Entonces, establecemos este valor en el objetivo de nuestro proyecto Battery 500. El proyecto comenzó en 2009 y está dominado por el Centro de Investigación de Almaden. Desde entonces, IBM ha realizado esta investigación con varios socios comerciales e institutos de investigación de Europa, Asia y Estados Unidos.
El proyecto Battery 500 se basa en tecnología de metal-aire. En comparación con las baterías de litio, las baterías de aire de metal tienen más energía por unidad de masa. La investigación del proyecto todavía tarda varios años en comercializarse. Pero a través de estos siete años de experimentos, podemos pensar que la futura batería de metal-aire es realmente útil en vehículos eléctricos.
¿Por qué es una batería de metal-aire?
Tomando las baterías de aire de litio como ejemplo, para comprender este problema, veamos primero la diferencia entre las baterías de iones de litio (ahora baterías de litio comunes) y baterías de aire de litio.
La siguiente figura muestra el estado interno de la batería durante la carga y descarga de la batería de iones de litio. En una batería de iones de litio convencional, el electrodo positivo es carbono, y el electrodo negativo está compuesto por diferentes óxidos de metales de transición como cobalto, níquel, manganeso y similares. Ambos electrodos se sumergieron en un electrolito en el que se disolvió una sal de litio. Durante la carga y la descarga, los iones de litio se mueven de un electrodo a otro. La dirección del movimiento difiere dependiendo de si la batería está cargada o descargada dependiendo del estado de la batería. En el momento de la carga y la descarga, los iones de litio finalmente están integrados en la capa atómica del material del electrodo, y por lo tanto, la capacidad de la batería final depende de cuánto material pueda acomodar iones de litio, es decir, determinado por el volumen y la calidad de la calidad de los electrodos.
△ Proceso de carga y descarga de la batería de iones de litio
Las baterías de aire de litio varían. En las baterías de aire metálico, se produce una reacción electroquímica. Durante el proceso de descarga, el electrodo positivo que contiene litio libera iones de litio, y los iones de litio se mueven hacia el electrodo negativo y reaccionan con oxígeno en la superficie del electrodo negativo para formar peróxido de litio (Li 2 O 2).Los iones de litio, los electrones y el oxígeno reaccionan en la superficie del electrodo negativo formado por carbono poroso, porque la reacción química no ocurre en el electrodo negativo, y el ion de litio no es el material del electrodo negativo. Por lo tanto, la capacidad de la batería y el volumen o masa del material de electrodo negativo no son demasiado alta. Gran relación, siempre que haya suficiente superficie.
Es decir, la capacidad de la batería de litio-aire no está determinada por el volumen y la calidad del electrodo, sino el área de superficie del electrodo. Es por eso que en una batería de aire de litio, un electrodo de masa pequeña también puede almacenar una gran cantidad de energía, lo que resulta en una mayor densidad de energía.
△ Proceso de carga y descarga de batería de aire de litio
Por supuesto, además de la densidad de energía, el costo también es una consideración importante. El precio de la batería se encuentra actualmente en el rango de 200-300 dólares estadounidenses / kWh, si puede ejecutar 5-6 km por kWh, 800 km necesitan una batería de 150 kWh, necesita 30,000-4.5 millones. Un auto de la serie BMW 2 solo necesita $ 33,000. Por lo tanto, si desea la producción en masa, el precio por kWh debe caer por debajo de $ 100.¿Qué problemas debo resolver para la comercialización de baterías de litio-aire?
Cuando el litio y el oxígeno simplemente se someten a una reacción redox, la densidad de energía máxima teórica que se puede producir es de 3,460 wh/kg. Además de la porción de la célula que no experimenta una reacción química, el valor de la densidad de energía que finalmente puede lograrse también es muy deseable. Por supuesto, también encontrarás problemas.
El proceso de carga de una batería de litio es similar al de una batería de iones de litio convencional, siempre que esté presurizada externamente. La diferencia es que en una batería de litio-aire, cuando hay un voltaje externo, la estructura del peróxido de litio se destruye, y se reduce a iones de oxígeno y litio, y los iones de litio se devuelven al electrodo positivo. Las baterías de aire de litio, como las baterías de litio tradicionales, tienen más ciclos de carga y descarga y tienen más efectos secundarios dentro de la batería. Estos efectos secundarios son fundamentales para su producción en masa e incluso comercialización.
