Από τις 24 έως τις 26 Αυγούστου, το Carbon Neutral Energy Summit Forum και το 3ο China International New Energy Storage Technology and Engineering Application Conference και το New Energy Storage Technology Young Scientist Forum διεξήχθησαν στο Shenzhen υπό την καθοδήγηση της Shenzhen Development and Reform Commission. -διοργανώνεται από την China Chemical and Physical Power Industry Association και το Southern University of Science and Technology Ερευνητικό Ινστιτούτο Ανθρακούχου Ουδέτερης Ενέργειας και υποστηρίζεται από περισσότερα από 100 ιδρύματα. Το θέμα του συνεδρίου είναι «Ανάπτυξη νέας παραγωγικότητας και προώθηση υψηλής ποιότητας ανάπτυξης της βιομηχανίας αποθήκευσης ενέργειας».
Οι διοργανωτές του συνεδρίου κάλεσαν 6 ακαδημαϊκούς και 100 εμπειρογνώμονες του κλάδου να πραγματοποιήσουν εις βάθος συζητήσεις και ανταλλαγές σε 12 ειδικές συνεδρίες, συμπεριλαμβανομένων λύσεων ενοποίησης νέων συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας, τεχνολογίας και εφαρμογών μακροπρόθεσμης αποθήκευσης ενέργειας, εικονικών σταθμών παραγωγής ενέργειας, βιομηχανικής και εμπορικής ενέργειας αποθήκευση, νέες μπαταρίες αποθήκευσης ενέργειας, νέες αγορές αποθήκευσης ενέργειας και ηλεκτρικής ενέργειας, έξυπνα μικροδίκτυα, προώθηση προτύπων αποθήκευσης ενέργειας και νέα τεχνολογία αποθήκευσης ενέργειας φόρουμ νέων επιστημόνων.
Το πρωί της 25ης Αυγούστου, ο καθηγητής Ning Xiaohui από τη Σχολή Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών του Πανεπιστημίου Xi'an Jiaotong προσκλήθηκε να δώσει μια κεντρική ομιλία στο "New Energy Storage Battery Special Session". Ο τίτλος της έκθεσης ήταν «Πρόοδος στη νέα τεχνολογία αποθήκευσης μπαταριών υγρών μετάλλων».
Καλημέρα σε όλους! Είμαι ο Ning Xiaohui από το Πανεπιστήμιο Xi'an Jiaotong. Σε σύγκριση με την μπαταρία ιόντων νατρίου για την οποία μόλις μίλησε ο καθηγητής Cao και την μπαταρία ροής που παρουσίασε ο καθηγητής Yan, η τεχνολογία μας είναι πολύ εξειδικευμένη. Ονομάζεται νέος τύπος μπαταρίας αποθήκευσης ενέργειας υγρού μετάλλου. Το πράγμα μας ορίζεται με μεγαλύτερη ακρίβεια ως υγρό μέταλλο. Αυτή η μπαταρία είναι διαφορετική από την μπαταρία ιόντων λιθίου, την μπαταρία ροής και την μπαταρία ιόντων νατρίου που χρησιμοποιείται στο κινητό σας τηλέφωνο. Είναι μια μπαταρία υψηλής θερμοκρασίας. Σας ευχαριστούμε πολύ για την ευκαιρία να παρουσιάσουμε την πρόοδο της ερευνητικής μας ομάδας στον τομέα αυτό.
Το υπόβαθρο και η σημασία έχουν εισαχθεί από όλους τους δασκάλους μόλις τώρα. Το κύριο σημείο είναι ότι οι τρέχοντες στόχοι αιχμής άνθρακα και ουδετερότητας άνθρακα απαιτούν να μεταμορφώσουμε την ενεργειακή μας δομή. Από την τρέχουσα ενεργειακή δομή που κυριαρχείται από την ορυκτή ενέργεια έως τη μελλοντική δομή που κυριαρχείται από τη νέα ενέργεια. Αυτός ο μετασχηματισμός είναι πιο απαιτητικός για το σύστημα του δικτύου ηλεκτρικής ενέργειας, επειδή το σημερινό μας δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας βασίζεται στη θερμική ενέργεια, συμπεριλαμβανομένης της υδροηλεκτρικής ενέργειας και της πυρηνικής ενέργειας. Αυτές οι τρεις πηγές ενέργειας είναι πολύ σταθερές και μπορούν να ελεγχθούν για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Από την πλευρά της κατανάλωσης ενέργειας, οι νόμοι της κατανάλωσης ενέργειας στα εργοστάσια και τα νοικοκυριά μας είναι εφαρμόσιμοι. Τώρα μπορούμε να ανταποκριθούμε πλήρως στη δυναμική ισορροπία μεταξύ της πλευράς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και της πλευράς κατανάλωσης ενέργειας μέσω του State Grid και του Southern Power Grid, της μεταφοράς και διανομής μεγάλης κλίμακας και των δυνατοτήτων αποστολής μεγάλης κλίμακας. Αλλά στο μέλλον, πρέπει να μεταμορφώσουμε την ενεργειακή μας δομή. Η αιολική ενέργεια και η φωτοβολταϊκή ενέργεια πρέπει να προστεθούν στην πλευρά της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Όλοι γνωρίζουν ότι αυτή η ενέργεια είναι πολύ ασταθής και τυχαία. Έτσι, μετά την προσθήκη του στην πλευρά παραγωγής ενέργειας, αυτή η πλευρά θα παρουσιάζει επίσης μεγάλες διακυμάνσεις, και με τις αυξανόμενες αλλαγές στην πλευρά του χρήστη στην πλευρά κατανάλωσης ενέργειας μικροδικτύου, όπως τα ηλεκτρικά οχήματα και η νέα ενέργεια, η τυχαιότητα και η ανεξέλεγκτη πλευρά της πλευράς χρήστη θα γίνουν όλο και πιο δύσκολο. Σε αυτήν την περίπτωση, η μεγάλης κλίμακας τεχνολογία αποθήκευσης ενέργειας είναι πολύ σημαντική για εμάς.
