Luați în considerare prima sursă actuală inventată de Volta și numită Galvani.

O reacție redox exclusiv poate servi ca sursă de curent în orice baterie. De fapt, acestea sunt două reacții: un atom este oxidat când pierde un electron. Primirea unui electron se numește restaurare. Adică reacția redox are loc în două puncte: unde și unde curg electronii.

Doi metale (electrozi) sunt scufundate într-o soluție apoasă a sărurilor lor de acid sulfuric. Metalul unui electrod este oxidat, iar celălalt este redus. Motivul reacției este că elementele unui electrod atrag electroni mai puternic decât elementele celuilalt. Într-o pereche de electrozi metalici Zn - Cu, ionul (nu un compus neutru) de cupru are o capacitate mai mare de a atrage electroni, prin urmare, atunci când există posibilitatea, electronul trece la o gazdă mai puternică, iar ionul de zinc este smuls printr-o soluție acidă într-un electrolit (o substanță conducătoare de ioni). Transferul de electroni se efectuează de-a lungul unui conductor printr-o rețea de alimentare externă. În paralel cu mișcarea unei sarcini negative în direcția opusă, ionii încărcați pozitiv (anioni) se deplasează prin electrolit (vezi video)

În toate CIT care preced Li-ion, electrolitul este un participant activ la reacțiile în curs
vezi principiul de funcționare al unei baterii plumb-acid

Eroare Galvani

Caracteristicile HIT

Tensiune - diferență de potențial. caracteristică energetică, care arată ce tip de energie eliberează o încărcătură unitară când merge de la anod la catod.

Energia este lucrarea care poate fi făcută pe un anumit HIT până când este complet descărcată. [J] sau
Puterea - rata de eliberare a energiei sau de lucru pe unitate de timp
Durabilitate sau Eficiența Coulomb- ce procent din capacitate se pierde iremediabil în timpul ciclului de încărcare-descărcare.

Toate caracteristicile sunt prezise teoretic, totuși, din cauza multor factori dificil de luat în considerare, cele mai multe caracteristici sunt rafinate experimental. Deci, toate pot fi prezise pentru un caz ideal bazat pe compoziția chimică, dar macrostructura are un impact uriaș atât asupra capacității, cât și asupra puterii și durabilității.

Deci durabilitatea și capacitatea depind într-o mare măsură atât de viteza de încărcare / descărcare, cât și de macrostructura electrodului.
Prin urmare, bateria nu este caracterizată de un singur parametru, ci de un set întreg pentru diferite moduri. De exemplu, tensiunea bateriei (energia de transfer a unei încărcări unitare **) poate fi estimată ca o primă aproximare (în etapa de evaluare a perspectivelor materialelor) din valori energiile de ionizare atomi de substanțe active în timpul oxidării și reducerii. Dar adevăratul sens este diferența chimică. potențiale, pentru măsurarea care, precum și pentru preluarea curbelor de sarcină / descărcare, este asamblată o celulă de testare cu un electrod testat și o referință.

Pentru electroliții pe bază de soluții apoase, se folosește un electrod de hidrogen standard. Pentru ionul de litiu, este litiu metalic.

* Energia de ionizare este energia care trebuie transmisă unui electron pentru a rupe legătura dintre acesta și atom. Adică, luată cu semnul opus, reprezintă energia legăturii, iar sistemul caută întotdeauna să minimizeze energia legăturii
** Energia unui singur transfer - energia de transfer a unei sarcini elementare 1,6e-19 [Q] * 1 [V] = 1,6e-19 [J] sau 1eV (electronvolt)

Baterii litiu-ion

Li este al treilea element din B, are o greutate atomică mică și o dimensiune mică. Datorită faptului că litiul începe, în plus, doar al doilea rând, dimensiunea atomului neutru este destul de mare, în timp ce dimensiunea ionului este foarte mică, mai mică decât dimensiunile atomilor de heliu și hidrogen, ceea ce îl face practic de neînlocuit în schema LIB. o altă consecință a celor de mai sus: electronul exterior (2s1) are o legătură neglijabilă cu nucleul și poate fi ușor pierdut (acest lucru se exprimă în faptul că litiul are cel mai mic potențial în raport cu electrodul de hidrogen P = -3,04V).

Principalele componente ale LIB

Electrolit

Anodi

• Conductivitate electronică și ionică ridicată (proces rapid de încorporare / extracție a litiului)
• Tensiune joasă cu electrod de testare (Li)
• Capacitate specifică mare
• Stabilitate ridicată a structurii anodice în timpul introducerii și extragerii litiului, care este responsabil pentru Coulomb

• Schimbați macrostructura structurii substanței anodice
• Reduceți porozitatea substanței
• Selectați un material nou.
• Aplicați materiale combinate
• Îmbunătățiți proprietățile limitei de fază cu electrolitul.

În general, anodii pentru LIB pot fi împărțiți în 3 grupe în funcție de modul în care litiul este plasat în structura sa:

Anodii sunt gazde. Grafit

Reacţie: Li 1-x C 6 + Li x ↔ LiC 6

Structura de grafit este capabilă să accepte maximum 1 atom de Li la 6 C, prin urmare, capacitatea maximă realizabilă este de 372 mAh / g (aceasta nu este atât o teorie cât o figură utilizată în general, deoarece aici este cel mai rar caz când ceva real depășește teoreticul, deoarece în practică ionii de litiu pot fi localizați nu numai în interiorul celulelor, ci și la fracturile boabelor de grafit)
Din 1991 electrodul de grafit a suferit multe modificări și, potrivit unor caracteristici, se pare ca material independent, și-a atins plafonul... Principalul domeniu de îmbunătățire este creșterea puterii, adică Tarife de descărcare / încărcare a bateriei. Sarcina creșterii puterii este în același timp sarcina creșterii durabilității, deoarece descărcarea / încărcarea rapidă a anodului duce la distrugerea structurii de grafit, „trasă” prin ea de către ioni de litiu. În plus față de tehnicile standard de creștere a puterii, care de obicei se reduc la o creștere a raportului suprafață / volum, este necesar să se noteze studiul proprietăților de difuzie ale monocristalului de grafit în diferite direcții ale rețelei de cristal, care arată că viteza de difuzie a litiului poate diferi cu 10 ordine de mărime.

K.S. Novoselov și A.K. Joc - câștigători ai Premiului Nobel pentru fizică 2010. Pionieri ai auto-utilizării grafenului
Laboratoarele Bell S.U.A. Brevetul 4.423.125
Asahi Chemical Ind. Brevetul Japoniei 1989293
Ube Industries Ltd. Brevetul SUA 6.033.809
Masaki Yoshio, Akiya Kozawa și Ralph J. Brodd. Știință și tehnologii ale bateriilor litiu-ion Springer 2009.
Difuzie de litiu în carbon grafitic Kristin Persson at.al. Phis. Chem. Scrisori 2010 / Laboratorul Național Lawrence Berkeley. 2010
Proprietăți structurale și electronice ale grafitului intercalat cu litiu LiC6, K. R. Kganyago, P. E. Ngoep Phis. Recenzie 2003.
Material activ pentru electrod negativ utilizat în bateria litiu-ion și metoda de fabricație a acestuia. Samsung Display Devices Co., Ltd. (KR) 09 / 923.908 2003
Efectul densității electrodului asupra performanței ciclului și pierderea ireversibilă a capacității pentru anodul de grafit natural în bateriile litiu-ion. Joongpyo Shim și Kathryn A. Striebel

Anodes Tin & Co. Aliaje

Li x + Sn (Si, Ge)<-->Li x Sn (Si, Ge) (x<=4.4)
Dificultatea principală și generală în utilizarea acestui grup de materiale este imensă, de la 357% la 400%, deformări volumetrice în timpul saturației cu litiu (în timpul încărcării), ducând la pierderi mari de capacitate datorate pierderii contactului cu colectorul de curent de către un parte a materialului anodic.

