パワーバッテリーの代替品の簡単な説明

パワーバッテリーのエネルギー密度、サイクル、および安全性は、新エネルギー車のさらなる推進を制限する技術的な問題になりつつあります。

金属空気電池

現在、市場で使用されているリン酸鉄リチウム電池330V / 60Ah電池パックは、19.8kWh、重さ230kg、実際のエネルギー密度は86Wh / kgです。バッテリーを60KWH（約400km）までスケールアップすると、許容できない700kgの重量になります。高電力充電の2つの主要企業の1つとして指定された国家標準委員会によって。

国内の電気バスはすべて最大300キロメートルの航続距離があると主張していますが、純粋な電気バスは現在12個のバッテリーパック（約3600kg）を使用しています。純粋な電気バスは、エアコンなしで110〜120キロしか運転できません。それは80キロメートルしか続くことができず、バスの1日の平均走行距離は250キロメートルです。バッテリーの安全性のため、深く充電および放電することはできません。したがって、実際に利用可能なエネルギーは、バッテリーの公称エネルギーの半分未満です。

上記の事実は、現在、家庭用モバイルバッテリーが不足していることを示しています。

中国では、金属電池と空気電池、アルミニウムと亜鉛空気電池が開発されて市場に参入しており、リチウム空気電池の研究は基本的に空白です。

アルミニウム空気電池

アルミニウム空気電池には次の特徴があります。

エネルギー密度が高く、理論エネルギー密度は8100Wh / Kg、実際のエネルギー密度は350Wh / kgを超えています。

操作が簡単で長寿命：金属電極は機械的に交換でき、バッテリー管理は簡単で、耐用年数は酸素電極の耐用年数にのみ依存します。

電池は一次電池または二次電池として設計でき、金属正極は板型、くさび型、ペースト体があり、電解液は循環することも循環しないこともあります。

循環経済：バッテリーはアルミニウム、酸素、水を消費して金属酸化物を形成します。後者は、水、風力エネルギー、太陽エネルギーなどの再生可能エネルギーによって削減できます。普通車は100kmあたり3kgのアルミと5Lの水を消費し、リサイクルコストは10元以下です。

グリーンおよび環境保護：有毒ガス、環境への汚染はありません。適切な原材料：アルミニウムは地球上で最も豊富な金属元素であり、低価格です。世界のアルミニウム産業の産業埋蔵量は250億トンを超えており、自動車産業の電気自動車のパワーバッテリーのニーズを満たすことができます。

アルミニウム空気電池研究のコア技術には、アルミニウム合金電極の準備、正極の腐食と不動態化に関する研究が含まれます。空気拡散電極の準備と酸素還元触媒材料の研究;電解質の調製と処理システムに関する研究、正極の腐食の抑制と分極の低減、電池効率の向上。電解質循環システム、空気循環保証システム、バッテリーパック熱管理システム。機械的充電、合金の正放電後の新しい正極の機械的交換、放電生成物および電解質集中再生処理、リサイクル。

報告によると、国内の学術研究機関は企業と協力して、350Wh / Kgを超えるエネルギー密度の電気自動車のアルミニウム空気電池を発売しました。バッテリーは統合されており、容量は5000Ah以上に達し、市場に参入することができます。

空気亜鉛電池

現在、同機関が開発した空気亜鉛電池の電力密度は101.4W / kg、パワー燃料電池は90.9W / kg、前者は後者より11.6％高い。空気亜鉛電池のエネルギー密度は218.4Wh / kgで、燃料電池は197.7Whです。 / kg、前者は後者より10.5％高いです。

空気亜鉛電池は、低炭素で排出量を削減できるという特徴があります。3.5トンの亜鉛燃料のエネルギーは1トンのディーゼルのエネルギーとほぼ同じであり、2145Kwグリッドは1トンの亜鉛燃料を生成できます。 2010年、中国は1億5600万トンのディーゼルと7100万トンのガソリンを消費しました。それらの50％を亜鉛燃料に置き換えると、3億1787万トンのCO2、1139万トンのCO、168万トンのHC、および1,140,500トンのNOxを削減できます。

