Então, definimos esse valor para a meta do nosso projeto Battery 500. O projeto começou em 2009 e é dominado pelo Almaden Research Center. Desde então, a IBM conduziu esta pesquisa com vários parceiros de negócios e institutos de pesquisa da Europa, Ásia e Estados Unidos.
O projeto da Battery 500 é baseado na tecnologia de ar metal. Comparados às baterias de lítio, as baterias de ar metal têm mais energia por unidade de massa. A pesquisa do projeto ainda leva vários anos para serem comercializados. Mas, por meio desses sete anos de experimentos, podemos pensar que a futura bateria de metal-ar é realmente útil em veículos elétricos.
Por que é uma bateria de ar metal?
Tomando as baterias de ar-ar-lítio como exemplo, para entender esse problema, vamos primeiro olhar a diferença entre as baterias de íons de lítio (agora baterias comuns de lítio) e baterias de ar lítio.
A figura abaixo mostra o estado interno da bateria durante o carregamento e descarga da bateria de íons de lítio. Em uma bateria de íons de lítio convencional, o eletrodo positivo é carbono e o eletrodo negativo é composto de diferentes óxidos de metais de transição, como cobalto, níquel, manganês e similares. Ambos os eletrodos foram imersos em um eletrólito no qual um sal de lítio foi dissolvido. Durante a carga e a descarga, os íons lítio se movem de um eletrodo para o outro. A direção do movimento difere dependendo se a bateria é carregada ou descarregada, dependendo do estado da bateria. No momento da carga e descarga, os íons de lítio estão finalmente incorporados na camada atômica do material do eletrodo e, portanto, a capacidade da bateria final depende de quanto material pode acomodar íons de lítio, isto é, determinados pelo volume e qualidade de os eletrodos.
△ Processo de carregamento e descarga de bateria de íons de lítio
As baterias de ar-lítio variam. Nas baterias de ar metal, ocorre uma reação eletroquímica. Durante o processo de descarga, o eletrodo positivo contendo lítio libera íons de lítio, e os íons lítio se movem em direção ao eletrodo negativo e reagem com oxigênio na superfície do eletrodo negativo para formar peróxido de lítio (Li 2 O 2).Os íons de lítio, elétrons e oxigênio reagem na superfície do eletrodo negativo formado por carbono poroso, porque a reação química não ocorre no eletrodo negativo e o íon lítio não é o material do eletrodo negativo. Portanto, a capacidade da bateria e o volume ou massa do material do eletrodo negativo não são muito altos. Grande relacionamento, desde que haja área de superfície suficiente.
Ou seja, a capacidade da bateria de lítio-ar não é determinada pelo volume e qualidade do eletrodo, mas pela área de superfície do eletrodo. É por isso que, em uma bateria de ar-ar, um eletrodo de pequena massa também pode armazenar uma grande quantidade de energia, resultando em uma densidade de energia mais alta.
△ Processo de carregamento e descarga de bateria de ar de lítio
Obviamente, além da densidade de energia, o custo também é uma consideração importante. O preço da bateria está atualmente na faixa de 200 a 300 dólares / kWh, se você puder correr de 5 a 6 km por kWh, 800 km precisam de uma bateria de 150 kWh, precisará de 30.000 a 4,5 milhões. Um carro da série BMW 2 precisa apenas de US $ 33.000. Portanto, se você deseja produção em massa, o preço por kWh deve cair abaixo de US $ 100.Que problemas devo resolver para a comercialização de bateria de lítio-ar?
Quando o lítio e o oxigênio são simplesmente submetidos a uma reação redox, a densidade máxima teórica de energia que pode ser produzida é de 3.460 wh/kg. Além da parte da célula que não sofre uma reação química, o valor da densidade de energia que pode ser alcançado também é muito desejável. Obviamente, você também encontrará problemas.
O processo de carregamento de uma bateria de lítio-ar é semelhante ao de uma bateria de íons de lítio convencional, desde que seja pressurizada externamente. A diferença é que, em uma bateria de ar-ar-lítio, quando há uma tensão externa, a estrutura do peróxido de lítio é destruída e é reduzida a íons de oxigênio e lítio e os íons de lítio são retornados ao eletrodo positivo. As baterias de ar de lítio, como as baterias tradicionais de lítio, têm mais ciclos de carga e descarga e têm mais efeitos colaterais dentro da bateria. Esses efeitos colaterais são fundamentais para sua produção em massa e até comercialização.
