечной и ветровой энергии, когда их много, может помочь решить одну большую проблему возобновляемых источников энергии — уравновесить избыток и дефицит, когда погода не идеальна, — значительно облегчив переход с ископаемого топлива, выделяющего CO2.

«Если бы у нас было больше батарей, мы могли бы увеличить уровень нагрузки, а затем использовать [возобновляемую энергию], когда у нас возникнет потребность», — говорит она.

 

Спасибо Xiaohong Gayden из Трои, штат Мичиган, за вопрос. Вы можете отправить свой вопрос в Ask MIT Climate здесь.

 

Оригинал статьи Ask MIT Climate

 

Литий-ионный аккумулятор — Институт чистой энергии

Что такое литий-ионный аккумулятор и как он работает?

Литий-ионный (Li-ion) аккумулятор представляет собой аккумулятор с передовой технологией, в которой ионы лития используются в качестве ключевого компонента его электрохимии. Во время цикла разряда атомы лития в аноде ионизируются и отделяются от своих электронов. Ионы лития движутся от анода и проходят через электролит, пока не достигнут катода, где они рекомбинируют со своими электронами и электрически нейтрализуются. Ионы лития достаточно малы, чтобы проходить через микропроницаемый разделитель между анодом и катодом. Отчасти из-за небольшого размера лития (уступая только водороду и гелию) литий-ионные батареи способны иметь очень высокое напряжение и запас заряда на единицу массы и единицы объема.

В литий-ионных батареях в качестве электродов могут использоваться различные материалы. Наиболее распространенной комбинацией является комбинация оксида лития-кобальта (катод) и графита (анод), которая чаще всего встречается в портативных электронных устройствах, таких как мобильные телефоны и ноутбуки. Другие катодные материалы включают оксид лития-марганца (используемый в гибридных электрических и электрических автомобилях) и фосфат лития-железа. В литий-ионных батареях в качестве электролита обычно используется эфир (класс органических соединений).

Применение аккумуляторов

Математические модели эффективности батарей

Каковы некоторые преимущества литий-ионных батарей?

По сравнению с другими высококачественными аккумуляторами (никель-кадмиевые или никель-металлогидридные) литий-ионные аккумуляторы имеют ряд преимуществ. У них одна из самых высоких плотностей энергии среди аккумуляторных технологий на сегодняшний день (100-265 Втч/кг или 250-670 Втч/л). Кроме того, литий-ионные аккумуляторные элементы могут выдавать напряжение до 3,6 В, что в 3 раза выше, чем у таких технологий, как Ni-Cd или Ni-MH. Это означает, что они могут обеспечивать большое количество тока для мощных приложений, в которых литий-ионные батареи также сравнительно просты в обслуживании и не требуют плановых циклов для продления срока службы батареи. Литий-ионные аккумуляторы не имеют эффекта памяти, пагубного процесса, при котором повторяющиеся циклы частичной разрядки/зарядки могут привести к тому, что аккумулятор «запомнит» более низкую емкость. Это преимущество как перед Ni-Cd, так и перед Ni-MH, которые проявляют этот эффект. Литий-ионные аккумуляторы также имеют низкую скорость саморазряда, составляющую около 1,5-2% в месяц. Они не содержат токсичного кадмия, что облегчает их утилизацию по сравнению с Ni-Cd батареями.

Благодаря этим преимуществам литий-ионные аккумуляторы вытеснили никель-кадмиевые аккумуляторы и заняли лидирующие позиции на рынке портативных электронных устройств (таких как смартфоны и ноутбуки). Литий-ионные батареи также используются для питания электрических систем в некоторых аэрокосмических приложениях, в частности, в новом и более экологичном Боинге 787, где вес является значительным фактором стоимости. С точки зрения экологически чистой энергии большая часть перспектив литий-ионных технологий исходит из их потенциального применения в автомобилях с батарейным питанием. В настоящее время самые продаваемые электромобили Nissan Leaf и Tesla Model S используют литий-ионные аккумуляторы в качестве основного источника топлива.

Каковы недостатки литий-ионных аккумуляторов?