Poate că cel mai elaborat element al acestui grup este staniu:
fiind cea mai dificilă, oferă soluții mai dificile: capacitatea teoretică maximă a unui astfel de anod este de 960 mAh / g, dar compactă (7000 Ah / l -1960Ah / l *) depășind totuși anodii de carbon tradiționali cu 3 și 8 (2,7 * ) ori, respectiv.
Cele mai promițătoare sunt anodii pe bază de siliciu, care sunt teoretic (4200 mAh / g ~ 3590mAh / g) de peste 10 ori mai ușori și de 11 (3,14 *) ori mai compacți (9340 Ah / l ~ 2440 Ah / l *) decât grafitul cele.
Si nu are o conductivitate electronică și ionică suficientă, ceea ce face necesară căutarea unor mijloace suplimentare pentru creșterea puterii anodului
Ge, germaniu nu este menționat la fel de des ca Sn și Si, dar fiind intermediar, are o capacitate mare (1600 mAh / g ~ 2200 * Ah / l) și conductivitate ionică de 400 de ori mai mare decât Si, care poate depăși costul său ridicat în crearea de inginerie electrică de mare putere

Alături de deformări volumetrice mari, există o altă problemă:
pierderea capacității în primul ciclu datorită reacției ireversibile a litiului cu oxizii

SnO x + x2Li + -> xLi 2 O + Sn
xLi 2 O + Sn + yLi +<-->xLi 2 O + Li y Sn

Cu cât este mai mare, cu atât contactul electrodului cu aerul este mai mare (cu atât suprafața este mai mare, adică structura este mai fină)
Au fost dezvoltate o varietate de scheme care permit, într-un grad sau altul, să utilizeze marele potențial al acestor compuși, netezind deficiențele. Cu toate acestea, ca și avantajele:
Toate aceste materiale sunt utilizate în prezent în anodi combinați cu grafit, crescând caracteristicile acestora cu 20-30%.

* valorile corectate de autor sunt marcate, deoarece cifrele comune nu iau în considerare o creștere semnificativă a volumului și funcționează cu valoarea densității substanței active (înainte de saturația cu litiu), ceea ce înseamnă că acestea nu reflectă starea reală a lucrurilor deloc

Jumas, Jean-Claude, Lippens, Pierre-Emmanuel, Olivier-Fourcade, Josette, Robert, Florent Willmann, Patrick 2008
Cererea de brevet SUA 20080003502.
Chimia și structura Nexelion Sony
Materiale pentru electrozi Li-ion
J. Wolfenstine, J. L. Allen,
J. Read și D. Foster
Laboratorul Cercetării Armatei 2006.

Electrozi pentru bateriile Li-Ion - o nouă modalitate de a privi o problemă veche
Jurnalul Societății de Electrochimie, 155 "2" A158-A163 "2008".

Dezvoltări existente

Toate soluțiile existente la problema deformărilor mari ale anodului provin dintr-o singură considerație: la extindere, cauza tensiunilor mecanice este natura monolitică a sistemului: rupeți electrodul monolitic în multe structuri posibile mai mici, permițându-le să se extindă independent de fiecare.
Prima metodă, cea mai evidentă, este o măcinare simplă a substanței folosind un fel de suport care împiedică particulele să se unească în altele mai mari, precum și saturația amestecului rezultat cu agenți conductori electronic. O soluție similară ar putea fi urmărită în evoluția electrozilor de grafit. Această metodă a făcut posibilă realizarea unor progrese în creșterea capacității anodilor, dar cu toate acestea, până la potențialul maxim al materialelor luate în considerare, creșterea capacității (atât volumetrice, cât și de masă) a anodului cu ~ 10-30% (400 -550 mAh / g) la putere redusă
O metodă relativ timpurie de introducere a particulelor de staniu nanosizate (electroliză) pe suprafața sferelor de grafit,
O abordare ingenioasă și simplă a problemei a permis crearea unei baterii eficiente folosind o pulbere convențională obținută comercial de 1668 Ah / l
Următorul pas a fost trecerea de la microparticule la nanoparticule: bateriile de ultimă generație și prototipurile acestora examinează și formează structuri de materie la scară nanometrică, ceea ce a făcut posibilă creșterea capacității la 500-600 mAh / g ( ~ 600 Ah / l *) cu durabilitate acceptabilă

Unul dintre multele tipuri promițătoare de nanostructuri din electrozi este așa-numitul. configurația miez-miez, în care miezul este o sferă de diametru mic realizat din substanța de lucru, iar manta servește ca o „membrană” care împiedică împrăștierea particulelor și asigură comunicații electronice cu mediul. Utilizarea cuprului ca înveliș pentru nanoparticulele de staniu a arătat rezultate impresionante, prezentând o capacitate mare (800 mAh / g - 540 mAh / g *) pentru mai multe cicluri, precum și la curenți mari de încărcare / descărcare. În comparație cu carcasa de carbon (600 mAh / g), este același lucru pentru Si-C. Deoarece nanosferele sunt compuse în întregime dintr-o substanță activă, capacitatea sa volumetrică ar trebui recunoscută ca fiind una dintre cele mai mari (1740 Ah / l (* )))

După cum sa menționat, este necesar spațiu pentru extindere pentru a reduce efectele dăunătoare ale unei expansiuni bruște a substanței de lucru.
În ultimul an, cercetătorii au făcut progrese impresionante în crearea nanostructurilor funcționale: nano-tije
Jaephil Cho a obținut 2800 mAh / g putere redusă pentru 100 de cicluri și 2600 → 2400 la o putere mai mare utilizând o structură poroasă din silicon
precum și nanofibre stabile de Si acoperite cu un film de grafit de 40 nm, demonstrând 3400 → 2750 mAh / g (activ) după 200 de cicluri.
Yan Yao și colab. Sugerați utilizarea Si sub formă de sfere goale, obținând o durabilitate uimitoare: o capacitate inițială de 2725 mah / g (și doar 336 Ah / l (*)) când capacitatea scade după 700 de cicluri de mai puțin de 50%

În septembrie 2011, oamenii de știință de la Berkley Lab au anunțat crearea unui gel conductiv electronic stabil,
care ar putea revoluționa utilizarea materialelor din siliciu. Importanța acestei invenții poate fi cu greu supraevaluată: noul gel poate servi atât ca suport cât și ca conductor, prevenind coalescența nanoparticulelor și pierderea contactului. Permite utilizarea pulberilor industriale ieftine ca material activ și, conform instrucțiunilor creatorilor, este comparabilă ca preț cu suporturile tradiționale. Un electrod fabricat din materiale industriale (pulbere de nano de Si) oferă un nivel stabil de 1360 mAh / g și un nivel ridicat de 2100 Ah / l (*)

