2018 Progresso da pesquisa em armazenamento de energia e bateria de energia

Os materiais do cátodo da bateria de íon de lítio são divididos principalmente em materiais à base de manganês ricos em lítio, materiais compostos ternários, LiMn 2 O 4 do tipo espinélio, fosfato de ferro de lítio e óxido de manganês de níquel-lítio. Material catódico de solução sólida à base de manganês rico em Li Li 1 + x M 1 – x O 2 (M é um metal de transição como Ni, Co e Mn) com alta capacidade específica (> 200 mAh/g), alta densidade de energia, baixo custo e proteção ambiental Amigável, etc., mas existem deficiências como baixa eficiência de descarga inicial, baixa eficiência coulombiana, ciclo de vida ruim, desempenho insatisfatório em alta temperatura e desempenho de baixa taxa. O pesquisador Wang Zhaoxiang, do Instituto de Física da Academia Chinesa de Ciências, combina pesquisa experimental com cálculos teóricos. A partir da exploração da força motriz da migração de Mn, este artigo estuda uma série de problemas causados pela migração de Mn e propõe um método para inibir a migração de Mn. O professor Wang Xianyou, da Universidade de Xiangtan, começou a partir da relação entre estrutura e desempenho do material e melhorou e melhorou otimizando a estrutura do material, a composição do material de design (excesso de O), controlando a composição da fase do material (co-dopado) e a modificação da superfície (revestida com polianilina) . O caminho do desempenho do material de lítio. Na modificação do revestimento, o professor Chen Zhaoyong, da Universidade de Ciência e Tecnologia de Changsha, realizou um estudo aprofundado: uma estrutura de revestimento de dupla camada de Al 2 O 3 /PAS microporosa foi construída na superfície do material catódico à base de manganês rico em lítio , e o material do cátodo estava a uma taxa de 0,1 C. A capacidade específica é de até 280 mAh/g, e após 100 ciclos a 0,2 C, ainda há retenção de capacidade de 98% e nenhuma transformação estrutural do material. A pesquisa do material de cátodo ternário Ni-Co-Mn se concentra principalmente na otimização da composição e condições de preparação, modificação de revestimento ou dopagem, etc., a fim de melhorar ainda mais a capacidade, as características do ciclo e o desempenho da taxa. A primeira capacidade específica de descarga da primeira capacidade específica de descarga é 209. 4 mAh/g, 1. 0 C. A primeira capacidade específica de descarga do material é 0. 1 C mAh/g, 1. 0 C. 7%。 Retenção de capacidade taxa de 95. 5%, a taxa de retenção de capacidade em altas temperaturas ainda é 87.7%. O material de revestimento também pode ser LiTiO 2 , Li 2 ZrO 3 ou semelhante, o que pode melhorar a estabilidade do material de eletrodo positivo ternário. A preparação de espinélio LiMn 2 O 4 por síntese de combustão em fase sólida pode reduzir a temperatura de reação, acelerar a taxa de reação e melhorar a estrutura cristalina do produto. Os principais métodos de modificação do espinélio LiMn 2 O 4 são o revestimento e a dopagem, como o revestimento ZnO, Al 2 O 3 , dopagem Cu, Mg e Al. A modificação do fosfato de ferro e lítio é mencionada. Os métodos utilizados são co-dopagem de elementos (como íon de vanádio e íon de titânio), adição de ferroceno e outros aditivos de grafitização catalítica e composição com grafeno, nanotubos de carbono e similares. Para materiais de cátodo de manganato de lítio-níquel, a estabilidade de alta temperatura também pode ser melhorada por modificação e revestimento de dopagem e melhorando os métodos e processos de síntese. Outros pesquisadores propuseram alguns outros tipos de materiais catódicos, como compostos de ftalocianina conjugados com carbonila, com capacidade específica de descarga inicial de 850 mAh/g; ternário carbono/selênio grafeno-mesoporoso (G-MCN/Se) Para o eletrodo positivo de filme composto, quando o teor de selênio foi de 62%, a primeira capacidade específica de descarga de 1 C foi de 432 mAh/g, e permaneceu em 385 mAh/g após 1 300 ciclos, mostrando boa estabilidade de ciclo.

