Estado de la investigación y dirección de desarrollo de la batería de doble ión
Con el rápido desarrollo de los vehículos eléctricos, las baterías de iones de litio siguen apareciendo en los vehículos eléctricos de cuatro ruedas, bicicleta eléctrica de dos ruedas y triciclo eléctricoSin embargo, en el mercado bajo la fiebre alta, la crisis también ha aparecido en silencio, la gama de vehículos eléctricos sigue aumentando, la densidad de energía de la batería de potencia, el costo de los requisitos han aumentado gradualmente.
La densidad energética de las baterías de iones de litio existentes ya está cerca del límite teórico, y los precios del litio, el cobalto y el níquel y otras materias primas al coste de las baterías de iones de litio ejercen mucha presión. Para hacer frente a estas crisis, la disposición de nuevas tecnologías y productos es la única opción.
Gracias a los esfuerzos conjuntos del mundo académico y la industria, hay muchas tecnologías nuevas que están ansiosas por probar, como las baterías de estado sólido, las baterías de litio-aire, etc. En batería de iones dual se ha desarrollado rápidamente en los últimos años, y no hay que subestimar su fuerza. Este artículo le ayudará a comprender la batería de doble ión, así como la situación de su investigación y la dirección de su desarrollo, etc.
Índice
Qué es la batería de ión dual
La batería de doble ion (DIB) ha atraído mucha atención como nuevo tipo de dispositivo de almacenamiento de energía rentable, de alto voltaje y respetuoso con el medio ambiente. La batería de doble ion tiene un mecanismo de almacenamiento de energía redox sinérgico de aniones y cationes, que puede obtener alta potencia y densidad de energía al mismo tiempo, y tiene la doble ventaja de la seguridad y el coste sobre la batería de ion litio.
Comparada con las baterías de iones de litio, presenta la doble ventaja de la seguridad y el coste, y ha sido reconocida por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) como una de las "10 principales tecnologías emergentes" en 2020.
El concepto de batería dual de iones se desarrolló a partir de las baterías duales de carbono (DCB) o las baterías duales de grafito (DGB) y se originó en el estudio de los compuestos intercalares de grafito (GIC). En el sistema de batería de doble ion, no hay un solo ion implicado en la reacción electroquímica.
Por su parte, en una batería de iones de litio, sólo un ión, el Li+, se desplaza entre el positivo y los ánodos, y el anión en el electrolito de batería de iones de litio no interviene en la reacción. En la batería de iones duales, no sólo se pueden incrustar los cationes, sino también los aniones del electrolito, de ahí el nombre de batería de iones duales.
Características materiales de la batería de doble ion
La mayoría de los primeros estudios sobre baterías de iones duales se basaron en el sistema de batería de grafito-grafito, en el que el grafito se utiliza como material tanto del cátodo como del ánodo de la batería.
En cuanto a los materiales del cátodo, el cátodo de la batería de iones duales generalmente adopta materiales a base de grafito y carbono para realizar la carga y descarga de la batería a través del proceso de inserción/desinserción de aniones. El grafito como buen material de almacenamiento de energía, carbono duro, carbono blando como material de almacenamiento de energía barato y eficaz se ha utilizado en las baterías de iones de litio, batería de iones de sodio y otros campos, la industrialización en primera línea.
En cuanto al electrolito, el electrolito de las baterías de iones duales, además de actuar como medio de transporte de iones, es también una fuente de iones activos en el proceso de carga y descarga, por lo que tiene un impacto importante en el rendimiento electroquímico, como la capacidad de la batería, la duración del ciclo, la densidad de energía, etc.
La concentración del electrolito afectará al comportamiento de almacenamiento del anión, el electrolito de alta concentración puede reducir el potencial de incrustación inicial del anión pero la cinética es relativamente lenta, el electrolito de baja concentración es beneficioso para la cinética de transporte del anión pero la capacidad específica es relativamente baja.
Por lo tanto, los investigadores no sólo deben realizar un estudio sistemático del comportamiento de almacenamiento de los aniones incrustados en el electrolito entre las capas de cátodo de grafito, sino que también deben considerar la compatibilidad del electrolito con los materiales de ánodo incrustados con cationes; de este modo, se construye un sistema electrolítico adecuado para el almacenamiento de energía tanto en el ánodo como en el ánodo.
En cuanto a los materiales de ánodo, entre los más utilizados en las baterías de doble ión se encuentran los materiales de carbono, los óxidos/sulfuros de metales de transición, los materiales de ánodo orgánicos y los materiales de ánodo aleados. En especial, el ánodo aleado, con sus ventajas de alta capacidad específica y punto de reacción moderado, se ha convertido poco a poco en el centro de atención de la industria.