* - estimarea capacității reale calculate de autor (vezi anexa)
DOMNIȘOARĂ. Foster, C.E. Crouthamel, S.E. Wood, J. Phys. Chem., 1966
Jumas, Jean-Claude, Lippens, Pierre-Emmanuel, Olivier-Fourcade, Josette, Robert, Florent Willmann, Patrick 2008 Cerere de brevet SUA 20080003502.
Chimia și structura materialelor pentru electrozi Li-ion Sony Nexelion J. Wolfenstine, J. L. Allen, J. Read și D. Foster Army Research Laboratory 2006.
Anodi de baterie Li-Ion de mare capacitate folosind Ge Nanowires
Frezare cu bile Materiale compozite anod grafit / cositor în mediu lichid. Ke Wang 2007.
Compuși de tablă acoperiți fără electrolit pe amestec carbonos ca anod pentru bateria litiu-ion Journal of Power Sources 2009.
impactul Carbone-Shell asupra anodului compozit Sn-C pentru bateriile litiu-ion. Kiano Ren și colab. Ionics 2010.
Anoduri noi Core-Shell Sn-Cu pentru Li Rech. Bateriile, preparate prin redox-transmetalare reacționează. Materiale avansate. 2010
Core dublu-shell [e-mail protejat]@C nanocompozite ca materiale anodice pentru bateriile Li-ion Liwei Su și colab. ChemCom 2010.
Polimeri cu structură electronică personalizată pentru electrozi cu baterii de litiu de mare capacitate Gao Liu și colab. Adv. Mater. 2011, 23, 4679–4683
Nanosfere goale din silicon interconectate pentru anodi ai bateriei litiu-ion cu durată de viață lungă. Yan Yao și colab. Nano Letters 2011.
Materiale poroase anodice Si pentru baterii reîncărcabile cu litiu, Jaephil Cho. J. Mater. Chem., 2010, 20, 4009-4014
Electrozi pentru bateriile Li-Ion - O nouă modalitate de a privi o problemă veche Jurnalul Societății Electrochimice, 155 ͑2͒ A158-A163 ͑2008͒.
FIXE DE ACUMULATURI, brevet SUA 8062556 2006

Cerere

Estimarea capacității reale a nanoparticulelor de staniu acoperite cu cupru [e-mail protejat]

Raportul de volum al particulelor este cunoscut din articolul 1 la 3m




0,52 este raportul de ambalare a pulberii. În consecință, restul volumului din spatele suportului este de 0,48

Nanosfere. Raportul de ambalare.
capacitatea volumetrică redusă dată pentru nanosfere se datorează faptului că sferele sunt goale în interior și, prin urmare, raportul de ambalare al materialului activ este foarte scăzut

calea chiar va fi 0,1, pentru comparație pentru o pulbere simplă - 0,5 ... 07

Anodii de reacție de schimb. Oxizi metalici.

Câteva cuvinte despre nanofibre

Lucrările inspiratoare ale lui A. Belcher **, care sunt primii pași către o nouă eră a biotehnologiei, ar trebui notate separat și recomandate tuturor pentru familiarizare.
După ce a modificat virusul bacteriofagului, A. Belcher a reușit să construiască nanofibre pe baza sa la temperatura camerei, datorită unui proces biologic natural. Având în vedere claritatea structurală ridicată a acestor fibre, electrozii rezultați nu sunt doar ecologici, dar prezintă atât o compactare a fasciculului de fibre, cât și o funcționare semnificativ mai durabilă.

* - estimarea capacității reale calculate de autor (vezi anexa)
**
Angela Belcher este un om de știință remarcabil (chimist, electrochimist, microbiolog). Inventator al sintezei nanofibrelor și al ordonării acestora în electrozi prin intermediul culturilor de virus special crescute
(vezi interviu)

Cerere

Anod hibrid Co3O4 / grafen foarte reversibil pentru baterii reîncărcabile cu litiu. H. Kim și colab. CARBON 49 (2011) 326 –332
Oxid de grafen redus nanostructurat / compozit Fe2O3 ca material anodic de înaltă performanță pentru bateriile cu litiu-ion. ACSNANO VOL. 4 ▪ NU. 6 ▪ 3187–3194 ▪ 2010
Anodi de oxid metalic nanostructurat. A. C. Dillon. 2010
Un nou mod de a privi densitatea de însilozare a buncărului. R. E. Muck. U S Dairy Forage Research Centre Madison, Madison WI
Anodi de baterie Li Ion de mare capacitate folosind Ge Nanowires K. Chan et. al. NANO LETTERS 2008 Vol. 8, nr. 1 307-309
Tablouri nanopare Co3O4 mezopore pentru baterii litiu-ion cu capacitate mare și capacitate de viteză. Yanguang Li et. al. NANO LETTERS 2008 Vol. 8, nr. 1 265-270
Sinteza și asamblarea de virusuri permise de nanofire pentru electrozi cu baterii cu litiu-ion Ki Tae Nam, Angela M. Belcher și colab. www.sciencexpress.org / 06 aprilie 2006 / Pagina 1 / 10.1126 / science.112271
Anod de siliciu activat de virus pentru baterii litiu-ion. Xilin Chen și colab. ACS Nano, 2010, 4 (9), pp 5366-5372.
SCHEL VIRUS PENTRU BATERIE LITIU AUTO-ASAMBLATĂ, FLEXIBILĂ ȘI LUMINĂ, Belcher A. US 006121346 (A1) WO 2008124440 (A1)

Litiu Ion HIT. Catodii

O situație interesantă s-a dezvoltat în dezvoltarea și producția de catoduri de baterii Li-Ion. În 1979, John Goodenough și Mizuchima Koichi au brevetat catoduri de baterii Li-Ion cu o structură stratificată, cum ar fi LiMO2, care acoperă aproape toți catodii de baterii litiu-ion existenți.
Elemente cheie ale catodului
oxigenul, ca o legătură de legătură, o punte și, de asemenea, „agățat” de litiu cu norii săi de electroni.
Un metal de tranziție (adică un metal cu d-orbitali de valență), deoarece poate forma structuri cu un număr diferit de legături. Primii catoduri au folosit sulf TiS 2, dar apoi au trecut la oxigen, un element mai compact și, cel mai important, mai electronegativ, care oferă o legătură aproape complet ionică cu metalele. Structura stratificată a LiMO 2 (*) este cea mai comună și toate evoluțiile sunt construite în jurul a trei candidați M = Co, Ni, Mn și se uită constant la Fe foarte ieftin.