アルミニウム/マグネシウム空気電池は、電気自動車に有望な2つの課題に対処する必要があります。電力密度の5倍の増加。アルミニウム/マグネシウムのリサイクル汚染を排除し、材料の準備に使用されるエネルギーを大幅に削減します。

水素-酸素燃料電池には、次の問題があります。水素の電気分解生成はエネルギーを消費しすぎます。水素自動車の輸送はパイプライン輸送のように小さく危険であり、漏れは40％に達する可能性があります。車両の水素貯蔵タンク内の水素は現在、タンクの質量の3〜5％しか占めていません。プラチナを実際に置き換えることができる触媒はありません。

たとえば、メルセデスベンツシタロ酸素水素燃料電池車は100キロメートルあたり17水素を消費し、燃料1キログラムあたりの電力消費量は64〜72 kWhであり、これは100キロメートルあたり1091〜1227kWhの電力消費量に相当します。したがって、水素製造のエネルギー消費量を大幅に削減する必要があります。

上記の問題が解決される前は、酸水素燃料電池を商品化することは不可能のようです。さらに、米国とカナダは自動車用酸水素燃料電池の研究開発を中止しました。

リチウム空気電池はまだ研究の初期段階にあります。解決すべき問題は次のとおりです。2つの電解液を使用してダイヤフラムの慢性的な漏れを防ぐ。有機電解質の使用可能温度を上げる。現在の使用に取って代わることができる金と白金の触媒を見つける。リチウム燃料を交換する際に爆発を引き起こす水蒸気の侵入を防ぐ方法;未使用のリチウムと水酸化リチウムをリサイクルする方法。循環する水酸化リチウムのエネルギー消費を削減する方法。

上記の状況に基づいて、一部の専門家は、空気亜鉛電池は最良の電池ではないが、最も実用的な電池であると信じています。

リチウム硫黄電池

世界のリチウム硫黄電池研究の代表的なメーカーには、Sion Power、Polyplus、米国のMoltech、英国のOxis、韓国のSamsungが含まれます。 Polyplusの2.1Ahリチウム硫黄電池のエネルギー密度は420Wh / kgまたは520Wh / lです。

中国では、天津電子工学18、清華大学化学研究所、上海交通大学、国防科学技術大学、武漢大学、北京理工大学がリチウム硫黄電池の研究を行っています。リチウム硫黄電池のサイクル安定性は、正の活物質の放電溶解と金属リチウムの表面の不安定性、硫黄自体とその放電生成物（5x10-30S /）の電気絶縁によって引き起こされることがわかった。 CM）。貧しい、活物質の利用は低いです。

リチウム硫黄電池のカソード材料には、大きなメソポーラスカーボンなどのポーラスカーボン、活性炭、カーボンゲルなどのカーボンナノチューブ、MWCNT、PPy、PANi / PPyなどのナノ構造導電性ポリマー材料、およびPANが含まれます。

大きなメソポーラスカーボン

大きなメソポーラス炭素は、元素硫黄を充填することによって寄生炭素-硫黄錯体を形成する可能性があります。高い細孔容積（> 1.5センチメートル³/ g）の高容量を達成するために、硫黄の高い充填容量を確保する炭素の使用。サイクル安定性を向上させる、吸着放電生成物に高炭素表面密度（> 500センチメートル²/ g）を使用します。炭素の高い導電性（数S / cm）を利用する元素硫黄の電気絶縁を改善し、硫黄の利用とバッテリーの充放電速度性能を改善します。

