2018 تقدم البحث في تخزين الطاقة وبطارية الطاقة

تنقسم مواد كاثود بطارية الليثيوم أيون بشكل أساسي إلى مواد قائمة على المنغنيز غنية بالليثيوم ، ومواد مركبة ثلاثية ، و LiMn 2 O 4 من نوع الإسبنيل ، وفوسفات حديد الليثيوم ، وأكسيد منجنيز نيكل الليثيوم. مادة كاثود ذات محلول صلب غني بالليثيوم منغنيز Li 1 + x M 1 - x O 2 (M هو معدن انتقالي مثل Ni و Co و Mn) بسعة محددة عالية (> 200 مللي أمبير / جم) ، كثافة طاقة عالية ، منخفضة التكلفة وحماية البيئة صديقة ، وما إلى ذلك ، ولكن هناك أوجه قصور مثل انخفاض كفاءة التفريغ الأولي ، وانخفاض كفاءة الكولومبية ، وحياة الدورة السيئة ، والأداء غير المرضي في درجات الحرارة العالية ، والأداء المنخفض المعدل. يجمع الباحث Wang Zhaoxiang من معهد الفيزياء بالأكاديمية الصينية للعلوم بين البحث التجريبي والحسابات النظرية. من استكشاف القوة الدافعة لهجرة المنغنيز ، تدرس هذه الورقة سلسلة من المشاكل التي تسببها هجرة المنغنيز وتقترح طريقة لمنع هجرة المنغنيز. بدأ البروفيسور Wang Xianyou من جامعة Xiangtan من العلاقة بين هيكل المواد والأداء ، وتم تحسينه وتحسينه من خلال تحسين بنية المواد ، وتركيب مواد التصميم (O الزائدة) ، والتحكم في تكوين طور المواد (Co-doped) وتعديل السطح (مطلي بالبوليانيلين) . طريقة أداء مادة الليثيوم. في تعديل الطلاء ، أجرى البروفيسور Chen Zhaoyong من جامعة Changsha للعلوم والتكنولوجيا دراسة متعمقة: تم بناء هيكل تكسية مزدوج الطبقة Al 2 O 3 / PAS على سطح مادة الكاثود الغنية بالليثيوم القائمة على المنغنيز ، وكانت مادة الكاثود بمعدل 0.1 درجة مئوية. السعة المحددة تصل إلى 280 مللي أمبير / جم ، وبعد 100 دورة عند 0. 2 درجة مئوية ، لا يزال هناك استبقاء سعة 98% ولا يوجد تحول هيكلي للمادة. يركز البحث في مادة الكاثود الثلاثية Ni-Co-Mn بشكل أساسي على تحسين ظروف التكوين والتحضير ، وتعديل الطلاء أو المنشطات ، وما إلى ذلك ، من أجل زيادة تحسين السعة وخصائص الدورة وأداء المعدل. السعة المحددة للتصريف الأولى للسعة المحددة للتفريغ هي 209.4 مللي أمبير / جرام ، 1. 0 C. السعة المحددة الأولى لتفريغ المادة هي 0. 1 CmAh / g ، 1. 0 C. 7%。 القدرة على الاحتفاظ معدل 95. 5% ، لا يزال معدل الاحتفاظ بالقدرة عند درجات حرارة عالية 87.7%. قد تكون مادة الطلاء أيضًا LiTiO 2 أو Li 2 ZrO 3 أو ما شابه ، والتي يمكن أن تحسن ثبات مادة القطب الموجب الثلاثي. يمكن أن يؤدي تحضير الإسبنيل LiMn 2 O 4 عن طريق تخليق الاحتراق في المرحلة الصلبة إلى تقليل درجة حرارة التفاعل ، وتسريع معدل التفاعل وتحسين البنية البلورية للمنتج. تتمثل الطرق الرئيسية لتعديل الإسبينيل LiMn 2 O 4 في الطلاء والتنشيط ، مثل طلاء ZnO و Al 2 O 3 و doping Cu و Mg و Al. تم ذكر تعديل فوسفات الحديد الليثيوم. الطرق المستخدمة هي المنشطات المشتركة للعناصر (مثل أيون الفاناديوم وأيون التيتانيوم) ، وإضافة الفيروسين ومضافات الجرافيت التحفيزية الأخرى ، والمركبة مع الجرافين والأنابيب النانوية الكربونية وما شابه ذلك. بالنسبة لمواد كاثود منغنات الليثيوم والنيكل ، يمكن أيضًا تحسين استقرار درجة الحرارة المرتفعة عن طريق تعديل المنشطات والطلاء ، وتحسين طرق وعمليات التوليف. اقترح باحثون آخرون بعض الأنواع الأخرى من مواد الكاثود ، مثل مركبات الفثالوسيانين المترافقة بالكربونيل ، بسعة تفريغ أولية محددة تبلغ 850 مللي أمبير / غرام ؛ الكربون / السلينيوم (G-MCN / Se) ثلاثي الجرافين-ميسوبوروس بالنسبة للقطب الكهربائي الموجب للفيلم المركب ، عندما كان محتوى السيلينيوم 62% ، كانت السعة المحددة الأولى لتفريغ 1 C 432 مللي أمبير / جم ، وظلت عند 385 مللي أمبير / جم بعد 1300 دورة ، تظهر ثباتًا جيدًا للدورة.

