10 Пробивни технологии за соларни батерии, които се опитват да се конкурират с литиево-йонните

Автор admin 25/02/2019 0 Коментари

 

Модерният свят работи с батерии на литиева основа. Многобройни химически и нови технологии се разработват, за да се противопоставят на ограниченията на литиево-йонните батерии, включително високата цена, снабдяването със суровини и прегряването. Базирана в Чикаго изследователска разузнавателна компания PreScouter наскоро публикува доклад, в който се описват 10 нови технологии за батерии, които могат да повлияят пазара през следващото десетилетие и да въведат следващата вълна от високопроизводителни батерии. Ето един общ поглед върху резултатите от доклада, включително преглед на тези технологии за батериите, които са най-ценни за съхранението на слънчева енергия.

 

Батерии на силиконова основа


В производството на литиево-йонните батерии традиционно се използват графитни аноди, но изследователите и компаниите сега се фокусират върху силиконови аноди. Si-доминантните аноди могат да свържат литиеви йони 25 пъти повече от графитните йони. Тези батерии обаче страдат от ниска електрическа проводимост, скорост на бавна дифузия и големи обемни колебания по време на литиране. Тези ограничения водят до пулверизиране на Si и нестабилност на интерфазата на твърдия електролит (SEI).

Две основни стратегии са използвани за заобикаляне на тези предизвикателства: нанотехнологии и въглеродно покритие. При първия метод се използват различни наноразмерни Si аноди, които имат висока повърхностна площ, подобрен цикъл на живот и стабилност на скоростта в сравнение с обемните Si аноди. Те могат също да издържат на литиране и делитация без напукване. Въглеродното покритие използва комбинация от наноразмерни Si с различни форми на въглеродни материали за генериране на високоефективни Si / C нанокомпозитни аноди. Неотдавна, легираният въглерод с хетероатоми като агенти за покритие привлече голям интерес. Електродите на Si-C, легирани с хетероатом, свързват йони на Li по-силно от въглеродните атоми, което води до отлична електрохимична производителност със стабилна електропроводимост.

Батериите на базата на Si са генерирали голям търговски интерес поради техния потенциал за ниски разходи и подобрени възможности за автомобили и смартфони. Конкуренцията е ожесточена, с много стартиращи компании, включително Sila Nanotechnologies, Enovix, Angstron Materials и Enevate, за комерсиализиране на Si-доминиращите Li-Ion батерии.

 

Батерии с натриева сяра (RT-NaS)


Една от най-обещаващите алтернативи на литиево-серните батерии са натриево-серните батерии, поради подобни физични и химични свойства на Na и Li йони. Въпреки това за работа на батерията е необходима висока температура (> 300 ° C). Като обещаваща алтернатива, евтината RT-NaS акумулаторна система генерира обширен научен интерес за използване в големи мрежови приложения с повишена безопасност. Въпреки това, поради сложни реакции в батерията, RT-NaS батериите страдат от по-ниска теоретична мощност.

През 2018 г. са използвани различни подходи за решаване на проблемите на батериите RT-NaS.

Екип от изследователи от MIT, ръководен от д-р Sadoway, се фокусира върху мембраната, за да реши проблема с крехката  природа на бета-алуминиевата керамична електролитна мембрана между анодните и катодните компоненти на RT-NaS. Те показаха, че стоманената мрежа, покрита с разтвор на титанов нитрид, функционира като по-силен и по-гъвкав материал за системи за съхранение в индустриални мащаби. Подходът отваря нови възможности за проектиране на батерии, тъй като може да се прилага и за други химикали на акумулатори от разтопен електрод.

 

Нов подход към акумулаторните батерии. RT-NaS батерия с метална мембрана. MIT

 

Изследователи от Университета на Уолонгонг, Австралия фокусираха вниманието си върху дизайна на електродите. Те построили ефективен серен катод с атомен кобалт, закотвен в микропорите от кухи въглеродни наносфери. Синтезираният катод показа отлична електрохимична ефективност.

 

В последните изследвания учените са използвали многофункционален карбонатен електролит с висока електрохимична производителност и повишена безопасност. Този подход може да се приложи към широка гама акумулаторни батерийни системи на базата на Na за развитие на евтини и високопроизводителни устройства за съхранение на енергия.

 

Протонни батерии


Много изследвания са посветени на генерирането на високоефективни горивни клетки за обмен на мембрани на протони (PEM). Въпреки това, жизнеспособността на PEM горивните клетки е предизвикателство поради високата им цена, транспортирането и съхранението на водородния газ.

Екип от изследователи от университета RMIT за първи път съобщи за техническата приложимост на протонната батерия. Той се състои от две части: въглероден електрод за съхранение на водород или протони от вода и обратима горивна клетка за генериране на електроенергия от водород. Дизайнът на батерията е иновативен, тъй като използва активен въглен за електрода, който е евтин, богат и структурно стабилен за съхранение на водород и малък обем течна киселина вътре в порестия материал, който провежда протони към и от мембраната на обратимата клетка. С тази батерия може да се постигне напрежение 1,8 V.