Para comprender los efectos de estos efectos secundarios en la batería, utilizamos el espectrómetro de masas electroquímicas en el centro de investigación para medir con precisión la cantidad de gas consumido y producido durante cada ciclo de carga y descarga. Como resultado, se ha descubierto un problema: la batería de litio-aire emite mucho menos oxígeno durante la carga que el oxígeno consumido durante la descarga. (En la prueba, se usa oxígeno seco en lugar de aire).
△ Espectrómetro de masas electroquímicos del IBM Research Center (: IBM)
En una celda de batería ideal, el oxígeno consumido durante la descarga es igual a la masa de oxígeno liberado durante la carga. Pero el estudio encontró que la cantidad de oxígeno liberado es menor, lo que significa que el oxígeno que no se libera es probable que reaccione con los componentes en la unidad de la batería, como la fusión en el electrolito, la batería está dentro. Consumo.En otro laboratorio de IBM en Zurich, realizamos nuevos experimentos para rastrear y informatizar esta reacción química autodestructiva. Finalmente, la razón se encontró en el electrolito orgánico. Luego estudiamos este problema. En la última unidad de batería, después de usar un nuevo electrolito, puede liberar la mayor parte del oxígeno absorbido durante la descarga. Además, también rastreamos el consumo y la producción de hidrógeno y agua durante la carga y la descarga, porque la presencia de estas dos sustancias significa que es probable que haya al menos una reacción química de autoconsumo dentro de la batería. Nuestra unidad de batería actual ha podido lograr 200 ciclos de carga y descarga, aunque esto es para que el proceso de carga real sea mucho menos que el máximo teórico.
Además de este problema, tenemos algunos hallazgos clave sobre los diversos componentes de la batería de aire de litio:
1. El electrodo positivo es diferente del electrodo positivo hecho de grafito en la batería de iones de litio tradicional. En la batería de aire de litio, el electrodo positivo que contiene litio cambiará algo de superficie durante el proceso de carga, y crece una estructura similar a un musgo o en forma de árbol. Es una dendrita. Estas dendritas son muy peligrosas porque pueden formar un circuito conductor entre los electrodos positivos y negativos para crear un cortocircuito.
△ Batería de litio-aire Electrodo positivo, después de varias decenas de ciclos, la superficie produce una estructura dendrítica
Para reducir la aparición de dendritas, utilizamos una membrana de aislamiento especial. Este separador consiste en una capa de material que contiene muchos poros a nanoescala que son lo suficientemente pequeños y distribuidos uniformemente a través de la membrana para permitir el paso de iones de litio y suprimir la producción dendrítica. Debido a la presencia de este separador, el ánodo permanece suave después de varios cientos de ciclos de carga. Si se usa un separador tradicional, las dendritas se producirán después de varios ciclos. Si usa un polímero de vidrio con iones conductores, el efecto será mejor.
△ Batería de litio-aire Electrodo positivo, después de usar una película de nano-isolación, la superficie permanece suave
2. El electrolito utilizado actualmente en el electrolito aún reacciona con oxígeno u otros compuestos producidos en el ciclo de carga y descarga y, por lo tanto, se consume. Hasta ahora, no hemos encontrado ningún solvente lo suficientemente estable como para permitir que la batería de aire de litio ingrese a la etapa comercial.3. Durante el proceso de carga, los iones de litio pueden reaccionar con el electrodo negativo para producir nitrato de litio. El nitrato de litio también reacciona con el electrolito, consumiendo el electrolito y produciendo dióxido de carbono. En la prueba, también rastreamos la cantidad de nitrato de litio producido y tomamos algunas medidas para reducir su producción. Sin embargo, debido a que el voltaje de carga requerido debe ser mayor que el voltaje de funcionamiento de la batería en al menos 700 mV. La sobretensión reducirá la eficiencia de carga de la batería. Hemos tratado de convertir carbono en otros óxidos de metales, y los resultados no han cambiado mucho.
4. Catalizadores sobre si usar o no catalizadores en baterías de metal-aire, ha habido muchos debates entre los profesionales y los oponentes. El uso de un catalizador puede reducir significativamente la aparición de condiciones de sobrepresión, pero el mismo catalizador generalmente también acelerará el consumo de electrolito. En nuestros estudios teóricos, la energía de activación es muy baja en la oxidación y reducción del litio. Por lo tanto, en las baterías de aire de litio, el catalizador no es necesario.
