10 прорывных технологий

10 возможных конкурентов литий-ионным батареям

Современный мир работает на литиевых батареях. Многочисленные химические и новые технологии разрабатываются, чтобы противостоять ограничениям литий-ионных батарей, включая высокую стоимость, источники сырья и перегрев. Чикагская исследовательская фирма PreScouter недавно выпустила отчет, в котором подробно описываются 10 новых технологий производства аккумуляторов, которые могут разрушить рынок в течение следующего десятилетия и открыть новую волну высокопроизводительных аккумуляторов. Вот общий взгляд на результаты отчета, в том числе обзор этих технологий батарей, наиболее ценных для солнечной энергетики плюс хранения.

Десять технологий аккумуляторов, которые могут разрушить рынок солнечных батарей в ближайшие пять-десять лет. {Фото: PreScouter}

1. Аккумуляторы на основе кремния

В литий-ионных батареях традиционно используются графитовые аноды, но исследователи и компании в настоящее время уделяют внимание кремниевым анодам. Si-доминантные аноды могут связывать Li-ион в 25 раз больше, чем ионы графита. Однако эти батареи страдают от низкой электропроводности, низкой скорости диффузии и больших объемных колебаний в процессе литирования. Эти ограничения приводят к измельчению Si и нестабильности межфазной фазы твердого электролита (SEI).

Две основные стратегии были использованы для обхода этих проблем: нанотехнологии и углеродное покрытие. В первом способе используются различные нано-размерные Si-аноды, которые имеют большую площадь поверхности, улучшенную продолжительность цикла и стабильность по сравнению с объемными Si-анодами. Они также могут выдерживать литирование и делитирование без образования трещин. Углеродные покрытия используют комбинацию нано-размерного Si с различными формами углеродных материалов для генерации высокоэффективных Si / C нанокомпозитных анодов. В последнее время большой интерес представляет легированный углерод с гетероатомами в качестве покрывающих агентов. Легированные гетероатомом электроды Si-C связывают ионы Li сильнее, чем атомы углерода, что приводит к превосходным электрохимическим характеристикам при стабильной электропроводности.

Аккумуляторы на основе Si вызвали большой коммерческий интерес из-за их потенциала низких затрат и расширенных возможностей для автомобилей и смартфонов. Жесткая конкуренция со многими стартап-компаниями, включая Sila Nanotechnologies, Enovix, Angstron Materials и Enevate, для коммерциализации литий-ионных аккумуляторов с доминированием Si.

2. Комнатные натриево-серные (RT-NaS) батареи

Одной из наиболее перспективных альтернатив литий-серным батареям являются натриево-серные батареи из-за сходных физических и химических свойств ионов Na и Li. Однако для работы от батареи требуется высокая температура (> 300 ° C). В качестве многообещающей альтернативы недорогая система батарей RT-NaS вызвала большой исследовательский интерес для использования в крупномасштабных энергосистемах с повышенной безопасностью. Однако из-за сложных реакций в батарее батареи RT-NaS страдают от более низкой теоретической емкости.

Различные подходы были использованы в 2018 году для решения проблем батарей RT-NaS.

Команда исследователей из Массачусетского технологического института во главе с доктором Садоуем сосредоточилась на мембране, чтобы решить проблему хрупкой природы мембраны из керамики с бета-глиноземным керамическим электролитом между анодным и катодным компонентами RT-NaS. Они продемонстрировали, что стальная сетка, покрытая раствором нитрида титана, служит более прочным и гибким материалом для систем хранения промышленного масштаба. Этот подход открывает новые возможности для дизайна батарей, поскольку он может быть применен и к другим химическим составам батарей с расплавленным электродом.

Новый подход к аккумуляторным батареям. RT-NaS аккумулятор с металлической сетчатой ​​мембраной. Фото: MIT

Исследователи из Университета Вуллонгонг, Австралия, сосредоточились на разработке электродов. Они построили эффективный серный катод с атомным кобальтом, закрепленным в микропорах полых углеродных наносфер. Синтезированный катод продемонстрировал отличные электрохимические характеристики.

Схематическое изображение синтеза полого углерода, украшенного наночастицами кобальта. {Фото: Природа nature.com }

В недавнем исследовании, опубликованном в журнале «Природа», ученые использовали многофункциональный карбонатный электролит с высокими электрохимическими характеристиками и повышенной безопасностью. Этот подход может быть применен к широкому спектру систем перезаряжаемых аккумуляторов на основе Na для создания недорогих и высокопроизводительных устройств накопления энергии.