Cobalt, în ciuda multor lucruri, a capturat imediat Olympus și încă îl menține (90% din catoduri), dar datorită stabilității și corectitudinii ridicate a structurii stratificate cu 140 mAh / g, capacitatea LiCoO 2 a crescut la 160- 170mAh / g, datorită extinderii domeniului de tensiune. Dar, datorită rarității sale pentru Pământ, Co este prea scump, iar utilizarea sa în forma sa pură poate fi justificată doar în baterii mici, de exemplu, pentru telefoane. 90% din piață este ocupată de primul și până în prezent cel mai compact catod.
Nichel a fost și rămâne un material promițător care prezintă 190mA / g ridicat, dar este mult mai puțin stabil și o astfel de structură stratificată nu există în forma sa pură pentru Ni. Extracția Li din LiNiO 2 produce de aproape 2 ori mai multă căldură decât din LiCoO 2, ceea ce face ca utilizarea sa în această zonă să fie inacceptabilă.
Mangan... O altă structură bine studiată este cea inventată în 1992. Jean-Marie Tarasco, catod spinel oxid de mangan LiMn 2 O 4: cu o capacitate ușor mai mică, acest material este mult mai ieftin decât LiCoO 2 și LiNiO 2 și mult mai fiabil. Astăzi este o opțiune bună pentru vehiculele hibride. Dezvoltările recente sunt legate de alierea nichelului cu cobalt, care îmbunătățește semnificativ proprietățile sale structurale. S-a observat, de asemenea, o îmbunătățire semnificativă a stabilității la alierea Ni cu Mg inactiv electrochimic: LiNi 1-y Mg y O2. Multe aliaje LiMn x O 2x sunt cunoscute pentru catodii Li-ion.
Problema fundamentală- cum să crească capacitatea. Am văzut deja cu exemplul de staniu și siliciu că cel mai evident mod de a crește capacitatea este de a călători în sus pe tabelul periodic, dar, din păcate, nu există nimic deasupra metalelor de tranziție utilizate în prezent (imaginea din dreapta). Prin urmare, toate progresele din ultimii ani asociate cu catodii sunt în general asociate cu eliminarea neajunsurilor celor existente: o creștere a durabilității, o îmbunătățire a calității, studiul combinațiilor acestora (Fig. Deasupra în stânga)
Fier... De la începutul erei litiu-ion, s-au făcut multe încercări de a folosi fierul în catoduri, dar totul a fost fără rezultat. Deși LiFeO 2 ar fi un catod ideal ieftin și puternic, s-a demonstrat că Li nu poate fi extras din structură în domeniul de tensiune normal. Situația s-a schimbat radical în 1997 odată cu studiul proprietăților electrice ale Olivine LiFePO 4. Capacitate mare (170 mAh / g) aproximativ 3,4 V cu anod de litiu și nici o scădere gravă a capacității chiar și după câteva sute de cicluri. Pentru o lungă perioadă de timp, principalul dezavantaj al olivinei a fost conductivitatea slabă, care a limitat semnificativ puterea. Pentru a remedia situația, au fost întreprinse mișcări clasice (măcinarea cu acoperire de grafit), folosind un gel cu grafit, a fost posibil să se obțină o putere mare la 120mAh / g timp de 800 de cicluri. S-au făcut progrese cu adevărat extraordinare cu dopajul redus al Nb, crescând conductivitatea cu 8 ordine de mărime.
Totul sugerează că Olivine va deveni cel mai masiv material pentru vehiculele electrice. Pentru deținerea exclusivă a drepturilor asupra LiFePO 4, A123 Systems Inc. acționează în judecată de câțiva ani. și Black & Decker Corp, crezând nu fără motiv că este viitorul vehiculelor electrice. Nu vă mirați, dar brevetele sunt eliberate aceluiași căpitan al catodelor - John Goodenough.
Olivina a dovedit posibilitatea de a folosi materiale ieftine și a rupt un fel de platină. Gândul ingineresc s-a repezit imediat în spațiul format. De exemplu, înlocuirea sulfaților cu fluorofosfați este acum discutată activ, ceea ce va crește tensiunea cu 0,8 V, adică Creșteți energia și puterea cu 22%.
Amuzant: în timp ce există o dispută cu privire la drepturile de utilizare a olivinei, am dat peste mulți producători noname care oferă celule pe un catod nou,

* Toți acești compuși sunt stabili numai împreună cu litiu. Și, în consecință, sunt făcute cele deja saturate cu el. Prin urmare, atunci când cumpărați baterii bazate pe acestea, trebuie mai întâi să încărcați bateria depășind o parte din litiu în anod.
** Înțelegând dezvoltarea catodurilor bateriei litiu-ion, începeți involuntar să o percepeți ca pe un duel între doi giganți: John Goodenough și Jean-Marie Tarasco. Dacă Goodenough a brevetat primul său catod de succes fundamental în 1980 (LiCoO 2), atunci Dr. Trasko a răspuns doisprezece ani mai târziu (Mn 2 O 4). A doua realizare fundamentală a americanului a avut loc în 1997 (LiFePO 4), iar la mijlocul ultimului deceniu, francezul extinde ideea, introducând LiFeSO 4 F și lucrează la utilizarea electrozilor complet organici.
Goodenough, J. B.; Mizuchima, K. S.U.A. Brevetul 4.302.518, 1980.
Goodenough, J. B.; Mizushima, K. S.U.A. Brevetul 4.357.215, 1981.
Știință și tehnologii ale bateriilor litiu-ion. Masaki Yoshio, Ralph J. Brodd, Akiya Kozawa
Metodă de preparare a compușilor de intercalație LiMn2 O4 și utilizarea acestora în baterii secundare cu litiu. Barboux; Philippe Shokoohi; Frough K., Tarascon; Jean-Marie. Bell Communications Research, Inc. 1992 Brevet SUA 5.135.732.

Celulă electrochimică reîncărcabilă cu catod de disulfură de titan stoichiometrică Whittingham; M. Stanley. Brevetul SUA 4.084.046 1976
Kanno, R.; Shirane, T.; Inaba, Y.; Kawamoto, Y. J. Power Sources 1997, 68, 145.
Baterii cu litiu și materiale catodice. M. Stanley Whittingham Chem. Rev. 2004, 104, 4271-4301
Un electrod pozitiv de inserție pe bază de fluorosulfat de 3,6 V pentru baterii litiu-ion. N. Recham1, J-N. Chotard1, L. Dupont1, C. Delacourt1, W. Walker1,2, M. Armand1 și J-M. Tarascon. NATURĂ MATERIAL noiembrie 2009.

Cerere

Capacitatea catodilor este din nou definită ca sarcina maximă extrasă pe greutatea unei substanțe, de exemplu un grup
Li 1-x MO 2 + Li + + e - ---> Li x MO 2

De exemplu pentru Co

la gradul de extracție Li x = 0,5, capacitatea substanței va fi

În prezent, o îmbunătățire a procesului tehnic a făcut posibilă creșterea ratei de extracție și atingerea 160mAh / g
Dar, desigur, majoritatea pulberilor de pe piață nu ating aceste valori.

Era organică.
La începutul revizuirii, am numit reducerea poluării mediului ca unul dintre principalii factori motori ai tranziției către vehiculele electrice. Luați, de exemplu, o mașină hibridă modernă: cu siguranță arde mai puțin combustibil, dar atunci când produce o baterie de 1 kWh arde aproximativ 387 kWh de hidrocarburi. Desigur, o astfel de mașină emite mai puțini poluanți, dar încă nu există scăpare din gazul cu efect de seră în timpul producției (70-100 kg CO 2 la 1 kWh). În plus, într-o societate modernă de consum, bunurile nu sunt utilizate până când nu se epuizează resursele lor. Adică, perioada pentru „recuperarea” acestui împrumut de energie nu este lungă, iar eliminarea bateriilor moderne este costisitoare și nu este întotdeauna disponibilă. Astfel, eficiența energetică a bateriilor moderne este încă în discuție.
Recent, au existat mai multe biotehnologii încurajatoare care fac posibilă sintetizarea electrozilor la temperatura camerei. A. Belcher (viruși), J.M. Tarasco (utilizarea bacteriilor).