Para entender os efeitos desses efeitos colaterais na bateria, usamos o espectrômetro de massa eletroquímica no centro de pesquisa para medir com precisão a quantidade de gás consumida e produzida durante cada ciclo de carga e descarga. Como resultado, foi descoberto um problema: a bateria de lítio-ar emite muito menos oxigênio durante o carregamento do que o oxigênio consumido durante a alta. (No teste, o oxigênio seco é usado em vez de ar.)
△ Espectrômetro de massa eletroquímica do IBM Research Center (: IBM)
Em uma célula de bateria ideal, o oxigênio consumido durante a descarga é igual à massa de oxigênio liberada durante o carregamento. Mas o estudo constatou que a quantidade de oxigênio liberada é menor, o que significa que o oxigênio que não é liberado provavelmente reagirá com os componentes da unidade de bateria, como derreter no eletrólito, a bateria está dentro. Consumo.Em outro laboratório da IBM em Zurique, realizamos novos experimentos para rastrear e informatizar essa reação química autodestrutiva. Finalmente, o motivo foi encontrado no eletrólito orgânico. Então estudamos esse problema. Na última unidade de bateria, depois de usar um novo eletrólito, ele pode liberar a maior parte do oxigênio absorvido durante a descarga. Além disso, também rastreamos o consumo e a produção de hidrogênio e água durante a carga e descarga, porque a presença dessas duas substâncias significa que é provável que haja pelo menos uma reação química de autoconsumo dentro da bateria. Nossa unidade de bateria atual conseguiu obter 200 ciclos de carga e descarga, embora isso seja para tornar o processo de carregamento real muito menor que o máximo teórico.
Além desse problema, temos algumas descobertas importantes sobre os vários componentes da bateria de lítio-ar:
1. O eletrodo positivo é diferente do eletrodo positivo feito de grafite na bateria de íons de lítio tradicional. Na bateria de lítio-ar, o eletrodo positivo contendo lítio mudará alguma superfície durante o processo de carregamento, e uma estrutura semelhante a um musgo ou em forma de árvore cresce. É um dendrito. Esses dendritos são muito perigosos porque podem formar um loop condutor entre os eletrodos positivos e negativos para criar um curto -circuito.
△ Eletrodo positivo da bateria de ar de lítio, após várias dezenas de ciclos, a superfície produz estrutura dendrítica
Para reduzir a ocorrência de dendritos, usamos uma membrana especial de isolamento. Esse separador consiste em uma camada de material contendo muitos poros em nanoescala que são pequenos o suficiente e distribuídos uniformemente pela membrana para permitir a passagem de íons de lítio e suprimir a produção dendrítica. Devido à presença desse separador, o ânodo permanece suave após várias centenas de ciclos de carga. Se um separador tradicional for usado, os dendritos ocorrerão após vários ciclos. Se você usar um polímero de vidro com íons condutores, o efeito será melhor.
△ eletrodo positivo da bateria de ar de lítio, após usar o filme de nano-isolação, a superfície permanece suave
2. O eletrólito atualmente usado no eletrólito ainda reage com oxigênio ou outros compostos produzidos no ciclo de carga e descarga e, portanto, é consumido. Até agora, não encontramos nenhum solvente estável o suficiente para permitir que a bateria de lítio-ar entre no estágio comercial.3. Durante o processo de carregamento, os íons de lítio podem reagir com o eletrodo negativo para produzir nitrato de lítio. O nitrato de lítio também reage com o eletrólito, consumindo o eletrólito e produzindo dióxido de carbono. No teste, também rastreamos a quantidade de nitrato de lítio produzido e tomamos algumas medidas para reduzir sua produção. No entanto, porque a tensão de carregamento necessária deve ser maior que a tensão de operação da bateria em pelo menos 700mV. A excesso de tensão reduzirá a eficiência de carregamento da bateria. Tentamos converter carbono em outros óxidos metálicos, e os resultados não mudaram muito.
4. Catalisadores em relação a usar ou não catalisadores em baterias de metal-ar, houve muitos debates entre os profissionais e os oponentes. O uso de um catalisador pode reduzir significativamente a ocorrência de condições de sobrepressão, mas o mesmo catalisador geralmente também acelera o consumo de eletrólito. Em nossos estudos teóricos, a energia de ativação é muito baixa na oxidação e redução do lítio. Portanto, nas baterias de ar-ar-lítio, o catalisador não é necessário.
