En matière de batteries, la règle est « tout ou rien ». Sans dispositifs de stockage d’énergie de nouvelle génération, il n’y aura pas de tournant dans la politique énergétique ni sur le marché des véhicules électriques.
La loi de Moore, postulée dans l'industrie informatique, promet une augmentation des performances des processeurs tous les deux ans. Le développement des batteries est à la traîne, leur efficacité augmentant en moyenne de 7 % par an. Et même si les batteries lithium-ion des smartphones modernes durent de plus en plus longtemps, cela est dû en grande partie aux performances optimisées des puces.
Les batteries lithium-ion dominent le marché en raison de leur légèreté et de leur haute densité énergétique.
Chaque année, des milliards de batteries sont installées dans des appareils mobiles, des véhicules électriques et des systèmes de stockage d’électricité issue de sources d’énergie renouvelables. Cependant, la technologie moderne a atteint ses limites.
La bonne nouvelle est que batterie au lithium de nouvelle génération batteries ioniques répond déjà presque aux exigences du marché. Ils utilisent le lithium comme matériau de stockage, ce qui permet théoriquement de décupler la densité de stockage d’énergie.
Parallèlement à cela, des études d'autres matériaux sont proposées. Bien que le lithium offre une densité énergétique acceptable, nous parlons de développements plusieurs ordres de grandeur plus optimaux et moins chers. Après tout, la nature pourrait nous fournir meilleurs schémas pour des batteries de haute qualité.
Les laboratoires de recherche universitaires développent les premiers échantillons piles organiques. Cependant, plusieurs décennies pourraient s’écouler avant que de telles biobatteries n’arrivent sur le marché. Le pont vers l'avenir est facilité par des batteries de petite taille qui se chargent en captant de l'énergie.
Alimentations mobiles
Selon Gartner, plus de 2 milliards d’appareils mobiles seront vendus cette année, chacun doté d’une batterie lithium-ion. Ces batteries sont aujourd’hui considérées comme la norme, en partie parce qu’elles sont très légères. Cependant, ils n’ont qu’une densité énergétique maximale de 150 à 200 Wh/kg.
Les batteries lithium-ion chargent et libèrent de l'énergie en déplaçant les ions lithium. Lors de la charge, les ions chargés positivement se déplacent de la cathode à travers la solution électrolytique située entre les couches de graphite de l'anode, s'y accumulent et attachent des électrons au courant de charge.
Lorsqu'ils sont déchargés, ils cèdent des électrons au circuit de courant, les ions lithium retournent à la cathode, où ils se lient à nouveau au métal qu'elle contient (dans la plupart des cas, le cobalt) et à l'oxygène.
La capacité des batteries lithium-ion dépend du nombre d’ions lithium pouvant être localisés entre les couches de graphite. Cependant, grâce au silicium, les batteries peuvent désormais fonctionner plus efficacement.
En comparaison, il faut six atomes de carbone pour lier un ion lithium. Au contraire, un atome de silicium peut contenir quatre ions lithium.
Une batterie lithium-ion stocke son énergie électrique dans le lithium. Lorsque l'anode est chargée, des atomes de lithium sont stockés entre les couches de graphite. Lorsqu'ils sont déchargés, ils cèdent des électrons et se déplacent sous forme d'ions lithium dans la structure en couches de la cathode (cobaltite de lithium).
Le silicium augmente la capacité
La capacité de la batterie augmente lorsque du silicium est inclus entre les couches de graphite. Elle augmente de trois à quatre fois lorsque le silicium est combiné au lithium, mais après plusieurs cycles de charge, la couche de graphite se brise.
La solution à ce problème se trouve dans projet de startup Amprius, créé par des scientifiques de l'Université de Stanford. Le projet Amprius a reçu le soutien de personnalités telles qu'Eric Schmidt (président du conseil d'administration de Google) et le lauréat du prix Nobel Steven Chu (secrétaire américain à l'énergie jusqu'en 2013).
Le silicium poreux dans l'anode augmente l'efficacité des batteries lithium-ion jusqu'à 50 %. Lors de la mise en œuvre du projet de startup Amprius, les premières batteries au silicium ont été produites. Au sein de ce projet, trois méthodes sont disponibles pour résoudre le « problème du graphite ». Le premier est application de silicium poreux, qui peut être considérée comme une « éponge ». Lors du stockage du lithium, son volume augmente très peu, les couches de graphite restent donc intactes. Amprius peut créer des batteries qui stockent jusqu'à 50 % d'énergie en plus que les batteries conventionnelles.
Plus efficace pour stocker l'énergie que le silicium poreux couche de nanotubes de silicium. Dans les prototypes, la capacité de charge a presque doublé (jusqu'à 350 Wh/kg).