Un exemplu excelent de biomaterial atât de promițător este oxocarbonul litizat - Li 2 C 6 O 6 (Radisonat de litiu), care, având capacitatea de a găzdui reversibil până la patru Li pe formulă, a arătat o capacitate gravimetrică mare, dar din moment ce reducerea este asociată cu legături pi, este oarecum mai mic în -potențial (2,4 V). În mod similar, alte inele aromatice sunt considerate ca bază pentru un electrod pozitiv, precum și raportarea unei ușurări semnificative a bateriilor.
Principalul „dezavantaj” al oricăror compuși organici este densitatea lor scăzută, deoarece toată chimia organică se ocupă de elementele ușoare C, H, O și N. Pentru a înțelege cât de promițătoare este această direcție, este suficient să spunem că aceste substanțe pot fi obținute din mere și porumb și, de asemenea, sunt ușor de utilizat și prelucrat.
Radisonatul de litiu ar fi deja considerat cel mai promițător catod pentru industria auto, dacă nu pentru densitatea limitată de curent (putere) și cel mai promițător pentru electronica portabilă, dacă nu pentru densitatea scăzută a materialului (capacitate vol. Redusă) (Fig. ). Între timp, acesta este încă doar unul dintre cele mai promițătoare domenii de lucru.

În fiecare an, numărul de dispozitive din lume care sunt alimentate cu baterii reîncărcabile crește constant. Nu este un secret faptul că bateriile sunt cea mai slabă verigă a dispozitivelor moderne. Trebuie reîncărcate în mod regulat, nu au o capacitate atât de mare. Bateriile reîncărcabile existente vă permit cu greu să realizați o funcționare autonomă a unei tablete sau a unui computer mobil timp de câteva zile.

Prin urmare, producătorii de vehicule electrice, tablete și smartphone-uri caută astăzi modalități de a stoca cantități semnificative de energie în volume mai compacte ale bateriei. În ciuda diferitelor cerințe pentru bateriile pentru vehiculele electrice și dispozitivele mobile, paralele pot fi ușor trasate între cele două. În special, celebra mașină electrică Tesla Roadster este alimentată de o baterie litiu-ion dezvoltată special pentru laptopuri. Este adevărat, pentru a furniza energie electrică unei mașini sport, inginerii au trebuit să folosească mai mult de șase mii de baterii în același timp.

Fie că este vorba de un vehicul electric sau de un dispozitiv mobil, cerințele universale pentru bateria viitorului sunt clare - trebuie să fie mai mic, mai ușor și să stocheze mult mai multă energie. Ce evoluții promițătoare în acest domeniu pot satisface aceste cerințe?

Baterii litiu-ion și litiu-polimer

Baterie Li-ion pentru cameră

Astăzi, bateriile litiu-ion și litiu-polimer sunt cele mai utilizate pe dispozitivele mobile. În ceea ce privește bateriile litiu-ion (Li-Ion), acestea au fost produse de la începutul anilor 90. Principalul lor avantaj este o densitate de energie destul de mare, adică capacitatea de a stoca o anumită cantitate de energie pe unitate de masă. În plus, astfel de baterii nu au notoriu „efect de memorie” și au o descărcare de sine relativ scăzută.

Utilizarea litiului este destul de justificată, deoarece acest element are un potențial electrochimic ridicat. Dezavantajul tuturor bateriilor litiu-ion, dintre care există de fapt un număr mare de tipuri, este îmbătrânirea destul de rapidă a bateriei, adică o scădere bruscă a performanței în timpul depozitării sau utilizării pe termen lung a bateriei. În plus, potențialul de capacitate al bateriilor moderne litiu-ion pare să fie aproape epuizat.

Alte dezvoltări ale tehnologiei litiu-ion sunt sursele de alimentare litiu-polimer (Li-Pol). Folosesc un material solid în locul unui electrolit lichid. Comparativ cu predecesorul său, bateriile litiu-polimer au o densitate de energie mai mare. În plus, acum era posibilă fabricarea bateriilor în aproape orice formă (tehnologia litiu-ion necesită doar o carcasă cilindrică sau dreptunghiulară). Astfel de baterii sunt de dimensiuni mici, ceea ce le permite să fie utilizate cu succes pe diferite dispozitive mobile.

Cu toate acestea, aspectul bateriilor litiu-polimer nu a schimbat în mod fundamental situația, în special, deoarece aceste baterii nu sunt capabile să furnizeze curenți mari de descărcare, iar capacitatea lor specifică este încă insuficientă pentru a salva omenirea de nevoia de a reîncărca în mod constant dispozitivele mobile. În plus, bateriile litiu-polimer sunt destul de "capricioase" în funcționare, au o rezistență insuficientă și au tendința de a lua foc.

Tehnologii avansate

În ultimii ani, oamenii de știință și cercetătorii din diferite țări au lucrat activ pentru a crea tehnologii mai avansate ale bateriilor care să le înlocuiască pe cele existente în viitorul apropiat. În acest sens, pot fi identificate mai multe dintre cele mai promițătoare zone:

- Baterii cu sulf de litiu (Li-S)

Bateria litiu-sulf este o tehnologie promițătoare, capacitatea energetică a unei astfel de baterii este de două ori mai mare decât a bateriilor litiu-ion. Dar, în teorie, ar putea fi chiar mai mare. Într-o astfel de sursă de energie, se folosește un catod lichid cu un conținut de sulf, în timp ce este separat de electrolit printr-o membrană specială. Capacitatea specifică a crescut semnificativ datorită interacțiunii anodului de litiu și a catodului care conține sulf. Prima probă a unei astfel de baterii a apărut în 2004. De atunci, s-au făcut unele progrese, datorită cărora bateria îmbunătățită litiu-sulf este capabilă să reziste la o mie și jumătate de mii de cicluri de încărcare-descărcare complete, fără pierderi grave de capacitate.

Avantajele acestei baterii includ, de asemenea, posibilitatea utilizării într-o gamă largă de temperaturi, nu este nevoie să utilizați componente de protecție întărite și un cost relativ scăzut. Un fapt interesant - datorită utilizării unei astfel de baterii, în 2008 a fost stabilit recordul pentru durata zborului pe un avion alimentat cu baterii solare. Dar pentru producția în masă a unei baterii litiu-sulf, oamenii de știință trebuie să rezolve încă două probleme principale. Este necesar să se găsească o modalitate eficientă de utilizare a sulfului, precum și să se asigure funcționarea stabilă a sursei de energie în condiții de schimbare a condițiilor de temperatură sau umiditate.

- Baterii cu sulf de magneziu (Mg / S)

Bateriile bazate pe o combinație de magneziu și sulf pot, de asemenea, ocoli bateriile tradiționale cu litiu. Este adevărat, până de curând, nimeni nu putea asigura interacțiunea acestor elemente într-o singură celulă. Bateria de magneziu-sulf în sine arată foarte interesantă, deoarece densitatea sa de energie poate ajunge la mai mult de 4000 Wh / l. Nu cu mult timp în urmă, datorită cercetătorilor americani, se pare că a fost posibil să se rezolve problema principală cu care se confruntă dezvoltarea bateriilor cu magneziu-sulf. Faptul este că pentru perechea de magneziu și sulf nu a existat un electrolit adecvat compatibil cu aceste elemente chimice.

