Новый материал ускорит переход с литиевых на натрий-ионные аккумуляторы

4 августа, 2022 16:31

Источник: Сколтех

На фоне более чем пятикратного роста цены на литий за год учёные из Сколтеха и МГУ разработали материал для альтернативных, натрий-ионных аккумуляторов. Он представляет собой порошок фторидофосфата натрия — ванадия с особой кристаллической решёткой. Согласно опубликованным в журнале Nature Communications результатам испытаний, изготовленные из нового материала катоды обеспечивают рекордную на сегодняшний день энергоёмкость натрий-ионного аккумулятора, устраняя одно из препятствий для более широкого внедрения этой безлитиевой технологии.

Поделиться

Литий-ионные аккумуляторы используются во всех портативной электронике, электромобилях и, например, на солнечных или ветряных электростанциях, где они накапливают энергию и сглаживают колебания от смены погоды.

Несмотря на преимущества этой технологии, зависимость от лития является экономическим фактором риска, поскольку промышленно значимые соединения этого металла неуклонно дорожают, их производство неэкологично, а месторождения очень неравномерно разбросаны по миру. Альтернатива в каком-то смысле напрашивается сама собой — это расположенный на одну клетку ниже в таблице Менделеева куда более распространённый щелочной металл натрий.

Натрий-ионные аккумуляторы — сравнительно новая технология. Хотя базовая архитектура батареи не меняется, для изготовления её компонентов нужно заново подбирать оптимальные материалы. В том числе для катода, который сильно влияет на характеристики аккумулятора. В своём недавнем исследовании учёные из Сколтеха и МГУ предсказали, синтезировали и испытали новый катодный материал, который обеспечивает энергоёмкость натрий-ионной батареи на 10–15% выше, чем с ранее доступными материалами.

«На самом деле, и наш материал, и прежний рекордсмен по энергоёмкости называются одинаково: фторидофосфат натрия — ванадия.

Дело в том, что оба вещества состоят из одних и тех же атомов, но соотношение между элементами разное. И кристаллическая решётка тоже», — пояснил соавтор исследования, старший преподаватель Сколтеха Станислав Федотов.

«Так называемые слоистые катодные материалы тоже уступают нашему: по энергоёмкости значимого преимущества нет, но зато есть по стабильности, а это — более долгий срок службы и энергоэффективность, — продолжил Федотов. — Удивительно, но даже потолок теоретически возможных характеристик прежних материалов ниже, чем экспериментально достигнутые нами показатели с новым материалом — это существенно».

По словам учёных, по мере разработки более эффективных материалов для натрий-ионных аккумуляторов эта технология будет всё лучше конкурировать с литий-ионными аналогами и сможет прежде всего заменить их в таких применениях, как источники питания электробусов и грузовиков на электроприводе, а также в системах хранения энергии на ветряных и солнечных электростанциях.

«Высокой энергоёмкостью преимущества не ограничиваются. Катоды из нашего материала могут работать при сравнительно низких температурах, что, в частности, актуально для России», — добавил Федотов.

Первый автор работы, стажёр-исследователь Семён Шраер из Сколтеха, рассказал о подходе научной группы к поиску материалов для аккумуляторов: «В „батареечном“ сообществе в целом больше принято искать материалы или эмпирически, то есть методом проб и ошибок, или проверяя одним махом огромный набор соединений. Наш же подход — рациональный дизайн на основе химии твёрдого тела: мы отталкиваемся от фундаментальных законов и принципов и стараемся прийти к материалу с желаемыми свойствами».

«Теоретические соображения подсказали нам базовую формулу материала, который мог бы обеспечить высокую энергоёмкость, — продолжил Шраер. — Следующий этап — понять, какая кристаллическая структура сможет позволить полностью реализовать эту ёмкость.