Los ánodos de aleación funcionan mediante una reacción electroquímica de aleación entre el ánodo del elemento de aleación y los cationes metálicos del electrolito. Estos materiales de ánodos aleados suelen tener una excelente capacidad de almacenamiento de cationes metálicos (por ejemplo, AlLi) y una excelente conductividad eléctrica (por ejemplo, Al).
Sin embargo, el drástico cambio de volumen del ánodo aleado durante la carga y la descarga, y el pobre rendimiento de multiplicidad y estabilidad de ciclo han obstaculizado seriamente su aplicación práctica, y es necesario un gran avance tanto en el mundo académico como en la industria.
Estado actual de la investigación sobre baterías de doble ión
China también ha llevado a cabo numerosas investigaciones en las principales áreas de las baterías de iones duales. Por ejemplo, en la investigación del ánodo de la batería de iones duales, representada por el Instituto de Tecnología Avanzada de Shenzhen, por primera vez presentó el nuevo mecanismo de almacenamiento de energía redox sinérgico de aleación de cationes e inserción de aniones, completó la nueva construcción del sistema de batería de iones duales de aluminio-grafito y simplificó la estructura de la batería, mejorando significativamente la densidad de energía, el rendimiento multiplicador y la seguridad;
Además, el equipo de SIAS ha estado cooperando e intercambiando ideas con Emma sobre baterías de doble ión y otros productos y tecnologías, y ha entrado en la fase de diseño detallado.
En la investigación del electrodo positivo de las baterías de iones duales, representada por el grupo de Yan Xingbin de la Universidad Sun Yat-sen, se ha llevado a cabo una investigación sistemática sobre la relación entre la microestructura de los materiales del electrodo positivo a base de carbono y la influencia de las propiedades de transporte de electrones/iones y la ley de regulación del rendimiento.
En cuanto a la investigación de electrolitos para baterías de iones duales, el grupo de Wang Hongyu del Instituto de Química Aplicada de Changchun de la Academia China de Ciencias (CAS), representado por Wang Hongyu, informó por primera vez en 2016 de un sistema electrolítico de ciclobutanosulfona basado en altas propiedades antioxidantes.
En cuanto a la mejora de la estabilidad de la interfaz electrodo/electrolito de las baterías de iones duales, el grupo de Cui Guanglei, del Instituto de Investigación de Bioenergía y Procesos de Qingdao, de la Academia China de las Ciencias, utilizó por primera vez titanato de litio como el ánodo de grafito capa de recubrimiento superficial.
Aplicación industrializada de la batería de doble ión
En la aplicación de la industrialización de las baterías de iones duales, Japón es el primer país en comercializar baterías de iones duales, con el nacimiento de una serie de empresas como Power Japan Plus Company como representante. En los últimos años, China también ha comenzado el proceso de industrialización de la batería de iones duales, y ha entrado en la etapa piloto de I + D y producción en masa.
El Instituto de Investigación de Tecnología Avanzada de Shenzhen (SATRI) y su incubado Shenzhen Zhongke Ruineng tomaron la iniciativa de llevar a cabo la investigación y el desarrollo piloto de la batería de iones duales y formaron una disposición perfecta de los derechos de propiedad intelectual, y completaron la línea de producción piloto de la célula y el módulo de la batería de iones duales.
Hemos desarrollado un núcleo de batería de ión dual con una capacidad única de 20Ah y una densidad energética de 160Wh/kg, que ha superado la prueba de una tercera organización, con una tasa de retención de capacidad de 86,3% durante 8.000 ciclos a un multiplicador de 10C, y realizado inicialmente la demostración de la aplicación de un sistema de almacenamiento de energía de batería de ión dual de 60kWh.
Dirección de desarrollo de la batería de doble ión
En este momento, la batería de doble ión, tanto desde el punto de vista de la densidad de energía en volumen como de la densidad de energía en peso, sigue estando muy lejos de la batería de ión-litio.
Principalmente porque la batería de ion dual en la demanda de electrolito es mucho mayor que las baterías ordinarias de iones de litio, por lo que el electrolito en el peso de la batería representó una gran proporción de la reducción de la densidad de energía causada por el electrolito, mientras que la cantidad de electrolito es demasiado grande también llevó a la batería de ion dual en la etapa actual del costo es significativamente mayor que las baterías de iones de litio.
Mientras tanto, el electrolito, como única fuente de portadores de carga activos en la batería de doble ion, desempeña un papel crucial en el rendimiento de la batería. Por lo tanto, la elección de un buen electrolito que garantice una conductividad iónica suficiente y una excelente estabilidad electroquímica es una dirección importante en el desarrollo de las baterías de iones duales.