Cu toate acestea, oamenii de știință au reușit să creeze un astfel de electrolit acceptabil datorită formării particulelor cristaline speciale care asigură stabilizarea electrolitului. O probă dintr-o baterie de magneziu-sulf include un anod de magneziu, un separator, un catod de sulf și un nou electrolit. Cu toate acestea, acesta este doar primul pas. Din păcate, un eșantion promițător nu este încă durabil.

- Baterii ion fluor

O altă sursă de energie interesantă care a apărut în ultimii ani. Aici, anionii de fluor sunt responsabili pentru transferul de sarcină între electrozi. În acest caz, anodul și catodul conțin metale care sunt transformate (în conformitate cu direcția curentului) în fluoruri sau reduse înapoi. Aceasta oferă o capacitate semnificativă a bateriei. Oamenii de știință susțin că astfel de surse de energie au o densitate de energie care este de zeci de ori mai mare decât capacitățile bateriilor litiu-ion. În plus față de capacitatea lor semnificativă, noile baterii se laudă și cu un pericol de incendiu semnificativ mai mic.

Multe opțiuni au fost încercate pentru rolul bazei unui electrolit solid, dar alegerea s-a bazat în cele din urmă pe lantanul de bariu. În timp ce tehnologia ionilor de fluor pare a fi o soluție foarte promițătoare, nu este lipsită de dezavantajele sale. La urma urmei, un electrolit solid poate funcționa stabil doar la temperaturi ridicate. Prin urmare, cercetătorii se confruntă cu sarcina de a găsi un electrolit lichid care poate funcționa cu succes la temperatura camerei obișnuită.

- Baterii litiu-aer (Li-O2)

În zilele noastre, omenirea se străduiește să utilizeze surse de energie „mai curate” asociate cu generarea de energie din soare, vânt sau apă. În acest sens, bateriile litiu-aer par a fi foarte interesante. În primul rând, sunt considerați de mulți experți ca viitorul vehiculelor electrice, dar în timp pot găsi aplicații pe dispozitive mobile. Aceste surse de alimentare au capacități foarte mari și sunt de dimensiuni relativ mici. Principiul muncii lor este după cum urmează: în loc de oxizi metalici, carbonul este utilizat în electrodul pozitiv, care intră într-o reacție chimică cu aerul, în urma căruia se creează un curent. Adică, oxigenul este parțial utilizat pentru a genera energie.

Utilizarea oxigenului ca material activ al catodului are avantajele sale semnificative, deoarece este un element aproape inepuizabil și, cel mai important, este preluat din mediu absolut gratuit. Se crede că densitatea energetică a bateriilor litiu-aer poate atinge un impresionant 10.000 Wh / kg. Poate că, în viitorul apropiat, astfel de baterii vor putea pune vehiculele electrice la egalitate cu mașinile pe benzină. Apropo, bateriile de acest tip, lansate pentru gadgeturi mobile, pot fi deja găsite la vânzare sub numele PolyPlus.

- Baterii nanofosfat de litiu

Sursele de alimentare cu nanofosfat de litiu sunt următoarea generație de baterii litiu-ion cu eficiență ridicată a curentului și încărcare ultrarapidă. Durează doar cincisprezece minute pentru a încărca complet o astfel de baterie. De asemenea, permit cicluri de zece ori mai mari decât celulele litiu-ion standard. Aceste caracteristici au fost realizate prin utilizarea nanoparticulelor speciale capabile să asigure un flux de ioni mai intens.

Avantajele bateriilor cu litiu-nanofosfat includ, de asemenea, auto-descărcare redusă, fără „efect de memorie” și capacitatea de a lucra într-un interval larg de temperaturi. Bateriile cu nanofosfat de litiu sunt deja disponibile comercial și sunt utilizate pentru anumite tipuri de dispozitive, dar proliferarea lor este împiedicată de necesitatea unui încărcător special și a unei greutăți mai mari în comparație cu bateriile moderne litiu-ion sau litiu-polimer.

De fapt, există mult mai multe tehnologii promițătoare în domeniul creării bateriilor de stocare. Oamenii de știință și cercetătorii lucrează nu numai pentru a crea soluții fundamental noi, ci și pentru a îmbunătăți performanța bateriilor litiu-ion existente. De exemplu, prin utilizarea nanofirelor de siliciu sau dezvoltarea unui nou electrod cu o capacitate unică de „auto-vindecare”. În orice caz, ziua nu este departe când telefoanele noastre și alte dispozitive mobile vor trăi săptămâni întregi cu o singură încărcare.

Consumul specific de energie al bateriilor moderne litiu-ion atinge 200 W * h / kg. În medie, acest lucru este suficient doar pentru 150 de kilometri fără reîncărcare, ceea ce nu poate fi comparat cu kilometrajul la o realimentare a mașinilor cu un motor convențional cu ardere internă. Pentru ca vehiculele electrice să devină obișnuite, acestea trebuie să aibă un kilometraj comparabil. Pentru a face acest lucru, trebuie să aduceți capacitatea specifică de energie a bateriilor la cel puțin 350-400 W * h / kg. Tipurile promițătoare de baterii descrise mai jos îl vor putea furniza, deși în fiecare caz există „daruri”.

Bateriile cu litiu-sulf se disting printr-o capacitate specifică mare, ceea ce este o consecință a faptului că în procesul unei reacții chimice, fiecare moleculă renunță nu la unul, ci la doi electroni liberi. Energia lor teoretică specifică este de 2600 W * h / kg. În plus, astfel de baterii sunt semnificativ mai ieftine și mai sigure decât bateriile litiu-ion.

Bateria Li-S de bază este formată dintr-un anod de litiu, un catod de sulf de carbon și un electrolit prin care trec ionii de litiu. În timpul descărcării, are loc o reacție chimică, în timpul căreia litiul anodului este transformat în sulfură de litiu, care se depune pe catod. Tensiunea bateriei este cuprinsă între 1,7 și 2,5 V, în funcție de descărcarea bateriei. Polisulfurile de litiu generate în timpul reacției afectează tensiunea bateriei.

Reacția chimică din baterie este însoțită de o serie de efecte secundare negative. Când sulful catodic absoarbe ionii de litiu din electrolit, se formează sulfura de litiu Li 2 S, care se depune pe catod. În același timp, volumul său crește cu 76%. În timpul încărcării, are loc o reacție inversă, ceea ce duce la o scădere a dimensiunii catodului. Ca rezultat, catodul se confruntă cu suprasolicitări mecanice semnificative, ceea ce duce la deteriorarea acestuia și pierderea contactului cu colectorul de curent. În plus, Li 2 S degradează contactul electric din catod între sulf și carbon (calea prin care se mișcă electronii) și previne fluxul ionilor de litiu către suprafața sulfului.

O altă problemă este legată de faptul că în timpul reacției dintre sulf și litiu, Li 2 S nu se formează imediat, ci printr-o serie de transformări, în timpul cărora se formează polisulfuri (Li 2 S 8, Li 2 S 6 etc.) . Dar dacă sulful și Li 2 S sunt insolubili în electrolit, atunci polisulfurile, dimpotrivă, se dizolvă. Acest lucru duce la o scădere treptată a cantității de sulf pe catod. O altă problemă este apariția rugozității pe suprafața anodului de litiu în timpul trecerii curenților mari de descărcare și încărcare. Toate acestea, luate împreună, au condus la faptul că o astfel de baterie nu poate rezista la mai mult de 50-60 cicluri de descărcare-încărcare și a făcut-o nepotrivită pentru o utilizare practică.