大きなメソポーラス炭素の調製プロセスは、テンプレートとしてナノCaCO3を使用し、炭素源としてフェノール樹脂を使用し、炭化、CO2での活性化、HCLステンシル、および水洗浄です。面密度1215 cmの²/ gであり、細孔容積が9.0センチメートル³/ gであり、電気伝導度が23 S / cmでした。次に、300°Cの高温で硫黄と共頭し、Sが70％を占めるLMC / S材料を調製しました。

硫黄電極の低電圧プラットフォームは電解質の粘度と密接に関連しているため、粘度が高いほど、低電圧プラットフォームは低くなります。導電率と粘度の比率が高いほど、バッテリーの電気化学的性能が向上します。したがって、電解質の最適な組成は0.65 M LiTFSI / DOL + DME（体積比1：2）です。

ゼラチン接着剤は、接着性と分散性に優れています。リチウム硫黄電池の電解液に溶けたり溶けたりすることはありません。充電中に多硫化物イオンの元素硫黄への完全な酸化を促進し、リチウム硫黄電池の放電容量を向上させることができます。

多孔質電極は、「凍結乾燥、氷晶細孔形成」プロセスによって調製されます。これにより、電解質の深い浸透が保証され、放電生成物の被覆による活性反応部位の損失を減らすことができます。

1.7Ahのリチウム硫黄電池を例にとると、エネルギー密度は320Wh / kg、100％DOD放電で、サイクルは100回、容量保持率は約75％、サイクル効率は最大70％です。初年度の自己放電率は約25％、月平均自己放電率は2〜2.5％です。 0°Cの放電容量は常温容量の90％に達し、-20°Cでの許容誤差は常温容量の40％です。バッテリーが放電/過充電されても、バッテリーは発火または爆発しません。バッテリーが過充電されると、バッテリーが膨らみ、内部に気泡が発生します。

加硫ポリプロピレン

正極材料に硫化ポリプロピレン（SPAN）800mAh / gを使用したポリマーリチウム電池の一種で、リチウム/硫化ポリプロピレン微細電池のエネルギー密度は240Wh / kgを超え、この硫化ポリプロピレン微細材料は超低コストで低エネルギー消費。さらに、グラファイト/硫化物ポリプロピレン電池は、大型リチウム電池の有力な候補となります。

可逆電気化学反応に基づくリチウム二次電池は、硫黄をドープおよび脱ドープし、熱分解されたポリプロピレンを加硫することにより、導電性ポリマーにすることができます。

加硫ポリプロピレン電池の容量は、可逆電気化学反応に基づいてリチウム電池の容量よりも大きくなっています。特殊な充電および放電特性は、硫化物電池がリチウム電池のメカニズムをはるかに超えていることを示しています。

深放電が0Vに達すると、放電/充電容量は1502mAh / gと1271mAh / gになり、その後、サイクルは1Vと3Vの間で安定することが研究によって示されています。サイクル性能は0.1V〜3 Vで安定しており、容量は1000mAh / gです。

過充電の場合、電圧は突然3.88Vに低下し、その後約2Vで安定します。過充電後、充電を継続することはできなくなります。これは、バッテリーに過充電の本質的な安全性があることを示しています。

充電の上限電圧は3.6Vです。充電電圧が3.8Vに達すると、充電を継続できなくなります。電圧が3.7Vに達すると、3サイクル後に再充電できなくなります。

また、2つの硫化物/リチウム電池は、コバルト酸リチウム/リチウム電池とほぼ同じ放電電圧を持っているため、互換性が良好です。

このようなバッテリーの充電電圧と容量は、温度が下がると増加します。 60°Cおよび-20°Cでの放電容量は、それぞれ854および632mAh / gでした。ポリマーアノードの動作温度は-20°Cを超えています。

充電電圧と容量は、電流密度が増加するにつれて減少します。 55.6mA / gの電流密度では、容量は792mAh / gでした。電流密度が667mA / gの場合、容量は604mAh / gでした。これは、バッテリーが電流密度の高い状態で動作できることを示しています。

