Khi nói đến pin, quy tắc là “tất cả hoặc không có gì”. Nếu không có các thiết bị lưu trữ năng lượng thế hệ mới thì sẽ không có bước ngoặt nào trong chính sách năng lượng cũng như thị trường xe điện.
Định luật Moore, được đưa ra trong ngành CNTT, hứa hẹn sẽ tăng hiệu suất bộ xử lý hai năm một lần. Sự phát triển của pin bị tụt lại phía sau, với hiệu suất tăng ở mức trung bình 7% mỗi năm. Và mặc dù pin lithium-ion trong điện thoại thông minh hiện đại ngày càng có tuổi thọ cao hơn, nhưng điều này phần lớn là do hiệu suất được tối ưu hóa của chip.
Pin lithium-ion chiếm lĩnh thị trường do trọng lượng nhẹ và mật độ năng lượng cao.
Mỗi năm, hàng tỷ viên pin được lắp đặt trong các thiết bị di động, xe điện và hệ thống lưu trữ điện từ các nguồn năng lượng tái tạo. Tuy nhiên, công nghệ hiện đại đã đạt đến giới hạn.
Tin tốt là lithium thế hệ tiếp theo pin ion đã gần như đáp ứng được yêu cầu của thị trường. Họ sử dụng lithium làm vật liệu lưu trữ, về mặt lý thuyết cho phép tăng mật độ lưu trữ năng lượng lên gấp 10 lần.
Cùng với điều này, các nghiên cứu về các tài liệu khác được cung cấp. Mặc dù lithium cung cấp mật độ năng lượng có thể chấp nhận được, nhưng chúng ta đang nói về những phát triển có mức độ tối ưu hơn và rẻ hơn nhiều. Suy cho cùng, thiên nhiên có thể cung cấp cho chúng ta kế hoạch tốt nhất cho pin chất lượng cao.
Các phòng thí nghiệm nghiên cứu của trường đại học đang phát triển những mẫu đầu tiên pin hữu cơ. Tuy nhiên, có thể phải mất vài thập kỷ trước khi những loại pin sinh học như vậy được đưa vào thị trường. Cây cầu dẫn tới tương lai được hỗ trợ bởi những cục pin cỡ nhỏ được sạc bằng cách thu năng lượng.
Nguồn điện di động
Theo Gartner, hơn 2 tỷ thiết bị di động sẽ được bán trong năm nay, mỗi thiết bị đều có pin lithium-ion. Những loại pin này được coi là tiêu chuẩn ngày nay, một phần vì chúng rất nhẹ. Tuy nhiên, chúng chỉ có mật độ năng lượng tối đa 150-200 Wh/kg.
Pin lithium-ion sạc và giải phóng năng lượng bằng cách di chuyển các ion lithium. Khi sạc, các ion tích điện dương di chuyển từ cực âm qua dung dịch điện phân giữa các lớp than chì của cực dương, tích tụ ở đó và gắn các electron vào dòng sạc.
Khi phóng điện, chúng nhường các electron cho mạch điện, các ion lithium di chuyển trở lại cực âm, nơi chúng lại liên kết với kim loại có trong nó (trong hầu hết các trường hợp là coban) và oxy.
Dung lượng của pin lithium-ion phụ thuộc vào số lượng ion lithium có thể được đặt giữa các lớp than chì. Tuy nhiên, nhờ có silicon, giờ đây pin có thể hoạt động hiệu quả hơn.
Để so sánh, phải mất sáu nguyên tử carbon để liên kết một ion lithium. Ngược lại, một nguyên tử silicon có thể chứa bốn ion lithium.
Pin lithium-ion lưu trữ năng lượng điện của nó bằng lithium. Khi cực dương được tích điện, các nguyên tử lithium được lưu trữ giữa các lớp than chì. Khi phóng điện, chúng nhường electron và di chuyển dưới dạng ion lithium vào cấu trúc phân lớp của cực âm (lithium cobaltite).
Silicon tăng công suất
Dung lượng pin tăng lên khi silicon được đưa vào giữa các lớp than chì. Nó tăng lên ba đến bốn lần khi silicon được kết hợp với lithium, nhưng sau vài chu kỳ sạc, lớp than chì sẽ bị vỡ.
Giải pháp cho vấn đề này được tìm thấy ở dự án khởi nghiệp Amprius, được tạo ra bởi các nhà khoa học từ Đại học Stanford. Dự án Amprius nhận được sự ủng hộ từ những người như Eric Schmidt (chủ tịch hội đồng quản trị Google) và người đoạt giải Nobel Steven Chu (Bộ trưởng Năng lượng Hoa Kỳ cho đến năm 2013).
Silicon xốp ở cực dương làm tăng hiệu suất của pin lithium-ion lên tới 50%. Trong quá trình thực hiện dự án khởi nghiệp Amprius, những viên pin silicon đầu tiên đã được sản xuất. Trong dự án này, có ba phương pháp để giải quyết “vấn đề về than chì”. Điều thứ nhất là ứng dụng của silicon xốp, có thể được coi là "bọt biển". Khi lưu trữ lithium, thể tích của nó tăng rất ít nên các lớp than chì vẫn còn nguyên vẹn. Amprius có thể tạo ra pin lưu trữ năng lượng nhiều hơn tới 50% so với pin thông thường.
Lưu trữ năng lượng hiệu quả hơn silicon xốp lớp ống nano silicon. Trong các nguyên mẫu, công suất sạc đã tăng gần gấp đôi (lên tới 350 Wh/kg).