Cu toate acestea, cele mai recente evoluții ale americanilor din Laboratorul Național. Lawrence la Berkeley a reușit să depășească aceste neajunsuri. Au creat un catod unic realizat dintr-un material nanocompozit (grafen și oxid de sulf), a cărui integritate este menținută folosind un strat de polimer elastic. Prin urmare, o modificare a dimensiunilor catodului în timpul încărcării de descărcare nu duce la distrugerea acestuia. Un surfactant (surfactant) este utilizat pentru a proteja sulful de dizolvare. Deoarece surfactantul este cationic (adică este atras de suprafața stratului de sulf), acesta nu împiedică anionii de litiu să reacționeze cu sulf, dar nu permite polisulfidelor formate în acest caz să se dizolve în electrolit, păstrându-le sub stratul său. Un nou electrolit a fost, de asemenea, dezvoltat pe baza unui lichid ionic în care polisulfurile nu se dizolvă. Lichid ionic și mult mai sigur - nu arde și cu greu se evaporă.

Ca urmare a tuturor inovațiilor descrise, performanța bateriei este semnificativ crescută. Energia sa inițială specifică este de 500 W * h / kg, care este de peste două ori mai mare decât a bateriilor Li-ion. După 1500 de cicluri de încărcare de descărcare de 20 de ore (C = 0,05), energia sa specifică a scăzut la nivelul unei baterii Li-ion proaspete. După 1500 de cicluri de 1 oră (C = 1), scăderea a fost de 40-50%, dar bateria era încă funcțională. Când bateria a fost testată la putere mare, supunând-o unui ciclu de descărcare-încărcare de 10 minute (C = 6), chiar și după 150 de astfel de cicluri, energia sa specifică a depășit-o pe cea a unei baterii Li-ion proaspete.

Prețul estimat al unei astfel de baterii Li-S nu va depăși 100 USD pentru fiecare kWh de capacitate. Multe dintre inovațiile propuse de echipa de cercetare Berkeley pot fi utilizate pentru îmbunătățirea bateriilor Li-ion existente. Pentru a crea un design practic al bateriei LiS, dezvoltatorii caută parteneri care vor finanța dezvoltarea finală a bateriei.

Baterii cu titanat de litiu

Cea mai mare problemă cu bateriile litiu-ion moderne este eficiența redusă, în primul rând datorită faptului că materialele de stocare a energiei ocupă doar 25% din volumul bateriei. Restul de 75% sunt materiale inerte: carcasă, filme conductoare, lipici etc. Din acest motiv, bateriile moderne sunt prea voluminoase și scumpe. Noua tehnologie implică o reducere semnificativă a materialelor „reziduale” în proiectarea bateriilor.

Cele mai noi baterii litiu-titanat au contribuit la depășirea unui alt dezavantaj al bateriilor Li-ion - fragilitatea și timpul de reîncărcare. În cursul cercetării, s-a constatat că, atunci când se încarcă cu curenți mari, ionii de litiu sunt forțați să „vadă” între microplăcile de grafit, distrugând astfel treptat electrozii. Prin urmare, grafitul din electrozi a fost înlocuit cu structuri de nanoparticule de titanat de litiu. Acestea nu interferează cu mișcarea ionilor, ceea ce a dus în cele din urmă la o creștere fantastică a duratei de viață - peste 15.000 de cicluri pe parcursul a 12 ani! Timpul de încărcare este redus de la 6-8 ore la 10-15 minute. Avantajele suplimentare sunt stabilitatea termică și toxicitatea mai mică.

Experții estimează că noile baterii vor avea o densitate de energie de două ori mai mare decât cele mai bune baterii litiu-ion disponibile în prezent. Astfel, cu o autonomie constantă a mașinii electrice, bateria acestuia va fi mai ușoară și, cu aceeași greutate, autonomia va fi semnificativ mărită. Dacă noua baterie poate fi pusă în producție, kilometrajul vehiculelor electrice compacte (care nu pot fi echipate cu o baterie mare și grea) va crește în medie de la 150 km la 300 km cu o singură încărcare. În același timp, noile baterii vor fi la jumătate din prețul celor actuale - doar 250 USD pe kW / h.

Baterii de aer cu litiu

Tehnologia nu stă pe loc, iar oamenii de știință lucrează deja la crearea unui design practic pentru o baterie litiu-aer (LiO 2). Capacitatea sa de energie teoretică este de 8-10 ori mai mare decât cea a litiului-ion. Pentru a reduce greutatea bateriei, menținând sau chiar crescând capacitatea sa, oamenii de știință au propus o soluție radicală - respingerea catodului tradițional: litiul va interacționa direct cu oxigenul din aer. Datorită catodului de aer catalitic, este de așteptat nu numai creșterea capacității energetice a bateriei, ci și reducerea volumului și greutății acesteia cu aproape aceeași cantitate.

Pentru producția în masă, tehnologia litiu-aer necesită soluționarea multor probleme tehnice și științifice, inclusiv crearea unui catalizator eficient, a unui anod de litiu și a unui electrolit solid stabil capabil să funcționeze la temperaturi scăzute (până la -50C). În plus, este necesar să se dezvolte o tehnică pentru aplicarea unui catalizator pe suprafața catodului, să se creeze o membrană care să împiedice pătrunderea oxigenului în anodul de litiu și, de asemenea, să se dezvolte metode pentru fabricarea electrozilor poroși speciali.

Odată cu dezvoltarea tehnologiei, dispozitivele sunt făcute mai compacte, funcționale și mobile. Meritul unei asemenea perfecțiuni baterii reîncărcabile care alimentează dispozitivul. Tot timpul, au fost inventate multe tipuri diferite de baterii, care au propriile avantaje și dezavantaje.

S-ar părea că o tehnologie promițătoare acum un deceniu ion litiu bateriile nu mai îndeplinesc cerințele progresului modern pentru dispozitivele mobile. Nu sunt suficient de puternici și îmbătrânesc rapid cu utilizarea frecventă sau depozitare pe termen lung. De atunci, au fost dezvoltate subtipuri de baterii cu litiu, cum ar fi fosfat de litiu-fier, polimer de litiu și altele.

Dar știința nu stă pe loc și caută noi modalități de a conserva mai bine energia electrică. De exemplu, sunt inventate alte tipuri de baterii.

Baterii cu litiu sulf (Li-S)

Litiu sulfuric tehnologia vă permite să obțineți baterii și o capacitate de energie de două ori mai mare decât cea a părinților lor litiu-ionici. Acest tip de baterie poate fi reîncărcat de până la 1500 de ori fără pierderi semnificative de capacitate. Avantajul bateriei constă în tehnologia și structura de fabricație, care utilizează un catod lichid cu un conținut de sulf, în timp ce este separat de anod printr-o membrană specială.

Bateriile cu litiu sulf pot fi utilizate într-un interval de temperatură destul de larg, iar costul lor de producție este destul de scăzut. Pentru utilizarea în masă, este necesar să se elimine lipsa producției, și anume utilizarea sulfului, care este dăunător mediului.

Baterii cu sulf de magneziu (Mg / S)

Până de curând, nu a fost posibilă combinarea utilizărilor sulf și magneziuîntr-o singură celulă, dar nu cu mult timp în urmă oamenii de știință au putut face acest lucru. Pentru ca aceștia să funcționeze, a fost necesar să inventeze un electrolit care să funcționeze cu ambele elemente.

