O estado da investigação e a direção do desenvolvimento da bateria de iões duplos
Com o rápido desenvolvimento dos veículos eléctricos, as baterias de iões de lítio continuam a aparecer nos veículos eléctricos de quatro rodas, bicicleta eléctrica de duas rodas e triciclo elétricoNo entanto, no mercado sob a febre alta, a crise também apareceu silenciosamente, a gama de veículos eléctricos continua a aumentar, a densidade de energia da bateria de energia, o custo dos requisitos têm aumentado gradualmente.
A densidade energética das baterias de iões de lítio existentes já está próxima do limite teórico, e os preços do lítio, do cobalto e do níquel e de outras matérias-primas para o custo das baterias de iões de lítio exercem uma grande pressão. Para fazer face a estas crises, a conceção de novas tecnologias e produtos é a única opção.
Graças aos esforços conjuntos do mundo académico e da indústria, muitas novas tecnologias estão ansiosas por serem experimentadas, como as baterias de estado sólido, as baterias de lítio-ar, etc. As bateria de iões duplos tem vindo a desenvolver-se rapidamente nos últimos anos, e a sua força não deve ser subestimada. Este artigo leva-o a compreender a bateria de iões duplos, bem como a sua situação de investigação e direção de desenvolvimento, etc.
Índice
O que é a bateria de iões duplos
A bateria de iões duplos (DIB) tem atraído muita atenção como um novo tipo de dispositivo de armazenamento de energia rentável, de alta tensão e amigo do ambiente. A bateria de iões duplos tem um mecanismo de armazenamento de energia redox sinérgico de aniões e catiões, que pode obter simultaneamente uma elevada potência e densidade de energia, e tem a dupla vantagem da segurança e do custo em relação à bateria de iões de lítio.
Em comparação com as baterias de iões de lítio, tem a dupla vantagem da segurança e do custo, e foi reconhecida pela União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC) como uma das "10 principais tecnologias emergentes" em 2020.
O conceito de bateria de iões duplos foi desenvolvido a partir das baterias de carbono duplas (DCB) ou das baterias de grafite duplas (DGB) e teve origem no estudo dos compostos de intercamadas de grafite (GIC). No sistema de bateria de iões duplos, não há um único ião envolvido na reação eletroquímica.
De forma correspondente, na bateria de iões de lítio, apenas um ião, Li+, é transportado entre o ânodo positivo e o ânodo, e o anião no eletrólito de bateria de iões de lítio não está envolvido na reação. Na bateria de iões duplos, não só os catiões podem ser incorporados, como também os aniões do eletrólito, daí o nome bateria de iões duplos.
Características materiais da bateria de iões duplos
A maioria dos primeiros estudos sobre baterias de iões duplos baseou-se no sistema de baterias de grafite-grafite, em que a grafite é utilizada como material catódico e anódico da bateria.
Em termos de materiais catódicos, o cátodo das baterias de iões duplos adopta geralmente materiais à base de carbono à base de grafite para carregar e descarregar a bateria através do processo de inserção/desincorporação de aniões. A grafite, enquanto bom material de armazenamento de energia, o carbono duro e o carbono macio, enquanto material de armazenamento de energia barato e eficaz, tem sido utilizada em baterias de iões de lítio, pilha de iões de sódio e outros domínios, com a industrialização em primeiro plano.
Em termos de eletrólito, o eletrólito da bateria de iões duplos, para além de atuar como meio de transporte de iões, é também uma fonte de iões activos no processo de carga e descarga, pelo que tem um impacto importante no desempenho eletroquímico, como a capacidade da bateria, o ciclo de vida, a densidade energética, etc.
A concentração de eletrólito afectará o comportamento de armazenamento de aniões, o eletrólito de alta concentração pode reduzir o potencial de incorporação de aniões, mas a cinética é relativamente lenta, o eletrólito de baixa concentração é benéfico para a cinética de transporte de aniões, mas a capacidade específica é relativamente baixa.
Por conseguinte, os investigadores não só precisam de realizar um estudo sistemático do comportamento de armazenamento dos aniões incorporados no eletrólito entre as camadas catódicas de grafite, como também precisam de considerar a compatibilidade do eletrólito com os materiais anódicos incorporados com catiões.
Em termos de materiais de ânodo, os materiais de ânodo utilizados habitualmente nas baterias de iões duplos incluem principalmente materiais à base de carbono, óxidos/sulfuretos de metais de transição, materiais de ânodo orgânicos e materiais de ânodo ligados. Em especial, o ânodo de liga, com as vantagens de uma elevada capacidade específica e um ponto de reação moderado, tem vindo lentamente a ser considerado e a receber a atenção da indústria.
