Dlaczego powinniśmy dążyć do 800 kilometrów? Ponieważ ta wartość jest najwyższą oczekiwaną wartością dla większości ludzi, jeśli zasięg przelotowy pojazdu elektrycznego nie może osiągnąć 800 kilometrów, a koszt może zostać zaakceptowany przez większość ludzi, pojazd elektryczny będzie miał mniej popularności. Tak więc ustawiliśmy tę wartość do celu naszego projektu Battery 500. Projekt rozpoczął się w 2009 roku i jest zdominowany przez Almaden Research Center. Od tego czasu IBM przeprowadziło te badania z wieloma partnerami biznesowymi i instytutami badawczymi z Europy, Azji i Stanów Zjednoczonych. Projekt Battery 500 oparty jest na technologii metal-powietrze. W porównaniu z akumulatorami litowymi baterie metal-powietrze mają więcej energii na jednostkę masy. Badania projektu trwają kilka lat do komercjalizacji. Ale przez te siedem lat eksperymentów możemy pomyśleć, że przyszła bateria metali powietrza jest rzeczywiście przydatna w pojazdach elektrycznych. Dlaczego jest to metal-powietrze? Przykładając baterie litowo-powietrzne, aby zrozumieć ten problem, najpierw przyjrzyjmy się różnicy między akumulatorami litowo-jonowymi (obecnie wspólnymi akumulatorami litowymi) a akumulatorami litowo-powietrznymi. Poniższy rysunek pokazuje wewnętrzny stan baterii podczas ładowania i rozładowywania baterii litowo -jonowej. W konwencjonalnej baterii litowo -jonowej elektrodą dodatnią jest węgiel, a elektroda ujemna składa się z różnych tlenków metali przejściowych, takich jak kobalt, nikiel, mangan i tym podobne. Obie elektrody zanurzono w elektrolicie, w którym rozpuszczono sól litową. Podczas ładunku i rozładowania jony litowe przenoszą się z jednej elektrody do drugiej. Kierunek ruchu różni się w zależności od tego, czy akumulator jest ładowany lub rozładowywany w zależności od stanu baterii. W czasie ładunku i rozładowania jony litowe są ostatecznie osadzone w warstwie atomowej materiału elektrody, a zatem pojemność końcowej akumulatora zależy od tego, ile materiału może pomieścić jony litowe, to znaczy określone przez objętość i jakość jakości elektrody. 
△ Proces ładowania i rozładowywania baterii litowo-jonowej
Akumulatory litowo-powietrzne różnią się. W akumulatorach metalowo-powietrznych zachodzi reakcja elektrochemiczna. Podczas procesu rozładowania elektroda dodatnia zawierająca lit uwalnia jony litowe, a jony litowe poruszają się w kierunku elektrody ujemnej i reagują z tlenem na powierzchni elektrody ujemnej, tworząc nadtlenek litowy (Li 2 O 2). Jony litowe, elektrony i tlen reagują na powierzchni elektrody ujemnej utworzonej przez porowatą węgiel, ponieważ reakcja chemiczna nie występuje na elektrodzie ujemnej, a jon litowy nie jest ujemnym materiałem elektrody. Dlatego pojemność akumulatora oraz objętość lub masa materiału elektrody ujemnej nie są zbyt wysokie. Duży związek, o ile jest wystarczająca powierzchnia. To znaczy, pojemność akumulatora litowo-powietrznego nie jest określona przez objętość i jakość elektrody, ale powierzchnię elektrody. Właśnie dlatego w baterii litowo-powietrznej elektroda mała masa może również przechowywać dużą ilość energii, co powoduje większą gęstość energii. 