Miếng bọt biển và ống vẫn phải được phủ than chì vì silicon phản ứng với dung dịch điện phân và do đó làm giảm tuổi thọ của pin.
Nhưng có một phương pháp thứ ba. Các nhà nghiên cứu dự án Ampirus đưa vào vỏ carbon nhóm hạt silicon, không tiếp xúc trực tiếp nhưng cung cấp không gian trống cho các hạt tăng thể tích. Lithium có thể tích tụ trên các hạt này nhưng lớp vỏ vẫn còn nguyên vẹn. Ngay cả sau hàng nghìn chu kỳ sạc, dung lượng của nguyên mẫu cũng chỉ giảm 3%.
Silicon kết hợp với một số nguyên tử lithium, nhưng khi đó nó sẽ giãn nở. Để ngăn than chì bị phân hủy, các nhà nghiên cứu sử dụng cấu trúc của cây lựu: họ bơm silicon vào vỏ than chì đủ lớn để tiếp nhận thêm lithium. Khoa học và công nghệ: Tương lai của phương tiện giao thông điện phần lớn phụ thuộc vào việc cải tiến pin - chúng sẽ nhẹ hơn, sạc nhanh hơn và đồng thời tạo ra nhiều năng lượng hơn.
Tương lai của xe điện phần lớn phụ thuộc vào việc cải tiến pin - chúng sẽ nhẹ hơn, sạc nhanh hơn và đồng thời tạo ra nhiều năng lượng hơn. Các nhà khoa học đã đạt được một số kết quả. Một nhóm kỹ sư đã tạo ra loại pin lithium-oxy không gây lãng phí năng lượng và có thể tồn tại trong nhiều thập kỷ. Và một nhà khoa học người Úc đã trình bày một thiết bị ion hóa dựa trên graphene có thể được sạc một triệu lần mà không làm giảm hiệu suất.
Pin lithium-oxy nhẹ, tạo ra nhiều năng lượng và có thể là linh kiện lý tưởng cho xe điện. Nhưng những loại pin như vậy có một nhược điểm đáng kể - chúng hao mòn nhanh chóng và giải phóng quá nhiều năng lượng dưới dạng nhiệt lãng phí. Sự phát triển mới Các nhà khoa học từ MIT, Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne và Đại học Bắc Kinh hứa hẹn sẽ giải quyết được vấn đề này.
Được tạo ra bởi một nhóm kỹ sư, pin lithium-oxy sử dụng các hạt nano chứa lithium và oxy. Trong trường hợp này, oxy khi thay đổi trạng thái vẫn ở bên trong hạt và không quay trở lại pha khí. Điều này khác với pin lithium-không khí lấy oxy từ không khí và giải phóng nó vào khí quyển trong phản ứng ngược. Phương pháp mới giúp giảm thất thoát năng lượng (điện áp giảm gần 5 lần) và tăng tuổi thọ pin.
Công nghệ lithium-oxy cũng thích ứng tốt với điều kiện thực tế, không giống như các hệ thống lithium-không khí, bị hư hỏng khi tiếp xúc với độ ẩm và CO2. Ngoài ra, pin lithium và oxy còn được bảo vệ khỏi bị sạc quá mức - ngay khi năng lượng trở nên quá nhiều, pin sẽ chuyển sang một loại phản ứng khác.
Các nhà khoa học đã tiến hành 120 chu kỳ sạc-xả, trong khi năng suất chỉ giảm 2%.
Cho đến nay, các nhà khoa học mới chỉ tạo ra một nguyên mẫu pin nhưng trong vòng một năm nữa họ dự định sẽ phát triển một nguyên mẫu. Nó không yêu cầu vật liệu đắt tiền và quá trình sản xuất rất giống với pin lithium-ion truyền thống. Nếu dự án được thực hiện thì trong tương lai gần ô tô điện sẽ tích trữ năng lượng gấp đôi với cùng khối lượng.
Một kỹ sư từ Đại học Công nghệ Swinburne ở Úc đã giải quyết được một vấn đề khác về pin - tốc độ sạc lại. Ionistor do ông phát triển sạc gần như ngay lập tức và có thể sử dụng trong nhiều năm mà không bị giảm hiệu quả.
Han Lin đã sử dụng graphene, một trong những vật liệu bền nhất hiện nay. Do cấu trúc giống như tổ ong, graphene có diện tích bề mặt lớn để lưu trữ năng lượng. Nhà khoa học đã in các tấm graphene trên máy in 3D - phương pháp sản xuất này cũng cho phép bạn giảm chi phí và tăng quy mô.
Ionistor do nhà khoa học tạo ra tạo ra lượng năng lượng trên mỗi kg trọng lượng tương đương với pin lithium-ion, nhưng sạc trong vài giây. Hơn nữa, thay vì lithium, nó sử dụng graphene, rẻ hơn nhiều. Theo Han Lin, siêu tụ điện có thể trải qua hàng triệu chu kỳ sạc mà không làm giảm chất lượng.
Lĩnh vực sản xuất pin không đứng yên. Anh em nhà Kreisel đến từ Áo đã tạo ra một loại pin mới có trọng lượng gần bằng một nửa so với pin truyền thống. Mẫu Tesla S.
Các nhà khoa học Na Uy từ Đại học Oslo đã phát minh ra một loại pin có thể... Tuy nhiên, sự phát triển của họ là dành cho đô thị phương tiện giao thông công cộng, thường xuyên dừng lại - tại mỗi điểm dừng, xe buýt sẽ được sạc lại và sẽ có đủ năng lượng để đến điểm dừng tiếp theo.
