...
Що таке фтор-іонний акумулятор Переваги, прориви та перспективи на майбутнє

Що таке фтор-іонний акумулятор? Переваги, прориви та перспективи

Зі зростанням світового попиту на екологічно чисту енергію технологія акумуляторів переживає безпрецедентну трансформацію. Сьогодні, коли домінують літій-іонні акумулятори, з'явилася нова акумуляторна технологія з великим потенціалом, фторидно-іонний акумулятор (FIB), потихеньку зароджується.

Завдяки своїм чудовим щільність енергії батареїОчікується, що в майбутньому вони замінять літій-іонні акумулятори і стануть основним вибором у сфері нових енергетичних транспортних засобів та мережевого зберігання енергії, оскільки мають вищу безпеку та багатші джерела сировини.

У цій статті ми детально розглянемо переваги, дослідницький прогрес, виклики та перспективи застосування фтор-іонних акумуляторів, а також покажемо, як вони можуть очолити наступне покоління нової енергетичної революції.

Зміст
</img
YouTube_play_button_icon_(2013–2017).svg

Що таке фтор-іонний акумулятор? Принцип роботи та переваги

Як випливає з назви, фторид-іонний акумулятор використовує іони фтору (F-) як носії заряду. Як і літій-іонні акумулятори, FIB класифікуються як "акумулятори-качалки", тобто іони переміщуються між катодом і анодом під час заряджання і розряджання. Під час заряджання фторид-іони рухаються від катода до анода, а під час розряджання - назад, генеруючи електричний струм. Фторид-іонні акумулятори виділяються з кількох вагомих причин:

Вища щільність енергії

Фторид-іонні акумулятори використовують в якості електродів такі матеріали, як фторид міді та фторид кальцію, які можуть забезпечити в кілька разів більший заряд на одиницю маси, ніж матеріали на основі літію. Теоретично, твердотільні FIB можуть досягати щільності енергії до 5000 Вт-год/л, що майже у вісім разів перевищує межу літій-іонних акумуляторів. Це означає значно більший запас ходу або менший розмір батареї при тій самій ємності.

Підвищена безпека

Літій-іонні акумулятори схильні до утворення дендритів, що може призвести до внутрішніх коротких замикань і теплового витоку (знайти літій-іонний акумулятор з тепловим розрядом). Фторид-іони, з іншого боку, дуже стабільні і не утворюють хімічно активних дендритів. З незаймистими неорганічними твердими електролітами FIB забезпечують чудову іскробезпеку (дослідити Безпека літій-іонних акумуляторів).

Фторид-іонний акумулятор Новий прорив з щільністю енергії в 10 разів більшою, ніж у літієвих акумуляторів

Більш багата сировинна база

Фтору в земній корі набагато більше, ніж літію. У світі видобуток фтору перевищує видобуток літію майже на два порядки, що робить пропозицію менш вразливою до дефіциту. Крім того, видобуток фтору має відносно менший вплив на навколишнє середовище.

Потенціал зниження витрат

Літій-іонні батареї часто потребують дорогих рідкісних металів, таких як кобальт, тоді як у фторид-іонних батареях, крім срібла, інші матеріали позитивного і негативного електродів мають меншу вартість. Теоретично, вартість ват-години фтор-іонних батарей становить лише 20% до 25% від вартості літій-іонних батарей, що має значну економічну перевагу.

Фтор-іонний акумулятор проти літій-іонного акумулятора: комплексне порівняння

Особливість

{\a6} 		Фтор-іонний акумулятор (FIB) Літій-іонна батарея (LIB)
Щільність енергії До 5000 Вт/л (твердотільний), ~8x LIB

{\a6} 		600-800 Вт/л у комерційних продуктах

{\a6}
Безпека

{\a6} 		Без дендритів, за своєю суттю безпечніший Ризик росту дендритів, легкозаймистий
Постачання сировини

