Progreso de investigación 2018 sobre almacenamiento de energía y batería de energía

Los materiales del cátodo de la batería de iones de litio se dividen principalmente en materiales a base de manganeso ricos en litio, materiales compuestos ternarios, tipo espinela LiMn 2 O 4 , fosfato de hierro y litio y óxido de manganeso de níquel y litio. Material de cátodo de solución sólida a base de manganeso rico en litio Li 1 + x M 1 – x O 2 (M es un metal de transición como Ni, Co y Mn) con alta capacidad específica (> 200 mAh/g), alta densidad de energía, bajo costo y protección del medio ambiente Amigable, etc., pero hay deficiencias como baja eficiencia de descarga inicial, baja eficiencia coulombic, ciclo de vida deficiente, rendimiento insatisfactorio a alta temperatura y rendimiento de baja tasa. El investigador Wang Zhaoxiang del Instituto de Física de la Academia de Ciencias de China combina la investigación experimental con cálculos teóricos. A partir de la exploración de la fuerza impulsora de la migración de Mn, este artículo estudia una serie de problemas causados por la migración de Mn y propone un método para inhibir la migración de Mn. El profesor Wang Xianyou de la Universidad de Xiangtan partió de la relación entre la estructura del material y el rendimiento, y mejoró y mejoró mediante la optimización de la estructura del material, la composición del material de diseño (exceso de O), el control de la composición de la fase del material (co-dopado) y la modificación de la superficie (recubierto con polianilina) . El camino del rendimiento del material de litio. En la modificación del revestimiento, el profesor Chen Zhaoyong de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Changsha realizó un estudio en profundidad: se construyó una estructura de revestimiento de doble capa microporosa de Al 2 O 3 /PAS en la superficie del material de cátodo a base de manganeso rico en litio. , y el material del cátodo estaba a una velocidad de 0,1 C. La capacidad específica es de hasta 280 mAh/g, y después de 100 ciclos a 0,2 C, todavía hay retención de capacidad 98% y no hay transformación estructural del material. La investigación del material de cátodo ternario de Ni-Co-Mn se centra principalmente en optimizar la composición y las condiciones de preparación, la modificación del recubrimiento o dopaje, etc., para mejorar aún más la capacidad, las características del ciclo y el rendimiento de la tasa. La primera capacidad específica de descarga de la primera capacidad específica de descarga es 209,4 mAh/g, 1,0 C. La primera capacidad específica de descarga del material es 0,1 C mAh/g, 1,0 C. 7%。 Capacidad de retención tasa de 95. 5%, la tasa de retención de capacidad a altas temperaturas sigue siendo 87.7%. El material de revestimiento también puede ser LiTiO 2 , Li 2 ZrO 3 o similar, que puede mejorar la estabilidad del material del electrodo positivo ternario. La preparación de espinela LiMn 2 O 4 mediante síntesis de combustión en fase sólida puede reducir la temperatura de reacción, acelerar la velocidad de reacción y mejorar la estructura cristalina del producto. Los principales métodos para modificar la espinela LiMn 2 O 4 son el recubrimiento y el dopaje, como el recubrimiento de ZnO, Al 2 O 3 , el dopaje de Cu, Mg y Al. Se menciona la modificación del fosfato de hierro y litio. Los métodos utilizados son el co-dopaje de elementos (como el ion de vanadio y el ion de titanio), la adición de ferroceno y otros aditivos de grafitización catalítica, y la composición con grafeno, nanotubos de carbono y similares. Para los materiales de cátodo de manganato de litio y níquel, la estabilidad a alta temperatura también se puede mejorar mediante la modificación y el recubrimiento de dopaje, y mejorando los métodos y procesos de síntesis. Otros investigadores han propuesto algunos otros tipos de materiales catódicos, como los compuestos de ftalocianina conjugada con carbonilo, con una capacidad específica de descarga inicial de 850 mAh/g; ternaria de grafeno-carbono mesoporoso/selenio (G-MCN/Se) Para el electrodo positivo de película compuesta, cuando el contenido de selenio era 62%, la primera capacidad específica de descarga de 1 C era 432 mAh/g, y se mantuvo en 385 mAh/g después 1 300 ciclos, mostrando buena estabilidad de ciclo.