Мы выбрали решётку по образу и подобию титанил-фосфата калия, которая ранее изучалась в нелинейной оптике, но для аккумуляторных технологий нова. После того, как теоретическую часть подробно проработали и стало ясно, что это конкретное соединение с этой конкретной решёткой должно сработать, мы его синтезировали методом низкотемпературного ионного обмена, и его превосходные характеристики получили подтверждение в эксперименте».

Освещённое в пресс-релизе исследование профинансировано грантом РНФ № 20-73-10248.

Теги

Президентская программа, Химия и материалы, Молодежные группы

Литий-ионные тяговые батареи Energy8

 

ПОЧЕМУ ЛУЧШЕ ПОЛЬЗОВАТЬСЯ ЛИТИЙ ИОННЫМИ БАТАРЕЯМИ И МОДЕРНИЗИРОВАТЬ СВОЮ СКЛАДСКУЮ ТЕХНИКУ

1. БЫСТРЫЙ ЗАРЯД

Ускоренное по сравнению со СКА время заряда литий-ионных аккумуляторов : 
За 20 минут на 25% от номинальной ёмкости 
За 1- 2 часа на 100% от номинальной ёмкости

2.  СЛУЖИТ В 3 РАЗА ДОЛЬШЕ

Жизненный цикл у Литиевых АКБ выше в 2-3 раза, соответственно снижение расходов на покупку новых кислотных (щелочных) АКб. Высокий ресурс – не менее 3000 циклов (у щелочных аккумуляторов в среднем 500 циклов, у СКА 1000-1500 циклов)

3. ГЕРМЕТИЧНОСТЬ И ЭКОЛОГИЧНОСТЬ БАТАРЕИ

Литиевые батареи герметичны не имею в своем составе кислот и тяжелых металлов не выделяют при работе и заряде вредных испарений, что ведет к повышению экологической обстановки на предприятии.

4. ЭКОНОМИЯ ЗАТРАТ НА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЮ (В 1,3 РАЗА)

Высокий коэффициент отдачи Литиевых АКБ в 1,3 раза выше чем у кислотные АКБ (отношение потраченной энергии при заряде к отданной при разряде) Экономия ср-ств во процессе заряда.

5. ЭКОНОМИЯ НА СОДЕРЖАНИИ ЗАРЯДНОЙ КОМНАТЫ И ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ПЕРСОНАЛА

Отсутствует необходимость в персонале и оборудовании для обслуживания. 
Экономия на содержании специальных помещений для заряда батареи

6. СНижение простоев и УДОБСТВО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

Заряд может производиться непосредственно в производственном помещении от сети и для заряда не требуется снятие с погрузчика.  Экономия от 7-10 % рабочего времени в смену. 

 

6 ОСНОВНЫХ ПРОБЛЕМ С КОТОРЫМИ СТАЛКИВАЮТСЯ ТЕ КТО ПОЛЬЗУЕТСЯ СВИНЦОВО КИСЛОТНЫМИ АККУМУЛЯТОРАМИ

 1. МАЛЫЙ РЕСУРС

Свинцово-кислотные АКБ имеют ресурс 1500 циклов разряда заряда, а гелевые около 1000 циклов, что приводит к необходимости их регулярной замены

 2. Длительный заряд

Свинцово-кислотные АКБ необходимо заряжать не менее 8 часов не прерываясь, в следствие этого на одну единицу техники необходимо иметь 2-3 батареи. Одна работает, одна заряжается, одна остывает.

3. СОДЕРЖАНИЕ ЗАРЯДНОЙ КОМНАТЫ и обслуживающего персонала

Свинцово-кислотные аккумуляторы при заряде выделяют пары электролита и взрывоопасный газ, поэтому могут заряжаться только в специально оборудованной зарядной комнате под надзором обслуживающего персонала.

4. ЗАТРАТЫ НА РАСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Приобретение расходных материалов – это значительные затраты, существенно удорожающие эксплуатацию напольного электротранспорта

5. НЕГЕРМЕТИЧНОСТЬ АККУМУЛЯТОРОВ

Негерметичные аккумуляторы неизбежно становятся источником загрязнения воздуха в производственном помещении, а также причиной ускоренной коррозии корпуса погрузчиков

6. НЕОБХОДИМОСТЬ ЗАМЕНЫ БАТАРЕЙ.