Các nhà khoa học tại Đại học California, Irvine đang tiến gần hơn tới việc tạo ra một loại pin vĩnh cửu. Họ đã phát triển một loại pin dây nano có thể sạc lại hàng trăm nghìn lần.
Và các kỹ sư của Đại học Rice đã tạo ra được một thiết bị hoạt động ở nhiệt độ 150 độ C mà không giảm hiệu suất. được phát hành
Với sự phát triển của công nghệ, các thiết bị ngày càng trở nên nhỏ gọn, tiện dụng và di động hơn. Công đức của sự hoàn hảo như vậy những cục pin có thể tự nạp lại, cấp nguồn cho thiết bị. Nhiều thứ đã được phát minh trong những năm qua các loại khác nhau pin, có những ưu điểm và nhược điểm.
Có vẻ như một công nghệ đầy hứa hẹn cách đây mười năm ion lithium pin không còn đáp ứng được yêu cầu của tiến bộ hiện đại cho thiết bị di động. Chúng không đủ mạnh và nhanh chóng bị lão hóa khi sử dụng thường xuyên hoặc bảo quản lâu dài. Kể từ đó, các loại pin lithium đã được phát triển, chẳng hạn như lithium iron phosphate, lithium polymer và các loại khác.
Nhưng khoa học không đứng yên và đang tìm kiếm những cách mới để tiết kiệm điện tốt hơn nữa. Ví dụ, các loại pin khác đang được phát minh.
Pin lithium-lưu huỳnh (Li-S)
lưu huỳnh liti Công nghệ này cho phép tạo ra pin có công suất năng lượng gấp đôi so với pin lithium-ion gốc. Không bị giảm dung lượng đáng kể, loại pin này có thể được sạc lại tới 1500 lần. Ưu điểm của pin nằm ở công nghệ chế tạo và bố trí, sử dụng cực âm lỏng chứa lưu huỳnh và được ngăn cách với cực dương bằng một màng đặc biệt.
Pin lithium lưu huỳnh có thể được sử dụng trong phạm vi nhiệt độ khá rộng và chi phí sản xuất của chúng khá thấp. Để sử dụng đại trà, cần khắc phục nhược điểm trong sản xuất, đó là thải bỏ lưu huỳnh gây hại cho môi trường.
Pin magie-lưu huỳnh (Mg/S)
Cho đến gần đây vẫn chưa thể kết hợp sử dụng lưu huỳnh và magie trong một tế bào, nhưng cách đây không lâu các nhà khoa học đã có thể làm được điều này. Để chúng hoạt động được, cần phải phát minh ra chất điện phân có thể hoạt động được với cả hai nguyên tố.
Nhờ phát minh ra chất điện phân mới do hình thành các hạt tinh thể giúp ổn định nó. Than ôi, nguyên mẫu hiện không bền và rất có thể loại pin như vậy sẽ không được đưa vào sản xuất.
Pin ion florua
Anion flo được sử dụng để chuyển điện tích giữa cực âm và cực dương. Loại pin này có dung lượng lớn hơn hàng chục lần so với pin lithium-ion thông thường và cũng có nguy cơ cháy nổ thấp hơn. Chất điện phân dựa trên bari lanthanum.
Có vẻ như việc phát triển pin là một hướng đi đầy hứa hẹn nhưng không phải không có nhược điểm, một trở ngại rất nghiêm trọng đối với việc sử dụng hàng loạt là pin chỉ hoạt động ở nhiệt độ rất cao.
Pin lithium-không khí (Li-O2)
Cùng với tiến bộ kỹ thuật nhân loại đã suy nghĩ về hệ sinh thái của chúng ta và đang tìm kiếm những nguồn năng lượng ngày càng sạch hơn. TRONG không khí lithium Trong pin, thay vì oxit kim loại, carbon được sử dụng trong chất điện phân, phản ứng với không khí để tạo ra dòng điện.
Mật độ năng lượng lên tới 10 kWh/kg, cho phép chúng được sử dụng trong xe điện và thiêt bị di động. Dự kiến sẽ sớm được cung cấp cho người tiêu dùng cuối cùng.
Pin Lithium Nanophosphate
Loại pin này là thế hệ tiếp theo của pin lithium ion, trong số đó có những ưu điểm là tốc độ caođiện tích và khả năng sản lượng dòng điện cao. Ví dụ: để sạc đầy, mất khoảng 15 phút.
Công nghệ mới sử dụng các hạt nano đặc biệt có khả năng cung cấp dòng ion nhanh hơn cho phép bạn tăng số chu kỳ sạc và xả lên 10 lần! Tất nhiên, chúng có khả năng tự phóng điện yếu và không có hiệu ứng ghi nhớ. Thật không may, việc sử dụng rộng rãi bị cản trở bởi trọng lượng nặng của pin và nhu cầu sạc đặc biệt.
Để kết luận, có thể nói một điều. Chúng ta sẽ sớm thấy việc sử dụng rộng rãi các phương tiện và thiết bị điện có thể hoạt động trong thời gian rất dài mà không cần sạc lại.
Tin tức điện tử:
Hãng sản xuất ô tô BMWđã trình bày phiên bản xe đạp điện của mình. Điện xe đạp BMWđược trang bị động cơ điện (250 W) Tăng tốc lên tốc độ lên tới 25 km/h.
Đi một trăm trong 2,8 giây trên ô tô điện? Theo tin đồn, bản cập nhật P85D sẽ giảm thời gian tăng tốc từ 0 lên 100 km/h từ 3,2 xuống 2,8 giây.