Atualmente, os materiais de grafite são os principais materiais ânodos, mas os pesquisadores têm explorado outros materiais ânodos. Comparado com o material do cátodo, o material do ânodo não possui um hotspot de pesquisa óbvio. O eletrólito se decompõe redutivamente na superfície do ânodo de grafite durante o primeiro ciclo da bateria para formar uma membrana de interface de fase de eletrólito sólida (SEI), resultando na primeira perda irreversível de capacidade, mas a membrana de SEI pode impedir que o eletrólito continue decompor na superfície de grafite, protegendo assim o eletrodo. O papel. Zhang Ting, da Universidade Normal do Sul da China, adicionou dimetilsulfito como um aditivo de formação de filme SEI para melhorar a compatibilidade entre o ânodo de grafite e o eletrólito e melhorar o desempenho eletroquímico da bateria. Alguns pesquisadores usaram compósitos de nano-titanato-carbono como materiais anódicos e revestidos com ZnO, Al 2 O 3 e outros materiais por magnetron sputtering para melhorar o desempenho da taxa e a estabilidade do ciclo; pirólise por secagem por pulverização O material do ânodo composto de silício-carbono preparado pelo método tem uma capacidade específica de primeira descarga de 1 033. 2 mAh / g a uma corrente de 100 mA / g, e uma primeira eficiência de carga e descarga de 77,3%; silício / grafeno flexível autoportante O material do ânodo de filme composto foi ciclado 50 vezes a uma corrente de 100 mA / g, a capacidade específica ainda era de 1 500 mAh / g, e a eficiência coulômbica foi estabilizada em 99% ou mais. O motivo é que as folhas de grafeno têm alta condutividade elétrica e flexibilidade.

Eletrólito O sistema tradicional de eletrólitos de carbonato apresenta problemas como inflamabilidade e baixa estabilidade térmica. Desenvolve um sistema eletrolítico com alto ponto de inflamação, não inflamabilidade, ampla janela de estabilidade eletroquímica e ampla adaptabilidade à temperatura. É um material essencial para baterias de íon de lítio.

Um hotspot de pesquisa em baterias de níquel-hidreto metálico são os materiais de liga de armazenamento de hidrogênio. O professor Guo Jin, da Universidade de Guangxi, acredita que o resfriamento rápido à temperatura do nitrogênio líquido e o tratamento fora do equilíbrio da moagem mecânica de bolas regulam o desempenho do armazenamento de hidrogênio da liga Mg 17 Al 12. O professor associado Lan Zhiqiang da Universidade de Guangxi usou o processo de tratamento térmico combinado com liga mecânica para preparar materiais de armazenamento de hidrogênio composto de Mg 90 Li 1 – x Si x (x = 0, 2, 4 e 6), e estudou a adição de Si ao armazenamento de solução sólida do sistema Mg-Li. O efeito do desempenho do hidrogênio. A introdução de elementos de terras raras pode inibir o fenômeno de amorfização e o processo de desproporção da composição da liga durante o ciclo de absorção e dessorção de hidrogênio e aumentar a absorção e dessorção reversível de hidrogênio da liga. Os materiais convencionais de liga de armazenamento de hidrogênio no mercado são principalmente dopados com elementos de terras raras (La). , Ce, Pr, Nd, etc.), mas o preço de Pr e Nd é maior. Zhu Xilin relatou a aplicação de uma liga de armazenamento de hidrogênio AB 5 não dopada com Pr e Nd em uma bateria de níquel-hidrogênio. A bateria quadrada aplicada ao ônibus elétrico foi operada com segurança por 100.000 km. Outro foco de pesquisa para materiais de armazenamento de hidrogênio são os hidretos metálicos de nitrogênio, como Mg(BH 2 ) 2 -2LiH, 4MgH 2 – Li 3 AlH 6 , Al-Li 3 AiH 6 e NaBH 4 -CO(NH 2 ) 2 . Reduzir o tamanho de partícula e adicionar um aditivo de metal alcalino pode melhorar o desempenho de armazenamento de hidrogênio do material de armazenamento de hidrogênio de coordenação de metal, em que o tamanho de partícula é reduzido, o que é alcançado principalmente por moagem mecânica de bolas de alta energia. O material MOF CAU-1 Amine-Decorated12-Connected relatado pelo professor Sun Lixian da Guilin University of Electronic Technology tem excelentes propriedades de adsorção de H 2 , CO 2 e metanol, que são de grande importância e valor de aplicação para redução de emissão de CO 2 e armazenamento de hidrogênio . Eles também desenvolveram uma variedade de materiais geradores de hidrogênio de liga à base de alumínio, como 4MgH 2 -Li 3 AlH 6 , Al-Li 3 AiH 6 e NaBH 4 -CO(NH 2 ) 2 , são usados em combinação com células de combustível.