Несмотря на свои технологические перспективы, литий-ионные аккумуляторы по-прежнему имеют ряд недостатков, особенно в отношении безопасности. Литий-ионные аккумуляторы имеют тенденцию к перегреву и могут быть повреждены при высоких напряжениях. В некоторых случаях это может привести к тепловому разгону и возгоранию. Это вызвало серьезные проблемы, в частности, остановку парка самолетов Boeing 787 после того, как поступили сообщения о возгорании бортовых батарей. Из-за рисков, связанных с этими батареями, ряд транспортных компаний отказываются выполнять массовые перевозки батарей самолетами. Для литий-ионных аккумуляторов требуются защитные механизмы для ограничения напряжения и внутреннего давления, что в некоторых случаях может увеличить вес и ограничить производительность. Литий-ионные аккумуляторы также подвержены старению, а это означает, что они могут терять емкость и часто выходят из строя через несколько лет. Еще одним фактором, ограничивающим их широкое распространение, является их стоимость, которая примерно на 40% выше, чем у Ni-Cd. Решение этих проблем является ключевым компонентом текущих исследований в области технологии. Наконец, несмотря на высокую плотность энергии литий-ионных аккумуляторов по сравнению с другими типами аккумуляторов, они по-прежнему имеют примерно в сто раз меньшую плотность энергии, чем бензин (который содержит 12 700 Втч/кг по массе или 8760 Втч/л по объему).

Вклады CEI

Основные результаты исследований

Одним из способов, которым CEI работала для достижения этой цели, является прямое изображение, в частности, с использованием рентгеновской спектроскопии. Недавно в лаборатории профессора Джерри Зайдлера был разработан метод проведения рентгеновской спектроскопии ближней краевой структуры (XANES) на рабочем столе. Этот метод может позволить относительно подробные измерения определенных характеристик внутреннего состояния батареи без необходимости вскрывать ее и, таким образом, нарушать работу системы. Раньше XANES можно было реализовать только с чрезвычайно высоким потоком излучения от таких инструментов, как синхротрон. Это чрезвычайно большие и дорогие установки стоимостью до 1 миллиарда долларов, которые пользуются таким большим спросом среди ученых, что многомесячные списки ожидания становятся нормой. Используя преимущества новых передовых оптических технологий, лаборатория Зайдлера смогла изготовить небольшой прибор стоимостью 25 000 долларов, который может имитировать измерения, проводимые на синхротроне. С помощью этого нового инструмента ученые могут получать результаты в течение нескольких часов без значительного времени ожидания, что значительно увеличивает скорость разработки нестандартных технологий.

Другой аспект исследования аккумуляторов CEI включает создание физических, математических и вычислительных моделей внутреннего состояния аккумулятора. Это может помочь оптимизировать производительность батареи и циклы зарядки/разрядки, а также прогнозировать и предотвращать опасные отказы батареи. Профессор Венкат Субраманян, руководитель Лаборатории моделирования, анализа и управления технологическими процессами для электрохимических систем (MAPLE), разрабатывает и переформулирует физические модели батарей, а также работает над методами моделирования и решения этих моделей с большей эффективностью и точностью. Создав более эффективную, универсальную и точную модель технологии литий-ионных аккумуляторов, M.A.P.L.E. Исследования лаборатории могут помочь в разработке аккумуляторов более точно для более безопасной и эффективной работы.

Другие направления

Большая часть текущих исследований CEI направлена ​​на разработку способов лучшего понимания и управления важными внутренними состояниями литий-ионных аккумуляторов. Понимание внутренней работы батареи имеет важное значение для улучшения конструкции и оценки режимов ее отказа.

Другим крупным направлением исследований CEI является разработка новых материалов для улучшения характеристик аккумуляторов. В центре внимания CEI находятся как наука о материалах высокого уровня, такая как разработка и замена альтернативных материалов в литий-ионных батареях, так и характеристика и дизайн наноструктурированных материалов или материалов, свойства которых определяются даже с точностью до нанометра. . Исследователи CEI также изучают материалы, которые могут предложить альтернативу технологиям литий-ионных аккумуляторов.

Кремний исследуется в качестве анодного материала, поскольку он может образовывать трехмерную клетку, обладающую большей способностью поглощать литий.

Узнать больше

• Веб-сайт о батареях и повторном использовании батарей, созданный студентом REU «Мост чистой энергии» Алеком Лазарски
На веб-странице исследовательской группы
• Subramanian есть свежие публикации о нелинейном моделирующем прогнозирующем управлении для литий-ионных аккумуляторов и других электрохимических систем.

  No related posts.