في الآونة الأخيرة ، حفز تطوير البحوث الهامة بشكل كبير مجال تخزين الطاقة الكهروكيميائية ، أحدهما من جامعة إلينوي في شيكاغو (UIC) ، ومختبر أرغون الوطني وجامعة ولاية كاليفورنيا الشمالية. ريدج لوس (جامعة ولاية كاليفورنيا، ونورث) ونشر فريق بحث مشترك مقال نشر في مجلة "الطبيعة" -
انها حققت نجاحا يمكن إعادة تدويرها أكثر من 700 مرة في الغلاف الجوي الهواء بطاريات ليثيوم الهواء مماثلة، بطاريات ليثيوم الهواء قبل ان يكسر فقط استخدام الأكسجين النقي، ودورة حياة قصيرة من القيود، ترك الناس ترى هذا لديه الطاقة النظرية عالية جدا تستبدل البطارية الكثافة أيونات الليثيوم الموجودة ، مخترقة إمكانات عنق الزجاجة السيارة الأميال.
ما هي بطارية ليثيوم الهواء؟ بطاريات ليثيوم الهواء وبطاريات ليثيوم أيون ما هو الفرق؟ لماذا بطارية ليثيوم الهواء من هذا الاختراق المهم جدا؟ هذا هو أول من ليثيوم أيون كثافة الطاقة بطارية ليست عالية لماذا الحديث.
بطاريات الليثيوم أيون هي حتى الآن الأكثر نجاحا في بطارية قابلة للشحن. ومن دعا "بطارية ليثيوم أيون"، لأنه في البطارية، سواء توجيه الاتهام او تصريفها، وأيونات الليثيوم (لي +) ذهابا وإيابا بين القطبين لتشكيل ليثيوم أيون الحالي يصل الحاجة سطح القطب منها "جزءا لا يتجزأ"، وأنه من الضروري ترك "deintercalating" لضمان حسن "جزءا لا يتجزأ من - deintercalation". رد فعل، الأنود من بطارية ليثيوم أيون عادة الغرافيت والكاثود عموما من مركب من الليثيوم. على سبيل المثال، في الوقت الراهن الأكثر شعبية في الكاثود "ثلاثة يوان الليثيوم" والبطاريات، بالإضافة إلى عناصر الليثيوم، ولكن أيضا النيكل والكوبالت والمنغنيز ثلاثة المعادن العناصر التي تشكل معا مركب من النيكل والكوبالت والمنغنيز والمنجنيز (LiNi 0.3شركة 0.3مليون 0.3O2) ، والنيكل والكوبالت والمنغنيز أثقل بكثير من الليثيوم.
لذلك ، في بطارية ليثيوم أيون ، على الرغم من أن أيون الليثيوم واحد فقط مع الكتلة الذرية النسبية من 3 (واحد قريب من كتلة ذرة الكربون هو واحد إلى ثاني عشر) يمكن أن تحمل وحدة واحدة من تهمة ، الكاثود هو مركب الليثيوم التي تشكل حاجة يتطلب أثقل بكثير من النيكل والكوبالت والمنغنيز والحديد والفوسفور وذرات الكربون يذهب "تخزين" هو أيون الليثيوم. هذه النتائج في شحنة موجبة إلى وحدة، وسوف تقدم فقط في القطب السالب 1 والكتلة الجزيئية النسبية من 100 قد تكون قريبة من "عملاق" بالإضافة إلى وزن الأنود وغيرها من المواد والهياكل، وكثافة الطاقة من بطاريات ليثيوم أيون لا تذهب دائما. هذا هو السبب، ونصف طن تحمل بطارية ليثيوم أيون في المركبات الكهربائية ، فإن نطاق المبحرة أقل بكثير من السيارة العادية مع بضع عشرات من اللترولين من البنزين.
FIG شو في بطارية ليثيوم أيون، من أجل مستقر "الإسكان" يحمل شحنة الليثيوم أيون (الكرة الرمادية في الرسم)، وعدد كبير من المشاركة الهياكل الأخرى، مثل مركب الليثيوم (الأزرق والأحمر هيكل ثلاثي الأبعاد) والغرافيت ( هيكل الأحمر الطبقات)، الكتلة الذرية النسبية لهذه العناصر هي أكبر بكثير من الليثيوم، مما أدى إلى كثافة الطاقة من بطارية ليثيوم أيون دائما محدودة. في بطاريات الليثيوم الهواء المثالية، فإن كل عنصر من هذه العناصر ليس من الضروري فقط معدن الليثيوم والأكسجين في الهواء يمكن!
تختلف بطاريات الليثيوم الهوائية ، وعلى عكس بطاريات الليثيوم أيون ، التي تتطلب مركبات الليثيوم وأقطاب الجرافيت ، يمكن لبطاريات الليثيوم الهوائية أن تستخدم بشكل مباشر معدن الليثيوم (Li) والأكسجين في الهواء (O 2في حالة مثالية ، عندما يتم تفريغ البطارية ، يولد بيروكسيد الليثيوم أكسيد الليثيوم من الأكسجين العنصري (Li) 2O2)، توليد تيار في الدائرة الخارجية، ثم تقسيمها إلى الليثيوم بيروكسيد يثيوم قابلة للشحن والأكسجين عندما العملية برمتها من دون كتلة كبيرة من العناصر الأخرى المعنية، والقطب السالب يمكن استخدامها مباشرة أو حتى وزن يعتد به وتكلفة باستثناء الهواء.!