△ Proces ładowania i rozładowywania baterii litowo-powietrznej
Oczywiście, oprócz gęstości energii, jest również ważnym czynnikiem. Cena baterii jest obecnie w przedziale 200-300 dolarów amerykańskich / kWh, jeśli możesz uruchomić 5-6 km za kWh, 800 km potrzebuje baterii 150 kWh, potrzebujesz 30 000–4,5 miliona. Samochód z serii BMW 2 potrzebuje tylko 33 000 USD. Dlatego, jeśli chcesz masową produkcję, cena za kWh musi spaść poniżej 100 USD. Jakie problemy powinienem rozwiązać w celu komercjalizacji baterii litowo-powietrznej? Gdy lit i tlen są po prostu poddawane reakcji redoks, teoretyczna maksymalna gęstość energii, którą można wytworzyć, wynosi 3460 WH/kg. Oprócz części komórki, która nie ulega reakcji chemicznej, wartość gęstości energii, która ostatecznie można osiągnąć, jest również bardzo pożądana. Oczywiście napotkasz również problemy. Proces ładowania baterii litowo-powietrznej jest podobny do konwencjonalnego baterii litowo-jonowej, o ile jest on zewnętrznie pod ciśnieniem. Różnica polega na tym, że w baterii litowo-powietrznej, gdy występuje napięcie zewnętrzne, struktura nadtlenku litu jest niszczona i jest ono redukowane do jonów tlenu i litowych, a jony litowe są zwracane do elektrody dodatniej. Akumulatory litowo-powietrzne, takie jak tradycyjne akumulatory litowe, mają więcej cykli ładowania i rozładowania oraz mają więcej skutków niepożądanych wewnątrz baterii. Te skutki uboczne mają fundamentalne znaczenie dla ich masowej produkcji, a nawet komercjalizacji. Aby zrozumieć wpływ tych skutków ubocznych na baterię, wykorzystaliśmy elektrochemiczny spektrometr masowy w centrum badawczym, aby dokładnie zmierzyć ilość zużywanego i wytwarzanego gazu podczas każdego cyklu ładunku i rozładowania. W rezultacie odkryto problem: akumulator litowo-powietrzny emituje znacznie mniej tlenu podczas ładowania niż tlen spożywany podczas wypisu. (W teście zamiast powietrza stosuje się suchy tlen.) 
△ Elektrochemiczny spektrometr masowy IBM Research Center (: IBM)
W idealnym ogniku baterii tlen spożywany podczas rozładowania jest równy masie tlenu uwalnianej podczas ładowania. Ale badanie wykazało, że ilość uwolnionego tlenu jest mniejsza, co oznacza, że tlen, który nie jest uwalniany, prawdopodobnie reaguje z komponentami w jednostce akumulatora, takim jak topienie w elektrolicie, akumulator jest w środku. Konsumpcja. W innym laboratorium IBM w Zurychu przeprowadziliśmy nowe eksperymenty w celu śledzenia i skomputeryzacji tej autodestrukcyjnej reakcji chemicznej. Wreszcie powód został znaleziony na elektrolicie ekologicznym. Następnie przestudiowaliśmy ten problem. W najnowszym baterii, po zastosowaniu nowego elektrolitu, może uwalniać większość tlenu pochłoniętej podczas rozładowania. Ponadto śledzimy również zużycie i wytwarzanie wodoru i wody podczas ładunku i rozładowania, ponieważ obecność tych dwóch substancji oznacza, że prawdopodobnie istnieje co najmniej jedna reakcja chemiczna w baterii. Nasz obecny jednostka baterii była w stanie osiągnąć 200 cykli ładowania i rozładowania, chociaż ma to na celu uczynienie faktycznego procesu ładowania znacznie mniejszym niż teoretyczne maksimum. Oprócz tego problemu mamy kilka kluczowych ustaleń na temat różnych elementów baterii litowo-powietrznej: 1. Elektroda dodatnia różni się od elektrody dodatniej wykonanej z grafitu w tradycyjnej baterii litowo -jonowej. W akumulatorze litowo-powietrznym elektroda dodatnia zawierająca lit zmieni pewną powierzchnię podczas procesu ładowania i rośnie pewna struktura podobna do mchu lub drzewa. To jest dendryt. Te dendryty są bardzo niebezpieczne, ponieważ mogą tworzyć przewodową pętlę między elektrodami dodatnimi i ujemnymi, aby utworzyć zwarcie. 