A busca por materiais de eletrodos com alto desempenho e longa vida útil é o foco de pesquisas em supercapacitores, entre os quais os materiais de carbono são os materiais mais comuns de eletrodos de supercapacitores, como materiais de carbono porosos, materiais de carbono de biomassa e materiais compostos de carbono. Alguns pesquisadores prepararam materiais de aerogel de carbono nanoporosos e provaram que boas características de capacitância eletroquímica provêm da estrutura tridimensional do esqueleto da rede e da área superficial ultra-alta específica. Nie Pengru, Universidade de Ciência e Tecnologia de Huazhong, obteve um material de carbono poroso tridimensional e o usou como material de eletrodo para supercapacitores no processo de recuperação de baterias de chumbo-ácido por lixiviação úmida com ácido cítrico. Esse método pode promover a estreita integração entre a indústria de armazenamento de energia e a indústria de proteção ambiental e produzir bons benefícios ecológicos e ambientais. Os pesquisadores também exploraram o uso de diferentes materiais de carbono de biomassa (sacarose, pólen, algas etc.) como materiais de eletrodo para supercapacitores. No aspecto de materiais compósitos, os pesquisadores projetaram um material compósito MoO 3 / C em forma de sanduíche, a camada α-MoO 3 e a camada de grafeno são intercaladas e empilhadas horizontalmente, o que possui excelentes propriedades eletroquímicas; composto de ponto quântico de grafeno / carbono O material também pode ser usado como um material de eletrodo com uma capacitância específica de 256 F / g a uma corrente de 0,5 A / g. O professor Liu Zonghuai, da Universidade Normal de Shaanxi, preparou um material mesoporoso de nanoeletrodo de óxido de manganês, montado a partir de nanopartículas de óxido de manganês, com uma área de superfície específica de 456 m 2 / g e uma capacitância específica de 281 F / g a uma corrente de 0,25 A / g. Liu Peipei, da Universidade de Tecnologia da China Meridional, preparou um material compósito tridimensional de NiO-Co 3 O 4 de nano-flor com uma capacitância específica de 1 988. 6 F / g a uma corrente de 11 A / g e uma taxa de retenção de capacitância de 1.500 ciclos. 94. 0%; Wang Yijing, da Universidade de Nankai, estudou o mecanismo de crescimento, microestrutura e desempenho de materiais NiCo 2 O 4 com diferentes morfologias. Tang Ke, da Universidade de Artes e Ciências de Chongqing, analisou a relação entre resistência equivalente e corrente de carga. O modelo de circuito equivalente foi utilizado para estudar a variação de capacitância, capacidade de armazenamento e eficiência de carregamento do supercapacitor com corrente. O desempenho de armazenamento de temperatura do supercapacitor foi discutido. Impacto.

A comercialização de células a combustível de membrana de troca de prótons (PEMFC) é restringida principalmente pelo custo e longevidade. Como o catalisador usado no PEMFC é principalmente um metal nobre, como o Pt, é oneroso e facilmente degradável no ambiente de trabalho, resultando em uma diminuição da atividade catalítica. O pesquisador Shao Zhigang, do Instituto Dalian de Física Química da Academia Chinesa de Ciências, relatou um catalisador de casca de núcleo de Pd-Pt que introduz o Pd para reduzir a quantidade de Pt usada e aumentar a atividade do catalisador. Além disso, os pesquisadores melhoraram a interação entre metal e transportador usando estabilização de polímero, agrupamento de superfície e modificação de cluster de carbono de superfície de metal para obter o catalisador de redução de oxigênio metálico PEMFC com alta atividade e alta estabilidade. O Cao Tai, do Instituto de Tecnologia de Pequim, introduziu um método de síntese leve, de baixo custo e em larga escala para a síntese de nanotubos de carbono uniformes, dopados com nitrogênio e em forma de bambu, com nanopartículas de cobalto no topo. Os produtos têm excelentes propriedades. Atividade catalítica redox. Os catalisadores à base de carbono e outros catalisadores não de platina para células de combustível, que podem substituir os catalisadores convencionais à base de platina, são obtidos por carbonização hidrotérmica, craqueamento térmico a alta temperatura, etc., e têm desempenho comparável aos catalisadores comerciais de carbono da platina.