 

 

 

Графитни двойни йонни батерии


Dual-ion батерии (DIBs), които използват метали, различни от литий, са привлекли голям интерес през последните години за широкомащабно стационарно съхранение на електроенергия. Изследователските усилия са насочени към увеличаване на енергийната плътност на DIBs чрез увеличаване на йонното съдържание на електролита и способността на електродите да съхраняват заряда.Изследователите демонстрираха нова Li-free графитна двойна йонна батерия, използваща графитен катод и калиев анод, известен като графитна двойна йонна батерия (GDIB). Използвайки електролити от алуминиева сол, изследователски екип е разработил графит-графит двойни йонни батерии (GGDIB) за първи път. Батерията е евтина, щадяща околната среда и показва превъзходно качество на цикъла и скорост за бъдещи приложения за съхранение на енергия.В друг обещаващ подход към DIB, изследователите от Южнокитайския технологичен университет съобщават за развитието на Zn / графит с двойна йонна батерия. Поради многото атрактивни характеристики на йонния електролит, включително потискане на образуването на дендрити върху повърхността на цинка, ниската летливост, незапалимостта и високата термична стабилност, високоефективните и безопасни Zn / графитни йонни батерии за промишлени приложения скоро ще станат реалност.

 

 

Алуминиево-йонни батерии


Изобилно, евтино, лесно достъпно и евтино, алуминият се проучва като потенциална подмяна на литиево-йонни батерии. Швейцарски изследователи от ETH Zurich измислиха две нови технологии, които са трамплин към комерсиализацията на батериите на базата на Ал.

Първият е устойчив на корозия покривен материал, керамика от титанов нитрид (TiN), която се използва в тези батерии. Отличната окислителна стабилност на TiN-покрити материали дава възможност на тези батерии да постигнат висока енергийна плътност, висока кулонова ефективност и висока способност за циклиране. Благодарение на отличната устойчивост на корозия на токови колектори TiN, те дори могат да се използват като високоволтови катодни материали в Mg-, Na- или Li-ion батерии.
Друго обещаващо решение е употребата на полипирени като високопроизводителен катоден материал за Al-йонни батерии. Тези батерии обикновено използват катод на основата на графит, който се изкривява поради хлороалуминатните аниони. Използвайки специално изработена клетка, изследователите тествали полипирен и неговото производно поли (нитропирен-ко-пирен) като катодни материали и установили, че съхранява същото количество енергия като графитен катод. Освен това, полипирените предлагат многобройни други възможности за разработване на акумулаторни батерии Al-ion, включително ниска цена, голямо изобилие, скалируемост на производството и композиционни и структурни промени.

 

 

 

Никел-цинкови батерии


Никел-цинковите батерии са евтини, безопасни, нетоксични, щадящи околната среда батерии, които могат да се конкурират с литиево-йонни батерии за съхранение на енергия. Въпреки това основната пречка за комерсиализацията е техният нисък цикъл на живот.

За да разрешат този проблем, китайски учени от Технологичния университет в Далиан са разработили нова технология за рязане на място, за да подобрят работата на Ni-Zn батериите, като решат проблема с разтварянето на Zn електродите и потискането на образуването на дендрити. Екипът е разработил нов хибриден електрод с графен-ZnO с техниката на рязане на място, която може да отреже графен директно в кратки наноколи. Силните междуатомни взаимодействия закрепват атомите на Zn върху графенови повърхности. Този подход изцяло решава въпросите за разтварянето на Zn електрода, образуването на дендрити и производителността.

С продължаващите изследвания и подходи, предприети от компаниите, тези батерии показват огромен потенциал за широко разпространени търговски приложения на електрически превозни средства (EV) и съхранение на енергия.

 

Калиево-йонни батерии


Има много скорошни постижения за подобряване на електрохимичните показатели на калиево-йонните батерии (KIBs). По-долу са изброени три от тях.

Екип от изследователи от различни институции открива ново семейство от съединения със слоеве от пчелна пита с обща формула на K2M2TeO6 (където M = Ni, Mg, Co и т.н. или комбинация от поне два преходни метала). Тези структурно структурирани калиеви телуратни съединения са подходящи за високоволтови катодни материали и са способни да вкарват K йони в йонни течности, което ги прави отлични кандидати за разработването на високоенергийни KIBs.
По същия начин, друг екип от университета в Уолонгонг разработи високопроизводителен КИБ с композит от малкослоен анод с антимонов сулфид / карбонов лист (SBS / C).
Други обещаващи подходи включват фокусиране върху синергичната комбинация на електролита и електрода, както и разработване на подходящи анодни материали за проектиране на високоефективна КИБ.
Тези нови подходи ще помогнат да се заобиколят ограниченията на подходящите гостоприемни субстрати за интеркалиране на йони и са обещаваща стъпка към привличане на промишлени инвестиции за търговско приложение.

