10 проривних технологій

10 можливих конкурентів літій-іонним батареям

Сучасний світ працює на літієвих батареях. Численні хімічні і нові технології розробляються, щоб протистояти обмеженням літій-іонних батарей, включаючи високу вартість, джерела сировини і перегрів. Чиказька дослідницька фірма PreScouter недавно випустила звіт, в якому детально описуються 10 нових технологій виробництва акумуляторів, які можуть зруйнувати ринок протягом наступного десятиліття і відкрити нову хвилю високопродуктивних акумуляторів. Ось загальний погляд на результати звіту, в тому числі огляд цих технологій батарей, найбільш цінних для сонячної енергетики плюс зберігання.

Десять технологій акумуляторів, які можуть зруйнувати ринок сонячних батарей в найближчі п'ять-десять років. {Фото: PreScouter}

1. Акумулятори на основі кремнію

В літій-іонних батареях традиційно використовуються графітові аноди, але дослідники та компанії в даний час приділяють увагу кремнієвим анодам. Si-домінантні аноди можуть пов'язувати Li-іон в 25 разів більше, ніж іони графіту. Однак ці батареї страждають від низької електропровідності, низькій швидкості дифузії та великих об'ємних коливань у процесі литирования. Ці обмеження призводять до подрібнення Si і нестабільності міжфазної фази твердого електроліту (SEI).

Дві основні стратегії були використані для обходу цих проблем: нанотехнології і вуглецеве покриття. У першому способі використовуються різні нано-розмірні Si-аноди, які мають велику площу поверхні, поліпшену тривалість циклу і стабільність у порівнянні з об'ємними Si-анодами. Вони також можуть витримувати литирование і делитирование без утворення тріщин. Вуглецеві покриття використовують комбінацію нано-розмірних Si з різними формами вуглецевих матеріалів для генерації високоефективних Si / C нанокомпозитних анодів. Останнім часом великий інтерес представляє легований вуглець з гетероатомами в якості покривають агентів. Леговані гетероатомом електроди Si-C зв'язують іони Li сильніше, ніж атоми вуглецю, що призводить до чудовим електрохімічних характеристик при стабільній електропровідності.

Акумулятори на основі Si викликали великий комерційний інтерес з-за їх потенціалу низьких витрат і розширених можливостей для автомобілів і смартфонів. Жорстка конкуренція з багатьма стартап-компаніями, включаючи Sila Nanotechnologies, Enovix, Angstron Materials і Enevate, для комерціалізації літій-іонних акумуляторів з домінуванням Si.

2. Кімнатні натрієво-сірчані (RT-NaS) батареї

Однією з найбільш перспективних альтернатив літій-сірчаним батареям є натрієво-сірчані батареї з-за подібних фізичних і хімічних властивостей іонів Na і Li. Однак для роботи від батареї потрібна висока температура (> 300 ° C). В якості перспективної альтернативи недорога система батарей RT-NaS викликала великий дослідницький інтерес для використання у великомасштабних енергосистемах з підвищеною безпекою. Однак з-за складних реакцій в батареї батареї RT-NaS страждають від більш низької теоретичної ємкості.

Різні підходи були використані в 2018 році для вирішення проблем батарей RT-NaS.

Команда дослідників з Массачусетського технологічного інституту на чолі з доктором Садоуем зосередилася на мембрані, щоб вирішити проблему крихкої природи мембрани з кераміки з бета-глиноземним керамічним електролітом між анодним і катодним компонентами RT-NaS. Вони продемонстрували, що сталева сітка, покрита розчином нітриду титану, служить більш міцним і гнучким матеріалом для систем зберігання промислового масштабу. Цей підхід відкриває нові можливості для дизайну батарей, оскільки він може бути застосований і до інших хімічних складів батарей з розплавленим електродом.

Новий підхід до акумуляторних батарей. RT-NaS акумулятор з металевої сітчастої мембраною. Фото: MIT

Дослідники з Університету Вуллонгонг, Австралія, зосередилися на розробці електродів. Вони побудували ефективний сірчаний катод з атомним кобальтом, закріпленим в мікропорах порожнистих вуглецевих наносфери. Синтезований катод продемонстрував відмінні електрохімічні характеристики.

Схематичне зображення синтезу полого вуглецю, прикрашеного наночастинками кобальту. {Фото: Природа nature.com }

У недавньому дослідженні, опублікованому в журналі «Природа», вчені використовували багатофункціональний карбонатний електроліт з високими електрохімічними характеристиками і підвищеною безпекою. Цей підхід може бути застосований до широкого спектру систем перезаряджаються акумуляторів на основі Na для створення недорогих і високопродуктивних пристроїв накопичення енергії.