L'éponge et les tubes doivent toujours être recouverts de graphite, car le silicium réagit avec la solution électrolytique et réduit ainsi la durée de vie de la batterie.
Mais il existe une troisième méthode. Les chercheurs du projet Ampirus introduits dans la coque en carbone groupes de particules de silicium, qui ne se touchent pas directement, mais offrent un espace libre pour que les particules augmentent de volume. Le lithium peut s'accumuler sur ces particules, mais la coque reste intacte. Même après des milliers de cycles de charge, la capacité du prototype n'a diminué que de 3 %.
Le silicium se combine à plusieurs atomes de lithium, mais se dilate au fur et à mesure. Pour empêcher la dégradation du graphite, les chercheurs utilisent la structure du plant de grenade : ils injectent du silicium dans des coques de graphite suffisamment grandes pour accepter du lithium supplémentaire. Écologie de la consommation. Science et technologie : L'avenir du transport électrique dépend en grande partie de l'amélioration des batteries : elles devraient être moins lourdes, se charger plus rapidement et en même temps produire plus d'énergie.
L’avenir des véhicules électriques dépend en grande partie de l’amélioration des batteries : elles devraient être plus légères, se recharger plus rapidement et en même temps produire plus d’énergie. Les scientifiques ont déjà obtenu certains résultats. Une équipe d'ingénieurs a créé des batteries lithium-oxygène qui ne gaspillent pas d'énergie et peuvent durer des décennies. Et un scientifique australien a présenté un ionistor à base de graphène qui peut être chargé un million de fois sans perte d'efficacité.
Les batteries lithium-oxygène sont légères et produisent beaucoup d’énergie et pourraient constituer des composants idéaux pour les véhicules électriques. Mais ces batteries présentent un inconvénient important : elles s'usent rapidement et libèrent trop d'énergie sous forme de chaleur perdue. Nouveau développement Des scientifiques du MIT, du Laboratoire national d'Argonne et de l'Université de Pékin promettent de résoudre ce problème.
Créées par une équipe d’ingénieurs, les batteries lithium-oxygène utilisent des nanoparticules contenant du lithium et de l’oxygène. Dans ce cas, l'oxygène, lorsqu'il change d'état, reste à l'intérieur de la particule et ne retourne pas à la phase gazeuse. Cela diffère des batteries lithium-air, qui prélèvent l’oxygène de l’air et le libèrent dans l’atmosphère lors d’une réaction inverse. La nouvelle approche réduit les pertes d'énergie (la tension électrique est réduite de près de 5 fois) et augmente la durée de vie de la batterie.
La technologie lithium-oxygène est également bien adaptée à conditions réelles, contrairement aux systèmes lithium-air, qui se détériorent lorsqu'ils sont exposés à l'humidité et au CO2. De plus, les batteries au lithium et à oxygène sont protégées contre la surcharge : dès que l'énergie devient trop importante, la batterie passe à un type de réaction différent.
Les scientifiques ont effectué 120 cycles de charge-décharge, tandis que la productivité n'a diminué que de 2 %.
Jusqu’à présent, les scientifiques n’ont créé qu’un prototype de batterie, mais ils ont l’intention de développer un prototype d’ici un an. Elle ne nécessite pas de matériaux coûteux et sa production est très similaire à celle des batteries lithium-ion traditionnelles. Si le projet est mis en œuvre, les voitures électriques stockeront dans un avenir proche deux fois plus d’énergie avec la même masse.
Un ingénieur de l'Université de technologie de Swinburne en Australie a résolu un autre problème de batterie : la vitesse de recharge. L'ionistor qu'il a développé se charge presque instantanément et peut être utilisé pendant de nombreuses années sans perte d'efficacité.
Han Lin a utilisé du graphène, l'un des matériaux les plus résistants disponibles aujourd'hui. En raison de sa structure en nid d’abeille, le graphène possède une grande surface pour stocker l’énergie. Le scientifique a imprimé des plaques de graphène sur une imprimante 3D. Cette méthode de production permet également de réduire les coûts et d'augmenter l'échelle.
L'ionistor créé par le scientifique produit la même quantité d'énergie par kilogramme de poids que les batteries lithium-ion, mais se charge en quelques secondes. De plus, au lieu du lithium, il utilise du graphène, qui est beaucoup moins cher. Selon Han Lin, le supercondensateur peut effectuer des millions de cycles de charge sans perte de qualité.
Le secteur de la production de batteries ne reste pas immobile. Les frères Kreisel d'Autriche ont créé un nouveau type de batterie qui pèse presque deux fois moins que les batteries traditionnelles. Modèle Tesla S.
Des scientifiques norvégiens de l'Université d'Oslo ont inventé une batterie qui peut être complètement... Cependant, leur développement est destiné aux zones urbaines. transport public, qui fait régulièrement des arrêts - à chacun d'eux le bus sera rechargé et il y aura suffisamment d'énergie pour se rendre au prochain arrêt.