5. Preparación de aire Aunque la batería se llama batería de aire de litio, de hecho usamos oxígeno seco. Se hace hincapié en el "secado" porque solo es necesario eliminar los componentes del vapor de agua y el dióxido de carbono en el aire. Para producir en masa dicho aire en baterías comerciales, se necesita un sistema de purificación de aire ligero, eficiente y estable. Desde esta perspectiva, la aplicación práctica de las baterías de aire de litio puede estar en autobuses, camiones y otros vehículos grandes. Solo estos grandes vehículos pueden acomodar equipos de purificación de aire.
La unidad de la batería que se usa actualmente para la prueba sigue siendo de tamaño pequeño, de 76 mm de diámetro y 13 mm de longitud, lo que está lejos de ser suficiente para el estándar de los vehículos eléctricos. Entonces, una de las tareas más importantes que deben hacerse es cómo hacer celdas de batería más grandes, empaquetar y empacar muchas celdas de batería en un paquete de baterías, y luego tener un sistema de gestión de baterías. También estamos probando algunos tamaños diferentes, como 100 x 100 mm (100 mm de diámetro, 100 mm de longitud).
En la actualidad, este proyecto todavía está en la etapa de ciencia básica inicial sobre materiales y reacciones químicas, pero los resultados obtenidos son positivos. En nuestro estudio, la densidad de energía que ahora se puede lograr es la reacción oxidueductora de litio de 15 kWh/kg (usando un cátodo de carbono crudo, 5700 mAh x 2.7 v/g), y la densidad de energía en la célula es de aproximadamente 800 wh/kg .
Batería de sodio-aire: baja densidad de energía, pero en baterías estables de aire metálico, hay muchos metales que se pueden usar, además de litio, sodio y potasio. La reacción inversa de estos metales es más fácil, y se ha demostrado que los metales relativamente más pesados, como el magnesio, el aluminio, el zinc, el hierro, etc. metal.
Las baterías de aire de sodio son otra combinación interesante, aunque la densidad de energía que se puede lograr es menor en comparación con las baterías de litio-aire, pero sus beneficios son más estables.
La razón por la cual la densidad de energía es baja es que la reacción química generada es diferente. Como se mencionó anteriormente, en las baterías de litio-aire, el litio reacciona con oxígeno para producir peróxido de litio (Li2O2), pero en baterías de sodio-aire, el sodio reacciona con oxígeno usando solo un electrón, lo que resulta en superóxido de sodio NaO2. En lugar de peróxido de sodio, Na2O2. En comparación, la densidad de energía que puede producir una batería de aire sodio se reduce teóricamente a la mitad, y el límite superior teórico de la densidad de energía es de 1100 wh/kg.
Por otro lado, las baterías de aire de sodio son más eficientes que las baterías de litio-aire, y la sobretensión es bastante baja, menos de 20 mv (700 mv para litio). En vista de esto, el voltaje de funcionamiento de la unidad de la batería puede reducirse a 3V, de modo que el autoconsumo de otros componentes dentro de la batería puede reducirse mucho, como el electrolito. Lo medimos por experimento y lo verificamos. Esto tiene la ventaja de que la estabilidad de la batería es bastante alta, y la capacidad de la batería apenas cambia después de 50 ciclos de carga y descarga.
También hay algunos desafíos en el uso comercial de baterías de aire sodio. Por ejemplo, una batería de aire de sodio consume el doble de oxígeno que una batería de litio-aire en respuesta a una reacción, equivalente a la cantidad de aire requerida para producir un motor de pistón de la misma potencia. Además, la actividad química del metal de sodio es bastante alta, y muchas personas recordarán la demostración hecha por el profesor de química en el aula de la escuela secundaria. Se arroja un pequeño trozo de sodio al agua y se producirá una reacción química violenta.
Sin embargo, el litio es un metal raro y no es barato. Pero el sodio es un metal común y el costo es extremadamente bajo. El costo de los materiales en el mismo tamaño de batería de aire de sodio es inferior a una décima parte de la que en las baterías de litio. Aunque a largo plazo, las baterías de aire de litio tendrán un mejor rendimiento, pero teniendo en cuenta la estabilidad y el costo, la batería de aire de sodio que no es tan baja como la energía será una mejor opción de la batería actual al futuro.
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