△ Elektroda dodatnia baterii litowo-powietrznej, po kilku dziesiątkach cykli powierzchnia wytwarza strukturę dendrytyczną
Aby zmniejszyć występowanie dendrytów, zastosowaliśmy specjalną błonę izolacyjną. Ten separator składa się z warstwy materiału zawierającego wiele porów nanoskali, które są wystarczająco małe i równomiernie rozmieszczone na błonie, aby umożliwić przejście jonów litowych i stłumienie produkcji dendrytycznej. Z powodu obecności tego separatora anoda pozostaje gładka po kilkuset cyklach ładunku. Jeśli zastosowano tradycyjny separator, dendryty wystąpią po kilku cyklach. Jeśli użyjesz szklanego polimeru z jonami przewodzącymi, efekt będzie lepszy. 
△ Elektroda dodatnia z baterii litowo-powietrznej, po użyciu nano-izolacyjnej folii, powierzchnia pozostaje gładka
2. Elektrolit stosowany obecnie w elektrolicie nadal reaguje z tlenem lub innymi związkami wytwarzanymi w cyklu ładunku i rozładowania, a zatem jest zużyty. Do tej pory nie znaleźliśmy żadnego rozpuszczalnika, który jest wystarczająco stabilny, aby umożliwić baterię litowo-powietrzną wejście na etap komercyjny. 3. Podczas procesu ładowania jony litowe mogą reagować z elektrodą ujemną w celu wytworzenia azotanu litu. Azotan litowy reaguje również z elektrolitem, zużywając elektrolit i wytwarzając dwutlenek węgla. W teście śledziliśmy również ilość wytwarzanego azotanu litu i podjęliśmy pewne środki w celu zmniejszenia jego produkcji. Ponieważ jednak wymagane napięcie ładowania musi być wyższe niż napięcie robocze baterii o co najmniej 700 mV. Przepięcie zmniejszy wydajność ładowania baterii. Próbowaliśmy przekształcić węgiel na inne tlenki metali, a wyniki niewiele się zmieniły. 4. Katalizatory dotyczące tego, czy używać katalizatorów w akumulatorach metali, odbyło się wiele debat między profesjonalistami a przeciwnikami. Zastosowanie katalizatora może znacznie zmniejszyć występowanie warunków nadciśnienia, ale ten sam katalizator ogólnie również przyspieszy zużycie elektrolitu. W naszych badaniach teoretycznych energia aktywacyjna jest bardzo niska w utlenianiu i redukcji litu. Dlatego w akumulatorach litowo-powietrznych katalizator nie jest konieczny. 5. Przygotowanie powietrza, chociaż akumulator nazywa się baterią powietrza litowego, w rzeczywistości używamy suchego tlenu. Nacisk kładziony jest na „suszenie”, ponieważ konieczne jest wyłącznie usuwanie składników pary wodnej i dwutlenku węgla w powietrzu. Aby masowo wytwarzać takie powietrze w komercyjnych akumulatorach, potrzebny jest lekki, wydajny i stabilny system oczyszczania powietrza. Z tej perspektywy praktyczne zastosowanie akumulatorów litowo-powietrznych może znajdować się w autobusach, ciężarówkach i innych dużych pojazdach. Tylko te duże pojazdy mogą pomieścić sprzęt do oczyszczania powietrza. Akumulator stosowany obecnie do testowania jest nadal mały, o średnicy 76 mm i długości 13 mm, co jest dalekie od standardu pojazdów elektrycznych. Tak więc jednym z najważniejszych zadań, które należy wykonać, jest wykonanie większych ogniw akumulatorowych, pakowania i pakowania wielu ogniw akumulatorowych w jednym pakiecie baterii, a następnie posiadanie systemu zarządzania akumulatorami. Testujemy również różne rozmiary, takie jak 100 x 100 mm (średnica 100 mm, długość 100 mm). Obecnie ten projekt jest nadal w początkowym podstawowym etapie naukowym na temat materiałów i reakcji chemicznych, ale uzyskane wyniki są pozytywne. W naszym badaniu gęstość energii, którą można teraz osiągnąć, to reakcja litu