21 Декабря 2016

В течение многих лет небольшие заряжаемые литий-ионные аккумуляторы надежно питают энергией миллиарды портативных устройств. Но производители больших энергоёмких устройств ...

Исследования батареек выходят на высокие напряжения

Исследования батареек выходят на высокие напряжения

В течение многих лет небольшие заряжаемые литий-ионные аккумуляторы надежно питают энергией миллиарды портативных устройств. Но производители больших энергоёмких устройств, таких как электромобили и системы накопителей ищут новые электролиты и материалы для электродов. Майкл Метцгер, научный сотрудник Технического университета Мюнхена, в настоящее время занимается разработкой и тестированием новой ячейки батареи, позволяющей отдельно изучить анионных и катионных реакции. Недавно учёный был удостоен исследовательской премии Evonik за свою работу.


Системы хранения энергии сейчас пользуются спросом как никогда раньше. Миллиардам мобильных телефонов и планшетных ПК требуется энергия для работы. Добавьте к этому растущее число электромобилей. Кроме того, высокопроизводительные аккумуляторы могут также хранить энергию от возобновляемых источников - ветровых турбин и солнечных батарей, которая может поставляться в сеть в облачные и безветренные дни.


«Производители аккумуляторов используют проверенную литий-ионную технологию, которая широко и в течение многих лет используется для мобильных устройств, таких как ноутбуки и сотовые телефоны», говорит Майкл Метцгер. «Тем не менее, проблема адаптации этой технологии для использования в электромобилях и стационарных накопителях электроэнергии не является простой».


Стандартные заряжаемые аккумуляторы только в малой степени подходят для обеспечения высокой производительности: «Для того, чтобы повысить плотность энергии, вам необходимо увеличить напряжение или емкость, и именно здесь традиционные электродные материалы и электролитические жидкости достигают предела своих возможностей,» объясняет физик-исследователь. Исследования на эту тему самым активным образом идут по всему миру. Например, инженеры экспериментируют со специальными электродными материалами, способными обеспечивать напряжение на уровне около 5 вольт, вместо максимума тока, достигаемого сейчас на уровне от 4,2 до 4,3 вольт.

 

СПРОСИТЕ ВАШЕГО ИНЖЕНЕРА О РИСКАХ И ПОБОЧНЫХ ЭФФЕКТАХ


Но подобный "допинг для батареи" также содержит побочные эффекты. Изменения в химическом составе электродов и электролитов может привести к падению производительности батареи после нескольких циклов зарядки или образованию газов на электродах, которые приводят к вздутию батарей.


"Будущее литий-ионных батарей зависит от умения управлять этими нежелательными реакциями", предсказывает Мецгер. Он уже подготовил одно предварительное условие для достижения этой цели: химические процессы, которые происходят во время зарядки и разрядки могут быть подробно исследованы с помощью теста новой ячейки батареи, которую он разработал вместе со своей командой.

 

ТЕСТОВАЯ ЯЧЕЙКА ДЛЯ БАТАРЕЙ БУДУЩЕГО

Исследователи провели три года, работая над их устройством. «Как правило, электролитические жидкости и электроды - положительный катод и отрицательный анод - находятся в постоянном электрохимическом обмене,» говорит Мецгер. «До сих пор было невозможно исследовать реакции в аноде и катоде независимо друг от друга. Мы первые успешно с этим справились».


Ключевая идея: тестовая ячейка батареи, которая, как и любой литий-ионный аккумулятор, содержит анод, катод и электролиты, не полностью герметична, а оснащается тонким капилляром. Это позволяет отбирать газы, которые выбрасываются во время зарядки и разрядки, для проб и исследований с помощью масс-спектрометра.


Для раздельного изучения процессов на анодах и катодах инженеры также модифицировали мембрану – тонкую стеклянную пластинку, покрытую керамической оболочкой, алюминием и синтетикой – сделали её проницаемой не только для ионов лития, но и для всех других компонентов электролизной жидкости.

 

ВОДА – ЭТО ЯД ДЛЯ БАТАРЕИ


Используя тестовую ячейку, исследователи впервые смогли точно объяснить то, что происходит внутри аккумулятора высокого напряжения. Полученные результаты показывают, что стабильность электродов и электролитов зависит от нескольких факторов, например, от напряжения при зарядке, от рабочей температуры и даже от мельчайших химических примесей:


* Чем выше напряжение зарядки и температура, тем быстрее электролитический жидкость разлагается. Газы, выпущенные в процессе, в основном, окись углерода и двуокись углерода, могут привести к вздутию корпуса батареи.


* Даже самые маленькие капельки воды, которые образуются в ячейке из высвобождаемого на аноде водорода, действуют в качестве окисляющего агента на углерод в катоде. Это ухудшает проводимость электрода.


* Химические реакции, которые происходят на аноде и катоде приводят к взаимодействиям. Это перекрестные взаимодействия, которые на сегодняшний день практически не исследованы, снижают общую производительность ячеек батареи.

 

ИЗМЕРЕНИЕ НА ПРАКТИКЕ


«Для промышленных пользователей, новая методика измерения чрезвычайно интересна,» говорит профессор Хуберт Гастейгер, возглавляющий Департамент технической электрохимии. «В наших исследованиях мы смогли показать, что образование газов в аккумуляторных батареях можно уменьшить путем добавления нужных примесей в жидкий электролит, или путем подавления перекрестных взаимодействий между электродами.»


Один из результатов этого исследования, в частности, имеет прямое следствие для практики: Чем выше требуемое напряжение, тем меньшую остаточную влажность могут содержать материалы. Производители могли бы продлить срок службы будущих ячеек путем замены компонентов электролита из этилен-карбоната на более стабильные компоненты.


Но черт, как известно, в деталях. Небольшое количество этилен-карбоната в современных системах требуется для усмирения, подавления анода. Новая ячейка позволяет раздельно, независимо друг от друга изучать процессы на аноде и катоде и, возможно, приведет к открытию совершенно новых решений.

 

Источник: Technical University of Munich

Перевод: NewIndustryNews.ru

Комментарии ()
Текст сообщения*
Загрузить файл или картинкуПеретащить с помощью Drag'n'drop
Перетащите файлы
Ничего не найдено
Отправить Отменить

Также в рубрике

Mitsubishi, Eneco work together on 50MWh energy storage project in Germany
11 Апреля 2017
Mitsubishi, Eneco work together on 50MWh energy storage project in Germany

The latest project to be dubbed “Europe’s largest battery” will be a 50MWh project from Dutch energy supplier Eneco and Japanese conglomerate Mitsubishi Corporation in Jardelund, Germany.
7 Energy Storage Disruptors to Watch
21 Марта 2017
7 Energy Storage Disruptors to Watch

The energy storage industry is growing quickly as battery technologies evolve and costs continue to fall, spurring innovations that will change how we use, store, buy, and sell energy.
ComEd Conducting Illinois’ First Community Energy Storage Pilot
16 Марта 2017
ComEd Conducting Illinois’ First Community Energy Storage Pilot

ComEd announced today the launch of a pilot project to test the use of battery storage technology to reduce the impact of power outages in residential areas where customers experience service interruptions, particularly in extreme weather events.