5. Preparação do ar Embora a bateria seja chamada de bateria de ar de lítio, na verdade, usamos oxigênio seco. A ênfase é colocada na "secagem" porque é necessário remover os componentes do vapor de água e dióxido de carbono no ar. Para produzir em massa esse ar em baterias comerciais, é necessário um sistema de purificação de ar leve, eficiente e estável. Nessa perspectiva, a aplicação prática de baterias de lítio-ar pode estar em ônibus, caminhões e outros veículos grandes. Somente esses veículos grandes podem acomodar equipamentos de purificação de ar.
A unidade de bateria atualmente usada para teste ainda tem tamanho pequeno, 76 mm de diâmetro e 13 mm de comprimento, o que está longe de ser suficiente para o padrão de veículos elétricos. Portanto, uma das tarefas mais importantes que precisam ser feitas é como criar células de bateria maiores, embalar e embalar muitas células da bateria em uma bateria e depois ter um sistema de gerenciamento de bateria. Também estamos testando alguns tamanhos diferentes, como 100 x 100 mm (100 mm de diâmetro, 100 mm de comprimento).
Atualmente, este projeto ainda está no estágio científico básico inicial sobre materiais e reações químicas, mas os resultados obtidos são positivos. Em nosso estudo, a densidade energética que agora pode ser alcançada é a reação oxidoredutora de lítio de 15 kWh/kg (usando um cátodo de carbono bruto, 5700 mAh x 2,7 V/g), e a densidade de energia na célula é de aproximadamente 800 wh/kg .
Bateria de ar-ar de sódio: baixa densidade de energia, mas em baterias estáveis ao ar metal, existem muitos metais que podem ser usados, além de lítio, sódio e potássio. A reação reversa desses metais é mais fácil e metais relativamente mais pesados, como magnésio, alumínio, zinco, ferro, etc., provaram ser difíceis de recarregar, de modo que o projeto da bateria 500 optou por estudar lítio e sódio. metal.
As baterias de ar de sódio são outra combinação interessante, embora a densidade de energia que possa ser alcançada seja menor em comparação com as baterias de ar-ar, mas seus benefícios são mais estáveis.
A razão pela qual a densidade de energia é baixa é que a reação química gerada é diferente. Como mencionado acima, nas baterias de ar-ar de lítio, o lítio reage com oxigênio para produzir peróxido de lítio (Li2O2), mas em baterias de ar-ar, o sódio reage com oxigênio usando apenas um elétron, resultando em NaO2 de superóxido de sódio. Em vez de peróxido de sódio, Na2O2. Em comparação, a densidade de energia que uma bateria de sódio-ar pode produzir é teoricamente reduzida pela metade, e o limite superior teórico de densidade de energia é de 1100 wh/kg.
Por outro lado, as baterias de sódio-ar são mais eficientes que as baterias de ar-ar de lítio, e a sobretensão é bastante baixa, menor que 20mV (700mV para lítio). Em vista disso, a tensão de operação da unidade de bateria pode ser reduzida para 3V, para que o autoconsumo de outros componentes dentro da bateria possa ser muito reduzido, como o eletrólito. Nós o medimos por experimento e o verificamos. Isso tem a vantagem de que a estabilidade da bateria é bastante alta e a capacidade da bateria dificilmente muda após 50 ciclos de carga e descarga.
Existem também alguns desafios no uso comercial de baterias de sódio-ar. Por exemplo, uma bateria de sódio-ar consome duas vezes mais oxigênio do que uma bateria de lítio-ar em resposta a uma reação, equivalente à quantidade de ar necessária para produzir um motor de pistão com a mesma potência. Além disso, a atividade química do metal de sódio é bastante alta e muitas pessoas se lembrarão da manifestação feita pelo professor de química na sala de aula do ensino médio. Um pequeno pedaço de sódio é jogado na água e ocorrerá uma reação química violenta.
No entanto, o lítio é um metal raro e não é barato. Mas o sódio é um metal comum e o custo é extremamente baixo. O custo dos materiais no mesmo tamanho de bateria de ar-ar é inferior a um décimo daquela nas baterias de ar-ar. Embora, a longo prazo, as baterias de lítio-ar tenham melhor desempenho, mas considerando a estabilidade e o custo, a bateria de sódio-ar que não é tão baixa quanto a energia será uma escolha melhor da bateria atual para o futuro.
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