Suerte
Hola, soy Lucky, graduado de una universidad muy conocida en China, ahora se dedica principalmente a la edición de artículos sobre las baterías de litio de la motocicleta, y la estación de intercambio de baterías, estoy comprometido a ofrecer servicios y soluciones sobre la estación de intercambio de baterías para diversas industrias.
Estado de la investigación y dirección de desarrollo de la batería de doble ión
Con el rápido desarrollo de los vehículos eléctricos, las baterías de iones de litio siguen apareciendo en los vehículos eléctricos de cuatro ruedas, bicicleta eléctrica de dos ruedas y triciclo eléctricoSin embargo, en el mercado bajo la fiebre alta, la crisis también ha aparecido en silencio, la gama de vehículos eléctricos sigue aumentando, la densidad de energía de la batería de potencia, el costo de los requisitos han aumentado gradualmente.
La densidad energética de las baterías de iones de litio existentes ya está cerca del límite teórico, y los precios del litio, el cobalto y el níquel y otras materias primas al coste de las baterías de iones de litio ejercen mucha presión. Para hacer frente a estas crisis, la disposición de nuevas tecnologías y productos es la única opción.
Gracias a los esfuerzos conjuntos del mundo académico y la industria, hay muchas tecnologías nuevas que están ansiosas por probar, como las baterías de estado sólido, las baterías de litio-aire, etc. En batería de iones dual se ha desarrollado rápidamente en los últimos años, y no hay que subestimar su fuerza. Este artículo le ayudará a comprender la batería de doble ión, así como la situación de su investigación y la dirección de su desarrollo, etc.
Qué es la batería de ión dual
La batería de doble ion (DIB) ha atraído mucha atención como nuevo tipo de dispositivo de almacenamiento de energía rentable, de alto voltaje y respetuoso con el medio ambiente. La batería de doble ion tiene un mecanismo de almacenamiento de energía redox sinérgico de aniones y cationes, que puede obtener alta potencia y densidad de energía al mismo tiempo, y tiene la doble ventaja de la seguridad y el coste sobre la batería de ion litio.
Comparada con las baterías de iones de litio, presenta la doble ventaja de la seguridad y el coste, y ha sido reconocida por la Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) como una de las "10 principales tecnologías emergentes" en 2020.
El concepto de batería dual de iones se desarrolló a partir de las baterías duales de carbono (DCB) o las baterías duales de grafito (DGB) y se originó en el estudio de los compuestos intercalares de grafito (GIC). En el sistema de batería de doble ion, no hay un solo ion implicado en la reacción electroquímica.
Por su parte, en una batería de iones de litio, sólo un ión, el Li+, se desplaza entre el positivo y los ánodos, y el anión en el electrolito de batería de iones de litio no interviene en la reacción. En la batería de iones duales, no sólo se pueden incrustar los cationes, sino también los aniones del electrolito, de ahí el nombre de batería de iones duales.
Características materiales de la batería de doble ion
La mayoría de los primeros estudios sobre baterías de iones duales se basaron en el sistema de batería de grafito-grafito, en el que el grafito se utiliza como material tanto del cátodo como del ánodo de la batería.
En cuanto a los materiales del cátodo, el cátodo de la batería de iones duales generalmente adopta materiales a base de grafito y carbono para realizar la carga y descarga de la batería a través del proceso de inserción/desinserción de aniones. El grafito como buen material de almacenamiento de energía, carbono duro, carbono blando como material de almacenamiento de energía barato y eficaz se ha utilizado en las baterías de iones de litio, batería de iones de sodio y otros campos, la industrialización en primera línea.
En cuanto al electrolito, el electrolito de las baterías de iones duales, además de actuar como medio de transporte de iones, es también una fuente de iones activos en el proceso de carga y descarga, por lo que tiene un impacto importante en el rendimiento electroquímico, como la capacidad de la batería, la duración del ciclo, la densidad de energía, etc.
La concentración del electrolito afectará al comportamiento de almacenamiento del anión, el electrolito de alta concentración puede reducir el potencial de incrustación inicial del anión pero la cinética es relativamente lenta, el electrolito de baja concentración es beneficioso para la cinética de transporte del anión pero la capacidad específica es relativamente baja.
Por lo tanto, los investigadores no sólo deben realizar un estudio sistemático del comportamiento de almacenamiento de los aniones incrustados en el electrolito entre las capas de cátodo de grafito, sino que también deben considerar la compatibilidad del electrolito con los materiales de ánodo incrustados con cationes; de este modo, se construye un sistema electrolítico adecuado para el almacenamiento de energía tanto en el ánodo como en el ánodo.
En cuanto a los materiales de ánodo, entre los más utilizados en las baterías de doble ión se encuentran los materiales de carbono, los óxidos/sulfuros de metales de transición, los materiales de ánodo orgánicos y los materiales de ánodo aleados. En especial, el ánodo aleado, con sus ventajas de alta capacidad específica y punto de reacción moderado, se ha convertido poco a poco en el centro de atención de la industria.