Các kỹ sư Tây Ban Nha đã phát triển loại pin có thể chạy được hơn 1000 km! Rẻ hơn 77% và sạc chỉ trong 8 phút
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Texas ở Austin, dẫn đầu bởi Giáo sư John Goodenough, 94 tuổi, đã phát triển một loại pin thể rắn mới. Điều thú vị là John Goodenough là một trong những người tạo ra pin lithium-ion hiện đại. Năm 1983, ông và các đồng nghiệp đề xuất sử dụng lithium cobaltite làm cực âm trong pin lithium-ion. Công nghệ mới liên quan đến việc tạo ra các loại pin ở trạng thái rắn khác nhau Tăng cường an ninh, độ bền và tốc độ sạc tăng lên so với truyền thống.
“Chi phí, độ an toàn, mật độ năng lượng, tốc độ sạc và xả cũng như độ bền là những thuộc tính quan trọng đối với pin xe điện có thể ảnh hưởng đến mức độ phổ biến ngày càng tăng của chúng. Chúng tôi tin rằng phát hiện của chúng tôi giải quyết được nhiều vấn đề cố hữu của pin hiện đại”, John Goodenough cho biết.
Loại pin mới có mật độ năng lượng ít nhất gấp ba lần so với pin lithium-ion hiện tại. Đối với xe điện, điều này có nghĩa là chúng sẽ có thể đi được quãng đường xa hơn chỉ với một lần sạc và điện thoại thông minh sẽ có thể tự hào về khả năng tự chủ cao. Ngoài mật độ năng lượng tăng lên, pin mới còn duy trì công suất cho nhiều chu kỳ sạc hơn (lên tới 1.200 chu kỳ) và thời gian sạc của chúng được tính bằng phút thay vì hàng giờ.
Pin lithium-ion hiện đại sử dụng chất điện phân lỏng để di chuyển các ion lithium giữa cực dương và cực âm. Khi nào quá sạc nhanh Có thể xảy ra đoản mạch, thường đi kèm với vụ nổ. Các nhà nghiên cứu từ Đại học Texas đã sử dụng chất thủy tinh thay vì chất điện phân lỏng - chúng cho phép sử dụng cực dương kim loại kiềm (lithium, natri hoặc kali) mà không có khả năng hình thành dendrite.
Một ưu điểm khác của việc sử dụng chất điện phân thủy tinh thay vì chất điện phân lỏng là chúng có thể hoạt động ở nhiệt độ dưới 0 mà không gặp vấn đề gì. Ngoài ra, tất cả các bộ phận của pin như vậy có thể được làm từ vật liệu thân thiện với môi trường.
Thật không may, cũng như trường hợp của những người khác công nghệ đầy hứa hẹn sản xuất pin, vẫn chưa có thảo luận nào về việc sử dụng thương mại sự phát triển này.
Người phát minh ra pin lithium-ion giới thiệu loại pin mới
Người phát minh ra pin lithium-ion giới thiệu loại pin mới
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Texas ở Austin đã tạo ra pin thể rắn được kỳ vọng sẽ cung cấp giải pháp thay thế hiệu quả hơn và hoàn toàn an toàn hơn cho pin lithium-ion. Sự phát triển đang được dẫn dắt bởi nhà phát minh 94 tuổi John Goodenough, người đồng sáng tạo ra pin lithium-ion gần ba thập kỷ trước.
Như các nhà thí nghiệm đã phát hiện, loại pin mới có công suất năng lượng gấp ba lần, sạc nhanh hơn, có thể chịu được nhiệt độ xuống tới −60°C, không phát nổ do quá nóng hoặc hư hỏng vỏ và không gây hại. môi trường khi thải bỏ. Là vật liệu lưu trữ điện, loại pin này không sử dụng lithium hiếm và đắt tiền mà là natri rẻ tiền, có thể được chiết xuất từ nước biển theo cách tương tự như muối.
Pin lithium-ion được sử dụng rộng rãi và được sử dụng trong hầu hết các loại các thiết bị điện tử. Nguyên lý hoạt động của chúng dựa trên sự chuyển động của các ion điện phân lỏng giữa cực dương và cực âm. Nếu pin được sạc quá nhanh, lithium có thể hình thành trong pin, dẫn đến giảm công suất, đoản mạch và thậm chí gây nổ pin. Chất điện phân trong pin mới của Goodenough là thủy tinh, cho phép sử dụng các kim loại kiềm (như natri hoặc kali) làm cực dương, không tạo thành các quá trình. Nguy cơ pin bắt lửa như vậy là gần bằng không.
“Chi phí, độ an toàn, cường độ năng lượng, tốc độ sạc và tuổi thọ pin là những thước đo quan trọng để tiếp tục sử dụng xe điện. Chúng tôi tin rằng công nghệ của chúng tôi sẽ giúp giải quyết nhiều vấn đề đang gây khó khăn cho các loại pin hiện đại”, John Goodenough nhận xét về phát minh của mình.
Goodenough không phải là người đầu tiên quyết định thay thế chất điện phân lỏng bằng chất điện phân rắn. Trước ông, các nhà nghiên cứu từ Viện Công nghệ Massachusetts đã thực hiện các thí nghiệm tương tự. Họ đã sử dụng sunfua nhưng nhận thấy vật liệu này quá giòn nên pin làm từ nó không thể sử dụng được trong thiết bị di động và xe điện.
