エネルギー貯蔵バッテリーの競争

はじめに：再生可能エネルギー産業と電気自動車産業の発展に伴い、エネルギー貯蔵技術と産業はすべての国から高く評価されています。さまざまな新しい電気化学エネルギー貯蔵バッテリー技術の研究開発は、継続的な進歩を遂げてきました。その中で、より代表的な液体フロー電池、リチウム硫黄電池、リチウム空気電池などがありますが、それらの技術開発はいくつかの実際的な課題に直面しています。

現在、主な国際化学エネルギー貯蔵技術には、ナトリウム硫黄電池、リチウム電池、液体フロー電池、鉛酸電池、リン酸鉄リチウム電池などがあります。中国アカデミーの大連化学物理研究所の研究者である張華民科学の専門家は、再生可能エネルギー産業と電気自動車産業の発展に伴い、エネルギー貯蔵技術と産業はすべての国から高く評価されており、さまざまな新しい電気化学エネルギー貯蔵電池技術の研究開発は継続的に進歩していると述べた。その中で、より代表的な液体フロー電池、リチウム硫黄電池、リチウム空気電池などがありますが、それらの技術開発はいくつかの実際的な課題に直面しています。

液体フロー電池のエネルギー貯蔵技術

液体フロー電池は、液体活性物質の酸化還元反応により、電気エネルギーと化学エネルギーの相互変換を実現できる電気化学エネルギー貯蔵装置です。独立した電力と容量、充電と放電の深さ、優れたセキュリティ、およびその他の優れた利点により、エネルギー貯蔵の分野で最良の選択肢の1つになっています。

1970年代に液体フロー電池が発明されて以来、実験室から企業、プロトタイプから標準製品、デモンストレーションアプリケーションから商業プロモーション、小規模から大規模、単一から包括的な機能まで、何百ものプロジェクトを経てきました。総設備容量は約40mwです。

設備容量35mwの総バナジウムフロー電池は、最も広く使用されている液体フロー電池です。大連化学物理研究所、中国科学アカデミー、大連融科儡エネルギー貯蔵技術開発株式会社の技術支援を受けて。 （以下、ロンケエネルギー貯蔵と呼ぶ）は、大連化学物理研究所と協力して、全バナジウム液体フロー電池の主要材料の局在化と大規模生産を実現しました。電解質製品は、日本、韓国、米国、ドイツ、英国に輸出されています。開発した非フッ素化イオン伝導膜の高い選択性、高い耐久性、低コストは、過フッ素化スルホン酸イオン交換膜よりも優れており、価格は後者のわずか10％であり、真に「コストのボトルネック」を打ち破ります。オールバナジウムフロー電池。

構造の最適化と新素材の適用により、バナジウムフロー電池の電気パイル定格電流密度は元の80ma /c㎡から120㎡に増加し、ma / cは同じ性能を維持し、電気コストはほぼ30％急落しました。 32 kwは、米国とドイツに輸出されています。 2013年5月、世界最大の5メガワット/ 10メガワット時のフルバナジウムフロー電池エネルギー貯蔵システムが、国電の龍源電力50メガワット風力発電所の送電網に正常に接続されました。それ以来、錦州の風力発電網接続のための3 mw / 6 mw時間のエネルギー貯蔵プロジェクト、および国王と風力のための2 mw / 4 mw時間のエネルギー貯蔵プロジェクトも、中国がエネルギー貯蔵ビジネスモデルを探求するための重要な事例です。

オールバナジウムフロー電池の分野におけるもう1つのリーダーは、住友電気工業です。同社は2010年に液体フロー電池事業を再開し、2015年に15メガワット/ 60メガワット時の全バナジウム液体フロー電池発電所を建設して、大規模な電力によって引き起こされるピーク負荷規制と電力品質圧力を解決します。北海道の大規模太陽光発電所グリッド接続。このプロジェクトの成功した実装は、オールバナジウム液体フロー電池の分野におけるもう1つのマイルストーンになります。 2014年、UniEnergyTechnologies、LLC（UET）は、米国エネルギー省とワシントンのクリーンエネルギー財団の支援を受けて、3 mw / 10mwのフルバナジウムフロー電池エネルギー貯蔵システムを確立しました。このプロジェクトでは、UETが初めて混合酸電解質技術を適用します。これにより、エネルギー密度が約40％増加し、全バナジウムフロー電池の温度ウィンドウと電圧範囲が広がり、熱管理のエネルギー消費が削減されます。