تعتبر مواد الجرافيت حاليًا مواد الأنود الرئيسية ، لكن الباحثين كانوا يستكشفون مواد الأنود الأخرى. بالمقارنة مع مادة الكاثود ، لا تحتوي مادة الأنود على نقطة بحث بارزة. سوف يتحلل المنحل بالكهرباء بشكل اختزالي على سطح أنود الجرافيت أثناء الدورة الأولى للبطارية لتشكيل غشاء واجهة طور إلكتروليت صلب (SEI) ، مما يؤدي إلى أول خسارة لا رجعة فيها في السعة ، ولكن غشاء SEI يمكن أن يمنع الإلكتروليت من الاستمرار في تتحلل على سطح الجرافيت ، وبالتالي حماية القطب. دور. أضاف تشانغ تينغ من جامعة جنوب الصين للمعلمين ثنائي ميثيل كبريتات كمادة مضافة لتشكيل فيلم SEI لتحسين التوافق بين أنود الجرافيت والإلكتروليت وتحسين الأداء الكهروكيميائي للبطارية. استخدم بعض الباحثين مركبات نانو تيتانات الكربون كمواد أنود ، ومغلفة بـ ZnO و Al 2 O 3 ومواد أخرى عن طريق رش المغنطرون لتحسين أداء المعدل واستقرار الدورة ؛ الانحلال الحراري للتجفيف بالرذاذ مادة الأنود المركبة من السليكون والكربون المحضرة بالطريقة لها سعة تصريف أولية محددة تبلغ 1 033. 2 مللي أمبير / جم عند تيار 100 مللي أمبير / جم ، وكفاءة أول شحن وتفريغ تبلغ 77.3% ؛ السيليكون المرن / الجرافين المرن ذاتي الدعم تم تدوير مادة أنود الفيلم المركب 50 مرة بتيار 100 مللي أمبير / جم ، وكانت السعة المحددة لا تزال 1500 مللي أمبير / جم ، واستقرت كفاءة كولومبيك عند 99% أو أكثر. والسبب هو أن صفائح الجرافين تتمتع بموصلية كهربائية عالية ومرونة.

المنحل بالكهرباء يعاني نظام إلكتروليت الكربونات التقليدي من مشاكل مثل القابلية للاشتعال وضعف الاستقرار الحراري. إنه يطور نظام إلكتروليت بنقطة وميض عالية ، غير قابلة للاشتعال ، نافذة استقرار كهروكيميائية واسعة وقدرة واسعة على التكيف مع درجات الحرارة. إنها مادة أساسية لبطاريات الليثيوم أيون.