{\a6} 		Фтору багато і він доступний

{\a6} 		Літій - рідкісний, кобальт - дорогий

{\a6}
Вартість Низька потенційна вартість, мінімальна кількість рідкісних металів Висока вартість через рідкісні та летючі матеріали
Стадія розробки Ранні дослідження та розробки, ще не комерціалізовані Зрілі, широко використовувані
Життя циклу Наразі обмежена, в процесі вдосконалення Тривалий термін служби при комерційному використанні
Робоча температура Деякі твердотільні FIB вимагають високих температур Працює при температурі навколишнього середовища

Прогрес у дослідженні фтор-іонних акумуляторів

Хоча дослідження фтор-іонних акумуляторів почалися пізно, за останні роки вони досягли значного прогресу і привернули увагу науково-дослідних груп по всьому світу.

Японія: Світовий лідер у дослідженні фтор-іонних акумуляторів

Японія займає лідируючі позиції в галузі досліджень фтор-іонних акумуляторів, і уряд, підприємства та університети інвестували багато ресурсів. З 2016 по 2022 рік Японія посідала перше місце у світі за кількістю робіт, опублікованих у цій галузі.

  • Кіотський університет: Успішно розроблено фторидно-іонний акумулятор, який може працювати при кімнатній температурі, долаючи вузьке місце - високу робочу температуру акумуляторів з твердим електролітом.
  • Honda, Каліфорнійський технологічний інститут, NASA: Спільно розробили нову фторидно-іонну батарею з 10-кратним запасом енергії порівняно з існуючими літій-іонними батареями.
  • Кіотський університет, Toyota: Успішне випробування прототипу повністю твердотільного фторид-іонного акумулятора з запасом ходу понад 1 000 км.
  • Toyota Motor, Кіотський університет та інші провідні японські дослідницькі установи: Спільними зусиллями вирішили проблему і розробили революційний матеріал позитивного електрода - нітрид міді (Cu₃N), завдяки якому об'ємна щільність енергії повністю твердотільних фторидно-іонних акумуляторів досягає приблизно в 3 рази більше, ніж у літій-іонних батарей, а вагова щільність енергії збільшується в 2 рази!
  • Проект "RISING3"до складу якої входять 25 японських компаній та університетів, має на меті сприяти практичному застосуванню фтор-іонних акумуляторів та оснащенню ними електромобілів.
Кіотський університет в Японії розробив фторид-іонну батарею з використанням електроліту

Китай: Швидкий розвиток з потужним імпульсом

Китай відносно пізно увійшов у сферу фторид-іонів, але в останні роки він також почав активно інвестувати в дослідження і розробки і зробив кілька важливих проривів.

  • Шанхайський інститут кераміки Китайської академії наук: досягла значного прогресу в дослідженні фтор-іонних акумуляторів і розробила великогабаритні фтор-іонні акумулятори в м'якому корпусі.
  • Університет науки і техніки Китаю: розробили новий тип фторид-іонного твердого електроліту - перовскітовий фторид-іонний провідник, завдяки якому вперше вдалося досягти стабільного тривалого циклу роботи повністю твердотільних фторид-іонних акумуляторів при кімнатній температурі.
  • Сянганський університет, Південно-Західний університет, 18-й інститут корпорації China Electronics Technology Group, Guizhou Meiling Power Supply Co, Ltd.: подав заявку на низку патентів у сфері фторид-іонних акумуляторів.

Виклики та технічні перешкоди, з якими стикаються фторид-іонні акумулятори

Хоча фтор-іонні акумулятори мають багато переваг, вони все ще стикаються з багатьма проблемами і технічними перешкодами на шляху до комерційного застосування:

Електроліт: Пошук твердих або рідких електролітів з високою іонною провідністю при кімнатній температурі є однією з ключових проблем (дослідити електроліт для літій-іонних акумуляторів). Сьогодні багато твердих електролітів повинні працювати при високих температурах, тоді як рідкі електроліти можуть мати проблеми зі стабільністю.