Les scientifiques de l’Université de Californie à Irvine sont sur le point de créer une batterie éternelle. Ils ont développé une batterie à nanofils pouvant être rechargée des centaines de milliers de fois.
Et les ingénieurs de l'Université Rice ont réussi à en créer un qui fonctionne à une température de 150 degrés Celsius sans perte d'efficacité. publié
Avec le développement de la technologie, les appareils deviennent plus compacts, fonctionnels et mobiles. Le mérite d'une telle perfection batteries rechargeables, qui alimentent l’appareil. Beaucoup de choses ont été inventées au fil des ans différents types batteries, qui ont leurs avantages et leurs inconvénients.
Il semblerait qu'une technologie prometteuse il y a dix ans lithium-ion les batteries ne répondent plus aux exigences du progrès moderne pour les appareils mobiles. Ils ne sont pas assez puissants et vieillissent rapidement avec une utilisation fréquente ou un stockage de longue durée. Depuis lors, des sous-types de batteries au lithium ont été développés, tels que le lithium fer phosphate, le lithium polymère et autres.
Mais la science ne reste pas immobile et cherche de nouvelles façons d’économiser encore mieux l’électricité. Par exemple, d’autres types de batteries sont en train d’être inventés.
Batteries lithium-soufre (Li-S)
Soufre de lithium La technologie permet d’obtenir des batteries d’une capacité énergétique deux fois supérieure à celle de leurs parents lithium-ion. Sans perte de capacité significative, ce type de batterie peut être rechargé jusqu'à 1500 fois. L'avantage de la batterie réside dans la technologie de fabrication et de configuration, qui utilise une cathode liquide contenant du soufre, et elle est séparée de l'anode par une membrane spéciale.
Les batteries au lithium-soufre peuvent être utilisées dans une plage de températures assez large et leurs coûts de production sont assez faibles. Pour une utilisation massive, il est nécessaire d'éliminer les défauts de la production, à savoir l'élimination du soufre, nocif pour l'environnement.
Batteries magnésium-soufre (Mg/S)
Jusqu'à récemment, il n'était pas possible de combiner les utilisations soufre et magnésium dans une cellule, mais il n'y a pas si longtemps, les scientifiques étaient capables de le faire. Pour qu’ils fonctionnent, il fallait inventer un électrolyte qui fonctionnerait avec les deux éléments.
Grâce à l'invention d'un nouvel électrolyte grâce à la formation de particules cristallines qui le stabilisent. Hélas, le prototype n'est actuellement pas durable et de telles batteries ne seront probablement pas mises en production.
Batteries au fluorure d'ions
Les anions fluor sont utilisés pour transférer des charges entre la cathode et l'anode. Ce type de batterie a une capacité dix fois supérieure à celle des batteries lithium-ion classiques et présente également un risque d'incendie moindre. L'électrolyte est à base de baryum lanthane.
Il semblerait que le développement des batteries soit une direction prometteuse, mais ce n'est pas sans inconvénients ; un obstacle très sérieux à l'utilisation massive est le fonctionnement de la batterie uniquement à des températures très élevées.
Piles lithium-air (Li-O2)
Ensemble avec avancées techniques l’humanité pense déjà à notre écologie et recherche des sources d’énergie de plus en plus propres. DANS lithium-air Dans les batteries, au lieu d’oxydes métalliques, le carbone est utilisé dans l’électrolyte, qui réagit avec l’air pour créer un courant électrique.
La densité énergétique peut atteindre 10 kWh/kg, ce qui permet de les utiliser dans des véhicules électriques et appareils mobiles. Il devrait être bientôt disponible pour le consommateur final.
Piles au lithium nanophosphate
Ce type de batterie constitue la prochaine génération de batteries lithium-ion, dont les avantages sont grande vitesse charge et possibilité de sortie de courant élevé. Pour une charge complète, par exemple, cela prend environ 15 minutes.
La nouvelle technologie utilisant des nanoparticules spéciales capables de fournir un flux d'ions plus rapide vous permet d'augmenter de 10 fois le nombre de cycles de charge et de décharge ! Bien entendu, ils ont une faible autodécharge et il n’y a pas d’effet mémoire. Malheureusement, une utilisation généralisée est entravée par le poids élevé des batteries et la nécessité d'une charge spéciale.
En conclusion, on peut dire une chose. Nous verrons bientôt se généraliser l’utilisation de véhicules électriques et de gadgets capables de fonctionner très longtemps sans recharge.
L'actu électro :
Constructeur automobile BMW a présenté sa version d'un vélo électrique. Électrique Vélo BMWéquipé d'un moteur électrique (250 W) Accélération jusqu'à des vitesses allant jusqu'à 25 km/h.