نقطة ساخنة للبحث في بطاريات هيدريد النيكل والمعدن هي مواد سبائك تخزين الهيدروجين. يعتقد البروفيسور Guo Jin من جامعة Guangxi أن التبريد السريع عند درجة حرارة النيتروجين السائل والمعالجة غير المتوازنة لطحن الكرات الميكانيكية ينظمان أداء تخزين الهيدروجين لسبائك Mg 17 Al 12. استخدم الأستاذ المساعد Lan Zhiqiang من جامعة Guangxi عملية المعالجة الحرارية جنبًا إلى جنب مع السبائك الميكانيكية لإعداد Mg 90 Li 1 - x Si x (x = 0 ، 2 ، 4 و 6) مواد تخزين الهيدروجين المركبة ، ودرس إضافة Si إلى تخزين المحلول الصلب لنظام Mg-Li. تأثير أداء الهيدروجين. يمكن أن يؤدي إدخال العناصر الأرضية النادرة إلى منع ظاهرة التبلور وعملية عدم التناسب لتكوين السبيكة أثناء دورة امتصاص وامتصاص الهيدروجين ، وزيادة امتصاص الهيدروجين القابل للانعكاس وامتصاص السبيكة. مواد سبائك تخزين الهيدروجين التقليدية الموجودة في السوق مخدرة في الغالب بعناصر أرضية نادرة (La). ، Ce ، Pr ، Nd ، إلخ) ، لكن سعر Pr و Nd أعلى. أبلغ Zhu Xilin عن تطبيق سبيكة تخزين هيدروجين AB 5 غير مخدر بـ Pr و Nd في بطارية نيكل-هيدروجين. البطارية المربعة المطبقة على الحافلة الكهربائية تم تشغيلها بأمان لمسافة 100000 كم. نقطة ساخنة أخرى للبحث عن مواد تخزين الهيدروجين هي هيدرات النيتروجين المعدنية مثل Mg (BH 2) 2 -2LiH ، 4MgH 2 - Li 3 AlH 6 ، Al-Li 3 AiH 6 و NaBH 4 -CO (NH 2) 2. يمكن أن يؤدي تقليل حجم الجسيمات وإضافة مادة مضافة معدنية قلوية إلى تحسين أداء تخزين الهيدروجين لمواد تخزين الهيدروجين للتنسيق المعدني ، حيث يتم تقليل حجم الجسيمات ، والذي يتم تحقيقه بشكل أساسي عن طريق الطحن الكروي الميكانيكي عالي الطاقة. تمتاز مادة MOF CAU-1 المزينة بـ12 متصلة بالأمين التي أبلغ عنها الأستاذ Sun Lixian من جامعة Guilin للتكنولوجيا الإلكترونية بخصائص امتصاص H 2 و CO 2 وامتصاص الميثانول ، والتي لها أهمية كبيرة وقيمة تطبيقية لتقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون وتخزين الهيدروجين . كما طوروا مجموعة متنوعة من مواد توليد الهيدروجين القائمة على سبائك الألومنيوم ، مثل 4MgH 2 -Li 3 AlH 6 و Al-Li 3 AiH 6 و NaBH 4 -CO (NH 2) 2 ، وتستخدم مع خلايا الوقود.

إن البحث عن مواد إلكترود ذات أداء عالٍ ودورة حياة طويلة هو محور البحث حول المكثفات الفائقة ، ومن بينها المواد الكربونية هي أكثر مواد الأقطاب الكهربائية ذات المكثفات الفائقة شيوعًا ، مثل مواد الكربون المسامية ، والمواد الكربونية للكتلة الحيوية ، والمواد المركبة الكربونية. أعد بعض الباحثين مواد الهلام الكربوني النانوية وأثبتوا أن خصائص السعة الكهروكيميائية الجيدة تأتي من الهيكل العظمي للشبكة ثلاثية الأبعاد ومساحة السطح المحددة للغاية. حصل Nie Pengru ، من جامعة Huazhong للعلوم والتكنولوجيا ، على مادة كربون مسامية ثلاثية الأبعاد واستخدمها كمواد كهربائية للمكثفات الفائقة في عملية استعادة نفايات بطاريات الرصاص الحمضية عن طريق الترشيح الرطب لحمض الستريك. يمكن أن تعزز هذه الطريقة التكامل الوثيق بين صناعة تخزين الطاقة وصناعة حماية البيئة ، وتنتج فوائد بيئية وبيئية جيدة. استكشف الباحثون أيضًا استخدام مواد كربون الكتلة الحيوية المختلفة (السكروز وحبوب اللقاح والطحالب وما إلى ذلك) كمواد كهربائية للمكثفات الفائقة. في جانب المواد المركبة ، صمم الباحثون مادة مركبة MoO 3 / C على شكل شطيرة ، وطبقة α-MoO 3 وطبقة الجرافين متشابكة أفقيًا ومكدسة ، والتي تتمتع بخصائص كهروكيميائية ممتازة ؛ مركب نقطة الكم من الجرافين / الكربون يمكن أيضًا استخدام المادة كمواد قطب كهربائي بسعة محددة تبلغ 256 فهرنهايت / جم عند تيار 0.5 أمبير / جم. أعد البروفيسور ليو زونغواي من جامعة شنشي نورمال مادة مسامية من أكسيد المنغنيز المسامي تم تجميعها من جزيئات أكسيد المنغنيز النانوية بمساحة سطح محددة تبلغ 456 م 2 / جم وسعة محددة تبلغ 281 F / جم عند تيار 0.25 A / جم. أعدت ليو بيبيه من جامعة جنوب الصين للتكنولوجيا مادة مركبة ثلاثية الأبعاد من مادة NiO-Co 3 O 4 النانوية المزهرة بسعة محددة تبلغ 1 988. 6 F / g عند تيار 11 A / g ، ومعدل الاحتفاظ بالسعة 1500 دورة. 94. 0% ؛ درس Wang Yijing من جامعة Nankai آلية النمو والبنية المجهرية وأداء مواد NiCo 2 O 4 ذات الأشكال المختلفة. قام Tang Ke ، من جامعة Chongqing للفنون والعلوم ، بتحليل العلاقة بين المقاومة المكافئة وتيار الشحن. تم استخدام نموذج الدائرة المكافئة لدراسة التباين في السعة وسعة التخزين وكفاءة الشحن للمكثف الفائق مع التيار. تمت مناقشة أداء تخزين درجة الحرارة للمكثف الفائق. تأثير.

