Литиево-ионные аккумуляторы обладают преимуществами высокого напряжения, высокой удельной энергии (выше 200 Вт / кг) и долговечности, и в настоящее время они являются первым выбором для электромобилей с электропитанием. Однако при резком увеличении спроса на энергоносители они также увеличили связанные с ними сырьевые продукты. Цены, литий-ионные батареи, связанные с сырьем, такие как литий, кобальт, никель и т. Д., Испытали значительное увеличение в 2017 году. В частности, повышение цен на литий и кобальтовое сырье можно описать с точки зрения безумия. По мере того, как издержки производства выросли, а давление со стороны производителей промышленной цепочки снизило стоимость, значительно снизилась маржа прибыли производителей аккумуляторных батарей. В то же время, в условиях жесткой конкуренции на рынке, производители аккумуляторов питания не обладают ценовой мощностью, поэтому 2018 год Для большинства производителей батарей питания год будет очень трудным.
Повышение производительности аккумуляторной батареи и снижение себестоимости продукции является ключом к будущим исследованиям и разработке аккумуляторной батареи. В последнее время Цуй Вэй и Вэй Чен из Стэнфордского университета совместно разработали систему на основе MnO. 2-H2Новая батарея, использующая водный раствор в качестве электролита, работает при напряжении 1,3 В. Фактическая удельная емкость батареи может составлять до 139 Вт / кг (теоретическая удельная мощность составляет около 174 Вт / кг), а срок службы батареи может достигать более 10000 раз. , И имеет преимущество низкой стоимости, поэтому имеет широкие перспективы применения в области хранения энергии и питания.
Положительный принцип работы батареи Mn-H является растворимым Mn 2+С твердым MnO 2Разница между отрицательным и отрицательным заключается в принятии H +И H 2Между изменениями электролит представляет собой высокую концентрацию MnSO 4В отличие от традиционных твердотельных электродов, продукты реакции с положительным и отрицательным электродами являются растворимыми (как показано в следующей формуле).
На рисунке ниже показана структура батареи Mn-H. Положительный электрод использует войлок из углеродного волокна с небольшим количеством отверстий, разделитель представляет собой пленку из стекловолокна, а отрицательный электрод представляет собой структуру из композитного катализатора Pt / C, насыщенного углеродным волокном, содержащего высокую концентрацию MnSO. 4Решение при зарядке Mn 2+Он будет мигрировать на поверхность положительного углеродного волокна, и реакция окисления будет генерировать слой MnO на поверхности углеродного волокна. 2, H+Реакция восстановления происходит на отрицательной поверхности для генерации H 2Процесс разряда просто противоположный, MnO 2Когда получают электроны, происходит реакция восстановления с образованием растворимого Mn 2+, вернуться к решению для генерации MnSO 4, H2Реакция окисления происходит на отрицательном электроде с образованием H+.
Вэй Чен использовал вышеуказанную структуру батареи, чтобы сделать батарею (показан на рисунке ниже), и проверил электрохимические характеристики системы, чтобы уменьшить водный раствор при высоком напряжении. 2В вопросе о положительном осаждении электродов Вэй Чен установил зарядное напряжение на 1,6 В, а Вэй Чен принял 1М MnSO. 4В качестве электролита первая эффективность батареи составляет 61%. После более 10 циклов кулоновская эффективность составляет около 91%. Поскольку катализатор отрицательного электрода Pt более активен в кислой среде, Вэй Чен добавил раствор. 0,05 М H 2SO 4, Производительность батареи Mn-H значительно улучшена, зарядный ток увеличивается в три раза (зарядка на постоянном напряжении 1,6 В), и для зарядки требуется всего 85 секунд. Платформа разрядного напряжения также имеет значительное увеличение (около 50 мВ), а первая эффективность также Прирост до 70%, а в следующие несколько циклов кулоновская эффективность достигала около 100%.
На рисунке ниже приведена батарея Mn-H в той же системе зарядки (заряд постоянного напряжения 1,6 В до 1 мАч / см 2) После зарядки кривая разряда при разных плотностях тока показывает плотность тока разряда от 10 мА / см 2, увеличение до 50 и 100 мА / см 2После этого емкость разряда батареи практически не снижается, что согласуется с результатами различных скоростных циклов на следующем рисунке c, что указывает на то, что аккумулятор Mn-H имеет очень отличную скорость работы. Более того, аккумулятор Mn-H быстро заряжается В случае цикла нет снижения пропускной способности в 10 000 циклов.