En prendre une centaine en 2,8 secondes dans une voiture électrique ? Selon les rumeurs, la mise à jour du P85D réduirait le temps d'accélération de 0 à 100 kilomètres par heure de 3,2 à 2,8 secondes.
Les ingénieurs espagnols ont développé une batterie capable de parcourir plus de 1000 km ! C'est 77 % moins cher et se recharge en seulement 8 minutes
Des chercheurs de l'Université du Texas à Austin, dirigés par le professeur John Goodenough, 94 ans, ont développé un nouveau type de batterie à semi-conducteurs. Il est intéressant de noter que John Goodenough est l’un des créateurs de batteries lithium-ion modernes. En 1983, lui et ses collègues ont proposé d’utiliser le cobaltite de lithium comme cathode dans les batteries lithium-ion. La nouvelle technologie implique la création de batteries entièrement solides qui diffèrent sécurité accrue, durabilité et vitesse de charge accrue par rapport aux modèles traditionnels.
« Le coût, la sécurité, la densité énergétique, les taux de charge et de décharge ainsi que la durabilité sont des attributs essentiels des batteries de véhicules électriques qui pourraient influencer leur popularité croissante. Nous pensons que notre découverte résout bon nombre des problèmes inhérents aux batteries modernes », a déclaré John Goodenough.
Les nouvelles batteries ont une densité énergétique au moins trois fois supérieure à celle des batteries lithium-ion actuelles. Pour les véhicules électriques, cela signifie qu’ils pourront parcourir une plus grande distance avec une seule charge et que les smartphones pourront se targuer d’une grande autonomie. En plus d'une densité énergétique accrue, les nouvelles batteries conservent également leur capacité pour un plus grand nombre de cycles de charge (jusqu'à 1 200 cycles), et leur temps de charge est mesuré en minutes plutôt qu'en heures.
Les batteries lithium-ion modernes utilisent des électrolytes liquides pour déplacer les ions lithium entre l'anode et la cathode. Quand aussi charge rapide Un court-circuit peut se produire, souvent accompagné d'une explosion. Des chercheurs de l'Université du Texas ont utilisé des électrolytes en verre au lieu d'électrolytes liquides - ils permettent l'utilisation d'anodes en métal alcalin (lithium, sodium ou potassium) sans possibilité de formation de dendrites.
Un autre avantage de l’utilisation d’électrolytes de verre au lieu d’électrolytes liquides est qu’ils peuvent fonctionner sans problème à des températures inférieures à zéro. De plus, tous les éléments d'une telle batterie peuvent être fabriqués à partir de matériaux respectueux de l'environnement.
Malheureusement, comme c'est le cas pour d'autres technologies prometteuses production de batteries, il n'est pas encore question d'utilisation commerciale de ce développement.
L'inventeur des batteries lithium-ion a introduit un nouveau type de batterie
L'inventeur des batteries lithium-ion a introduit un nouveau type de batterie
Des chercheurs de l'Université du Texas à Austin ont créé des batteries à semi-conducteurs qui devraient constituer une alternative plus efficace et totalement sûre aux batteries lithium-ion. Le développement est dirigé par l'inventeur John Goodenough, âgé de 94 ans, qui a co-créé la batterie lithium-ion il y a près de trois décennies.
Comme l'ont découvert les expérimentateurs, le nouveau type de batterie a une capacité énergétique trois fois supérieure, se charge plus rapidement, peut résister à des températures allant jusqu'à -60°C, n'explose pas en raison d'une surchauffe ou d'un endommagement de la coque et ne nuit pas. environnement dès leur élimination. En tant que matériau permettant de stocker l'électricité, une telle batterie utilise non pas du lithium rare et coûteux, mais du sodium bon marché, qui peut être extrait de l'eau de mer de la même manière que le sel.
Les batteries lithium-ion sont largement utilisées et sont utilisées dans presque tous les types de appareils électroniques. Le principe de leur fonctionnement repose sur le mouvement des ions de l'électrolyte liquide entre l'anode et la cathode. Si une batterie est chargée trop rapidement, des « pousses » de lithium peuvent s'y former, ce qui entraîne une diminution de capacité, un court-circuit, voire une explosion de la batterie. L'électrolyte de la nouvelle batterie de Goodenough est du verre, ce qui permet d'utiliser des métaux alcalins (tels que le sodium ou le potassium) comme anode, qui ne forment pas de processus. Le risque qu’une telle batterie prenne feu est proche de zéro.
« Le coût, la sécurité, l’intensité énergétique, la vitesse de charge et la durée de vie de la batterie sont des paramètres essentiels pour l’adoption continue des véhicules électriques. Nous pensons que notre technologie aidera à résoudre bon nombre des problèmes qui affligent les batteries modernes », a commenté John Goodenough à propos de son invention.