إن تسويق خلايا وقود غشاء تبادل البروتون (PEMFC) مقيد في المقام الأول بالتكلفة وطول العمر. نظرًا لأن المحفز المستخدم في PEMFC هو بشكل أساسي معدن نبيل مثل Pt ، فهو مكلف ويتحلل بسهولة في بيئة العمل ، مما يؤدي إلى انخفاض في النشاط التحفيزي. أفاد الباحث Shao Zhigang من معهد داليان للفيزياء الكيميائية التابع للأكاديمية الصينية للعلوم عن محفز Pd-Pt core-shell الذي يقدم Pd لتقليل كمية Pt المستخدمة وزيادة نشاط المحفز. بالإضافة إلى ذلك ، قام الباحثون بتحسين التفاعل بين المعدن والناقل باستخدام تثبيت البوليمر وتجميع السطح وتعديل كتلة الكربون على السطح المعدني للحصول على محفز تقليل الأكسجين المعدني PEMFC مع نشاط عالي وثبات عالي. قدم Cao Tai من معهد بكين للتكنولوجيا طريقة تخليق خفيفة الوزن ومنخفضة التكلفة وواسعة النطاق لتركيب أنابيب نانوية كربونية موحدة ، مخدرة بالنيتروجين ، على شكل الخيزران مع جسيمات نانوية من الكوبالت في الأعلى. المنتجات لها خصائص ممتازة. النشاط التحفيزي للاختزال. يتم الحصول على المحفزات القائمة على الكربون والمحفزات الأخرى غير البلاتينية لخلايا الوقود ، والتي قد تحل محل المحفزات التقليدية القائمة على البلاتين ، عن طريق الكربنة الحرارية المائية ، والتكسير الحراري بدرجة حرارة عالية ، وما إلى ذلك ، ولها أداء مشابه لمحفزات الكربون البلاتينية التجارية.