硫化物電極は、放電すると（リチウムイオンが挿入され）体積が膨張し、充電すると（脱リチウムイオン）収縮します。最初の放電後、正極の厚さは約22％増加します。金属リチウム負極と硫化物正極の厚みの変化を補正し、電池全体の厚みが大きく変化しないようにします。導電性高分子も同じ性質を持っています。 EISの調査では、等価回路が測定され、取り付けられました。

硫化熱分解ポリプロピレン（SPAN）と熱分解ポリプロピレン（PPAN）の構造が異なるため、前者は600°C以上で安定した状態を保つことができます。

硫化ポリプロピレンを正極、リチウム箔を負極として使用したプロトタイプのポリマーリチウム電池のサイズは4x40x26 mm3で、エネルギー密度は246Wh / kgまたは401Wh / lです。

さらに、リチウム硫黄電池の負極としてグラファイトを使用する実験では、乾燥空気または不活性ガスボックスで、セルガードの2400穴ダイアフラムをセパレータとして使用し、正極と負極の間に配置して形成します。セル、負極とセパレーターが分離されています。シートの間には厚さ100μmのリチウム箔材料があり、1 M LiPF6-EC / DEC電解液が充填され、最後にボタン電池に密封されます。特性曲線を示します。 Li2.6Co0.4N添加後の充放電曲線です。

上記の2つの方法の中で、金属リチウムよりも負極としてグラファイトを使用する方が安全です。電気化学的リチウム化によってリチウム化が形成される前の硫化物正極。硫化物/グラファイト電池と硫化物/リチウム電池の間には0.2Vの電圧があります。貧しい;硫化物/グラファイト電池は、より安定したサイクル寿命を持っています。

カーボンナノチューブ加硫ポリアクリロニトリル

カーボンナノチューブの表面に成長したポリアクリロニトリル共重合体の硫黄含有複合正極材料は、B型ポリアクリロニトリル、硫黄、および5％カーボンナノチューブの焼結生成物です。直径約20nmのMWCNTが粒子間に浸透し、二次粒子のサイズを縮小して、優れた構造骨格と導電性ネットワークを形成します。カーボンチューブの含有量が増えると、初期容量は減少しますが、電極のサイクル安定性とレート性能は向上します。

要約すると、リン酸鉄リチウムに加えて、世界中の国々が、金属空気電池やリチウム硫黄電池など、エネルギー密度の高い電池を積極的に研究しています。このような電池は、低コスト、低エネルギー消費、高エネルギー密度です。空気電池のエネルギー密度は3,500Wh / kg、リチウム硫黄電池のエネルギー密度は2,600Wh / kgです。

米国のLaidenEnergy Companyは、既存のリチウム電池よりも高いエネルギー密度に基づいて高温で安全に動作でき、電気自動車に非常に適した集電体を開発しました。

Leiden Energyは、従来のバッテリー電解液で使用されていたアルミニウムコレクターとヘキサフルオロリン酸リチウムをグラファイトコレクターと亜硫酸ナトリウムに置き換え、60°Cを超える温度での動作中のバッテリー寿命を改善しました。さらに、新しいバッテリーのエネルギー密度は、電気自動車で使用されるリチウムバッテリーのエネルギー密度よりも50％高くなっています。

スルフィンアミドナトリウムを使用した新しいバッテリー

米国のLaidenEnergy Companyは、既存のリチウム電池よりも高いエネルギー密度に基づいて高温で安全に動作でき、電気自動車に非常に適した集電体を開発しました。

Leiden Energyは、従来のバッテリー電解液で使用されていたアルミニウムコレクターとヘキサフルオロリン酸リチウムをグラファイトコレクターと亜硫酸ナトリウムに置き換え、60°Cを超える温度での動作中のバッテリー寿命を改善しました。さらに、新しいバッテリーのエネルギー密度は、電気自動車で使用されるリチウムバッテリーのエネルギー密度よりも50％高くなっています。

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