Goodenough n’est pas le premier à décider de remplacer les électrolytes liquides par des électrolytes solides. Avant lui, des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology ont mené des expériences similaires. Ils ont utilisé des sulfures, mais ont constaté que ce matériau est trop fragile et que les batteries qui en sont basées ne peuvent pas être utilisées dans les équipements portables et les véhicules électriques.
Les batteries lithium-ion sont utilisées en électronique depuis le début des années 90 et ont presque remplacé tous les autres types de batteries. Depuis 25 ans, aucune avancée significative n'a été réalisée dans cette technologie - l'efficacité énergétique de ces batteries, bien qu'en croissance, est très lente. Leurs principaux problèmes sont le danger d'une explosion à tout moment sans raisons visibles et une perte progressive de la capacité nominale depuis la surcharge jusqu'à l'épuisement complet.
Un nouveau type de batterie de l'inventeur de la batterie lithium-ion
Des chercheurs de l'Université du Texas à Austin ont créé des batteries à semi-conducteurs qui devraient constituer une alternative plus efficace et totalement sûre aux batteries lithium-ion.
Les batteries conventionnelles de ce type sont équipées d'une cathode en carbone dont les pores oxygène atmosphérique, jouant le rôle d'un matériau actif. Pendant la décharge, les cations lithium se déplacent de l'anode au lithium à travers l'électrolyte et réagissent avec l'oxygène, formant (idéalement) du peroxyde de lithium Li 2 O 2, qui est retenu à la cathode, et les électrons circulent de l'anode à la cathode à travers le circuit de charge. L’avantage des échantillons lithium-air par rapport aux échantillons lithium-ion traditionnels est considéré comme la densité d’énergie la plus élevée possible.
Les performances des batteries lithium-air sont influencées par de nombreux facteurs : humidité relative, pression partielle d'oxygène, composition de l'électrolyte, choix du catalyseur et disposition générale de l'appareil. Il faut également tenir compte du fait que les produits de réaction déposés sur l'électrode de carbone (Li 2 O 2) bloquent la pénétration de l'oxygène, limitant ainsi la capacité. Une électrode à air de configuration optimale doit donc avoir à la fois des pores de taille micro, qui assurent le libre passage de l'oxygène, et des cavités de taille nano, qui créent une densité de sites suffisante pour les réactions Li-O 2.
Schéma d'une feuille de graphène fonctionnalisée avec des groupes fonctionnels sur ses côtés et ses bords et des défauts de réseau qui deviennent des sites énergétiquement favorables pour piéger les produits de réaction (Li 2 O 2). Les défauts sont mis en évidence en jaune et violet, les atomes de carbone en gris, les atomes d'oxygène en rouge et les atomes d'hydrogène en blanc. La structure poreuse idéale d’une électrode à air est illustrée à droite. (Les illustrations ci-après proviennent du magazine Nano Letters.)
Pour créer de nouvelles électrodes, des feuilles de graphène fonctionnalisées obtenues par traitement thermique d'oxyde de graphite ont été utilisées. Le rapport C/O initial de l'oxyde est d'environ deux, mais le maintenir à 1 050 °C pendant seulement 30 s lui permet d'augmenter jusqu'à
15 en raison du rejet de CO 2. Après le départ du dioxyde de carbone, les feuilles acquièrent des défauts de réseau, qui contribuent à la formation de particules nanométriques isolées de Li 2 O 2 qui ne bloquent pas l'accès à l'oxygène pendant le fonctionnement de la batterie.
Les feuilles préparées ont été placées dans une solution de microémulsion contenant des liants. Après séchage, l'électrode a acquis une structure interne inhabituelle, dans laquelle se détachent des éléments en forme d'œuf, peu emballés. De larges passages étaient prévus entre eux et la « coquille » des éléments contenait de nombreux pores de taille nanométrique. En d’autres termes, la conception des électrodes était proche de l’optimum.
Électrodes de graphène : au dessus - juste faites, en dessous - après décharge. Les flèches marquent les particules de Li 2 O 2. Les dimensions sont données en micromètres.
Lors d'expériences, des batteries lithium-air dotées d'électrodes en graphène (sans catalyseur) ont démontré une capacité record de 15 000 mAh par gramme de carbone. De tels résultats, notons-le, ont été obtenus dans une atmosphère d'O 2 pur dans l'air, la capacité diminue sensiblement, car l'eau interfère avec le fonctionnement de l'appareil. Les auteurs réfléchissent déjà à la conception de la membrane, qui garantira la protection contre l'eau, mais laissera passer l'oxygène nécessaire.
"Nous souhaitons également rendre la batterie entièrement rechargeable", explique Ji-Guang Zhang, chef d'équipe. "Cela nécessitera un nouvel électrolyte et un nouveau catalyseur, et c'est ce qui nous intéresse maintenant."