oksydowo -pozytywna wynosząca 15 kWh/kg (przy użyciu surowej katody węglowej, 5700 mAh x 2,7 v/g), a gęstość energii w komórce wynosi około 800 WH/kg . Akumulator sodu: niska gęstość energii, ale w stabilnych akumulatorach metal-powietrze istnieje wiele metali, które można zastosować, oprócz litu, sodu i potasu. Odwrotna reakcja tych metali jest łatwiejsza, a stosunkowo cięższe metale, takie jak magnez, aluminium, cynk, żelazo itp., Okazało się, że jest trudny do ładowania, więc projekt Battery 500 postanowił zbadać zarówno lit, jak i sód. metal. Akumulatory sodowo-powietrzne to kolejna interesująca kombinacja, chociaż gęstość energii, którą można osiągnąć, jest niższa w porównaniu z akumulatorami litowo-powietrznymi, ale ich zalety są bardziej stabilne. Powodem, dla którego gęstość energii jest niska, jest to, że generowana reakcja chemiczna jest inna. Jak wspomniano powyżej, w akumulatorach litowo-powietrznych litowo reaguje z tlenem w celu wytwarzania nadtlenku litu (LI2O2), ale w akumulatorach sodowych sód reaguje z tlenem przy użyciu tylko jednego elektronu, co powoduje, że nadtlenek sodu nao2. Zamiast nadtlenku sodu, Na2O2. Dla porównania, gęstość energii, którą może wytwarzać bateria sodu-powietrza, jest teoretycznie zmniejszona o połowę, a teoretyczna górna granica gęstości energii wynosi 1100 WH/kg. Z drugiej strony akumulatory sodu są bardziej wydajne niż akumulatory litowo-powietrzne, a przepięcie jest dość niskie, mniej niż 20 mV (700 mV dla litu). W związku z tym napięcie robocze jednostki akumulatorowej można zmniejszyć do 3 V, aby samoprzyubianie innych komponentów wewnątrz akumulatora można znacznie zmniejszyć, takie jak elektrolit. Zmierzyliśmy go eksperymentem i zweryfikowaliśmy. Ma to tę zaletę, że stabilność akumulatora jest dość wysoka, a pojemność baterii prawie nie zmienia się po 50 cyklach ładowania i rozładowania. Istnieją również pewne wyzwania w komercyjnym stosowaniu baterii sodu. Na przykład bateria sodowo-powietrzna zużywa dwa razy więcej tlenu niż akumulator litowo-powietrzny w odpowiedzi na reakcję, równoważną ilości powietrza wymaganego do wytworzenia silnika tłokowego o tej samej mocy. Ponadto aktywność chemiczna metalu sodu jest dość wysoka, a wiele osób zapamięta demonstrację nauczyciela chemii w klasie w szkole średniej. Niewielki kawałek sodu jest wrzucony do wody i nastąpi gwałtowna reakcja chemiczna. Jednak lit jest rzadkim metalem i nie jest tani. Ale sód jest wspólnym metalem, a koszt jest wyjątkowo niski. Koszt materiałów w tym samym rozmiarze baterii sodowo-powietrznej wynosi mniej niż jedną dziesiątą w akumulatorach litowo-powietrznych. Chociaż na dłuższą metę akumulatory litowo-powietrzne będą miały lepszą wydajność, ale biorąc pod uwagę stabilność i koszty, bateria sodowo-powietrzna, która nie jest tak niska, jak energia, będzie lepszym wyborem od obecnej baterii do przyszłości. 0 razy
Window._bd_share_config = {"common": {"bdsnskey": {}, "bdtext": "", "bdmini": "2", "bdminilist": false, "bdpic": "", "bdstyle": " 0 ",„ bdsize ”:„ 24 ”},„ share ”: {},„ image ”: {„ viewlist ”: [„ qzone ”,„ tsina ”,„ tqq ”,„ renren ”,„ Weixin ”], „ViewText”: „Udostępnij do:”, „ViewSize”: „16”}, „SelectShare”: {„BdContainerClass”: null, „bdselectminilist”: [„qzone”, „tsina”, „tqq”, „renren” , „Weixin”]}}; z (dokument) 0 [(getEntsByTagname („head”) [0] || body) .AppendChild (createElement ('script')). src = 'http: //bdimg.share. Baidu.com/static/api/js/share.js?v=89860593.js?cdnversion= ' + ~ (-New Date ()/36e5)];