تمت دراسة عملية الشحن والتفريغ لمادة Na 0. 44 MnO 2 في داي كيهوا من جامعة نورث إيسترن. وجد أن Mn 2 + يتكون على سطح المادة عند جهد منخفض. يمكن للراتنج الفينول الراتينج الموصل PFM أن يحسن القدرة النوعية القابلة للانعكاس لمسحوق Sn النقي. لتحقيق الشحن والتفريغ المستقر. جامعة Zhongnan Xiao Zhongxing et al. متكلس بالطريقة الحرارية المائية وطريقة المرحلة الصلبة ذات درجة الحرارة العالية لتجميع النقاوة الأعلى Na 0. 44 MnO 2 ، وتم استخدام الصوديوم المعدني كقطب كهربائي سالب لتجميع بطارية من نوع الزر ، بسعة 0. دورة 5 ج 20 مرة. كان معدل الاحتفاظ 98.9% ؛ قام Zhang Junxi من كلية شنغهاي للطاقة الكهربائية بتركيب بلورات NaFePO 4 لهيكل أوليفين ، والتي تم استخدامها كمواد كاثودية لبطاريات أيون الصوديوم وكان لها أداء كهروكيميائي جيد. أعد البروفيسور المشارك دينج جيانكيو من جامعة قويلين للتكنولوجيا الإلكترونية كبريتيد السترونتيوم النانوي الخطي بالطريقة الحرارية المائية واستخدمه كمادة قطبية سالبة لبطاريات أيون الصوديوم. تتمتع المادة بسعة تفريغ أولية محددة تبلغ 552 مللي أمبير / جرام عند 100 مللي أمبير / جرام. بعد 55 دورة ، يكون استبقاء السعة 85.5%. يتم تدويره 40 مرة عند 2 أمبير / جرام ويعود إلى 100 مللي أمبير / يتم استعادة التيار g والسعة المحددة للتفريغ إلى 580 مللي أمبير / جرام ، مما يشير إلى أن أداء دورة مادة القطب السالب جيد ، وأن يمكن الحفاظ على استقرار الهيكل بعد دورة تيار كبيرة.

تركز الأبحاث حول بطاريات الليثيوم-الكبريت حاليًا على مواد الإلكترود ، مثل مواد الكربون المسامية ، والمواد المركبة ، وما إلى ذلك ، بهدف تحسين سلامة البطارية ، ودورة الحياة ، وكثافة الطاقة. مادة الكربون التي طورها Zhang Hongzhang من معهد داليان للفيزياء الكيميائية التابع للأكاديمية الصينية للعلوم لها حجم مسام كبير (> 4. 0 سم 3 / جم) ، مساحة سطح عالية محددة (> 1500 م 2 جم) ، ومحتوى عالٍ من الكبريت (> 70%). في حالة ارتفاع محتوى الكبريت (3 مجم / سم 2) ، تكون السعة النوعية المحددة لتفريغ 0.1 درجة مئوية 1200 مللي أمبير / جرام ؛ يستخدم البروفيسور تشين يونغ من جامعة هاينان Ti 3 C 2 لهيكل أكورديون ثنائي الأبعاد كمادة قطب موجبة. بالاقتران مع الكبريت للحصول على مركب S / Ti 2 C 3 ، وصلت السعة المحددة للتفريغ الأولي إلى 1291 مللي أمبير / جرام عند تيار 200 مللي أمبير / جرام ، وكانت السعة المحددة القابلة للانعكاس للدورة لا تزال 970 مللي أمبير / جرام.

قدم الباحث Zhang Huamin من معهد داليان للكيمياء والفيزياء بالأكاديمية الصينية للعلوم تقريرًا عن التقدم البحثي وتطبيق تكنولوجيا تخزين طاقة البطارية السائلة ، وقدم تطورًا في إلكتروليت البطارية السائلة ، والغشاء الموصّل للأيونات غير الفلورايد والعالي. مفاعل طاقة محدد. ونتائج البحث في نظام بطارية التدفق. لقد طوروا مجموعة بطارية ذات تدفق عالي الكثافة من فئة 32 كيلو وات تم شحنها وتفريغها بكثافة حالية تبلغ 120 مللي أمبير / سم 2 مع كفاءة طاقة تبلغ 81.2% ، مما يتيح الإنتاج على نطاق واسع ، منها 5 ميجاوات / 10 ميجاوات في الساعة. بطارية تم تطبيق نظام تخزين الطاقة على الشبكة.

لا تزال بطاريات الليثيوم أيون والمكثفات الفائقة وخلايا الوقود محور البحث في البطاريات ؛ البطاريات الأخرى ، مثل بطاريات أيون الصوديوم وبطاريات التدفق وبطاريات الليثيوم الكبريت ، تتطور أيضًا. لا يزال التركيز البحثي الحالي لأنواع مختلفة من البطاريات على تطوير مواد قطب كهربائي من أجل تحقيق قدرة وكفاءة وأداء دورة وأداء أمان أعلى.

مقدمة لجميع المواد الصلبة المنحل بالكهرباء