Postęp badań w 2018 r. W zakresie magazynowania energii i zasilania baterii

Materiały katodowe akumulatorów litowo-jonowych dzielą się głównie na materiały na bazie manganu bogate w lit, trójskładnikowe materiały kompozytowe, LiMn 2 O 4 typu spinel, fosforan litowo-żelazowy i tlenek litowo-niklowo-manganowy. Materiał katodowy na bazie litu stałego na bazie manganu Li 1 + x M 1 – x O 2 (M jest metalem przejściowym, takim jak Ni, Co i Mn) o dużej pojemności właściwej (> 200 mAh/g), wysokiej gęstości energii, niski koszt i ochrona środowiska Przyjazny itp., ale istnieją wady, takie jak niska początkowa wydajność rozładowania, niska wydajność kulombowska, kiepska żywotność, niezadowalająca wydajność w wysokich temperaturach i niska wydajność. Badacz Wang Zhaoxiang z Instytutu Fizyki Chińskiej Akademii Nauk łączy badania eksperymentalne z obliczeniami teoretycznymi. W oparciu o badanie siły napędowej migracji Mn, niniejszy artykuł analizuje szereg problemów spowodowanych migracją Mn i proponuje metodę hamowania migracji Mn. Profesor Wang Xianyou z Xiangtan University rozpoczął od związku między strukturą materiału a wydajnością, a także udoskonalił i ulepszył poprzez optymalizację struktury materiału, składu materiału projektowego (nadmiar O), kontrolowanie składu fazowego materiału (domieszkowanie współbieżne) i modyfikację powierzchni (powlekanie polianiliną) . Sposób wykonania materiału litowego. W ramach modyfikacji powłoki profesor Chen Zhaoyong z Changsha University of Science and Technology przeprowadził dogłębne badania: na powierzchni bogatego w lit, manganowego materiału katodowego skonstruowano mikroporowatą dwuwarstwową strukturę Al 2 O 3 /PAS , a materiał katody miał szybkość 0,1 C. Pojemność właściwa wynosi do 280 mAh/g, a po 100 cyklach w temperaturze 0,2 C nadal utrzymuje się pojemność 98% i nie ma przekształceń strukturalnych materiału. Badania nad trójskładnikowym materiałem katodowym Ni-Co-Mn koncentrują się głównie na optymalizacji składu i warunków przygotowania, modyfikacji powłoki lub domieszkowania itp., W celu dalszej poprawy wydajności, charakterystyki cyklu i wydajności szybkości. Pojemność właściwa pierwszego rozładowania pojemności właściwej pierwszego rozładowania wynosi 209,4 mAh/g, 1,0 C. Pojemność właściwa pierwszego rozładowania materiału wynosi 0,1 C mAh/g, 1,0 C. Utrzymanie pojemności 7% stawka 95,5%, wskaźnik utrzymywania pojemności w wysokich temperaturach nadal wynosi 87,7%. Materiałem powlekającym może być również LiTiO2, Li2ZrO3 lub podobny, co może poprawić stabilność materiału trójskładnikowej elektrody dodatniej. Otrzymywanie spinelu LiMn 2 O 4 przez syntezę spalania w fazie stałej może obniżyć temperaturę reakcji, przyspieszyć szybkość reakcji i poprawić strukturę krystaliczną produktu. Główne metody modyfikacji spinelu LiMn 2 O 4 to powlekanie i domieszkowanie, takie jak powlekanie ZnO, Al 2 O 3 , domieszkowanie Cu, Mg i Al. Wspomniano o modyfikacji fosforanu litowo-żelazowego. Stosowane metody to współdomieszkowanie pierwiastków (takich jak jon wanadu i jon tytanu), dodawanie ferrocenu i innych dodatków do katalitycznej grafityzacji oraz mieszanie z grafenem, nanorurek węglowych i tym podobnych. W przypadku materiałów katodowych z manganianu litowo-niklowego, stabilność w wysokiej temperaturze można również poprawić poprzez modyfikację domieszkową i powlekanie oraz udoskonalenie metod i procesów syntezy. Inni badacze zaproponowali inne rodzaje materiałów katodowych, takie jak związki ftalocyjaniny sprzężone z karbonylem, o początkowej pojemności właściwej rozładowania 850 mAh/g; grafen-mezoporowaty węgiel/selen (G-MCN/Se) trójskładnikowy W przypadku elektrody dodatniej z warstwą kompozytową, gdy zawartość selenu wynosiła 62%, pojemność właściwa pierwszego rozładowania 1 C wyniosła 432 mAh/g i pozostała na poziomie 385 mAh/g po 1 300 cykli, wykazując dobrą stabilność cyklu.