 

Солено-водни батерии


Водата може да провежда йони и да се използва за образуване на акумулаторни батерии. Въпреки това, химическата стабилност на водата продължава до 2,3 V, което е три пъти по-малко от литиево-йонните батерии, което ограничава използването и в електромобили. Тези батерии могат да бъдат подходящи за стационарни приложения за съхранение на енергия. За да постигнат този потенциал, изследователите от Швейцарския институт за изпитване и изследване на материали (Empa) са използвали специфична сол, наречена натриев бис (флуоросулфонил) имид (FSI), която е много разтворима във вода. Солесъдържащата течност съдържа всички водни молекули, концентрирани около натриевите катиони в хидратна обвивка, което води до почти не присъстващи несвързани водни молекули. Този физиологичен разтвор показва по-добра електрохимична стабилност до 2,6 V, която е два пъти по-висока от другите водни електролити. Прототипът е показал обещаващи резултати в лабораторията и може да понесе множество цикли на зареждане-разреждане.

Аналогично, изследователите от Станфорд са разработили евтина, издръжлива акумулаторна солена вода за съхранение на слънчева и вятърна енергия. Тези батерии се разработват лесно, тъй като те се нуждаят само от манганов сулфат, вода, евтина индустриална сол и електроди за каталитичните реакции. Освен това химичната реакция съхранява електроните като водороден газ за бъдеща употреба, илюстрирайки нейната пригодност за приложения в мрежови мащаби. Производителността на прототипната манганова-водородна батерия може да бъде увеличена и показва солидни характеристики до 10 000 цикъла и удължен живот. Батерията е в процес на патентоване от изследователите преди търговските приложения. Това предизвика голям индустриален интерес, а компаниите, включително Aquion Energy, работят за по-евтини батерии за съхранение на ниво мрежа. BlueSky Energy използва солната технология на Aquion за съхранение на слънчеви бани в жилищни сгради.

Въпреки че сегашните приложения на соленоводните батерии са ограничени, те все още предлагат няколко предимства, включително безопасност, ниска цена и нетоксичност, за използване в стационарни системи за съхранение.

 

Хартиено-полимерни батерии


Микробните био-батерии на хартиен носител предизвикаха широко разпространен интерес, тъй като те са евтини, щадящи околната среда и самостоятелни. Те биха могли да имат огромни приложения в биосензорите и бъдещите електронни устройства. Въпреки това, основното ограничение е ниската производителност.

Наскоро Seokheun Choi и екип от учени разработиха високопроизводителна микробна батерия, произведена от биоразградима хартиено-полимерна основа. Порите на хартията съдържат лиофилизирани електрически бактерии, способни да изнасят електрони като страничен продукт на дишането. За по-нататъшно подобряване на електрическите характеристики, екипът включи биоразградима полимерна смес в хартията. Тези хибридни хартиено-полимерни микробни горивни клетки показват подобрено съотношение мощност-цена, със срок на годност от около четири седмици, без да е необходимо допълнително кондициониране или микроорганизми. Технологията е под патентна заявка и екипът търси индустриални инвестиции за комерсиализация. По-нататъшните подобрения в оптимизацията на дизайна могат да предложат по-голяма гъвкавост при използването на тези батерии за много други приложения.

 

Магнезиеви батерии


Теоретично батериите на базата на Mg могат да се конкурират с литиево-йонните, поради по-висока енергийна плътност. Батериите на базата на Mg обаче не се презареждат, тъй като обратимата реакция изисква корозивен електролит, който създава бариера за йоните Mg2 +.

За първи път учените от Националната лаборатория за възобновяема енергия на Министерството на енергетиката (NREL) представиха прототип на акумулаторна батерия на базата на Mg. Те генерираха изкуствен Mg2 + -проводящ интерфейс на повърхността на анодния Mg. Интерфейсът предпазва повърхността на Mg анода, като същевременно позволява обратимото циклиране на Mg / V2O5 горивна клетка във водосъдържащ карбонатен електролит. Стратегията значително подобрява производителността на батериите на базата на Mg.

В друг подход, екип от изследователи в MIT, Berkeley и Argonne National Laboratory разработи твърд материал, който провежда Mg йони по-бързо, особено в тройна шпинелна халкогенидна рамка. Този дизайн на батерията изисква по-нататъшни тестове и изследвания, за да влезете в фазата на комерсиализация.

 

Топ технологиите за соларни приложения / инсталации


Батериите, използвани за соларни системи и приложения, изискват няколко характеристики, които са отвъд ниските разходите. Капацитетът и мощността на слънчевите батерии ще зависят от енергийните характеристики на батериите. Освен това, спецификациите като дълбочината на разреждане, цялостната продължителност на живота и ефективността на батерията ще бъдат от решаващо значение при определянето на това, кои химични съединения в крайна сметка работят за конкретните ниши / приложения.

 

 

Въпреки, че много от горепосочените батерии са в ранна фаза на развитие, те могат да предложат евтини алтернативи на литиево-йонни батерии за слънчеви приложения с по-дълъг живот и широк температурен диапазон. Ni-Zn, Mg, Al-ion, NaS, графитните DIB, KIB, протонните и соленоводните батерии могат да играят важна роля. Те са рециклируеми и са обект на много проучвания, които имат за цел да оптимизират химикалите без нежелани странични реакции. Като такива, те предлагат големи обещания за съхранение на възобновяема енергия. 

Коментирай