Os ânodos de liga funcionam através de uma reação eletroquímica de liga entre o ânodo do elemento de liga e os catiões metálicos no eletrólito. Estes materiais de ânodo ligados tendem a ter uma excelente capacidade de armazenamento de catiões metálicos (por exemplo, AlLi) e uma excelente condutividade eléctrica (por exemplo, Al).
No entanto, a alteração drástica do volume do ânodo ligado durante o carregamento e o descarregamento, bem como o fraco desempenho em termos de multiplicidade e a estabilidade do ciclo de vida, têm dificultado seriamente a sua aplicação prática, sendo necessário um avanço tanto no meio académico como na indústria.
Estado atual da investigação sobre baterias de iões duplos
A China também realizou muita investigação nas principais áreas da bateria de iões duplos. Por exemplo, na investigação sobre o ânodo da bateria de iões duplos, representada pelo Instituto de Tecnologia Avançada de Shenzhen, foi apresentado pela primeira vez o novo mecanismo de armazenamento de energia redox sinérgico de liga de catiões e inserção de aniões, completando a construção do novo sistema de bateria de iões duplos de alumínio-grafite e simplificando a estrutura da bateria, melhorando significativamente a densidade energética, o desempenho do multiplicador e a segurança;
Além disso, a equipa do SIAS tem vindo a cooperar e a trocar ideias com a Emma sobre a bateria de iões duplos e outros produtos e tecnologias, tendo entrado na fase de conceção detalhada.
Na investigação do elétrodo positivo da bateria de iões duplos, representada pelo grupo de Yan Xingbin na Universidade Sun Yat-sen, foi realizada uma investigação sistemática sobre a relação entre a microestrutura dos materiais do elétrodo positivo à base de carbono e a influência das propriedades de transporte de electrões/iões e a lei de regulação do desempenho.
Em termos de investigação de electrólitos de baterias de iões duplos, o grupo de Wang Hongyu no Instituto de Química Aplicada de Changchun, Academia Chinesa de Ciências (CAS), representado por Wang Hongyu, comunicou pela primeira vez em 2016 um sistema de electrólitos de ciclobutanossulfona baseado em elevadas propriedades antioxidantes.
Em termos de melhoria da estabilidade da interface elétrodo/eletrólito da bateria de iões duplos, o grupo de Cui Guanglei do Instituto Qingdao de Bioenergia e Investigação de Processos, da Academia Chinesa de Ciências, utilizou pela primeira vez o titanato de lítio como ânodo de grafite camada de cobertura da superfície.
Aplicação industrializada da bateria de iões duplos
Na aplicação da industrialização de baterias de iões duplos, o Japão foi o primeiro país a comercializar baterias de iões duplos, tendo como representante uma série de empresas como a Power Japan Plus Company. Nos últimos anos, a China também iniciou o processo de industrialização da bateria de iões duplos e entrou na fase piloto de I&D e de produção em massa.
O Instituto de Investigação Tecnológica Avançada de Shenzhen (SATRI) e a sua incubada Shenzhen Zhongke Ruineng assumiram a liderança na realização da investigação-piloto e desenvolvimento da bateria de iões duplos e formaram uma disposição perfeita dos direitos de propriedade intelectual, tendo concluído a linha de produção-piloto de células e módulos de bateria de iões duplos.
Desenvolvemos um núcleo de bateria de iões duplos com uma capacidade única de 20Ah e uma densidade de energia de 160Wh/kg, que passou no teste de uma terceira organização, com uma taxa de retenção de capacidade de 86,3% para 8.000 ciclos com um multiplicador de 10C, e inicialmente realizámos a demonstração da aplicação de um sistema de armazenamento de energia de bateria de iões duplos de 60kWh.
Direção de desenvolvimento da bateria de iões duplos
Nesta fase, a bateria de iões duplos, tanto do ponto de vista da densidade de energia volumétrica como da densidade de energia ponderal, continua a apresentar uma grande diferença em relação à bateria de iões de lítio.
Principalmente porque a bateria de iões duplos na procura de electrólitos é muito mais elevada do que as baterias de iões de lítio comuns, pelo que o eletrólito no peso da bateria representou uma grande proporção da redução da densidade de energia causada pelo eletrólito, enquanto a quantidade de eletrólito é demasiado grande, o que também levou a que a bateria de iões duplos na fase atual do custo seja significativamente mais elevada do que as baterias de iões de lítio.
Entretanto, o eletrólito, como única fonte de portadores de carga ativa na bateria de iões duplos, desempenha um papel crucial no desempenho da bateria. Por conseguinte, a escolha de um bom eletrólito para garantir uma condutividade iónica suficiente e uma excelente estabilidade eletroquímica é uma direção importante no desenvolvimento de baterias de iões duplos.
Sorte
Olá, eu sou o Lucky, licenciado por uma universidade bem conhecida na China, agora principalmente envolvido na edição de artigos sobre baterias de lítio para motociclos e a estação de troca de baterias, estou empenhado em oferecer serviços e soluções sobre a estação de troca de baterias para várias indústrias.