Схематическое изображение электролитов с обычным 1M NaTFSI в электролите ПК и (справа) 2MNaTFSI в ПК: FEC с добавочным электролитом InI3 10 мМ. {Фото: Природа nature.com}

Хотя батареи RT-NaS все еще находятся на ранней стадии разработки, такие компании, как Ambri, дочерняя компания из MIT, возглавляемая доктором Садоуэем, работают над улучшением конструкции батареи. Следующее поколение технологий накопления энергии на основе NaS может вскоре стать реальностью благодаря постоянным исследованиям и подходам, рассмотренным выше.

3. Протонные батареи

Многие исследования были посвящены созданию высокоэффективных топливных элементов с протонообменной мембраной (PEM). Однако жизнеспособность топливных элементов PEM была проблемой из-за их высокой стоимости, транспортировки и хранения газообразного водорода.

Команда исследователей из университета RMIT недавно сообщила о впервые технической осуществимости протонных батарей. Она состоит из двух частей: углеродного электрода для хранения водорода или протонов из воды и обратимого топливного элемента PEM для выработки электроэнергии из водорода. Конструкция батареи является инновационной, поскольку в ней используется активированный уголь для электрода, который является дешевым, достаточным и структурно стабильным для хранения водорода, а также небольшого объема жидкой кислоты внутри пористого материала, который проводит протоны к мембране обратимой ячейки и от нее. С этой батареей напряжение 1,8 В достижимо.

Новая концепция батареи, предложенная в 2014 году профессором Эндрюсом из RMIT. {Графический реферат из исследовательской работы профессора Эндрюса}

Несмотря на огромный шаг к эффективному производству энергии на водороде, до коммерциализации этой технологии еще далеко. Команда оценивает срок службы батареи в течение 5-10 лет. ABB Marine и Sintef Ocean также проводят испытания мегаваттной силовой установки для питания коммерческих и пассажирских судов с использованием водородных топливных элементов. Поскольку эти батареи вообще не требуют литий-ионных аккумуляторов, кроме использования платины в качестве катализатора, оставшиеся материалы недороги и обильны и поэтому могут стать основным конкурентом для существующих литий-ионных аккумуляторов.

4. Графитовые двухионные батареи

В последние годы двухионные батареи (DIB), в которых используются иные, чем литий, металлы, вызывают большой интерес к крупномасштабному стационарному хранению электроэнергии. Исследовательские усилия направлены на повышение плотности энергии DIB за счет увеличения ионного содержания электролита и способности электродов накапливать заряд.

Исследователи продемонстрировали новую литий-графитовую двухионную батарею с использованием графитового катода и калиевого анода, известную как графитовая двухионная батарея (GDIB). Полученные результаты были опубликованы в «Nature Communications». Команда определила комбинации электродов и электролитов без Li для DIB, чтобы увеличить плотность энергии элемента. Они использовали концентрированный раствор электролита, который продемонстрировал энергоэффективность наравне с литий-ионными батареями.

Используя электролиты с алюминиевой солью, исследовательская группа впервые разработала графит-графитовые двухионные батареи (GGDIB). Батарея является недорогой, экологически чистой и демонстрирует превосходную производительность цикла и скорости для будущих приложений накопления энергии.

В другом многообещающем подходе к DIB исследователи из Южно-Китайского технологического университета сообщили о разработке двухионной батареи Zn / графит. Из-за многих привлекательных особенностей ионного электролита, включая подавление образования дендритов на поверхности Zn, низкую летучесть, невоспламеняемость и высокую термостойкость, высокопроизводительные и безопасные Zn / графит-ионные аккумуляторы для промышленного применения могут скоро стать реальностью.

5. Алюминиево-ионные аккумуляторы

Обилие, недорогой, легкодоступный и дешевый алюминий исследуется в качестве потенциальной замены для литий-ионных батарей. Швейцарские исследователи из ETH Zurich разработали две новые технологии, которые являются ступенькой к коммерциализации аккумуляторов на основе алюминия.

Первый - это антикоррозийное покрытие, керамика из нитрида титана (TiN), для использования в этих батареях. Превосходная окислительная стабильность материалов с покрытием TiN позволила этим батареям достичь высокой плотности энергии, высокой кулоновской эффективности и высокой способности к циклированию. Благодаря превосходной коррозионной стойкости токосъемников TiN, они могут даже использоваться в качестве высоковольтных катодных материалов в Mg-, Na- или Li-ion батареях.