Для замены разряженной батареи погрузчику необходимо проделать путь от рабочего участка до зарядной комнаты и обратно является источником дополнительных потерь электроэнергии и рабочего времени (от 7-10%) 

BMW продолжает делать литий-ионные аккумуляторы делом прошлого

Автор Исаак Атьенза

Опубликовано 3 дня назад

BMW углубляет сотрудничество с Solid Power для коммерциализации твердотельных аккумуляторов

BMW

BMW iX 2022 года едет по извилистой дороге.

Ранее в этом месяце один из ведущих инженеров BMW по разработке аккумуляторов следующего поколения считает, что мы достигли пика возможностей литий-ионных аккумуляторов. Любые улучшения текущих литий-ионных аккумуляторов с этого момента будут в основном направлены на снижение их стоимости или повышение плотности их энергии. Чтобы мы действительно достигли наших целей, переход к твердотельным батареям неизбежен, и BMW также поддерживает эту технологию.

Связанный: BMW может стать полностью электрическим с X3 M следующего поколения

BMW укрепляет отношения с Solid Power

BMW

Вид сверху на центр компетенции BMW Cell Manufacturing

На данный момент хорошо известно, что BMW (наряду с Ford) является крупным инвестором Solid Power, стартапа из Колорадо, который стремится стать первой компанией, начавшей коммерциализировать твердотельные батареи. BMW, однако, дополнительно инвестировала в стартап в рамках так называемого расширенного соглашения о совместной разработке, и в результате Solid Power предоставит BMW лицензию на исследования и разработки, которая позволит им приобрести дизайн и методы производства элементов компании.

Дни литий-ионных аккумуляторов сочтены, хотя может пройти еще десять лет, когда технология аккумуляторов устареет. На данный момент, благодаря этому более тесному партнерству, BMW сможет дублировать пилотные производственные линии Solid Power на своем собственном предприятии в Германии и производить прототипы элементов с использованием запатентованной технологии Solid Power.

Но эта более глубокая взаимосвязь не дается бесплатно

BMW

Схема трансмиссии eDrive BMW i7

Конечно, инвестиции в Solid Power не бесплатны и недешевы. BMW выплатит Solid Power 20 миллионов долларов до 2024 года в рамках расширенного соглашения о совместной разработке.

«BMW по-прежнему привержена разработке полностью твердотельных аккумуляторов — технологии, которая, по нашему мнению, имеет значительный потенциал в будущем», — сказал Фрэнк Вебер, член правления BMW AG, отдел развития. «Мы рассчитываем на еще более тесное сотрудничество с Solid Power и добавление возможности производства твердотельных элементов на основе разработок Solid Power на нашем собственном экспериментальном предприятии. Мы ожидаем, что это соглашение ускорит установку нашей линии прототипов полупроводников и достижение общей цели наших компаний по коммерциализации этой многообещающей клеточной технологии».

Твердотельные батареи не только значительно более энергоемкие, но и более безопасные. Это связано с тем, что в твердотельных батареях в качестве электролита используется твердый материал, а не жидкость в литий-ионных батареях. Твердотельная батарея также использует металлический литий на аноде вместо угольного графита. Вот почему BMW, как и ряд других производителей электромобилей (EV), делает большие ставки на эту технологию аккумуляторов следующего поколения.

«Расширение наших отношений с BMW является еще одним свидетельством того, что обе компании верят, что Solid Power находится на правильном пути с развитием своих технологий», — сказал Дэвид Янсен, исполняющий обязанности генерального директора, президент и председатель Solid Power. «Меня воодушевляет прогресс, которого наша команда продолжает добиваться в достижении целей нашей компании. За последние несколько месяцев мы начали поставлять аккумуляторы емкостью 20 А·ч нашим партнерам, в том числе BMW, для первоначального тестирования и начали производство наших первых аккумуляторов для электромобилей. Мы с нетерпением ждем запуска нашего завода по производству электролитов и начала формального процесса квалификации автомобилей».