Los materiales de grafito son actualmente los principales materiales anódicos, pero los investigadores han estado explorando otros materiales anódicos. En comparación con el material del cátodo, el material del ánodo no tiene un punto de acceso de investigación obvio. El electrolito se descompondrá reductivamente en la superficie del ánodo de grafito durante el primer ciclo de la batería para formar una membrana de interfaz de fase de electrolito sólido (SEI), lo que dará como resultado la primera pérdida de capacidad irreversible, pero la membrana SEI puede evitar que el electrolito continúe descomponerse en la superficie de grafito, protegiendo así el electrodo. El papel. Zhang Ting, de la Universidad Normal del Sur de China, agregó sulfuro de dimetilo como aditivo formador de película SEI para mejorar la compatibilidad entre el ánodo de grafito y el electrolito y mejorar el rendimiento electroquímico de la batería. Algunos investigadores han utilizado compuestos de nano-titanato de carbono como materiales anódicos y recubiertos con ZnO, Al 2 O 3 y otros materiales mediante pulverización catódica con magnetrón para mejorar el rendimiento de la velocidad y la estabilidad del ciclo; pirólisis de secado por pulverización El material anódico compuesto de silicio-carbono preparado por el método tiene una capacidad específica de primera descarga de 1 033. 2 mAh / g a una corriente de 100 mA / gy una primera eficiencia de carga y descarga de 77.3%; silicio / grafeno flexible autoportante El material del ánodo de la película compuesta se recicló 50 veces a una corriente de 100 mA / g, la capacidad específica aún era de 1 500 mAh / gy la eficiencia culombiana se estabilizó a 99% o más. La razón es que las láminas de grafeno tienen una alta conductividad eléctrica y flexibilidad.

Electrolito El sistema tradicional de electrolito de carbonato tiene problemas tales como inflamabilidad y poca estabilidad térmica. Desarrolla un sistema electrolítico con alto punto de inflamación, no inflamabilidad, amplia ventana de estabilidad electroquímica y amplia adaptabilidad a la temperatura. Es un material clave para las baterías de iones de litio.

Un punto crítico de investigación en las baterías de hidruro de níquel-metal son los materiales de aleación de almacenamiento de hidrógeno. El profesor Guo Jin de la Universidad de Guangxi cree que el enfriamiento rápido a la temperatura del nitrógeno líquido y el tratamiento de no equilibrio de la molienda mecánica de bolas regulan el rendimiento de almacenamiento de hidrógeno de la aleación Mg 17 Al 12. El profesor asociado Lan Zhiqiang de la Universidad de Guangxi utilizó el proceso de tratamiento térmico combinado con aleación mecánica para preparar materiales compuestos de almacenamiento de hidrógeno Mg 90 Li 1 – x Si x (x = 0, 2, 4 y 6), y estudió la adición de Si al almacenamiento de solución sólida del sistema Mg-Li. El efecto del rendimiento del hidrógeno. La introducción de elementos de tierras raras puede inhibir el fenómeno de amorfización y el proceso de desproporción de la composición de la aleación durante el ciclo de absorción y desorción de hidrógeno, y aumentar la absorción y desorción reversible de hidrógeno de la aleación. Los materiales de aleación de almacenamiento de hidrógeno convencionales en el mercado están mayormente dopados con elementos de tierras raras (La). , Ce, Pr, Nd, etc.), pero el precio de Pr y Nd es más alto. Zhu Xilin informó sobre la aplicación de una aleación de almacenamiento de hidrógeno AB 5 no dopada con Pr y Nd en una batería de níquel-hidrógeno. La batería cuadrada aplicada al autobús eléctrico ha funcionado de forma segura durante 100 000 km. Otro foco de investigación para los materiales de almacenamiento de hidrógeno son los hidruros de nitrógeno metálicos como Mg(BH 2 ) 2 -2LiH, 4MgH 2 – Li 3 AlH 6 , Al-Li 3 AiH 6 y NaBH 4 -CO(NH 2 ) 2 . Reducir el tamaño de partícula y agregar un aditivo de metal alcalino puede mejorar el rendimiento de almacenamiento de hidrógeno del material de almacenamiento de hidrógeno de coordinación metálica, en el que se reduce el tamaño de partícula, lo que se logra principalmente mediante molienda mecánica de bolas de alta energía. El material CAU-1 MOF conectado con 12 decorado con amina informado por el profesor Sun Lixian de la Universidad de Tecnología Electrónica de Guilin tiene excelentes propiedades de adsorción de H 2 , CO 2 y metanol, que son de gran importancia y valor de aplicación para la reducción de emisiones de CO 2 y el almacenamiento de hidrógeno. . También desarrollaron una variedad de materiales generadores de hidrógeno de aleación a base de aluminio, como 4MgH 2 -Li 3 AlH 6 , Al-Li 3 AiH 6 y NaBH 4 -CO(NH 2 ) 2 , que se utilizan en combinación con pilas de combustible.