Схематичне зображення електролітів з звичайним 1M NaTFSI в електроліті ПК і (праворуч) 2MNaTFSI у ПК: FEC з додатковим електролітом InI3 10 мМ. {Фото: Природа nature.com}

Хоча батареї RT-NaS все ще знаходяться на ранній стадії розробки, такі компанії, як Ambri, дочірня компанія з MIT, очолювана доктором Садоуэем, працюють над поліпшенням конструкції батареї. Наступне покоління технологій накопичення енергії на основі NaS може незабаром стати реальністю завдяки постійним дослідженням і підходів, розглянутих вище.

3. Протонні батареї

Багато досліджень було присвячено створенню високоефективних паливних елементів з протонообменной мембраною (PEM). Однак життєздатність паливних елементів PEM була проблемою з-за їх високої вартості, транспортування і зберігання газоподібного водню.

Команда дослідників з університету RMIT нещодавно повідомила про вперше технічної здійсненності протонних батарей. Вона складається з двох частин: вуглецевого електрода для зберігання водню або протонів з води і оборотного паливного елемента PEM для вироблення електроенергії з водню. Конструкція батареї є інноваційною, оскільки в ній використовується активоване вугілля для електрода, який є дешевим, достатнім і структурно стабільним для зберігання водню, а також невеликого об'єму рідкої кислоти всередині пористого матеріалу, який проводить протони до мембрани оборотної клітинки і від неї. З цією батареєю напруга 1,8 В досяжно.

Нова концепція батареї, запропонована в 2014 році професором Ендрюсом з RMIT. {Графічний реферат з дослідницької роботи професора Ендрюс}

Незважаючи на величезний крок до ефективного виробництва енергії на водні, до комерціалізації цієї технології ще далеко. Команда оцінює термін служби батареї протягом 5-10 років. ABB Marine і Sintef Ocean також проводять випробування мегаватної силової установки для живлення комерційних і пасажирських суден з використанням водневих паливних елементів. Оскільки ці батареї взагалі не вимагають літій-іонних акумуляторів, крім використання платини в якості каталізатора, що залишилися, матеріали недорогі, і сильні, і тому можуть стати основним конкурентом для існуючих літій-іонних акумуляторів.

4. Графітові двухионные батареї

В останні роки двухионные батареї (DIB), в яких використовуються інші, ніж літій, метали, викликають великий інтерес до великомасштабного стаціонарного зберігання електроенергії. Дослідницькі зусилля спрямовані на підвищення щільності енергії DIB за рахунок збільшення іонного змісту електроліту і здібності електродів накопичувати заряд.

Дослідники продемонстрували нову літій-графітову двухионную батарею з використанням графітового катода і калієвого анода, відому як графітова двухионная батарея (GDIB). Отримані результати були опубліковані в «Nature Communications». Команда визначила комбінації електродів і електролітів без Li для DIB, щоб збільшити щільність енергії елемента. Вони використовували концентрований розчин електроліту, який продемонстрував енергоефективність нарівні з літій-іонними батареями.

Використовуючи електроліти з алюмінієвої сіллю, дослідницька група вперше розробила графіт-графітові двухионные батареї (GGDIB). Батарея є недорогий, екологічно чистої і демонструє чудову продуктивність циклу і швидкості для майбутніх додатків накопичення енергії.

В іншому багатообіцяючому підході до DIB дослідники з Південно-Китайського технологічного університету повідомили про розробку двухионной батареї Zn / графіт. З-за багатьох привабливих особливостей іонного електроліту, включаючи пригнічення утворення дендритів на поверхні Zn, низьку летючість, невоспламеняемость і високу термостійкість, високопродуктивні та безпечні Zn / графіт-іонні акумулятори для промислового застосування можуть незабаром стати реальністю.

5. Алюмінієво-іонні акумулятори

Достаток, недорогий, доступний і дешевий алюміній досліджується в якості потенційної заміни для літій-іонних батарей. Швейцарські дослідники з ETH Zurich розробили дві нові технології, які є сходинкою до комерціалізації акумуляторів на основі алюмінію.

Перший - це антикорозійне покриття, кераміка з нітриду титану (TiN), для використання в цих батареях. Чудова окислювальна стабільність матеріалів з покриттям TiN дозволила цим батареям досягти високої щільності енергії, високої кулонівському ефективності і високої здатності до циклированию. Завдяки чудовій корозійної стійкості струмознімачів TiN, вони можуть використовуватися в якості високовольтних катодних матеріалів в Mg-Na - або Li-ion батареї.