Связанный: пуристам не понравится последний прогноз BMW об электромобилях

BMW

Статический снимок серого BMW iX на зарядной станции

Поскольку до коммерциализации твердотельных аккумуляторов, скорее всего, еще десять лет, BMW все еще совершенствует и совершенствует свою технологию электромобилей с помощью своей новой платформы Neue Klasse, которая будет включать в себя трансмиссию для электромобилей шестого поколения и технологию литий-ионных аккумуляторов. .

Случайное открытие может изменить мир

Время от времени революционные технологии появляются из ниоткуда и меняют наш мир. Динамит, пенициллин, рентгеновские аппараты и даже микроволновые печи — все это примеры таких революционных случайных открытий.

Что ж, в этом году у нас может быть еще один. Однако на этот раз он призван не только революционизировать наш образ жизни, но и потенциально спасти нашу планету от надвигающегося изменения климата, открыв неуловимую технологию: литий-серные батареи.

Выбранный нами аккумулятор — литий-ионный — имеет ряд серьезных недостатков.

На протяжении десятилетий мы искали лучшие технологии для обеспечения нашего современного образа жизни и создания экологически чистых технологий, таких как электромобили. С начала 90-х годов предпочтительным аккумулятором является литий-ионный аккумулятор.

Он питает все, от телефонов и электромобилей Tesla до средств резервного энергоснабжения и даже спутников. Но, несмотря на то, что они перенесли нас в 21 век, у них есть серьезные недостатки.

Во-первых, материалы, необходимые для их создания, такие как кобальт, обычно очень вредны для окружающей среды. Они разрушают обширные экосистемы и даже выделяют токсичные химические вещества. (На практике возникает еще и гуманитарный вопрос, так как условия работы на некоторых шахтах смертельно опасны и используется детский труд.)

Чистый кобальт. Предоставлено: Alchemist-hp / Wikimedia Commons

Затем возникает проблема жизненного цикла. Мы требуем более быстрой зарядки от наших устройств. Это касается всего, от телефонов до автомобилей. Но, как вам скажет любой, у кого есть смартфон, литий-ионные аккумуляторы могут быстро потерять емкость, если вы будете многократно быстро заряжать их.

Деградация батареи вызывает серьезную озабоченность, особенно в мире электромобилей. Подержанные электромобили иногда могут быть бесполезны, если батарея разряжена, замена которой обойдется в небольшое состояние. В целом, это замедляет внедрение электромобилей, а также означает, что электронные отходы, которые уже представляют собой серьезную проблему, будут только усугубляться.

Современные электромобили сдерживаются массой литий-иона. Предоставлено: Screen/Pexel

Существует также проблема плотности. Литий-ионные аккумуляторы относительно энергоемкие, но они все же довольно тяжелые, большие и громоздкие. Это ограничивает радиус действия электромобилей, потому что батареи очень тяжелые, и делает их непригодными для некоторых приложений, таких как коммерческие электрические самолеты и корабли.

Существует даже проблема возгорания литий-ионных аккумуляторов, так как поврежденный элемент может самопроизвольно загореться и сильно гореть. Просто посмотрите, что случилось с некоторыми старыми телефонами Samsung (Note 7) и электромобилем Rimac, который разбил Ричард Хаммонд.

Вот почему ученые Drexel искали совершенно новый тип батареи, известный как литий-серный.

Lyten — один из немногих производителей литий-серных аккумуляторов (слева). Фото: Lyten

На первый взгляд кажется, что литий-сера решает все проблемы литий-иона. Он использует гораздо менее экологически вредные материалы, может быть дешевле в производстве, может быть в три раза более энергоемким (имеется в виду более легкая батарея) и с гораздо меньшей вероятностью возгорания. И все это без ущерба для скорости зарядки.

Так в чем подвох? Почему у нас их еще нет?