O processo de carga e descarga do material Na 0. 44 MnO 2 foi estudado em Dai Kehua, da Northeastern University. Verificou-se que o Mn 2 + foi formado na superfície do material com baixo potencial. A resina fenólica de resina condutora PFM poderia melhorar a capacidade específica reversível do pó de Sn puro. Para obter carga e descarga estáveis. Universidade de Zhongnan Xiao Zhongxing et al. sinterizado pelo método hidrotérmico e pelo método de fase sólida de alta temperatura para sintetizar a Na 0,44 MnO 2 de maior pureza, e o sódio metálico foi usado como eletrodo negativo para montar uma bateria tipo botão, com capacidade de 0. Ciclo de 5 C 20 vezes. A taxa de retenção foi de 98,9%; Zhang Junxi do Shanghai Electric Power College sintetizou os cristalitos de NaFePO 4 da estrutura da olivina, que foram usados como material de cátodo para baterias de íons de sódio e tiveram bom desempenho eletroquímico. O professor associado Deng Jianqiu, da Universidade de Tecnologia Eletrônica de Guilin, preparou um sulfeto de estrôncio nano-linear pelo método hidrotérmico e o usou como material de eletrodo negativo para baterias de íons de sódio. O material tem uma capacidade específica de primeira descarga de 552 mAh / g a 100 mA / g. Após 55 ciclos, a retenção da capacidade é 85.5%. Ele é ciclado 40 vezes a 2 A / g e retorna a 100 mA / A corrente de g e a capacidade específica da descarga são restauradas para 580 mAh / g, indicando que o desempenho do ciclo do material do eletrodo negativo é bom, e a A estrutura pode ser mantida estável após um grande ciclo atual.

Atualmente, as pesquisas com baterias de lítio-enxofre concentram-se em materiais de eletrodos, como materiais de carbono porosos, materiais compostos, etc., visando melhorar a segurança da bateria, a vida útil e a densidade de energia. O material de carbono desenvolvido por Zhang Hongzhang, do Instituto Dalian de Física Química da Academia Chinesa de Ciências, possui um grande volume de poros (> 4,0 cm 3 / g), uma área superficial específica alta (> 1 500 m 2 g), e um alto teor de enxofre (> 70%). Sob a condição de alto teor de enxofre (3 mg / cm 2), a capacidade específica específica de descarga de 0,1 C é de 1 200 mAh / g; O professor Chen Yong, da Universidade de Hainan, usa o Ti 3 C 2 da estrutura de acordeão bidimensional como material positivo do eletrodo. Combinada com enxofre para obter o composto S / Ti 2 C 3, a capacidade específica de descarga inicial atingiu 1 291 mAh / g a uma corrente de 200 mAh / g, e a capacidade específica reversível do ciclo ainda era de 970 mAh / g.

O pesquisador Zhang Huamin, do Instituto de Química e Física Dalian, da Academia Chinesa de Ciências, apresentou um relatório sobre o progresso da pesquisa e a aplicação da tecnologia de armazenamento de energia da bateria líquida e apresentou o progresso do desenvolvimento de eletrólito da bateria líquida, membrana condutora de íons não fluoretados e alta reator de potência específico. E os resultados da pesquisa no sistema de bateria de fluxo. Eles desenvolveram uma pilha de baterias de fluxo de densidade de alta potência e classe de 32 kW que foi carregada e descarregada a uma densidade de corrente de 120 mA / cm 2 com uma eficiência energética de 81.2%, permitindo produção em larga escala, dos quais 5 MW / 10 MWh bateria O sistema de armazenamento de energia foi implementado na rede.

Baterias de íon de lítio, supercapacitores e células de combustível ainda são o foco da pesquisa sobre baterias; outras baterias, como baterias de íons de sódio, baterias de fluxo e baterias de lítio-enxofre, também estão evoluindo. O foco atual da pesquisa de vários tipos de baterias ainda é o desenvolvimento de materiais de eletrodos para obter maior capacidade, eficiência, desempenho do ciclo e desempenho da segurança.

Introdução a todos os materiais eletrolíticos sólidos