La búsqueda de materiales de electrodo con un rendimiento de alta velocidad y una vida útil de ciclo largo es el foco de la investigación sobre supercondensadores, entre los cuales los materiales de carbono son los materiales de electrodo de supercondensador más comunes, como materiales porosos de carbono, materiales de carbono de biomasa y materiales compuestos de carbono. Algunos investigadores han preparado materiales de aerogel de carbono nanoporosos y han demostrado que las buenas características de capacitancia electroquímica provienen de la estructura esquelética de la red tridimensional y del área de superficie específica ultraalta. Nie Pengru, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong, obtuvo un material de carbono poroso tridimensional y lo utilizó como material de electrodo para supercondensadores en el proceso de recuperación de baterías de plomo-ácido por lixiviación húmeda con ácido cítrico. Este método puede promover la estrecha integración de la industria de almacenamiento de energía y la industria de protección ambiental, y producir buenos beneficios ecológicos y ambientales. Los investigadores también exploraron el uso de diferentes materiales de carbono de biomasa (sacarosa, polen, algas, etc.) como materiales de electrodo para supercondensadores. En el aspecto de los materiales compuestos, los investigadores han diseñado un material compuesto de MoO 3 / C en forma de emparedado, la capa de α-MoO 3 y la capa de grafeno están intercaladas y apiladas horizontalmente, lo que tiene excelentes propiedades electroquímicas; compuesto de puntos cuánticos de grafeno / carbono El material también se puede utilizar como material de electrodo con una capacidad específica de 256 F / g a una corriente de 0,5 A / g. El profesor Liu Zonghuai de la Universidad Normal de Shaanxi preparó un material de nanoelectrodo de óxido de manganeso mesoporoso ensamblado a partir de nanopartículas de óxido de manganeso con un área de superficie específica de 456 m 2 / gy una capacidad específica de 281 F / g a una corriente de 0.25 A / g. Liu Peipei, de la Universidad Tecnológica del Sur de China, preparó un material compuesto de NiO-Co 3 O 4 tridimensional con nano-flores con una capacidad específica de 1 988. 6 F / g a una corriente de 11 A / gy una tasa de retención de la capacidad de 1.500 ciclos. 94. 0%; Wang Yijing de la Universidad de Nankai estudió el mecanismo de crecimiento, la microestructura y el rendimiento de los materiales de NiCo 2 O 4 con diferentes morfologías. Tang Ke, de la Universidad de Artes y Ciencias de Chongqing, analizó la relación entre resistencia equivalente y corriente de carga. El modelo de circuito equivalente se utilizó para estudiar la variación de capacitancia, capacidad de almacenamiento y eficiencia de carga del supercondensador con corriente. Se discutió el rendimiento de almacenamiento de temperatura del supercondensador. Impacto.

La comercialización de celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC) está limitada principalmente por el costo y la longevidad. Dado que el catalizador utilizado en PEMFC es principalmente un metal noble como el Pt, es costoso y se degrada fácilmente en el entorno de trabajo, lo que resulta en una disminución de la actividad catalítica. El investigador Shao Zhigang del Instituto Dalian de Física Química de la Academia de Ciencias de China informó sobre un catalizador de núcleo-cubierta de Pd-Pt que introduce Pd para reducir la cantidad de Pt utilizada y aumentar la actividad del catalizador. Además, los investigadores han mejorado la interacción entre el metal y el portador mediante el uso de la estabilización del polímero, la agrupación de la superficie y la modificación del clúster de carbono de la superficie del metal para obtener el catalizador de reducción de oxígeno metálico PEMFC con alta actividad y alta estabilidad. Cao Tai, del Instituto de Tecnología de Beijing, introdujo un método de síntesis ligero, de bajo costo y a gran escala para la síntesis de nanotubos de carbono uniformes, dopados con nitrógeno y en forma de bambú con nanopartículas de cobalto en la parte superior. Los productos tienen excelentes propiedades. Actividad catalítica redox. Los catalizadores a base de carbono y otros catalizadores que no son de platino para celdas de combustible, que pueden reemplazar a los catalizadores convencionales a base de platino, se obtienen por carbonización hidrotérmica, craqueo térmico a alta temperatura, etc., y tienen un rendimiento comparable a los catalizadores comerciales de carbono de platino.