Другим многообещающим решением является использование полипиренов в качестве высокоэффективного катодного материала для ионно-ионных аккумуляторов. Эти батареи обычно используют катод на основе графита, который искажается из-за хлоралюминатных анионов. Использование заказных клеток, исследователи протестировали polypyrene и его производное поли (nitropyrene- со -пиреном) в качестве катодных материалов и обнаружили, что он хранит такое же количество энергии, как графитовый катод. Кроме того, полипирены предлагают множество других возможностей для разработки перезаряжаемых алюминиево-ионных батарей, включая низкую стоимость, высокую распространенность, масштабируемость производства, а также изменяемость состава и структуры.

Схема принципа работы алюминиевой аккумуляторной батареи при зарядке полипропиленовым катодом и хлоралюминатной ионной жидкостью. Передовые материалы

Эти исследования показывают большие перспективы в коммерциализации алюминиево-ионных батарей для использования в качестве недорогого решения для хранения в промышленности.

6. Никель-цинковые батареи

Никель-цинковые батареи - это экономичные, безопасные, нетоксичные, экологически чистые батареи, которые могут конкурировать с литий-ионными батареями для хранения энергии. Однако основным препятствием для коммерциализации является их низкий срок службы.

Чтобы решить эту проблему, китайские исследователи из Даляньского технологического университета разработали революционную технику резки на месте для улучшения характеристик Ni-Zn аккумуляторов путем решения проблемы растворения Zn-электрода и подавления образования дендритов. Команда разработала новый гибридный электрод графен-ZnO с технологией резки на месте, которая может разрезать графен непосредственно на короткие наноленты. Сильные межатомные взаимодействия закрепляют атомы Zn на поверхностях графена. Этот подход полностью устраняет проблемы растворения Zn-электрода, образования дендритов и производительности.

Благодаря постоянным исследованиям и подходам, применяемым компаниями, эти батареи демонстрируют огромный потенциал для широкого коммерческого применения электромобилей (электромобилей) и накопления энергии.

7. Калиево-ионные аккумуляторы

В последнее время было сделано много достижений, направленных на улучшение электрохимических характеристик калий-ионных батарей (KIB). Три, которые стоит отметить, перечислены ниже.

Группа исследователей из различных учреждений открыла новое семейство сотово-слоистых соединений с общей формулой K 2 M 2 TeO 6 (где M = Ni, Mg, Co и т. Д. Или комбинация по меньшей мере двух переходных металлов). Эти сотовые структурированные теллуратные соединения на основе калия подходят для высоковольтных катодных материалов и способны вводить ионы К в ионные жидкости, что делает их отличными кандидатами для разработки высокоэнергетических KIB.

Аналогичным образом, другая команда из Университета Вуллонгонга разработала высокоэффективный KIB с композитом из анодного слоя с малым слоем сульфида сурьмы / углеродного листа (SBS / C).

Другие многообещающие подходы включают фокусировку на синергетической комбинации электролита и электрода, а также разработку подходящих анодных материалов для создания высокоэффективного KIB.

Эти новые подходы помогут обойти ограничения подходящих субстратов-хозяев для интеркалирования ионов K и являются многообещающим шагом на пути привлечения промышленных инвестиций для коммерческих применений.

8. Аккумуляторы с соленой водой

Вода может проводить ионы и использоваться для формирования аккумуляторных батарей. Однако химическая стабильность воды сохраняется до 2,3 В, что в три раза меньше, чем у литий-ионных аккумуляторов, что ограничивает ее использование в электромобилях. Эти батареи могут быть пригодны для стационарного накопления энергии. Чтобы реализовать этот потенциал, исследователи из Швейцарского института исследования и исследования материалов (Empa) использовали специальную соль, называемую бис (фторсульфонил) имид натрия {bis(fluorosulfonyl)imide} (FSI), которая очень хорошо растворяется в воде. В солесодержащей жидкости все молекулы воды сконцентрированы вокруг катионов натрия в гидратной оболочке, в результате чего практически отсутствуют какие-либо несвязанные молекулы воды. Этот солевой раствор демонстрирует превосходную электрохимическую стабильность до 2,6 В., что в два раза выше, чем у других водных электролитов. Прототип показал многообещающие результаты в лаборатории и может выдержать несколько циклов зарядки-разрядки.