Pin lithium-ion đã được sử dụng trong các thiết bị điện tử từ đầu những năm 1990 và gần như đã thay thế tất cả các loại pin khác. Trong 25 năm, không có bước đột phá đáng kể nào đạt được trong công nghệ này - hiệu quả sử dụng năng lượng của những loại pin như vậy, mặc dù đang phát triển nhưng rất chậm. Vấn đề chính của họ là nguy cơ nổ bất cứ lúc nào mà không cần lý do có thể nhìn thấy và mất dần công suất danh nghĩa từ việc sạc quá mức cho đến khi cạn kiệt hoàn toàn.
Một loại pin mới từ nhà phát minh ra pin lithium-ion
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Texas ở Austin đã tạo ra pin thể rắn được kỳ vọng sẽ cung cấp giải pháp thay thế hiệu quả hơn và hoàn toàn an toàn hơn cho pin lithium-ion.
Pin thông thường loại này được trang bị cực âm carbon, trong các lỗ của nó oxy khí quyển, đóng vai trò là chất hoạt tính. Trong quá trình phóng điện, các cation lithium di chuyển từ cực dương lithium qua chất điện phân và phản ứng với oxy, tạo thành (lý tưởng nhất) lithium peroxide Li 2 O 2, được giữ lại ở cực âm và các electron chuyển từ cực dương sang cực âm qua mạch tải. Ưu điểm của mẫu lithium-không khí so với mẫu lithium-ion truyền thống được coi là mật độ năng lượng có thể đạt được cao hơn.
Hiệu suất của pin lithium-không khí bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố: độ ẩm tương đối, áp suất riêng phần của oxy, thành phần chất điện phân, lựa chọn chất xúc tác và cách bố trí tổng thể của thiết bị. Cũng cần lưu ý rằng sản phẩm phản ứng lắng đọng trên điện cực cacbon (Li 2 O 2) ngăn chặn sự xâm nhập của oxy, hạn chế khả năng. Do đó, một điện cực không khí có cấu hình tối ưu phải có cả các lỗ có kích thước siêu nhỏ, đảm bảo oxy đi qua tự do và các lỗ có kích thước nano, tạo ra mật độ đủ các vị trí cho phản ứng Li-O 2.
Sơ đồ của một tấm graphene được chức năng hóa với các nhóm chức năng ở cả hai mặt và các cạnh của nó và các khuyết tật mạng trở thành vị trí thuận lợi về mặt năng lượng để bẫy các sản phẩm phản ứng (Li 2 O 2). Các khuyết tật được đánh dấu bằng màu vàng và tím, nguyên tử carbon màu xám, nguyên tử oxy màu đỏ và nguyên tử hydro màu trắng. Cấu trúc xốp lý tưởng của điện cực không khí được thể hiện bên phải. (Hình minh họa sau đây được lấy từ tạp chí Nano Letters.)
Để tạo ra các điện cực mới, các tấm graphene được chức năng hóa thu được bằng cách xử lý nhiệt oxit than chì đã được sử dụng. Tỷ lệ C/O ban đầu của oxit xấp xỉ bằng hai, nhưng việc giữ ở 1050 ˚C chỉ trong 30 giây đã cho phép nó tăng lên đến
15 do giải phóng CO2. Sau khi carbon dioxide rời đi, các tấm này thu được các khuyết tật mạng, góp phần hình thành các hạt Li 2 O 2 có kích thước nano bị cô lập, không chặn sự tiếp cận của oxy trong quá trình hoạt động của pin.
Các tấm đã chuẩn bị sẵn được đặt trong dung dịch vi nhũ tương có chứa chất kết dính. Sau khi sấy khô, điện cực thu được một cấu trúc bên trong khác thường, trong đó các phần tử hình quả trứng được đóng gói lỏng lẻo nổi bật. Những lối đi rộng được đặt giữa chúng và “vỏ” của các nguyên tố chứa nhiều lỗ chân lông có kích thước nano. Nói cách khác, thiết kế điện cực đã gần đạt đến mức tối ưu.
Điện cực graphene: phía trên - vừa chế tạo, phía dưới - sau khi phóng điện. Mũi tên chỉ hạt Li 2 O 2. Kích thước được tính bằng micromet.
Trong các thí nghiệm, pin lithium-không khí với điện cực graphene (không có chất xúc tác) đã chứng minh được dung lượng cao kỷ lục là 15.000 mAh/gram carbon. Chúng tôi lưu ý rằng những kết quả như vậy đã đạt được trong bầu không khí O 2 tinh khiết; trong không khí, công suất giảm đáng kể do nước cản trở hoạt động của thiết bị. Các tác giả đang suy nghĩ về thiết kế màng, nó sẽ đảm bảo bảo vệ khỏi nước nhưng sẽ cho phép lượng oxy cần thiết đi qua.
Trưởng nhóm Ji-Guang Zhang cho biết: “Chúng tôi cũng muốn làm cho pin có thể sạc lại được hoàn toàn”. “Điều này sẽ đòi hỏi một chất điện phân mới và một chất xúc tác mới, và đó là điều chúng tôi quan tâm hiện nay.”
Đường cong phóng điện của pin lithium-không khí với điện cực graphene.
Người Đức phát minh ra pin florua-ion
Ngoài toàn bộ đội quân nguồn dòng điện hóa, các nhà khoa học đã phát triển một lựa chọn khác. Ưu điểm đã nêu của nó là nguy cơ cháy thấp hơn và dung lượng riêng lớn hơn mười lần so với pin lithium-ion.
Các nhà hóa học từ Viện Công nghệ Karlsruhe (KIT) đã đề xuất khái niệm pin dựa trên florua kim loại và thậm chí đã thử nghiệm một số mẫu nhỏ trong phòng thí nghiệm.