El proceso de carga y descarga de Na 0. 44 MnO 2 material fue estudiado en Dai Kehua de la Northeastern University. Se descubrió que Mn2 + se formó en la superficie del material a bajo potencial. La resina fenólica PFM de resina conductora podría mejorar la capacidad específica reversible del polvo de Sn puro. Para lograr una carga y descarga estable. La Universidad Zhongnan Xiao Zhongxing et al. sinterizado por el método hidrotérmico y el método de fase sólida a alta temperatura para sintetizar Na 0.44 MnO 2 de mayor pureza, y el sodio metálico se usó como electrodo negativo para ensamblar una batería tipo botón, con una capacidad de 0. Ciclo 5 C 20 veces. La tasa de retención fue 98.9%; Zhang Junxi, del Shanghai Electric Power College, sintetizó cristales de NaFePO 4 de estructura olivina, que se utilizó como material catódico para las baterías de iones de sodio y tenía un buen rendimiento electroquímico. El profesor asociado Deng Jianqiu de la Universidad de Tecnología Electrónica de Guilin preparó un sulfuro de estroncio nano-lineal por método hidrotérmico y lo usó como material de electrodo negativo para las baterías de iones de sodio. El material tiene una capacidad específica de primera descarga de 552 mAh / ga 100 mA / g. Después de 55 ciclos, la retención de capacidad es 85.5%. Se cicla 40 veces a 2 A / gy vuelve a 100 mA / La corriente de gy la capacidad específica de la descarga se restablecen a 580 mAh / g, lo que indica que el rendimiento del ciclo del material del electrodo negativo es bueno, y el La estructura puede mantenerse estable después de un gran ciclo de corriente.

La investigación sobre baterías de litio-azufre se centra actualmente en materiales de electrodos, como materiales de carbono poroso, materiales compuestos, etc., destinados a mejorar la seguridad de la batería, la vida útil del ciclo y la densidad de energía. El material de carbono desarrollado por Zhang Hongzhang del Instituto Dalian de Física Química de la Academia de Ciencias de China tiene un gran volumen de poros (> 4. 0 cm 3 / g), un área superficial específica alta (> 1 500 m 2 g), y un alto contenido de azufre (> 70%). Bajo la condición de alto contenido de azufre (3 mg / cm 2), la capacidad específica específica de descarga de 0.1 C es 1 200 mAh / g; El profesor Chen Yong de la Universidad de Hainan utiliza Ti 3 C 2 de estructura de acordeón bidimensional como material de electrodo positivo. Combinado con azufre para obtener el compuesto S / Ti 2 C 3, la capacidad específica de descarga inicial alcanzó 1 291 mAh / g a una corriente de 200 mAh / gy la capacidad específica reversible del ciclo aún era de 970 mAh / g.

El investigador Zhang Huamin del Instituto de Química y Física de Dalian, Academia de Ciencias de China, dio un informe sobre el progreso de la investigación y la aplicación de la tecnología de almacenamiento de energía de la batería líquida, e introdujo el progreso del desarrollo de electrolitos de batería líquida, membrana conductora de iones sin fluoruro y alta reactor de potencia específico. Y los resultados de la investigación en el sistema de batería de flujo. Desarrollaron una pila de baterías de flujo de densidad de alta potencia de 32 kW que se cargó y descargó a una densidad de corriente de 120 mA / cm 2 con una eficiencia energética de 81.2%, lo que permite una producción a gran escala, de los cuales 5 MW / 10 MWh fluyen batería El sistema de almacenamiento de energía se ha implementado en la red.

Las baterías de iones de litio, los supercondensadores y las pilas de combustible siguen siendo el foco de la investigación sobre baterías; otras baterías, como las baterías de iones de sodio, las baterías de flujo y las baterías de litio y azufre, también están evolucionando. El enfoque de investigación actual de varios tipos de baterías todavía es desarrollar materiales de electrodos para lograr una mayor capacidad, eficiencia, rendimiento del ciclo y rendimiento de seguridad.

Introducción a todos los materiales electrolíticos sólidos.