Ну, у них есть одна огромная проблема. В то время как литий-ионный аккумулятор может использоваться примерно в течение 2000 циклов зарядки, литий-серный обычно ограничивается примерно половиной этого срока. Итак, через год-два правильного использования литий-серный аккумулятор практически сдох.

Литий-серные батареи могут быть дешевле в производстве и в три раза более энергоемкими, чем литий-ионные батареи.

Чтобы решить эту проблему, команда Drexel опробовала новые подходы к литию-сере, заменив соединения в катоде батареи.

Их цель состояла в том, чтобы замедлить химическую реакцию, которая создает полисульфиды, когда батарея заряжается и разряжается. Эти кристаллы эффективно удаляют серу из электрода и в конечном итоге вызывают значительную потерю емкости. Их замедление может продлить срок службы этих очень энергоемких батарей.

Сера (на фото выше) является ключом к открытию Дрекселя. Кредит: Ивар Лейдус / Wikimedia Commons

Но вместо этого они обнаружили нечто невероятное: химическую фазу серы, которая фактически останавливает деградацию батареи! Они были настолько потрясены этим открытием, что им пришлось проверить 100 раз, чтобы убедиться, что они не ошиблись.

Эта химическая фаза известна как моноклинная гамма-фаза серы, но ее когда-либо наблюдали в лаборатории только при высоких температурах — выше 95°C (203°F). Это первый раз, когда он был замечен при комнатной температуре.

В аккумуляторе эта фаза полностью останавливает реакцию образования полисульфидов. Это было настолько эффективно, что ученые отправили батарею на 4000 циклов зарядки без потери емкости, а это означает, что она работает как минимум в два раза дольше, чем литий-ионная.

Также стоит отметить, что их батарея была в три раза более энергоемкой, чем литий-ионная, и заряжалась так же быстро!

Эти батареи будут весить треть эквивалентных литий-ионных батарей и иметь вдвое больший срок службы.

Сказать, что это замечательное открытие, значит ничего не сказать. Но эта новая фаза серы также имеет другие преимущества, такие как уменьшение расширения батареи и увеличение запаса прочности. Другими словами, эта батарея имеет все признаки идеальной батареи для массового рынка, и эти ученые обнаружили ее чисто случайно.

Как и в случае с большинством случайных открытий, ученые еще не выяснили, что происходит на самом деле. Они до сих пор не знают, почему создается эта фаза серы или как гарантировать, что она останется такой. Поэтому необходимы дальнейшие исследования, чтобы ответить на эти вопросы, чтобы разработать надежную батарею, которую можно будет использовать в миллиардах компьютеров, электромобилей и т.п.

Но ожидание того стоит, так как эти батареи будут весить треть эквивалентных литий-ионных батарей и иметь вдвое больший срок службы!

На ближнемагистральных рейсах, грузовых судах и пассажирских паромах будет технология, которая позволит им работать полностью на электричестве.

Это означает, что гораздо более быстрые и эффективные электромобили с запасом хода 90 117 тысяч 90 118 миль будут коммерчески жизнеспособны по цене, аналогичной сегодняшним электромобилям. Более того, они все еще будут полезны через 10 лет, значительно сократив количество отходов и увеличив скорость внедрения электромобилей.

Кроме того, ближнемагистральные рейсы, грузовые суда и пассажирские паромы будут оснащены технологией, которая позволит им стать полностью электрическими. Уменьшение веса, долгий срок службы и конкурентоспособная цена означают, что эти сектора, наконец, смогут достичь своих целей по снижению выбросов углерода.

Короче говоря, литий-серные аккумуляторы могут позволить широкому спектру видов деятельности перейти на электричество, что сделает нулевые выбросы намного более реальными.

Невероятно, стало еще лучше.

Залежи серы окрашивают озера Йеллоустона в желтый цвет. Предоставлено: Lukas Kloeppel / Pexel

Литий, сера и другие материалы, из которых изготовлена ​​эта новая батарея, широко распространены по всей Земле.