Іншим перспективним рішенням є використання полипиренов в якості високоефективного катодного матеріалу для іонно-іонних акумуляторів. Ці батареї зазвичай використовують катод на основі графіту, який спотворюється із-за хлоралюминатных аніонів. Використання замовних клітин, дослідники протестували polypyrene і його похідне полі (nitropyrene - з -пиреном) в якості катодних матеріалів і виявили, що він зберігає таку ж кількість енергії, як графітовий катод. Крім того, полипирены пропонують безліч інших можливостей для розробки перезаряджаються алюмінієво-іонних батарей, включаючи низьку вартість, високу поширеність, масштабованість виробництва, а також змінність складу і структури.

Схема принципу роботи алюмінієвої акумуляторної батареї при зарядці поліпропіленовим катодом і хлоралюминатной іонної рідиною. Передові матеріали

Ці дослідження показують великі перспективи комерціалізації алюмінієво-іонних батарей для використання в якості недорогого рішення для зберігання в промисловості.

6. Нікель-цинкові батареї

Нікель-цинкові батареї - це економічні, безпечні, нетоксичних, екологічно чисті батареї, які можуть конкурувати з літій-іонними батареями для зберігання енергії. Проте основною перешкодою для комерціалізації є їх низький термін служби.

Щоб вирішити цю проблему, китайські дослідники з Даляньского технологічного університету розробили революційну техніку різання на місці для поліпшення характеристик Ni-Zn акумуляторів шляхом вирішення проблеми розчинення Zn-електрода і придушення утворення дендритів. Команда розробила новий гібридний електрод графен-ZnO з технологією різання на місці, яка може розрізати графен безпосередньо на короткі наноленты. Сильні міжатомні взаємодії закріплюють атоми Zn на поверхні графену. Цей підхід повністю усуває проблеми розчинення Zn-електрода, утворення дендритів і продуктивності.

Завдяки постійним дослідженням і підходам, застосовуваним компаніями, ці батареї демонструють величезний потенціал для широкого комерційного застосування електромобілів (електромобілів) і накопичення енергії.

7. Калієво-іонні акумулятори

В останній час було зроблено багато досягнень, спрямованих на поліпшення електрохімічних характеристик калій-іонних батарей (KIB). Три, які варто зазначити, перераховані нижче.

Група дослідників з різних установ відкрила нове сімейство сотово-шаруватих сполук із загальною формулою K 2 M 2 TeO 6 (де M = Ni, Mg, Co і т. Д. Або комбінація щонайменше двох перехідних металів). Ці стільникові структуровані теллуратные з'єднання на основі калію підходять для високовольтних катодних матеріалів і здатні вводити іони До іонні рідини, що робить їх відмінними кандидатами для розробки високоенергетичних KIB.

Аналогічним образом, інша команда з Університету Воллонгонг розробила високоефективний KIB з композитом з анодного шару з малим шаром сульфіду сурми / вуглецевого аркуша (SBS / C).

Інші перспективні підходи включають фокусування на синергетичної комбінації електроліту і електрода, а також розробку відповідних анодних матеріалів для створення високоефективного KIB.

Ці нові підходи допоможуть обійти обмеження відповідних субстратів-господарів для интеркалирования іонів K і є перспективним кроком на шляху залучення промислових інвестицій для комерційних застосувань.

8. Акумулятори з солоною водою

Вода може проводити іони і використовуватися для формування акумуляторних батарей. Проте хімічна стабільність води зберігається до 2,3 В, що в три рази менше, ніж у літій-іонних акумуляторів, що обмежує її використання в електромобілях. Ці батареї можуть бути придатні для стаціонарного накопичення енергії. Щоб реалізувати цей потенціал, дослідники з Швейцарського інституту дослідження і дослідження матеріалів (Empa) використовували спеціальну сіль, звану біс (фторсульфонил) імідж натрію {bis(fluorosulfonyl)imide} (FSI), яка дуже добре розчиняється у воді. У солесодержащей рідини всі молекули води сконцентровані навколо катіонів натрію в гідратної оболонки, в результаті чого практично відсутні які-небудь незв'язані молекули води. Цей сольовий розчин демонструє чудову електрохімічну стабільність до 2,6 Ст., що в два рази вище, ніж у інших водних електролітів. Прототип показав багатообіцяючі результати в лабораторії і може витримати кілька циклів зарядки-розрядки.