Los ánodos de aleación funcionan mediante una reacción electroquímica de aleación entre el ánodo del elemento de aleación y los cationes metálicos del electrolito. Estos materiales de ánodos aleados suelen tener una excelente capacidad de almacenamiento de cationes metálicos (por ejemplo, AlLi) y una excelente conductividad eléctrica (por ejemplo, Al).
Sin embargo, el drástico cambio de volumen del ánodo aleado durante la carga y la descarga, y el pobre rendimiento de multiplicidad y estabilidad de ciclo han obstaculizado seriamente su aplicación práctica, y es necesario un gran avance tanto en el mundo académico como en la industria.
Estado actual de la investigación sobre baterías de doble ión
China también ha llevado a cabo numerosas investigaciones en las principales áreas de las baterías de iones duales. Por ejemplo, en la investigación del ánodo de la batería de iones duales, representada por el Instituto de Tecnología Avanzada de Shenzhen, por primera vez presentó el nuevo mecanismo de almacenamiento de energía redox sinérgico de aleación de cationes e inserción de aniones, completó la nueva construcción del sistema de batería de iones duales de aluminio-grafito y simplificó la estructura de la batería, mejorando significativamente la densidad de energía, el rendimiento multiplicador y la seguridad;
Además, el equipo de SIAS ha estado cooperando e intercambiando ideas con Emma sobre baterías de doble ión y otros productos y tecnologías, y ha entrado en la fase de diseño detallado.
En la investigación del electrodo positivo de las baterías de iones duales, representada por el grupo de Yan Xingbin de la Universidad Sun Yat-sen, se ha llevado a cabo una investigación sistemática sobre la relación entre la microestructura de los materiales del electrodo positivo a base de carbono y la influencia de las propiedades de transporte de electrones/iones y la ley de regulación del rendimiento.
En cuanto a la investigación de electrolitos para baterías de iones duales, el grupo de Wang Hongyu del Instituto de Química Aplicada de Changchun de la Academia China de Ciencias (CAS), representado por Wang Hongyu, informó por primera vez en 2016 de un sistema electrolítico de ciclobutanosulfona basado en altas propiedades antioxidantes.
En cuanto a la mejora de la estabilidad de la interfaz electrodo/electrolito de las baterías de iones duales, el grupo de Cui Guanglei, del Instituto de Investigación de Bioenergía y Procesos de Qingdao, de la Academia China de las Ciencias, utilizó por primera vez titanato de litio como el ánodo de grafito capa de recubrimiento superficial.
Aplicación industrializada de la batería de doble ión
En la aplicación de la industrialización de las baterías de iones duales, Japón es el primer país en comercializar baterías de iones duales, con el nacimiento de una serie de empresas como Power Japan Plus Company como representante. En los últimos años, China también ha comenzado el proceso de industrialización de la batería de iones duales, y ha entrado en la etapa piloto de I + D y producción en masa.
El Instituto de Investigación de Tecnología Avanzada de Shenzhen (SATRI) y su incubado Shenzhen Zhongke Ruineng tomaron la iniciativa de llevar a cabo la investigación y el desarrollo piloto de la batería de iones duales y formaron una disposición perfecta de los derechos de propiedad intelectual, y completaron la línea de producción piloto de la célula y el módulo de la batería de iones duales.
Hemos desarrollado un núcleo de batería de ión dual con una capacidad única de 20Ah y una densidad energética de 160Wh/kg, que ha superado la prueba de una tercera organización, con una tasa de retención de capacidad de 86,3% durante 8.000 ciclos a un multiplicador de 10C, y realizado inicialmente la demostración de la aplicación de un sistema de almacenamiento de energía de batería de ión dual de 60kWh.
Dirección de desarrollo de la batería de doble ión
En este momento, la batería de doble ión, tanto desde el punto de vista de la densidad de energía en volumen como de la densidad de energía en peso, sigue estando muy lejos de la batería de ión-litio.
Principalmente porque la batería de ion dual en la demanda de electrolito es mucho mayor que las baterías ordinarias de iones de litio, por lo que el electrolito en el peso de la batería representó una gran proporción de la reducción de la densidad de energía causada por el electrolito, mientras que la cantidad de electrolito es demasiado grande también llevó a la batería de ion dual en la etapa actual del costo es significativamente mayor que las baterías de iones de litio.
Mientras tanto, el electrolito, como única fuente de portadores de carga activos en la batería de doble ion, desempeña un papel crucial en el rendimiento de la batería. Por lo tanto, la elección de un buen electrolito que garantice una conductividad iónica suficiente y una excelente estabilidad electroquímica es una dirección importante en el desarrollo de las baterías de iones duales.