Όπως μπορείτε να δείτε, στο «14ο Πενταετές Σχέδιο» του νέου σχεδίου υλοποίησης ανάπτυξης αποθήκευσης ενέργειας, η Εθνική μας Επιτροπή Ανάπτυξης και Μεταρρύθμισης και το Γραφείο Ενέργειας δήλωσαν επίσης ξεκάθαρα ότι ελπίζουν να δημιουργήσουν ένα νέο καινοτόμο σύστημα αποθήκευσης νέας ενέργειας και να αυξήσουν την ανάπτυξη διαφοροποιημένων τεχνολογιών. Σε αυτό το πλαίσιο, η εξειδικευμένη τεχνολογία αποθήκευσης ενέργειας μας έχει λίγο περιθώριο επιβίωσης.
Αν θέλουμε να κατασκευάσουμε μπαταρίες αποθήκευσης ενέργειας, πρέπει να φτιάξουμε μερικά πιο καινοτόμα συστήματα και να εγκαταλείψουμε κάποιες από τις προηγούμενες ιδέες σχεδιασμού. Πρέπει να βρούμε μερικά νέα συστήματα υλικών ηλεκτροδίων και να σχεδιάσουμε μερικές νέες δομές μπαταριών προτού μπορέσουμε να καταλήξουμε σε μερικές νέες τεχνολογίες μπαταριών αποθήκευσης ενέργειας.
Ο πρώην μέντοράς μου στο MIT, ο καθηγητής Sadoway, εργαζόταν στη μεταλλουργία και γοητευόταν από τις κυψέλες ηλεκτρόλυσης αλουμινίου. Το μέταλλο στο στέμμα του Ναπολέοντα ήταν κατασκευασμένο από αλουμίνιο, όπως και το μέταλλο στην άκρη του Μνημείου της Ουάσιγκτον. Το αλουμίνιο ήταν πολύ ακριβό εκείνη την εποχή, αλλά αφού παρήχθη μέσω ηλεκτρόλυσης, το αλουμίνιο έγινε πολύ φθηνό και μπήκε σε χιλιάδες νοικοκυριά, έτσι γοητεύτηκε από την τεχνολογία ηλεκτρόλυσης αλουμινίου.
Η διαδικασία ηλεκτρόλυσης είναι η αντίστροφη διαδικασία από τις μπαταρίες που χρησιμοποιούμε τώρα. Η διαδικασία ηλεκτρόλυσης μας μετατρέπει κυρίως την ηλεκτρική ενέργεια σε χημική ενέργεια, ενώ οι μπαταρίες μετατρέπουν τη χημική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια. Η αρχή της ηλεκτρόλυσης χρησιμοποιείται όταν φορτίζονται οι μπαταρίες. Η κυψέλη ηλεκτρόλυσης αλουμινίου είναι πολύ μεγάλη, μήκους εκατοντάδων μέτρων και καταναλώνει πολύ ηλεκτρική ενέργεια. Είναι ένα σύστημα 500,000 αμπέρ 4 volt και καταναλώνει πολύ ρεύμα καθημερινά. Εκείνη την εποχή, μια από τις πιο βασικές ιδέες μας ήταν να αντιστρέψουμε τη διαδικασία ηλεκτρόλυσης και να μετατρέψουμε τα πράγματα που καταναλώνουν ηλεκτρική ενέργεια σε πράγματα αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας, μετατρέποντάς τα σε μια τεράστια μπαταρία για αποθήκευση ενέργειας. Πώς να το κάνουμε; Σκεφτήκαμε τη διαδικασία διύλισης ηλεκτρόλυσης αλουμινίου, τη διαδικασία ηλεκτροχημικής διύλισης από ακατέργαστο αλουμίνιο σε εξευγενισμένο αλουμίνιο, χρησιμοποιώντας μια υγρή δομή τριών στρωμάτων, ο πυθμένας είναι ακατέργαστο αλουμίνιο και ο ηλεκτρολύτης στη μέση είναι ένα σύστημα λιωμένου άλατος, παρόμοιο με το επιτραπέζιο αλάτι που βλέπουμε στην καθημερινή ζωή. Αυτό το πράγμα θα λιώσει σε υψηλή θερμοκρασία και θα γίνει ένα υγρό παρόμοιο με το νερό, το οποίο μπορεί να μεταφέρει ιόντα, οπότε ο ηλεκτρολύτης είναι λιωμένο αλάτι και η κορυφή μπορεί να πάρει εξευγενισμένο υλικό αλουμινίου. Γιατί μπορούν να δημιουργηθούν τρία στρώματα υγρών υλικών; Επειδή οι πυκνότητες αυτών των τριών υλικών είναι διαφορετικές, χωρίζονται φυσικά σε τρία στρώματα: επάνω, μεσαίο και κάτω. Επιπλέον, η διαδικασία ηλεκτρόλυσης λειτουργεί σε υψηλή θερμοκρασία και μπορεί να περάσει μεγάλα ρεύματα.