現在、液体フロー電池のエネルギー効率とシステムの信頼性を向上させ、そのコストを削減することが重要な課題です。高性能電池材料の開発、電池構造設計の最適化、内部抵抗の低減が重要な技術です。最近、張華と彼のチームは、電池の材料革新と構造革新を通じて、80 ma / /c㎡の動作電流密度、充電および放電エネルギー効率で単一電池の総バナジウムフロー電池を81％から93％に増加させました。数年前、それが開発と展望のための広いスペースを持っていることを完全に証明してください。

リチウム-硫黄電池技術

近年、従来のリチウムイオン電池技術は進歩を続けていますが、電池の比エネルギーは依然としてアプリケーションの要件を満たすことができず、電池技術は依然として携帯型電子機器や電気自動車の開発における最大のボトルネックです。 。高比エネルギー電池技術の革新的なブレークスルーを実現するために、研究者は、よりエネルギー密度の高いリチウム硫黄電池、リチウム空気電池、その他の金属空気電池として画期的な方向性を選択し、ある程度の進歩を遂げました。いくつかの新しいバッテリー技術はすでに有望です。

リチウム硫黄電池は、正極に硫黄元素、負極にリチウム金属を使用した電池の一種です。その理論上の比エネルギー密度は2600Wh / kgに達する可能性があり、実際のエネルギー密度は450Wh / kgに達する可能性があります。同時に、硫黄は安価で豊富で環境にやさしく、高比エネルギー電池技術の工業化に最も近いものです。

国際的には、リチウムおよび硫黄電池の代表的な研究開発メーカーには、SionPower、Polyplus、米国のMoltech、英国のOxis、韓国のSamsungなどがあり、その中でSionPowerが最も代表的です。 2010年、SionPowerはリチウム硫黄電池を無人航空機（uav）に適用しました。バッテリーは昼間は太陽電池で充電され、夜間は放電されて電力が供給され、UAVの連続14日間の飛行記録を打ち立てました。リチウム硫黄電池の成功例です。中国では、リチウム硫黄電池の研究は、主に中国科学院の大連化合物研究所、中国化学予防研究研究所、北京理工大学などの研究機関に集中しています。現在、中国で開発されたリチウム硫黄電池は、エネルギー密度（> 450Wh / kg）で世界をリードする位置にありますが、通常の数十回の充放電時間の後、エネルギー密度は大幅に低下し、そのサイクル寿命を早急に改善する必要があります。

リチウム-硫黄電池は、世界で最も先進的な技術の1つです。電池のサイクル寿命と安全性をどのように改善するかが、リチウム硫黄電池の産業開発の鍵となります。

金属空気電池技術

現在、金属空気電池、特にリチウム空気電池は大きな注目を集め、大きな進歩を遂げています。

リチウム-空気電池は、リチウム金属を負極として、空気中の酸素を正極活物質として使用します。電池の理論エネルギー密度は約3500Wh / kgで、リチウムイオン電池の10倍でガソリンに近い。リチウム空気電池の潜在的な用途の見通しを視野に入れて、世界の多くの国が関連する研究作業を実施しています。 IBMは、電気自動車に1回の充電で500マイルの航続距離を提供することを目的とした「battery500」プロジェクトに取り組んでいます。日本の旭化成などの企業が加わることで、ダイヤフラムや電解質の研究が促進されます。

リチウム空気電池の概念は完全に新しいものではなく、1976年にロッキードの研究者によって最初に提案されました。1996年に、Abraham etal。有機電解質システムを提案し、リチウム空気電池の研究に新たな状況をもたらしました。現在、リチウム空気電池の研究は、電池の性能を直接決定する正極に主に焦点を当てています。エネルギー密度の観点から、最も代表的な材料はグラフェンです。米国の太平洋北西国立研究所の研究者は、既存のリチウムイオン電池をはるかに超える約15,000 mah / gの放電比容量を達成する気泡のような構造の層状グラフェン材料を開発しました。

しかし、リチウム空気電池の充放電過程で発生する酸素含有中間生成物は、炭素材料や電解質と化学反応を起こし、多くの副生成物（炭酸リチウムなど）が発生します。 ）、これはバッテリーサイクルに大きく影響し、その開発を制限するボトルネックの問題です。ブルースら。正極に多孔質の金と炭化チタンを塗布し、副反応を効果的に抑制し、100サイクルの保持率は95％以上です。

高エネルギー密度はリチウム空気電池の主な利点であり、サイクルの安定性はその開発にとって重要で困難な問題です。一方、リチウム金属の精製、充放電時のリチウムアノードとデンドライト抑制の保護、高活性正触媒成分と選択的酸素透過膜の開発、電池構造設計の統合技術はすべて効果的に必要な問題です。実際のプロセスで解決しました。

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