Materiały grafitowe są obecnie głównymi materiałami anodowymi, ale naukowcy badają inne materiały anodowe. W porównaniu z materiałem katodowym materiał anodowy nie ma oczywistego punktu dostępowego. Elektrolit będzie redukcyjnie rozkładał się na powierzchni anody grafitowej podczas pierwszego cyklu akumulatora, tworząc membranę stałego interfejsu elektrolitu (SEI), co skutkuje pierwszą nieodwracalną utratą pojemności, ale membrana SEI może uniemożliwić kontynuowanie elektrolitu rozkładają się na powierzchni grafitu, chroniąc w ten sposób elektrodę. Rola. Zhang Ting z South China Normal University dodał dimetylosiarczyn jako dodatek błonotwórczy SEI, aby poprawić kompatybilność anody grafitowej z elektrolitem i poprawić wydajność elektrochemiczną akumulatora. Niektórzy badacze wykorzystali kompozyty nano-tytanian-węgiel jako materiały anodowe i powleczono ZnO, Al 2 O 3 i innymi materiałami za pomocą rozpylania magnetronowego w celu poprawy wydajności szybkości i stabilności cyklu; piroliza susząca rozpyłowo Materiał kompozytowy anoda krzemowo-węglowa otrzymany tym sposobem ma pojemność właściwą dla pierwszego rozładowania 1 033. 2 mAh / g przy prądzie 100 mA / g oraz wydajność pierwszego ładowania i rozładowania 77,3%; samonośny elastyczny krzem / grafen Materiał anody z kompozytowej folii poddano cyklom 50 razy przy prądzie 100 mA / g, pojemność właściwa wynosiła nadal 1 500 mAh / g, a wydajność kulombowa została ustabilizowana na 99% lub więcej. Powodem jest to, że arkusze grafenu mają wysoką przewodność elektryczną i elastyczność.

Elektrolit Tradycyjny system elektrolitów węglanowych ma takie problemy, jak palność i słaba stabilność termiczna. Opracowuje system elektrolitów o wysokiej temperaturze zapłonu, niepalności, szerokim oknie stabilności elektrochemicznej i szerokim zakresie dostosowania temperatury. Jest to kluczowy materiał do akumulatorów litowo-jonowych.

Najgorętszym punktem badań w akumulatorach niklowo-metalowo-wodorkowych są materiały ze stopów magazynujących wodór. Profesor Guo Jin z Guangxi University uważa, że szybkie chłodzenie w temperaturze ciekłego azotu i nierównowagowa obróbka mechanicznego mielenia kulowego regulują wydajność przechowywania wodoru w stopie Mg 17 Al 12. Profesor nadzwyczajny Lan Zhiqiang z Uniwersytetu Guangxi wykorzystał proces obróbki cieplnej w połączeniu z mechanicznym stapianiem w celu przygotowania kompozytowych materiałów magazynujących wodór Mg 90 Li 1 – x Si x (x =0, 2, 4 i 6) i zbadał dodatek Si do magazynowanie roztworu stałego systemu Mg-Li. Efekt wydajności wodoru. Wprowadzenie pierwiastków ziem rzadkich może zahamować zjawisko amorfizacji i dysproporcjonowania składu stopu podczas cyklu absorpcji i desorpcji wodoru oraz zwiększyć odwracalną absorpcję i desorpcję wodoru stopu. Konwencjonalne materiały stopowe do magazynowania wodoru na rynku są w większości domieszkowane pierwiastkami ziem rzadkich (La). , Ce, Pr, Nd itd.), ale cena Pr i Nd jest wyższa. Zhu Xilin doniósł o zastosowaniu stopu AB 5 do magazynowania wodoru bez domieszkowania Pr i Nd w akumulatorze niklowo-wodorowym. Kwadratowa bateria zastosowana w autobusie elektrycznym przeszła bezpiecznie 100 000 km. Innym hotspotem badawczym materiałów do magazynowania wodoru są azotowe wodorki metali takie jak Mg(BH 2 ) 2 -2LiH , 4MgH 2 – Li 3 AlH 6 , Al-Li 3 AiH 6 oraz NaBH 4 -CO(NH 2 ) 2 . Zmniejszenie rozmiaru cząstek i dodanie dodatku metalu alkalicznego może poprawić wydajność przechowywania wodoru materiału koordynującego wodór z metalem, przy czym rozmiar cząstek jest zmniejszony, co uzyskuje się głównie przez wysokoenergetyczne mechaniczne mielenie kulowe. Materiał MOF CAU-1 z dekoracją aminową 12 zgłoszony przez profesora Sun Lixiana z Guilin University of Electronic Technology ma doskonałe właściwości adsorpcji H 2 , CO 2 i metanolu, co ma ogromne znaczenie i wartość użytkową w redukcji emisji CO 2 i magazynowaniu wodoru . Opracowali również różne materiały wodorowe ze stopów na bazie aluminium, takie jak 4MgH 2 -Li 3 AlH 6 , Al-Li 3 AiH 6 i NaBH 4 -CO(NH 2 ) 2 , które są stosowane w połączeniu z ogniwami paliwowymi.