Матеріали електродів: Дуже важливо розробити матеріали для позитивних і негативних електродів з високою ємністю, високою напругою і хорошими циклічними характеристиками. Хоча багато фторидів металів мають високу теоретичну питому ємність, у практичному застосуванні вони часто стикаються з такими проблемами, як зниження ємності та незворотні реакції.

Проблеми з інтерфейсом: Такі проблеми, як поганий контакт між електродом і електролітом і надмірний опір між ними, також впливають на продуктивність акумулятора.

Тривалість циклу: В даний час термін служби фторид-іонних акумуляторів, як правило, короткий, і ємність значно знизиться після багаторазових циклів заряду і розряду (дослідити Життєвий цикл літій-іонної батареї).

Кінетичні умови: Кінетичні умови фторид-іонних акумуляторів погані, а робочий струм малий, що обмежує їх продуктивність у високопотужних додатках.

Фтор-іонні акумулятори проти літій-іонних Як вони працюють

Сценарії застосування фтор-іонних акумуляторів

Завдяки високій щільності енергії, високому рівню безпеки та низькій вартості, фторид-іонні акумулятори мають широкі перспективи застосування у сфері транспортних засобів з новими джерелами енергії та мережевого зберігання енергії.

Нові енергетичні транспортні засоби: Очікується, що фторид-іонні акумулятори значно збільшать запас ходу електромобілів і повністю вирішать проблему "занепокоєння пробігу" користувачів. Toyota та інші автовиробники розпочали розробку фторид-іонних акумуляторів, прагнучи застосувати їх у наступному поколінні електромобілів.

Мережеве зберігання енергії: Фторид-іонні акумулятори можна використовувати для зберігання відновлюваної енергії, такої як сонячна енергія та енергія вітру, тим самим підвищуючи стабільність і надійність енергосистеми. Крім того, фторид-іонні акумулятори можна використовувати для згладжування піків і заповнення долин, оптимізуючи ефективність роботи мережі.

Майбутні перспективи фтор-іонних акумуляторів

Хоча шлях до комерціалізації фтор-іонних акумуляторів ще довгий, завдяки постійному збільшенню інвестицій в наукові дослідження і поступовому подоланню технічних перешкод, їхні перспективи залишаються дуже райдужними.

  • Прорив у наукових дослідженнях: Подальша розробка нових електролітів, електродних матеріалів і конструкцій акумуляторів для підвищення щільності енергії, тривалості циклу і безпеки.
  • Промислова кооперація: Посилити співпрацю між підприємствами, університетами та науково-дослідними установами для спільного просування технологічних інновацій та індустріалізації фтор-іонних акумуляторів.
  • Підтримка політики: Сформулювати відповідну політику для заохочення досліджень, розробок і застосування фтор-іонних акумуляторів та забезпечити сприятливе середовище для промислового розвитку.

Висновок

Як нова технологія зберігання енергії з великим потенціалом, фторид-іонні акумулятори, як очікується, в майбутньому замінять літій-іонні акумулятори і стануть основним вибором у сфері нових енергетичних транспортних засобів та мережевого зберігання енергії завдяки своїм значним перевагам у щільності енергії, безпеці, постачанні сировини та вартості.

Хоча дослідження і розробка фторид-іонних акумуляторів все ще стикаються з багатьма проблемами, завдяки спільним зусиллям світових науково-дослідних колективів і поступовому подоланню технічних перешкод, ми маємо підстави вважати, що фторид-іонні акумулятори відіграватимуть важливу роль у майбутній енергетичній революції.

Зображення Chase Wu
Чейз Ву
Чейз - галузевий експерт і незалежний аналітик, що спеціалізується на системах заміни батарей для електричних дво- і триколісних транспортних засобів. Його експертиза охоплює технології літій-іонних акумуляторів, інтелектуальну інфраструктуру для заміни батарей та застосування електромобілів, з особливим акцентом на реальному впровадженні, динаміці ринку та довгостроковому розвитку галузі.
Всі публікації
Пов'язана публікація