لذلك ، يمكن لبطاريات الليثيوم الهوائية أن تحقق كثافة طاقة أعلى بكثير من بطاريات أيونات الليثيوم ، وفي الواقع ، لأن الليثيوم هو أخف عنصر معدني في الجدول الدوري ، يكون الأكسجين من الهواء ، وبطاريات الليثيوم الهوائية لديها كهرباء. أعلى كثافة طاقة نظرية في البطاريات الكيميائية - وبعبارة أخرى ، فإن كتلة بطاريات الليثيوم الهوائية يمكنها تخزين وإطلاق طاقة أكثر من جميع وسائط تخزين الطاقة الكهروكيميائية الأخرى.
غير السائلة ليثيوم - كثافة الطاقة النظرية للبطارية الهواء تصل إلى 12kWh / كغ، من 5 إلى 10 مرات بطاريات ليثيوم أيون التقليدية والبنزين تقريبا عن 13kWh / كغ إذا يمكن بطاريات الليثيوم الهواء مماثلة في نهاية المطاف إلى السوق. كما سيكون للمركبات الكهربائية نفس المدى المبحر مثل مركبات البنزين ، والتي ستكسر تماما عنق الزجاجة لنطاق الإبحار الذي تسببه كثافة الطاقة المنخفضة لبطاريات الليثيوم أيون ، والتي تعد ذات أهمية كبيرة لتطوير الطاقة النظيفة في المستقبل.
ومع ذلك ، فهذه كلها تحليلات نظرية ، وليس من السهل إنجاز مثل هذا الوضع المثالي.
وقبل ذلك، الكاثود الهواء يمكن أن يعرف بطارية ليثيوم الهواء، ولكن كلها تعتمد على بيئة الأكسجين النقي، وهذا لأنه، بالإضافة إلى الأكسجين والهواء والنيتروجين وثاني أكسيد الكربون، ستشارك بخار الماء في رد الفعل، بحيث تصبح عملية جدا إن أكسدة الليثيوم anodic ، وتفاعل أيونات الليثيوم الكاثودية مع ثاني أكسيد الكربون وبخار الماء في الهواء يولدان منتجات ثانوية غير مرغوبة.
منذ القطب، المنحل بالكهرباء على التفاعلات الكيميائية الأخرى، والخصائص الكيميائية للمعدن الليثيوم والأكسجين أكثر نشاطا، فإن دورة الحياة للبطارية الهواء الليثيوم قصير جدا. وعلاوة على ذلك، الأوكسجين في الهواء المحيط يتطلب يجب أن تكون مجهزة استخدام الليثيوم مع وسائل تخزين الأكسجين، على سبيل المثال اسطوانة الأكسجين هائلة، والذي يسمح بطارية الليثيوم الهواء مباشرة عالية كثافة الطاقة الأكسجين كبيرة وثقيلة دبابات تجانس، ويعتمد على قدرة البطارية أيضا على قدرة زجاجة الأوكسجين. وعلاوة على ذلك، إذا كنت تريد كهربائي تستخدم بطاريات الليثيوم الهوائية في السيارات ، وزيادات الأكسجين ، بالإضافة إلى الزيادة الكبيرة في الوزن ، ستزيد من المخاطر الأمنية.
في الواقع، إن لم يكن بسبب العوائق المذكورة أعلاه، بطارية ليثيوم أيون ليست بعيدة باستخدام القطب معقدة من بطاريات ليثيوم الهواء كما لا يمكن الحصول عليها إلكترود بسبب الاستخدام المباشر للمعدن الليثيوم مادة بسيطة في الهواء مباشرة الأكسجين المطلوبة، بعض العلماء حتى تماما تسمى بطارية الليثيوم الهوائية "بطارية ليثيوم الأكسجين".
بعد سنوات من التنمية، كانت هذه القضايا مثل سحابة سوداء معلقة على بطارية ليثيوم الهواء، ناهيك عن بطاريات ليثيوم أيون إلى السوق والمنافسة، وحتى جامعة إلينوي في شيكاغو، ارجون المختبر الوطني وجامعة شمال ولاية كاليفورنيا جلبت اختراق مدرسة لينغ سطوع الأمل لهذا الأداء الممتاز الذي لا يوجد إلا من الناحية النظرية.