Datorită invenției unui nou electrolit datorită formării particulelor cristaline care îl stabilizează. Din păcate, prototipul nu este durabil în acest moment și, probabil, astfel de baterii nu vor intra în producție.

Baterii ion fluor

Pentru a transfera sarcini între catod și anod, astfel de baterii folosesc anioni fluor. Acest tip de baterie are o capacitate care este de zeci de ori mai mare decât cea a bateriilor convenționale litiu-ion și are, de asemenea, un risc mai mic de incendiu. Electrolitul se bazează pe lantanul de bariu.

S-ar părea că dezvoltarea bateriilor este o direcție promițătoare, dar nu este lipsită de dezavantajele sale.Un obstacol foarte serios în calea utilizării în masă este funcționarea bateriei doar la temperaturi foarte ridicate.

Baterii de aer cu litiu (Li-O2)

Alături de progresele tehnologice, omenirea se gândește deja la ecologia noastră și caută surse de energie din ce în ce mai curate. V aer de litiuÎn baterii, în loc de oxizi metalici din electrolit, se folosește carbon, care reacționează cu aerul pentru a crea un curent electric.

Densitatea energiei este de până la 10 kWh / kg, ceea ce le permite să fie utilizate în vehicule electrice și dispozitive mobile. Se așteaptă să apară în curând pentru utilizatorul final.

Baterii de nanofosfat de litiu

Acest tip de baterie este următoarea generație de baterii litiu-ion, printre avantajele cărora se numără o rată ridicată de încărcare și o capacitate de ieșire de curent ridicată. O încărcare completă, de exemplu, durează aproximativ 15 minute.

Noua tehnologie de utilizare a nanoparticulelor speciale capabile să asigure un flux mai rapid de ioni face posibilă creșterea numărului de cicluri de încărcare - descărcare de 10 ori! Desigur, au o descărcare de sine slabă și nu există niciun efect de memorie. Din păcate, utilizarea pe scară largă este împiedicată de greutatea mare a bateriilor și de necesitatea unei încărcări speciale.

Ca o concluzie, se poate spune un lucru. În curând vom vedea utilizarea pe scară largă a vehiculelor și gadgeturilor electrice care pot funcționa pentru perioade foarte lungi de timp fără a fi reîncărcate.

Știri Electro:

Producătorul auto BMW a prezentat versiunea sa de bicicletă electrică. Bicicleta electrică BMW este echipată cu un motor electric (250 W). Accelerație de până la 25 km / h.

Luând o sută în 2,8 secunde pe o mașină electrică? Se spune că actualizarea P85D reduce timpul de accelerație de la 0 la 100 de kilometri pe oră de la 3,2 secunde la 2,8 secunde.

Inginerii spanioli au dezvoltat o baterie care poate conduce mai mult de 1000 km! Este cu 77% mai ieftin și se taxează în doar 8 minute

Ecologia consumului Știință și tehnologie: Viitorul transportului electric depinde în mare măsură de îmbunătățirea bateriilor - acestea trebuie să cântărească mai puțin, să se încarce mai repede și să producă totuși mai multă energie.

Viitorul vehiculelor electrice depinde în mare măsură de bateriile îmbunătățite - acestea trebuie să cântărească mai puțin, să se încarce mai repede și să producă totuși mai multă energie. Oamenii de știință au obținut deja unele rezultate. O echipă de ingineri a creat baterii litiu-oxigen care nu irosesc energie și pot dura câteva decenii. Și un om de știință australian a dezvăluit un supercondensator pe bază de grafen care poate fi încărcat de un milion de ori fără a pierde eficiența.

Bateriile cu litiu-oxigen sunt ușoare și generează multă energie și ar putea fi accesorii ideale pentru vehiculele electrice. Dar astfel de baterii au un dezavantaj semnificativ - se uzează rapid și eliberează prea multă energie sub formă de căldură irosită. O nouă dezvoltare a oamenilor de știință de la MIT, Argonne National Laboratory și Peking University promite să rezolve această problemă.

Dezvoltate de o echipă de ingineri, bateriile litiu-oxigen folosesc nanoparticule care conțin litiu și oxigen. În acest caz, când stările se schimbă, oxigenul este reținut în interiorul particulei și nu revine la faza gazoasă. Acest lucru este în contrast cu bateriile litiu-aer, care preiau oxigenul din aer și îl eliberează în atmosferă în timpul unei reacții inverse. Noua abordare vă permite să reduceți pierderile de energie (cantitatea de tensiune electrică este redusă de aproape 5 ori) și să măriți durata de viață a bateriei.

Tehnologia litiu-oxigen este, de asemenea, bine adaptată la condițiile lumii reale, spre deosebire de sistemele litiu-aer, care se deteriorează atunci când sunt expuse la umiditate și CO2. În plus, bateriile cu litiu și oxigen sunt protejate de supraîncărcare - de îndată ce există prea multă energie, bateria trece la un alt tip de reacție.

Oamenii de știință au efectuat 120 de cicluri de încărcare-descărcare, în timp ce performanța a scăzut cu doar 2%.

Până în prezent, oamenii de știință au creat doar o baterie prototip, dar în termen de un an intenționează să dezvolte un prototip. Acest lucru nu necesită materiale scumpe, iar producția este foarte asemănătoare cu producția de baterii litiu-ion tradiționale. Dacă proiectul este implementat, atunci în viitorul apropiat, vehiculele electrice vor stoca de două ori mai multă energie pentru aceeași masă.

Un inginer de la Universitatea de Tehnologie Swinburne din Australia a rezolvat o altă problemă cu bateriile - cât de repede se reîncarcă. Supercondensatorul dezvoltat de el se încarcă aproape instantaneu și poate fi folosit mulți ani fără pierderea eficienței.

Han Lin a folosit grafen, unul dintre cele mai rezistente materiale până în prezent. Datorită structurii sale de tip fagure, grafenul are o suprafață mare pentru stocarea energiei. Omul de știință are plăci grafene imprimate 3D - această metodă de producție vă permite, de asemenea, să reduceți costurile și să măriți scara.

Supercondensatorul creat de omul de știință produce aceeași cantitate de energie pe kilogram de greutate ca o baterie litiu-ion, dar se încarcă în câteva secunde. Mai mult, în loc de litiu, folosește grafen, care este mult mai ieftin. Potrivit lui Han Lin, un supercondensator poate parcurge milioane de cicluri de încărcare fără a pierde calitatea.

Domeniul producției de baterii nu se oprește. Frații Kreisel din Austria au creat un nou tip de baterie care cântărește aproape jumătate din dimensiunea bateriilor din Tesla Model S.

Oamenii de știință norvegieni de la Universitatea din Oslo au inventat o baterie care poate fi alimentată complet. Cu toate acestea, dezvoltarea lor este destinată transportului public urban, care face opriri în mod regulat - la fiecare dintre ele autobuzul va fi reîncărcat și va fi suficientă energie pentru a ajunge la următoarea stație.

Oamenii de știință de la Universitatea din California, Irvine, s-au apropiat de crearea unei baterii perpetue. Au dezvoltat o baterie nanowire care poate fi reîncărcată de sute de mii de ori.

Și inginerii de la Universitatea Rice au reușit să creeze unul care funcționează la o temperatură de 150 de grade Celsius fără a pierde eficiența. publicat