Trong những loại pin như vậy, anion flo chịu trách nhiệm chuyển điện tích giữa các điện cực. Cực dương và cực âm của pin chứa kim loại, tùy thuộc vào hướng của dòng điện (sạc hoặc phóng điện), lần lượt chuyển đổi thành florua hoặc khử trở lại kim loại.
Tiến sĩ Maximilian Fichtner, một trong những tác giả của dự án phát triển, cho biết: “Bởi vì một nguyên tử kim loại có thể nhận hoặc cho nhiều electron cùng một lúc, nên khái niệm này cho phép tạo ra mật độ năng lượng cực cao - cao gấp 10 lần so với pin lithium-ion thông thường”. .
Để kiểm tra ý tưởng này, các nhà nghiên cứu Đức đã tạo ra một số mẫu pin như vậy có đường kính 7 mm và độ dày 1 mm. Các tác giả đã nghiên cứu một số vật liệu làm điện cực (ví dụ như đồng và bismuth kết hợp với carbon) và tạo ra chất điện phân dựa trên lanthanum và bari.
Tuy nhiên, chất điện phân rắn như vậy chỉ là bước trung gian. Hợp chất này dẫn các ion florua chỉ hoạt động tốt khi nhiệt độ cao. Vì vậy, các nhà hóa học đang tìm kiếm chất thay thế nó - một chất điện phân lỏng có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng.
(Để biết chi tiết, xem thông cáo báo chí của viện và bài báo trên Tạp chí Hóa học Vật liệu.)
Thật khó để dự đoán tương lai của thị trường pin sẽ như thế nào. Pin lithium vẫn là vua và chúng có tiềm năng tốt nhờ sự phát triển của lithium polymer. Việc đưa vào các nguyên tố bạc-kẽm là một quá trình rất dài và tốn kém, và tính khả thi của nó vẫn còn là một vấn đề gây tranh cãi. Công nghệ pin nhiên liệu và ống nano từ nhiều năm nay đã được ca ngợi và miêu tả bằng những từ ngữ hoa mỹ nhất, nhưng khi đưa vào thực tế, sản phẩm thực tế hoặc quá cồng kềnh, quá đắt tiền, hoặc cả hai. Chỉ có một điều rõ ràng - trong những năm tới, ngành công nghiệp này sẽ tiếp tục phát triển tích cực, bởi vì sự phổ biến của các thiết bị di động đang tăng lên nhanh chóng.
Song song với laptop tập trung vào khả năng vận hành tự động, hướng đi của laptop để bàn đang phát triển, trong đó pin thay vào đó đóng vai trò là UPS dự phòng. Samsung gần đây đã phát hành một máy tính xách tay tương tự không có pin.
TRONG NiCd-Pin cũng có khả năng điện phân. Để ngăn hydro gây nổ tích tụ trong pin, pin được trang bị các van siêu nhỏ.
Tại học viện nổi tiếng MIT Gần đây, một công nghệ độc đáo để sản xuất pin lithium đã được phát triển nhờ nỗ lực của các virus được huấn luyện đặc biệt.
Mặc dù pin nhiên liệu Bề ngoài, nó hoàn toàn khác với pin truyền thống, nó hoạt động trên cùng một nguyên tắc.
Ai khác có thể đề xuất bất kỳ hướng đi đầy hứa hẹn nào?
Các điện cực graphene đầy hứa hẹn cho pin lithium-không khí đã được sản xuất
Em tiếp tục thực hiện mong muốn của các bạn từ BẢNG ĐẶT HÀNG tháng 10. Chúng tôi đọc câu hỏi từ trudnopisaka: Sẽ rất thú vị khi biết về các công nghệ pin mới đang được chuẩn bị để sản xuất hàng loạt. Tất nhiên, tiêu chí sản xuất hàng loạt có phần linh hoạt, nhưng...
Cộng đồng > Ô tô điện > Blog > Pin mới có công suất tăng gấp 20 lần.
Người Séc Jan Prochazka đã tạo ra một loại pin mang tính cách mạng, việc sản xuất loại pin này hiện đã sẵn sàng được tài trợ bởi các nhà đầu tư lớn nhất thế giới.
Pin 3D mới khác với các mẫu đã biết trước đây ở phương pháp sản xuất. Vấn đề là ở loại pin mới, các tế bào điện được sắp xếp theo chiều ngang dưới dạng các tấm trong khung chứ không phải theo chiều dọc dưới dạng màng kim loại với các lớp hoạt động, như trường hợp của pin lithium.
Công nghệ này giúp giảm chi phí sản xuất nên giá thành so với lithium sẽ thấp hơn.
Công nghệ pin mới không chỉ cho phép tăng dung lượng lên ít nhất 20 lần mà còn giúp sạc pin nhanh hơn.
Pin dung lượng cao mới có thể giải quyết vấn đề chính năng lượng thay thế - lưu trữ lâu dài năng lượng tích lũy. Ngoài ra, chúng có thể được sử dụng trên xe điện - kết quả là quãng đường lái xe sẽ tăng lên đáng kể.
Bằng sáng chế cho pin 3D thuộc về HE3DA, đứng đầu là người tạo ra loại pin mới, Jan Prochazk. Hiện tại, anh đã sản xuất được 160 bản tại xưởng của mình ở Letnany.
Phát minh của Séc đã thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà đầu tư lớn từ Đức và Slovakia. Tuy nhiên, đáng chú ý nhất là đề xuất của nhà đầu tư tư nhân tỷ phú Trung Quốc Hu Yuanping.