O estado da investigação e a direção do desenvolvimento da bateria de iões duplos
Com o rápido desenvolvimento dos veículos eléctricos, as baterias de iões de lítio continuam a aparecer nos veículos eléctricos de quatro rodas, bicicleta eléctrica de duas rodas e triciclo elétricoNo entanto, no mercado sob a febre alta, a crise também apareceu silenciosamente, a gama de veículos eléctricos continua a aumentar, a densidade de energia da bateria de energia, o custo dos requisitos têm aumentado gradualmente.
A densidade energética das baterias de iões de lítio existentes já está próxima do limite teórico, e os preços do lítio, do cobalto e do níquel e de outras matérias-primas para o custo das baterias de iões de lítio exercem uma grande pressão. Para fazer face a estas crises, a conceção de novas tecnologias e produtos é a única opção.
Graças aos esforços conjuntos do mundo académico e da indústria, muitas novas tecnologias estão ansiosas por serem experimentadas, como as baterias de estado sólido, as baterias de lítio-ar, etc. As bateria de iões duplos tem vindo a desenvolver-se rapidamente nos últimos anos, e a sua força não deve ser subestimada. Este artigo leva-o a compreender a bateria de iões duplos, bem como a sua situação de investigação e direção de desenvolvimento, etc.
O que é a bateria de iões duplos
A bateria de iões duplos (DIB) tem atraído muita atenção como um novo tipo de dispositivo de armazenamento de energia rentável, de alta tensão e amigo do ambiente. A bateria de iões duplos tem um mecanismo de armazenamento de energia redox sinérgico de aniões e catiões, que pode obter simultaneamente uma elevada potência e densidade de energia, e tem a dupla vantagem da segurança e do custo em relação à bateria de iões de lítio.
Em comparação com as baterias de iões de lítio, tem a dupla vantagem da segurança e do custo, e foi reconhecida pela União Internacional de Química Pura e Aplicada (IUPAC) como uma das "10 principais tecnologias emergentes" em 2020.
O conceito de bateria de iões duplos foi desenvolvido a partir das baterias de carbono duplas (DCB) ou das baterias de grafite duplas (DGB) e teve origem no estudo dos compostos de intercamadas de grafite (GIC). No sistema de bateria de iões duplos, não há um único ião envolvido na reação eletroquímica.
De forma correspondente, na bateria de iões de lítio, apenas um ião, Li+, é transportado entre o ânodo positivo e o ânodo, e o anião no eletrólito de bateria de iões de lítio não está envolvido na reação. Na bateria de iões duplos, não só os catiões podem ser incorporados, como também os aniões do eletrólito, daí o nome bateria de iões duplos.
Características materiais da bateria de iões duplos
A maioria dos primeiros estudos sobre baterias de iões duplos baseou-se no sistema de baterias de grafite-grafite, em que a grafite é utilizada como material catódico e anódico da bateria.
Em termos de materiais catódicos, o cátodo das baterias de iões duplos adopta geralmente materiais à base de carbono à base de grafite para carregar e descarregar a bateria através do processo de inserção/desincorporação de aniões. A grafite, enquanto bom material de armazenamento de energia, o carbono duro e o carbono macio, enquanto material de armazenamento de energia barato e eficaz, tem sido utilizada em baterias de iões de lítio, pilha de iões de sódio e outros domínios, com a industrialização em primeiro plano.
Em termos de eletrólito, o eletrólito da bateria de iões duplos, para além de atuar como meio de transporte de iões, é também uma fonte de iões activos no processo de carga e descarga, pelo que tem um impacto importante no desempenho eletroquímico, como a capacidade da bateria, o ciclo de vida, a densidade energética, etc.
A concentração de eletrólito afectará o comportamento de armazenamento de aniões, o eletrólito de alta concentração pode reduzir o potencial de incorporação de aniões, mas a cinética é relativamente lenta, o eletrólito de baixa concentração é benéfico para a cinética de transporte de aniões, mas a capacidade específica é relativamente baixa.
Por conseguinte, os investigadores não só precisam de realizar um estudo sistemático do comportamento de armazenamento dos aniões incorporados no eletrólito entre as camadas catódicas de grafite, como também precisam de considerar a compatibilidade do eletrólito com os materiais anódicos incorporados com catiões.
Em termos de materiais de ânodo, os materiais de ânodo utilizados habitualmente nas baterias de iões duplos incluem principalmente materiais à base de carbono, óxidos/sulfuretos de metais de transição, materiais de ânodo orgânicos e materiais de ânodo ligados. Em especial, o ânodo de liga, com as vantagens de uma elevada capacidade específica e um ponto de reação moderado, tem vindo lentamente a ser considerado e a receber a atenção da indústria.