Courbe de décharge d'une batterie lithium-air avec une électrode en graphène.
Les Allemands ont inventé la batterie aux ions fluorure
En plus de toute une armée de sources de courant électrochimiques, les scientifiques ont développé une autre option. Ses avantages déclarés sont un risque d'incendie moindre et une capacité spécifique dix fois supérieure à celle des batteries lithium-ion.
Des chimistes de l'Institut technologique de Karlsruhe (KIT) ont proposé le concept de batteries à base de fluorures métalliques et ont même testé plusieurs petits échantillons en laboratoire.
Dans de telles batteries, les anions fluor sont responsables du transfert de charges entre les électrodes. L'anode et la cathode de la batterie contiennent des métaux qui, selon le sens du courant (charge ou décharge), sont alternativement convertis en fluorures ou réduits en métaux.
"Comme un seul atome métallique peut accepter ou donner plusieurs électrons à la fois, ce concept permet des densités d'énergie extrêmement élevées - jusqu'à dix fois supérieures à celles des batteries lithium-ion conventionnelles", explique l'un des auteurs du développement, le Dr Maximilian Fichtner. .
Pour tester cette idée, des chercheurs allemands ont créé plusieurs échantillons de ces batteries d'un diamètre de 7 millimètres et d'une épaisseur de 1 mm. Les auteurs ont étudié plusieurs matériaux pour électrodes (cuivre et bismuth en combinaison avec du carbone par exemple) et ont créé un électrolyte à base de lanthane et de baryum.
Toutefois, un tel électrolyte solide ne constitue qu’une étape intermédiaire. Cette composition, conductrice des ions fluor, ne fonctionne bien que lorsque haute température. Par conséquent, les chimistes recherchent un substitut : un électrolyte liquide qui agirait à température ambiante.
(Pour plus de détails, voir le communiqué de presse de l'institut et l'article du Journal of Materials Chemistry.)
Il est encore difficile de prédire ce que l’avenir réserve au marché des batteries. Les batteries au lithium sont toujours reines et elles ont un bon potentiel grâce aux développements lithium-polymère. L’introduction d’éléments argent-zinc est un processus très long et coûteux, et sa faisabilité reste encore discutable. Les technologies des piles à combustible et des nanotubes sont saluées et décrites avec les plus beaux mots depuis de nombreuses années, mais lorsqu'il s'agit de pratique, les produits réels sont soit trop encombrants, soit trop chers, ou les deux. Une seule chose est claire : dans les années à venir, cette industrie continuera à se développer activement, car la popularité des appareils portables augmente à pas de géant.
Parallèlement aux ordinateurs portables axés sur un fonctionnement autonome, se développe la direction des ordinateurs portables de bureau, dans lesquels la batterie joue plutôt le rôle d'un onduleur de secours. Samsung a récemment sorti un ordinateur portable similaire sans batterie du tout.
DANS NiCd-les batteries ont également la possibilité d'électrolyse. Pour éviter que de l'hydrogène explosif ne s'y accumule, les batteries sont équipées de valves microscopiques.
Au célèbre institut MIT Récemment, une technologie unique pour la production de batteries au lithium a été développée grâce aux efforts de virus spécialement entraînés.
Bien que pile à combustible Extérieurement, elle est complètement différente d’une batterie traditionnelle, elle fonctionne selon les mêmes principes.
Qui d’autre peut suggérer des orientations prometteuses ?
Des électrodes de graphène prometteuses pour les batteries lithium-air ont été produites
Je continue de réaliser les souhaits de mes amis de la TABLE DE COMMANDE d'octobre. Nous lisons la question de trudnopisaka : Il serait intéressant de connaître les nouvelles technologies de batteries qui sont en préparation pour la production de masse. Bien sûr, le critère de production de masse est quelque peu flexible, mais...
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Le Tchèque Jan Prochazka a créé un type révolutionnaire de batterie, dont la production est désormais prête à être financée par les plus grands investisseurs mondiaux.
La nouvelle batterie 3D diffère des modèles connus précédemment par la méthode de production. Le fait est que dans la nouvelle batterie, les cellules galvaniques sont disposées horizontalement sous forme de plaques dans un cadre, et non verticalement sous forme de films métalliques avec couches actives, comme c'est le cas pour les batteries au lithium.
Cette technologie permet de réduire les coûts de production, donc le prix par rapport au lithium sera inférieur.
La nouvelle technologie de batterie permet non seulement d'augmenter leur capacité d'au moins 20 fois, mais permet également une recharge plus rapide de la batterie.
De nouvelles batteries haute capacité peuvent résoudre problème principalénergie alternative – stockage à long terme de l’énergie accumulée. De plus, ils peuvent être utilisés dans des véhicules électriques, ce qui augmente considérablement l'autonomie.