Аналогічним чином, дослідники з Стенфорда розробили недорогу, довговічну батарею з солоною водою для зберігання сонячної та вітрової енергії. Ці батареї прості в розробці, оскільки для каталітичних реакцій їм потрібні тільки сульфат марганцю, вода, дешева промислова сіль і електроди. Крім того, хімічна реакція зберігає електрони у вигляді газоподібного водню для майбутнього використання, ілюструючи його придатність для застосування в масштабі решітки. Продуктивність прототипу марганцево-водневої батареї може бути збільшена і показує стабільну продуктивність до 10000 циклів і збільшений термін служби. Акумулятор знаходиться в процесі патентування дослідниками перед комерційним застосуванням. Це викликало великий промисловий інтерес, і компанії, включаючи Aquion Епегдуработают, щоб зробити більш дешеві батареї для зберігання на рівні сітки. BlueSky Energy використовує технологію солоної води Aquion для зберігання сонячної енергії в житлових приміщеннях.

Хоча в даний час застосування акумуляторів з солоною водою обмежена, вони все ж пропонують ряд переваг, включаючи безпеку, низьку вартість і нетоксичність, для використання в стаціонарних системах зберігання.

9. Паперові полімерні батареї

Мікробні біо-батареї на паперовій основі викликали широкий інтерес, оскільки вони недорогі, екологічні і самодостатні. Вони можуть мати величезне застосування в биосенсорах і майбутніх електронних пристроях. Тим не менш, основним обмеженням є низька продуктивність.

Нещодавно Seokheun Choi і команда вчених розробили високопродуктивну мікробну батарею, виготовлений з біологічно розкладається паперово-полімерної підкладки. Пори паперу містили ліофілізовані електричні бактерії, здатні експортувати електрони в якості побічного продукту дихання. Для подальшого поліпшення електричних характеристик команда включила в папір суміш біорозкладаних полімерів. Ці гібридні паперово-полімерні мікробні паливні елементи демонструють підвищений співвідношення потужності і вартості при терміні придатності близько чотирьох тижнів, без необхідності будь-якого додаткового кондиціонування або мікроорганізмів. Технологія знаходиться під заявкою на патент, і команда шукає промислові інвестиції для комерціалізації. Подальші поліпшення в оптимізації конструкції можуть запропонувати більшу гнучкість у використанні цих батарей для багатьох інших застосувань.

10. Магнієві батареї

Батареї на основі магнію можуть конкурувати з літій-іонними в теорії з-за більш високої щільності енергії. Однак батареї на основі Mg не перезаряджаються, оскільки для оборотної реакції потрібно корозійний електроліт, який створює бар'єр для іонів Mg 2+.

Учені з Національної лабораторії відновлюваної енергії Міністерства енергетики США вперше представили прототип перезаряджається батареї на основі магнію. Вони створили штучний Mg 2+ -провідний інтерфейс на поверхні Mg-анода. Інтерфейс захищає поверхню Mg-анода, забезпечуючи можливість оборотного циклу паливного елемента Mg / V2O5 в водосодержащем електроліті на основі карбонату. Стратегія значно покращує продуктивність батареї батарей на основі Mg.

В іншому підході група дослідників з Массачусетського технологічного інституту, Берклі і Аргоннської національної лабораторії розробила твердотільний матеріал, який швидше проводить іони Mg, особливо в каркас потрійний шпинельной халькогенида . Ця конструкція батареї вимагає подальших випробувань і досліджень, щоб увійти у фазу комерціалізації.

Найкращі технології для сонячних застосувань

Акумулятори, що використовуються для сонячних батарей, вимагають декількох характеристик окрім низької вартості. Ємність номінальна потужність сонячних батарей будуть залежати від характеристик енергії і густини потужності батарей. Крім того, такі показники, як глибина розряду, загальний термін служби і ефективність батареї, будуть мати вирішальне значення при визначенні того, які хімічні склади в кінцевому підсумку будуть працювати для якихось конкретних ніш / областей застосування.

Вартість проти Продуктивності проти Ємності. {PreScouter}

Хоча багато хто з перерахованих вище батарей знаходяться на ранній стадії розробки, вони можуть запропонувати недорогі альтернативи літій-іонним батареям для сонячних батарей з більш тривалим терміном служби і широким температурним діапазоном. Ni-Zn, Mg, Al-іон, NaS, графітові DIB, KIB, протонні і солоної води можуть грати важливу роль. Вони підлягають вторинній переробці і є предметом великої кількості досліджень, присвячених оптимізації хімічного складу без небажаних побічних реакцій. Як такі, вони пропонують великі перспективи для зберігання даних з використанням відновлюваних джерел енергії. Наприклад, BlueSky Energy вже почала використовувати солоні батареї для зберігання сонячної енергії в житлових приміщеннях за цінами, порівнянними з літій-іонними батареями.

Список акумуляторних технологій, які можуть підійти для сонячних батарей. {Фото: PreScouter}

За матеріалами Статті 10 disruptive battery technologies trying to compete with lithium-ion, By SPW