Аналогичным образом, исследователи из Стэнфорда разработали недорогую, долговечную батарею с соленой водой для хранения солнечной и ветровой энергии. Эти батареи просты в разработке, поскольку для каталитических реакций им нужны только сульфат марганца, вода, дешевая промышленная соль и электроды. Кроме того, химическая реакция хранит электроны в виде газообразного водорода для будущего использования, иллюстрируя его пригодность для применения в масштабе решетки. Производительность прототипа марганцево-водородной батареи может быть увеличена и показывает стабильную производительность до 10000 циклов и увеличенный срок службы. Аккумулятор находится в процессе патентования исследователями перед коммерческим применением. Это вызвало большой промышленный интерес, и компании, включая Aquion Energyработают, чтобы сделать более дешевые батареи для хранения на уровне сетки. BlueSky Energy использует технологию соленой воды Aquion для хранения солнечной энергии в жилых помещениях.

Хотя в настоящее время применение аккумуляторов с соленой водой ограничено, они все же предлагают ряд преимуществ, включая безопасность, низкую стоимость и нетоксичность, для использования в стационарных системах хранения.

9. Бумажные полимерные батареи

Микробные био-батареи на бумажной основе вызвали широкий интерес, поскольку они недороги, экологичны и самодостаточны. Они могут иметь огромное применение в биосенсорах и будущих электронных устройствах. Тем не менее, основным ограничением является низкая производительность.

Недавно Seokheun Choi и команда ученых разработали высокопроизводительную микробную батарею, изготовленную из биоразлагаемой бумажно-полимерной подложки. Поры бумаги содержали лиофилизированные электрические бактерии, способные экспортировать электроны в качестве побочного продукта дыхания. Для дальнейшего улучшения электрических характеристик команда включила в бумагу смесь биоразлагаемых полимеров. Эти гибридные бумажно-полимерные микробные топливные элементы демонстрируют повышенное соотношение мощности и стоимости при сроке годности около четырех недель без необходимости какого-либо дополнительного кондиционирования или микроорганизмов. Технология находится под заявкой на патент, и команда ищет промышленные инвестиции для коммерциализации. Дальнейшие улучшения в оптимизации конструкции могут предложить большую гибкость в использовании этих батарей для множества других применений.

10. Магниевые батареи

Батареи на основе магния могут конкурировать с литий-ионными в теории из-за более высокой плотности энергии. Однако батареи на основе Mg не перезаряжаются, поскольку для обратимой реакции требуется коррозийный электролит, который создает барьер для ионов Mg 2+.

Ученые из Национальной лаборатории возобновляемой энергии Министерства энергетики США впервые представили прототип перезаряжаемой батареи на основе магния. Они создали искусственный Mg 2+ -проводящий интерфейс на поверхности Mg-анода. Интерфейс защищает поверхность Mg-анода, обеспечивая возможность обратимого цикла топливного элемента Mg / V2O5 в водосодержащем электролите на основе карбоната. Стратегия значительно улучшает производительность батареи батарей на основе Mg.

В другом подходе группа исследователей из Массачусетского технологического института, Беркли и Аргоннской национальной лаборатории разработала твердотельный материал, который быстрее проводит ионы Mg, особенно в каркас тройной шпинельной халькогенида . Эта конструкция батареи требует дальнейших испытаний и исследований, чтобы войти в фазу коммерциализации.

Лучшие технологии для солнечных применений

Аккумуляторы, используемые для солнечных батарей, требуют нескольких характеристик помимо низкой стоимости. Емкость и номинальная мощность солнечных батарей будут зависеть от характеристик энергии и плотности мощности батарей. Кроме того, такие показатели, как глубина разряда, общий срок службы и эффективность батареи, будут иметь решающее значение при определении того, какие химические составы в конечном итоге будут работать для каких конкретных ниш / областей применения.

Стоимость против Производительности против Емкости. {PreScouter}

Хотя многие из перечисленных выше батарей находятся на ранней стадии разработки, они могут предложить недорогие альтернативы литий-ионным батареям для солнечных батарей с более длительным сроком службы и широким температурным диапазоном. Ni-Zn, Mg, Al-ион, NaS, графитовые DIB, KIB, протонные и соленой воды могут играть важную роль. Они подлежат вторичной переработке и являются предметом большого количества исследований, посвященных оптимизации химического состава без нежелательных побочных реакций. Как таковые, они предлагают большие перспективы для хранения данных с использованием возобновляемых источников энергии. Например, BlueSky Energy уже начала использовать соленые батареи для хранения солнечной энергии в жилых помещениях по ценам, сопоставимым с литий-ионными батареями.

Список аккумуляторных технологий, которые могут подойти для солнечных батарей. {Фото: PreScouter}

По материалам Статьи 10 disruptive battery technologies trying to compete with lithium-ion, By SPW