Le brevet de la batterie 3D est détenu par HE3DA, dirigée par le créateur de la nouvelle batterie, Jan Prochazk. À l'heure actuelle, il a produit 160 exemplaires dans son atelier de Letnany.
L'invention tchèque a suscité l'intérêt d'un grand nombre de grands investisseurs allemands et slovaques. Cependant, la proposition la plus intéressante a été la proposition de l’investisseur milliardaire privé chinois Hu Yuanping.
Les Chinois ont effectué un dépôt non remboursable de 5 millions d'euros et sont prêts à payer 50 millions d'euros supplémentaires pour une participation de 49 % dans HE3DA www.he3da.cz/#!technology/ci26. Mais la générosité du milliardaire chinois ne s’arrête pas là : à l’avenir, il prévoit d’investir 50 millions d’euros supplémentaires si le projet fonctionne bien.
La première usine de production de batteries 3D apparaîtra dans le nord de la Moravie, dans la ville de Gorní Sucha, et plus tard, la production de masse sera établie en Chine.
L'invention de Prochazka rendra non seulement plus efficace le stockage de l'énergie des centrales éoliennes et solaires, mais elle pourrait également être utilisée dans les voitures électriques, les rendant encore plus populaires.
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L’intensité énergétique spécifique des batteries lithium-ion modernes atteint 200 Wh/kg. En moyenne, cela ne suffit que pour parcourir 150 kilomètres sans recharge, ce qui n'est pas comparable au kilométrage d'un seul ravitaillement pour les voitures équipées d'un moteur à combustion interne conventionnel. Pour que les véhicules électriques deviennent courants, ils doivent avoir une autonomie comparable. Pour ce faire, vous devez augmenter l’intensité énergétique spécifique des batteries à au moins 350-400 Wh/kg. Les types de batteries prometteurs décrits ci-dessous pourront y parvenir, même si chaque cas a ses propres « mais ».
Les batteries lithium-soufre se distinguent par une grande capacité spécifique, conséquence du fait que lors d'une réaction chimique, chaque molécule cède non pas un, mais deux électrons libres. Leur énergie spécifique théorique est de 2600 W*h/kg. De plus, ces batteries sont nettement moins chères et plus sûres que les batteries lithium-ion.
Une batterie Li-S de base se compose d’une anode au lithium, d’une cathode soufre-carbone et d’un électrolyte à travers lequel circulent les ions lithium. Quand la décharge se produit réaction chimique, au cours de laquelle le lithium de l'anode est transformé en sulfure de lithium, qui se dépose sur la cathode. La tension de la batterie varie de 1,7 à 2,5 V, selon l'état de décharge de la batterie. Les polysulfures de lithium formés lors de la réaction affectent la tension de la batterie.
La réaction chimique dans la batterie s'accompagne d'un certain nombre d'effets secondaires négatifs. Lorsque le soufre de la cathode absorbe les ions lithium de l'électrolyte, il se forme du sulfure de lithium Li 2 S qui se dépose sur la cathode. Dans le même temps, son volume augmente de 76 %. Lors de la charge, une réaction inverse se produit, entraînant une diminution de la taille de la cathode. En conséquence, la cathode subit des surcharges mécaniques importantes, entraînant son endommagement et sa perte de contact avec le collecteur de courant. De plus, Li 2 S altère le contact électrique à la cathode entre le soufre et le carbone (le chemin le long duquel circulent les électrons) et empêche les ions lithium de s'écouler vers la surface du soufre.
Un autre problème est lié au fait que lors de la réaction entre le soufre et le lithium, Li 2 S ne se forme pas immédiatement, mais par une série de transformations, au cours desquelles se forment des polysulfures (Li 2 S 8, Li 2 S 6, etc.) . Mais si le soufre et le Li 2 S sont insolubles dans l'électrolyte, alors les polysulfures, au contraire, se dissolvent. Cela conduit à une diminution progressive de la quantité de soufre à la cathode. Une autre nuisance est l'apparition de rugosités à la surface de l'anode de lithium lors du passage de grosses décharges et courants de charge. Tout cela pris ensemble a conduit au fait qu'une telle batterie ne pouvait pas supporter plus de 50 à 60 cycles de décharge-charge et la rendait impropre à une utilisation pratique.