Несмотря на то, что батарея Mn-H имеет очень хорошие показатели скорости и производительность цикла, эффективность использования электролита электродом из углеродного волокна очень низка, всего около 36%, поэтому общая плотность энергии батареи составляет всего 19,6 Вт / кг. Чтобы решить эту проблему, Вэй Чен использует наноструктурированную углеродную пленку в качестве электрода, что делает 4M MnSO 4Эффективность использования электролита была улучшена до 74,3%, что привело к увеличению плотности энергии батареи до 139 Вт / кг и соотношению объемной энергии 210,6 Втч / л. Вэй Чен также наблюдал дальнейшее улучшение электролита. 2SO 4Концентрация также может эффективно увеличить производительность батареи, уменьшить время зарядки и увеличить уровень разрядного напряжения, но она слишком высока. 2SO 4Концентрация может вызвать проблемы с коррозией, которые необходимо решить с точки зрения конструкции конструкции батареи.
Аккумулятор Mn-H по-прежнему сталкивается с проблемой - как перейти от лаборатории к приложению? Основная цель решения этой проблемы - увеличить емкость батареи Mn-H. Одна из мер заключается в увеличении толщины и площади положительного волокна из углеродного волокна. Эта мера может значительно увеличить нагрузку на положительный электрод, но это приведет к ускоренному снижению емкости батареи Mn-H. Например, за счет утолщения толщины войлока из углеродистого волокна в 2 раза, хотя емкость аккумулятора увеличивается в два раза, После 600 циклов пропускная способность снижается до 96,5% от начальной емкости. Еще одним критерием является конструкция асимметричных положительных и отрицательных электродов. Из принципа работы батареи Mn-H отрицательная структура электрода в основном отвечает за каталитический эффект. Не требует хранения H 2Поэтому Вей Чен и др. Сконструировали батарею Mn-H в цилиндрическую структуру. Увеличивая площадь положительного электрода и уменьшая площадь отрицательного электрода (как показано на рисунке ниже), емкость и плотность энергии батареи Mn-H значительно улучшаются, и в то же время Количество катализатора Pt / C снижается, а стоимость батареи Mn-H снижается. Хотя эта конструкция в определенной степени снижает скорость работы батареи (уменьшение площади реакции отрицательного электрода), это не мешает хорошему функционированию батареи. Как видно из следующего рисунка e, после 1400 циклов скорость удержания мощности может достигать 94,2%, полностью удовлетворяя спрос на силовые батареи.
Аккумулятор Mn-H, разработанный Cui Wei и Wei Chen и т. Д., По существу представляет собой гибридную батарею, состоящую из катода с аккумуляторной батареей для химической энергии и анода топливных элементов, поскольку H не может быть рассчитан. 2Качество отрицательного электрода уменьшает вес батареи и использует Mn 2+/ Mn 4+Две электронные реакции будут MnO 2Теоретическая емкость была увеличена до 616 мАч / г, поэтому, хотя напряжение аккумуляторной платформы составляет всего около 1,3 В, но все же получает более высокую удельную энергию. Однако у текущей батареи все еще есть некоторые проблемы, во-первых, положительная, отрицательная плотность волокна из углеродного волокна Большая, плохая смачиваемость уменьшает удельную энергию батареи. В качестве электрода используется тонкая пленка из наноуглеродного материала, что увеличивает стоимость батареи. Кроме того, поскольку батарея генерирует водород при зарядке аккумулятора, требуется воздушный поток (например, Ar). , N 2Газ и т. Д.) Будет производить H 2Вытащите батарею, также необходимо продолжать подавать батарею во время разряда H 2, для этого требуется дополнительное хранение вне батареи Ar (N 2) и H 2Устройство приводит к уменьшению удельной энергии аккумуляторной системы. В H. также имеется неявная проблема. 2Существует небольшое количество CO, CO в 2(это текущая промышленная система H 2Обычные примеси могут вызвать отрицательное каталитическое отравление и повлиять на срок службы батареи. Эти проблемы необходимо решить при последующей оптимизации батареи. Но в целом это очень креативная идея благодаря хорошей оптимизации Может эффективно снизить стоимость батареи, для содействия крупномасштабному хранению энергии и электромобилям очень важно.