Người Trung Quốc đã đặt cọc không hoàn lại 5 triệu euro và sẵn sàng trả thêm 50 triệu euro cho 49% cổ phần của HE3DA www.he3da.cz/#!technology/ci26. Nhưng sự hào phóng của tỷ phú Trung Quốc không dừng lại ở đó, trong tương lai ông dự định đầu tư thêm 50 triệu euro nếu dự án hoạt động tốt.
Nhà máy đầu tiên sản xuất pin 3D sẽ xuất hiện ở phía bắc Moravia tại thị trấn Gorní Sucha, và sau đó việc sản xuất hàng loạt sẽ được thành lập tại Trung Quốc.
Phát minh của Prochazka không chỉ giúp việc lưu trữ năng lượng từ các nhà máy điện gió và mặt trời hiệu quả hơn mà còn có thể được sử dụng trong ô tô điện, khiến chúng càng trở nên phổ biến hơn.
* bộ điều khiển tiêu cực cho nhận xét được bật
Cộng đồng > Ôtô điện > Blog > Pin mới có công suất tăng gấp 20 lần
Tags: pin 3d, loại pin mang tính cách mạng, he3da. Người Séc Jan Prochazka đã tạo ra một loại pin mang tính cách mạng, việc sản xuất loại pin này hiện đã sẵn sàng được tài trợ bởi các nhà đầu tư lớn nhất thế giới. Pin 3D mới khác với các mẫu đã biết trước đây ở phương pháp sản xuất. Vấn đề là trong pin mới, các tế bào điện được đặt theo chiều ngang...
Cường độ năng lượng riêng của pin lithium-ion hiện đại đạt tới 200 Wh/kg. Trung bình, con số này chỉ đủ cho quãng đường 150 km mà không cần sạc lại, không thể so sánh với quãng đường một lần đổ xăng của những chiếc xe sử dụng động cơ đốt trong thông thường. Để xe điện trở thành xu hướng chủ đạo, chúng phải có phạm vi hoạt động tương đương. Để làm được điều này, bạn cần tăng cường độ năng lượng riêng của pin lên ít nhất 350-400 Wh/kg. Các loại pin đầy hứa hẹn được mô tả dưới đây sẽ có thể cung cấp điều này, mặc dù mỗi trường hợp đều có “nhưng” riêng.
Pin lithium-lưu huỳnh được phân biệt bởi dung lượng riêng lớn, đó là hệ quả của thực tế là trong quá trình phản ứng hóa học, mỗi phân tử không chỉ nhường một mà là hai electron tự do. Năng lượng riêng theo lý thuyết của chúng là 2600 W*h/kg. Ngoài ra, những loại pin như vậy rẻ hơn và an toàn hơn đáng kể so với pin lithium-ion.
Pin Li-S cơ bản bao gồm cực dương lithium, cực âm lưu huỳnh-carbon và chất điện phân cho phép các ion lithium chạy qua. Khi xảy ra phóng điện phản ứng hóa học, trong đó lithium của cực dương được chuyển đổi thành lithium sulfide, chất này lắng đọng trên cực âm. Điện áp của pin dao động từ 1,7 đến 2,5 V, tùy thuộc vào trạng thái xả pin. Lithium polysulfide hình thành trong quá trình phản ứng sẽ ảnh hưởng đến điện áp của pin.
Phản ứng hóa học trong pin đi kèm với một số tác dụng phụ tiêu cực. Khi lưu huỳnh của cực âm hấp thụ các ion lithium từ chất điện phân, lithium sulfua Li 2 S được hình thành, chất này lắng đọng trên cực âm. Đồng thời, khối lượng của nó tăng 76%. Trong quá trình sạc, xảy ra phản ứng nghịch dẫn đến giảm kích thước của cực âm. Kết quả là cực âm bị quá tải cơ học đáng kể, dẫn đến hư hỏng và mất tiếp xúc với bộ thu dòng điện. Ngoài ra, Li 2 S còn làm suy yếu sự tiếp xúc điện ở cực âm giữa lưu huỳnh và carbon (đường đi của các electron) và ngăn cản các ion lithium chảy lên bề mặt lưu huỳnh.
Một vấn đề khác liên quan đến thực tế là trong phản ứng giữa lưu huỳnh và lithium, Li 2 S không được hình thành ngay lập tức mà thông qua một loạt các biến đổi, trong đó polysulfua được hình thành (Li 2 S 8, Li 2 S 6, v.v.) . Nhưng nếu lưu huỳnh và Li 2 S không hòa tan trong chất điện phân thì ngược lại, polysulfua sẽ hòa tan. Điều này dẫn đến lượng lưu huỳnh ở cực âm giảm dần. Một điều phiền toái khác là sự xuất hiện độ nhám trên bề mặt cực dương lithium trong quá trình phóng điện lớn và dòng sạc. Tất cả những điều này kết hợp với nhau đã dẫn đến thực tế là một loại pin như vậy có thể chịu được không quá 50-60 chu kỳ sạc-xả và khiến nó không phù hợp để sử dụng thực tế.