Os ânodos de liga funcionam através de uma reação eletroquímica de liga entre o ânodo do elemento de liga e os catiões metálicos no eletrólito. Estes materiais de ânodo ligados tendem a ter uma excelente capacidade de armazenamento de catiões metálicos (por exemplo, AlLi) e uma excelente condutividade eléctrica (por exemplo, Al).
No entanto, a alteração drástica do volume do ânodo ligado durante o carregamento e o descarregamento, bem como o fraco desempenho em termos de multiplicidade e a estabilidade do ciclo de vida, têm dificultado seriamente a sua aplicação prática, sendo necessário um avanço tanto no meio académico como na indústria.
Estado atual da investigação sobre baterias de iões duplos
A China também realizou muita investigação nas principais áreas da bateria de iões duplos. Por exemplo, na investigação sobre o ânodo da bateria de iões duplos, representada pelo Instituto de Tecnologia Avançada de Shenzhen, foi apresentado pela primeira vez o novo mecanismo de armazenamento de energia redox sinérgico de liga de catiões e inserção de aniões, completando a construção do novo sistema de bateria de iões duplos de alumínio-grafite e simplificando a estrutura da bateria, melhorando significativamente a densidade energética, o desempenho do multiplicador e a segurança;
Além disso, a equipa do SIAS tem vindo a cooperar e a trocar ideias com a Emma sobre a bateria de iões duplos e outros produtos e tecnologias, tendo entrado na fase de conceção detalhada.
Na investigação do elétrodo positivo da bateria de iões duplos, representada pelo grupo de Yan Xingbin na Universidade Sun Yat-sen, foi realizada uma investigação sistemática sobre a relação entre a microestrutura dos materiais do elétrodo positivo à base de carbono e a influência das propriedades de transporte de electrões/iões e a lei de regulação do desempenho.
Em termos de investigação de electrólitos de baterias de iões duplos, o grupo de Wang Hongyu no Instituto de Química Aplicada de Changchun, Academia Chinesa de Ciências (CAS), representado por Wang Hongyu, comunicou pela primeira vez em 2016 um sistema de electrólitos de ciclobutanossulfona baseado em elevadas propriedades antioxidantes.
Em termos de melhoria da estabilidade da interface elétrodo/eletrólito da bateria de iões duplos, o grupo de Cui Guanglei do Instituto Qingdao de Bioenergia e Investigação de Processos, da Academia Chinesa de Ciências, utilizou pela primeira vez o titanato de lítio como ânodo de grafite camada de cobertura da superfície.
Aplicação industrializada da bateria de iões duplos
Na aplicação da industrialização de baterias de iões duplos, o Japão foi o primeiro país a comercializar baterias de iões duplos, tendo como representante uma série de empresas como a Power Japan Plus Company. Nos últimos anos, a China também iniciou o processo de industrialização da bateria de iões duplos e entrou na fase piloto de I&D e de produção em massa.
O Instituto de Investigação Tecnológica Avançada de Shenzhen (SATRI) e a sua incubada Shenzhen Zhongke Ruineng assumiram a liderança na realização da investigação-piloto e desenvolvimento da bateria de iões duplos e formaram uma disposição perfeita dos direitos de propriedade intelectual, tendo concluído a linha de produção-piloto de células e módulos de bateria de iões duplos.
Desenvolvemos um núcleo de bateria de iões duplos com uma capacidade única de 20Ah e uma densidade de energia de 160Wh/kg, que passou no teste de uma terceira organização, com uma taxa de retenção de capacidade de 86,3% para 8.000 ciclos com um multiplicador de 10C, e inicialmente realizámos a demonstração da aplicação de um sistema de armazenamento de energia de bateria de iões duplos de 60kWh.
Direção de desenvolvimento da bateria de iões duplos
Nesta fase, a bateria de iões duplos, tanto do ponto de vista da densidade de energia volumétrica como da densidade de energia ponderal, continua a apresentar uma grande diferença em relação à bateria de iões de lítio.
Principalmente porque a bateria de iões duplos na procura de electrólitos é muito mais elevada do que as baterias de iões de lítio comuns, pelo que o eletrólito no peso da bateria representou uma grande proporção da redução da densidade de energia causada pelo eletrólito, enquanto a quantidade de eletrólito é demasiado grande, o que também levou a que a bateria de iões duplos na fase atual do custo seja significativamente mais elevada do que as baterias de iões de lítio.
Entretanto, o eletrólito, como única fonte de portadores de carga ativa na bateria de iões duplos, desempenha um papel crucial no desempenho da bateria. Por conseguinte, a escolha de um bom eletrólito para garantir uma condutividade iónica suficiente e uma excelente estabilidade eletroquímica é uma direção importante no desenvolvimento de baterias de iões duplos.