Cependant derniers développements Américains du Laboratoire National. Lawrence Berkeley leur a permis de combler ces lacunes. Ils ont créé une cathode unique en matériau nanocomposite (oxyde de graphène et soufre), dont l'intégrité est maintenue par un revêtement polymère élastique. Par conséquent, changer la taille de la cathode lors de la décharge-charge n'entraîne pas sa destruction. Pour protéger le soufre de la dissolution, un tensioactif (tensioactif) est utilisé. Étant donné que le tensioactif est cationique (c'est-à-dire qu'il est attiré par la surface de la couche de soufre), il n'empêche pas les anions lithium de réagir avec le soufre, mais ne permet pas aux polysulfures résultants de se dissoudre dans l'électrolyte, les gardant sous sa couche. Un nouvel électrolyte a également été développé à base d'un liquide ionique dans lequel les polysulfures ne se dissolvent pas. Le liquide ionique est également beaucoup plus sûr : il ne brûle pas et ne s'évapore presque pas.
Grâce à toutes les innovations décrites, les performances de la batterie sont considérablement améliorées. Son énergie spécifique initiale est de 500 Wh/kg, soit plus du double de celle des batteries Li-ion. Après 1 500 cycles de décharge-charge de 20 heures (C = 0,05), son énergie spécifique a diminué jusqu'au niveau d'une batterie Li-ion neuve. Après 1500 cycles d'une heure (C=1), la réduction était de 40 à 50 %, mais la batterie était toujours fonctionnelle. Lorsque la batterie a été testée à haute puissance, soumise à un cycle de décharge-charge de 10 minutes (C=6), même après 150 cycles de ce type, son énergie spécifique dépassait l'énergie spécifique d'une batterie Li-ion neuve.
Le prix estimé d’une telle batterie Li-S ne dépassera pas 100 dollars pour chaque kWh de capacité. De nombreuses innovations proposées par l'équipe de Berkeley peuvent être utilisées pour améliorer les batteries Li-ion existantes. Pour créer une conception pratique d'une batterie LiS, les développeurs recherchent des partenaires qui financeront son développement final.
Piles au lithium-titanate
Le plus gros problème des batteries lithium-ion modernes est leur faible efficacité, principalement due au fait que les matériaux de stockage d'énergie n'occupent que 25 % du volume de la batterie. Les 75 % restants proviennent de matériaux inertes : boîtiers, films conducteurs, colle, etc. Pour cette raison, les batteries modernes sont trop encombrantes et trop chères. La nouvelle technologie implique une réduction significative des matériaux « inutiles » dans la conception des batteries.
Les dernières batteries au lithium-titanate aident à surmonter un autre inconvénient Batteries Li-ion– leur fragilité et leur temps de recharge. Au cours de la recherche, il a été constaté que lors du chargement courants élevés Les ions lithium sont forcés de « se frayer un chemin » entre les microplaques de graphite, détruisant ainsi progressivement les électrodes. Par conséquent, le graphite dans les électrodes a été remplacé par des structures constituées de nanoparticules de titanate de lithium. Ils n'interfèrent pas avec le mouvement des ions, ce qui conduit finalement à une augmentation fantastique de la durée de vie - plus de 15 000 cycles sur 12 ans ! Le temps de charge est réduit de 6 à 8 heures à 10 à 15 minutes. Les avantages supplémentaires sont la stabilité thermique et une moindre toxicité.
Selon les experts, les nouvelles batteries auront une densité énergétique deux fois supérieure aux meilleures performances des batteries lithium-ion modernes. Ainsi, à autonomie égale du véhicule électrique, sa batterie sera plus légère, et à masse égale, l’autonomie sera considérablement augmentée. Si la nouvelle batterie peut être mise en production, l’autonomie des véhicules électriques compacts (qui ne peuvent pas être équipés d’une batterie grosse et lourde) passera en moyenne de 150 km à 300 km avec une seule charge. De plus, les nouvelles batteries coûteront la moitié du prix des batteries actuelles, soit seulement 250 dollars le kWh.
Batteries lithium-air
La technologie ne s'arrête pas et les scientifiques travaillent déjà à la création d'une conception pratique pour une batterie lithium-air (LiO 2). Sa capacité énergétique théorique est 8 à 10 fois supérieure à celle du lithium-ion. Afin de réduire le poids de la batterie tout en conservant, voire en augmentant sa capacité, les scientifiques ont proposé une solution radicale : abandonner la cathode traditionnelle : le lithium va interagir directement avec l'oxygène de l'air. Grâce à la cathode à air catalytique, on s'attend non seulement à augmenter la capacité énergétique de la batterie, mais également à réduire son volume et son poids presque dans la même mesure.
Pour production de masse La technologie lithium-air nécessite de résoudre de nombreux problèmes techniques et scientifiques, notamment la création d'un catalyseur efficace, d'une anode au lithium et d'un électrolyte solide stable capable de fonctionner à basses températures(jusqu'à -50C). De plus, il est nécessaire de développer une technique permettant d'appliquer un catalyseur à la surface de la cathode, de créer une membrane qui empêcherait la pénétration de l'oxygène dans l'anode de lithium, ainsi que de développer des méthodes de fabrication d'électrodes poreuses spéciales.