لحل الليثيوم - بطارية الهواء خطأ فادح، فمن الضروري إيجاد وسيلة لمنع المواد الكيميائية المختلفة الواردة في الهواء - النيتروجين وثاني أكسيد الكربون وبخار الماء وغيرها من المكونات المشاركة في هذه التفاعلات الجانبية لها ردود فعل الجانب الكهربائي، أيونات الليثيوم، والكهارل . تأثير، وإنتاج المنتجات الثانوية غير المرغوب فيها الباحثون معالجة هذه القضية، واستخدام المحاكاة الحاسوبية (الكثافة الوظيفية تحليل) طريقة والدراسات التجريبية إجراء البحوث المتعمقة، وأخيرا، وجدوا جوابا: في القطب معدن الليثيوم إضافة طبقة واقية.
جوهر التكنولوجيا هو أنه في الأنود ، فإنها تضيف طبقة من كربونات الليثيوم / الكربون (LiCO 3/ C) تكوين طلاء واقية كثيفة.
عملية الطلاء بسيطة على نحو غير عادي: يمر معدن الليثيوم وثاني أكسيد الكربون خلال 10 دورات من الشحن والتفريغ ، ويمكن إتمام تفاعل كيميائي على سطح القطب ، وسوف تمنع كربونات الليثيوم دخول مركبات أخرى غير أيونات الليثيوم ، وبالتالي حماية الأنود. من أجزاء أخرى من مجموعة من الأوكسجين في الهواء بينما الضرر في الغلاف الجوي، وكربونات الليثيوم لا رد الفعل عفويا مع بخار الماء والهواء، وبالتالي فإن طبقة واقية قد لا تشارك في التفاعلات الكيميائية للبطارية، وليس دمرت. في الطلاءات الواقية، والليثيوم واحدة دورة الاحتفاظ نسبة تصل إلى 99.97٪، أفضل بكثير من بطارية ليثيوم الهواء غير المصقول.
الرقم protection طبقة حماية أنود كثيفة (شريط مقياس: الخط الأخضر في الشكل هو 1 ميكرومتر في الطول)
الرقم يمر عبر لي
2CO
3 جزيئات الأكسجين المغلفة
لاختبار أداء هذه البطارية ، استخدم الباحثون ثاني كبريتيد الموليبدينوم (MoS) الذي سبق ذكره في دراسات أخرى. 2) Nanosheet بمثابة الكاثود وباستخدام رباعي فلوروبورات 1-إيثيل-3-methylimidazolium (رباعي فلوروبورات 1-إيثيل-3-methylimidazolium، EMIM-BF4) وسلفوكسيد ثنائي ميثيل (ثنائي ميثيل سلفوكسيد، DMSO ) أخلاط منها كما بالكهرباء في العمل من القطب الموجب، الكاثود، المنحل بالكهرباء، ويتم وضع البطارية الليثيوم الهواء في بيئة الهواء محاكاة --79٪ نيتروجين و 21٪ أكسجين 500PPM ثاني أكسيد الكربون، و 45٪ نسبي الرطوبة ودرجة الحرارة 25 درجة مئوية
بعد الاختبار، وبعد 700 دورات الشحن والتفريغ، وبطارية ليثيوم-هواء هي لا يحدث الفشل. وهذا يؤدي من كثير من الناس من المتوقع، وحتى بعض من التكنولوجيا قد وصلت البطارية التجارية الناضجة (البطاريات على سبيل المثال، الرصاص والحامض) دورة الحياة.
وبالتالي فإن الفريق إلى الاستنتاج: "محمية الموجب الليثيوم، المنحل بالكهرباء وخليط من أداء الكاثود الهواء، والعمل معا تحت الظروف الجوية محاكاة، يمكن تحسين فعالية الليثيوم - دورة مرات بطارية الهواء."
وفي الوقت نفسه، تواصل ارجون المختبر الوطني لهذا التفاعل خلية نفذت المحاكاة الحاسوبية لتعزيز فهم آلية رد الفعل، وذلك لتحسين أداء البطارية في المستقبل، وتوفير الدعم النظري لتسويق المحتملة في المستقبل.
وتجدر الإشارة إلى أنه على الرغم من أن هذه الدراسة بعيدة كل البعد عن التطبيقات التجارية وأن كثافتها من الطاقة ليست بعيدة عن المثلى ، فهي بلا شك تقدم كبير في تطوير بطاريات الليثيوم الهوائية.
تثبت نتائج هذا البحث أن بطاريات الليثيوم الهوائية يمكنها بالفعل حماية الغازات الأخرى من التداخل ، والحصول على الأكسجين مباشرة من الأجواء المشابهة للهواء ، والتخلص من الاعتماد على أجهزة تخزين الأكسجين ، ولها دورة حياة طويلة ، مما يعزز بشكل كبير دون شك. الباحثون وثقة الصناعة في التطوير المستقبلي لتكنولوجيا البطاريات الثورية هذه:
بما أن أهم المشاكل لها حلول واضحة ، قد لا تكون البقية قاتلة على الإطلاق ، فقد لا يستغرق الأمر وقتًا طويلاً قبل أن يتمكن الباحثون من توليد كثافة الطاقة أعلى بكثير من تقنيات بطاريات الليثيوم أيون الموجودة. بطاريات جديدة ، وهذا بلا شك ستغير بالكامل هيكل الطاقة القائمة.