Tuy nhiên diễn biến mới nhất Người Mỹ từ Phòng thí nghiệm quốc gia. Lawrence Berkeley đã cho phép họ khắc phục những thiếu sót này. Họ đã tạo ra một cực âm độc đáo làm từ vật liệu nanocompozit (graphene oxit và lưu huỳnh), tính toàn vẹn của cực âm này được duy trì bằng một lớp phủ polyme đàn hồi. Do đó, việc thay đổi kích thước của cực âm trong quá trình phóng điện không dẫn đến sự phá hủy nó. Để bảo vệ lưu huỳnh khỏi bị hòa tan, người ta sử dụng chất hoạt động bề mặt (chất hoạt động bề mặt). Vì chất hoạt động bề mặt là cation (tức là nó bị hút vào bề mặt của lớp lưu huỳnh), nên nó không ngăn cản các anion lithium phản ứng với lưu huỳnh, nhưng không cho phép các polysulfua thu được hòa tan trong chất điện phân, giữ chúng ở dưới lớp của nó. Một chất điện phân mới cũng đã được phát triển dựa trên chất lỏng ion trong đó polysulfua không hòa tan. Chất lỏng ion cũng an toàn hơn nhiều - nó không cháy và hầu như không bay hơi.
Nhờ tất cả những cải tiến được mô tả, hiệu suất của pin được cải thiện đáng kể. Năng lượng riêng ban đầu của nó là 500 Wh/kg, cao hơn gấp đôi so với pin Li-ion. Sau 1500 chu kỳ sạc-xả kéo dài 20 giờ (C=0,05), năng lượng riêng của nó giảm xuống mức của pin Li-ion mới. Sau 1500 chu kỳ 1 giờ (C=1), mức giảm là 40-50% nhưng pin vẫn hoạt động. Khi pin được kiểm tra ở công suất cao, trải qua chu kỳ sạc-xả trong 10 phút (C=6), thì thậm chí sau 150 chu kỳ như vậy, năng lượng riêng của nó vẫn vượt quá năng lượng riêng của pin Li-ion mới.
Giá ước tính của loại pin Li-S như vậy sẽ không vượt quá 100 USD cho mỗi kWh công suất. Nhiều cải tiến do nhóm Berkeley đề xuất có thể được sử dụng để cải thiện pin Li-ion hiện có. Để tạo ra một thiết kế thực tế cho pin LiS, các nhà phát triển đang tìm kiếm những đối tác sẽ tài trợ cho quá trình phát triển cuối cùng của loại pin này.
Pin lithium titanate
Vấn đề lớn nhất với pin lithium-ion hiện đại là hiệu suất thấp, chủ yếu là do vật liệu lưu trữ năng lượng chỉ chiếm 25% thể tích của pin. 75% còn lại đến từ các vật liệu trơ: vỏ, màng dẫn điện, keo dán, v.v. Bởi vì điều này, pin hiện đại quá cồng kềnh và đắt tiền. Công nghệ mới liên quan đến việc giảm đáng kể các vật liệu “vô dụng” trong thiết kế pin.
Pin lithium titanate mới nhất giúp khắc phục nhược điểm khác Pin Li-ion– độ mong manh và thời gian sạc lại của chúng. Trong quá trình nghiên cứu người ta thấy rằng khi sạc dòng điện cao Các ion lithium buộc phải “đi qua” giữa các tấm vi than chì, từ đó phá hủy dần các điện cực. Do đó, than chì trong điện cực đã được thay thế bằng cấu trúc làm từ hạt nano lithium titanate. Chúng không cản trở sự chuyển động của các ion, điều này cuối cùng dẫn đến tuổi thọ sử dụng tăng lên đáng kể - hơn 15.000 chu kỳ trong 12 năm! Thời gian sạc giảm từ 6-8 giờ xuống còn 10-15 phút. Ưu điểm bổ sung là ổn định nhiệt và ít độc tính hơn.
Theo các chuyên gia, loại pin mới sẽ có mật độ năng lượng cao gấp đôi so với hiệu suất tốt nhất của pin lithium-ion hiện đại. Như vậy, với cùng một phạm vi hoạt động của xe điện, pin của nó sẽ nhẹ hơn và với cùng khối lượng, phạm vi hoạt động sẽ tăng lên đáng kể. Nếu pin mới có thể được đưa vào sản xuất, phạm vi hoạt động của xe điện nhỏ gọn (không thể trang bị pin lớn, nặng) sẽ tăng trung bình từ 150 km lên 300 km trong một lần sạc. Hơn nữa, pin mới sẽ có giá chỉ bằng một nửa so với pin hiện tại - chỉ 250 USD/kWh.
Pin lithium-không khí
Công nghệ không đứng yên và các nhà khoa học đang nỗ lực tạo ra một thiết kế thực tế cho pin lithium-air (LiO 2). Công suất năng lượng lý thuyết của nó cao hơn 8-10 lần so với lithium-ion. Để giảm trọng lượng của pin trong khi vẫn duy trì hoặc thậm chí tăng công suất, các nhà khoa học đã đề xuất một giải pháp triệt để - từ bỏ cực âm truyền thống: lithium sẽ tương tác trực tiếp với oxy từ không khí. Nhờ có cực âm không khí xúc tác, nó không chỉ giúp tăng công suất năng lượng của pin mà còn giảm khối lượng và trọng lượng của nó gần như tương đương.
Vì sản xuất hàng loạt Công nghệ lithium-không khí đòi hỏi phải giải quyết nhiều vấn đề kỹ thuật và khoa học, trong đó có việc tạo ra chất xúc tác hiệu quả, cực dương lithium và chất điện phân rắn ổn định có khả năng hoạt động ở nhiệt độ thấp(lên tới -50C). Ngoài ra, cần phát triển kỹ thuật bôi chất xúc tác lên bề mặt cực âm, tạo màng ngăn chặn sự xâm nhập của oxy vào cực dương lithium, đồng thời phát triển các phương pháp chế tạo các điện cực xốp đặc biệt.