Poszukiwanie materiałów elektrod o wysokiej wydajności i długim cyklu życia jest przedmiotem badań nad superkondensatorami, wśród których materiały węglowe są najczęstszymi materiałami elektrod superkondensatorowych, takimi jak porowate materiały węglowe, materiały węglowe z biomasy i materiały kompozytowe z węgla. Niektórzy badacze przygotowali nanoporowate węglowe materiały aerożelowe i udowodnili, że dobre właściwości elektrochemiczne wynikają z trójwymiarowej struktury szkieletu sieci i bardzo wysokiej powierzchni właściwej. Nie Pengru, Huazhong University of Science and Technology, uzyskał trójwymiarowy porowaty materiał węglowy i wykorzystał go jako materiał elektrodowy do superkondensatorów w procesie odzyskiwania zużytych akumulatorów kwasowo-ołowiowych przez ługowanie na mokro kwasem cytrynowym. Ta metoda może promować ścisłą integrację przemysłu magazynowania energii i przemysłu ochrony środowiska oraz zapewniać dobre korzyści ekologiczne i środowiskowe. Naukowcy badali również zastosowanie różnych materiałów węglowych biomasy (sacharozy, pyłku, alg itp.) Jako materiałów elektrodowych do superkondensatorów. W aspekcie materiałów kompozytowych badacze zaprojektowali materiał kompozytowy MoO 3 / C w kształcie kanapki, warstwa α-MoO3 i warstwa grafenu są poziomo przeplatane i układane w stosy, co ma doskonałe właściwości elektrochemiczne; kompozyt grafen / węgiel z kropką kwantową Materiał może być również stosowany jako materiał elektrody o pojemności właściwej 256 F / g przy prądzie 0,5 A / g. Profesor Liu Zonghuai z Shaanxi Normal University przygotował mezoporowaty nanoelektrodę z tlenku manganu złożoną z nanocząstek tlenku manganu o powierzchni właściwej 456 m2 / gi pojemności właściwej 281 F / g przy prądzie 0,25 A / g. Liu Peipei z Politechniki Południowochińskiej przygotował trójwymiarowy nanowłóknowy materiał kompozytowy NiO-Co 3 O 4 o pojemności właściwej 1 988,6 F / g przy prądzie 11 A / gi współczynniku retencji pojemności 1500 cykli. 94. 0%; Wang Yijing z Uniwersytetu Nankai badał mechanizm wzrostu, mikrostrukturę i wydajność materiałów NiCo 2 O 4 o różnych morfologiach. Tang Ke z Chongqing University of Arts and Sciences przeanalizował związek między równoważną rezystancją a prądem ładowania. Równoważny model obwodu zastosowano do badania zmienności pojemności, pojemności magazynowej i wydajności ładowania superkondensatora prądem. Omówiono wydajność przechowywania temperatury superkondensatora. Wpływ.

Komercjalizacja ogniw paliwowych z membraną wymiany protonów (PEMFC) jest przede wszystkim ograniczona kosztem i długowiecznością. Ponieważ katalizator stosowany w PEMFC jest głównie metalem szlachetnym, takim jak Pt, jest on kosztowny i łatwo ulega degradacji w środowisku pracy, co powoduje zmniejszenie aktywności katalitycznej. Badacz Shao Zhigang z Dalian Institute of Chemical Physics of Chinese Academy of Sciences poinformował o katalizatorze rdzeniowo-powłokowym Pd-Pt, który wprowadza Pd w celu zmniejszenia ilości użytego Pt i zwiększenia aktywności katalizatora. Ponadto naukowcy poprawili interakcję między metalem a nośnikiem, wykorzystując stabilizację polimeru, grupowanie powierzchni i modyfikację klastra węgla na powierzchni metalu, aby uzyskać katalizator redukcji tlenu PEMFC o wysokiej aktywności i wysokiej stabilności. Cao Tai z Beijing Institute of Technology wprowadził lekką, tanią i wielkoskalową metodę syntezy do syntezy jednorodnych, domieszkowanych azotem, bambusowych nanorurek węglowych z nanocząstkami kobaltu u góry. Produkty mają doskonałe właściwości. Aktywność katalityczna Redox. Katalizatory na bazie węgla i inne nieplatynowe katalizatory do ogniw paliwowych, które mogą zastąpić konwencjonalne katalizatory na bazie platyny, są otrzymywane przez hydrotermalne zwęglanie, wysokotemperaturowe kraking termiczny itp. I mają porównywalną wydajność z komercyjnymi katalizatorami z platyny na węgiel.

Proces ładowania i rozładowywania materiału Na 0,44 MnO 2 badano w Dai Kehua z Northeastern University. Stwierdzono, że Mn 2+ powstał na powierzchni materiału o niskim potencjale. Żywica przewodząca żywica fenolowa PFM może poprawić odwracalną pojemność właściwą czystego proszku Sn. Aby osiągnąć stabilne ładowanie i rozładowywanie. Uniwersytet Zhongnan Xiao Zhongxing i in. spiekany metodą hydrotermalną i wysokotemperaturową metodą fazy stałej w celu syntezy Na 0,44 Mn02 o wyższej czystości, a metaliczny sód zastosowano jako elektrodę ujemną do złożenia baterii guzikowej o pojemności 0. Cykl 5 C 20 razy. Wskaźnik retencji wynosił 98,9%; Zhang Junxi z Shanghai Electric Power College zsyntetyzował krystality NaFePO 4 o strukturze oliwinu, które zastosowano jako materiał katodowy do akumulatorów jonowo-sodowych i miał dobre parametry elektrochemiczne. Profesor Deng Jianqiu z Guilin University of Electronic Technology przygotował nanoslinowy siarczek strontu metodą hydrotermalną i wykorzystał go jako materiał elektrody ujemnej do akumulatorów jonowo-sodowych. Materiał ma pojemność właściwą dla pierwszego rozładowania 552 mAh / g przy 100 mA / g. Po 55 cyklach utrzymanie pojemności wynosi 85,5%. Jest cyklicznie 40 razy przy 2 A / g i powraca do 100 mA / Prąd gi pojemność właściwa rozładowania są przywracane do 580 mAh / g, co wskazuje, że wydajność cyklu materiału elektrody ujemnej jest dobra, a struktura może być stabilna po dużym cyklu prądowym.

Badania nad bateriami litowo-siarkowymi koncentrują się obecnie na materiałach elektrodowych, takich jak porowate materiały węglowe, materiały kompozytowe itp., Mające na celu poprawę bezpieczeństwa baterii, żywotności cyklu i gęstości energii. Materiał węglowy opracowany przez Zhanga Hongzhanga z Dalian Institute of Chemical Physics of Chinese Academy of Sciences ma dużą objętość porów (> 4,0 cm 3 / g), dużą powierzchnię właściwą (> 1 500 m2 2 g), i wysoka zawartość siarki (> 70%). W warunkach wysokiej zawartości siarki (3 mg / cm2) właściwa pojemność właściwa rozładowania 0,1 C wynosi 1 200 mAh / g; Profesor Chen Yong z Uniwersytetu w Hainan wykorzystuje Ti 3 C 2 dwuwymiarowej struktury akordeonu jako materiał elektrody dodatniej. W połączeniu z siarką w celu uzyskania kompozytu S / Ti 2 C 3 początkowa pojemność właściwa rozładowania osiągnęła 1 291 mAh / g przy prądzie 200 mAh / g, a odwracalna pojemność właściwa cyklu wynosiła nadal 970 mAh / g.

Naukowiec Zhang Huamin z Dalian Institute of Chemistry and Physics, Chinese Academy of Sciences wydał raport na temat postępów badań i zastosowania technologii magazynowania energii płynnych akumulatorów, a także przedstawił postępy w rozwoju elektrolitu płynnego akumulatora, membrany przewodzącej jony bezfluorowe i wysokiej konkretny reaktor mocy. I wyniki badań w systemie akumulatorów przepływowych. Opracowali stos akumulatorów przepływowych o wysokiej gęstości mocy 32 kW, który był ładowany i rozładowywany przy gęstości prądu 120 mA / cm 2 o wydajności energetycznej 81,2%, umożliwiając produkcję na dużą skalę, z czego przepływ 5 MW / 10 MWh bateria System magazynowania energii został wdrożony w sieci.

Akumulatory litowo-jonowe, superkondensatory i ogniwa paliwowe są nadal przedmiotem badań nad akumulatorami; ewoluują również inne akumulatory, takie jak akumulatory sodowo-jonowe, akumulatory przepływowe i akumulatory litowo-siarkowe. Obecnie przedmiotem badań różnych rodzajów akumulatorów jest wciąż opracowywanie materiałów na elektrody w celu osiągnięcia wyższej pojemności, wydajności, wydajności cyklu i wydajności bezpieczeństwa.

Wprowadzenie do wszystkich stałych materiałów elektrolitowych