Με αυτές τις σκέψεις, αναρωτηθήκαμε αν θα μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε την αρχή της ηλεκτρολυτικής διύλισης αλουμινίου για να σχεδιάσουμε μια μπαταρία υγρού τριών στρωμάτων, μια μπαταρία υγρού μετάλλου. Τα τρία υλικά της μπαταρίας υγρού μετάλλου, το θετικό ηλεκτρόδιο, το υλικό αρνητικού ηλεκτροδίου και το υλικό ηλεκτρολύτη, έχουν διαφορετικές πυκνότητες, επομένως μπορούν να χωριστούν φυσικά σε τρία στρώματα: επάνω, μεσαίο και κάτω. Το ελαφρύτερο μέταλλο βρίσκεται στο πάνω μέρος, που είναι το αρνητικό ηλεκτρόδιο της μπαταρίας, και το μέταλλο με τη μεγαλύτερη πυκνότητα βρίσκεται στο κάτω μέρος, που είναι το θετικό ηλεκτρόδιο της μπαταρίας. Στη μέση βρίσκεται το σύστημα λιωμένου αλατιού. Όταν η μπαταρία αποφορτιστεί, το αρνητικό ηλεκτρόδιο θα γίνει ιόντα, θα διαχέεται στην επιφάνεια του θετικού ηλεκτροδίου μέσω του λιωμένου άλατος του ηλεκτρολύτη και θα σχηματίσει ένα κράμα. Η φόρτιση είναι η αντίστροφη διαδικασία. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας φόρτισης και εκφόρτισης, είναι μόνο η αλλαγή στον όγκο του υλικού του υγρού ηλεκτροδίου και δεν υπάρχει πρόβλημα δομής του στερεού υλικού ή κατάρρευσης της δομής του υλικού. Έτσι, θεωρητικά, η διάρκεια ζωής του κύκλου του μπορεί να είναι πολύ μεγάλη. Τα υγρά μέταλλα χρησιμοποιούν σχετικά φθηνά μέταλλα με σχετικά άφθονα αποθέματα, επομένως το κόστος είναι σχετικά χαμηλό. Ταυτόχρονα, ο ηλεκτρολύτης στη μέση είναι κατασκευασμένος από ανόργανο λιωμένο αλάτι, το οποίο δεν απαιτεί διάφραγμα και έχει σχετικά χαμηλό κόστος. Επιπλέον, έχει πολύ υψηλή ιοντική αγωγιμότητα σε υψηλές θερμοκρασίες. Επιπλέον, η δομή του υγρού τριών στρωμάτων είναι πολύ απλή όταν η μπαταρία γίνεται μεγαλύτερη, επομένως είναι πολύ εύκολο να φτιάξετε μεμονωμένες κυψέλες με εκατοντάδες αμπέρ ώρες . Το εργαστήριό μας μπορεί να κατασκευάσει στοιχεία μπαταρίας με χωρητικότητα άνω των 200 αμπέρ ωρών. Το μόνο πρόβλημα είναι ότι είναι ένα σύστημα υψηλής θερμοκρασίας, επομένως χρειάζεται θέρμανση όταν λειτουργεί για πρώτη φορά. Ωστόσο, αφού στοιβάζουμε τις μπαταρίες και κάνουμε καλύτερη μόνωση, θα δημιουργηθεί μεγάλη ποσότητα θερμότητας κατά τη διαδικασία φόρτισης και εκφόρτισης, η οποία μπορεί να επιτύχει μια δυναμική ισορροπία με την απώλεια θερμότητας, αρκετή για να διατηρείται η μπαταρία υγρού μετάλλου σε λειτουργία τόσο υψηλή θερμοκρασία, ώστε να μπορεί να γίνει σύστημα αυτοθέρμανσης.
Όπως μπορείτε να δείτε από την εικόνα εδώ, για να κατανοήσουν όλοι πιο ξεκάθαρα την έννοια της μπαταρίας υγρού μετάλλου, κατασκευάσαμε στο εργαστήριο μια υγρή μπαταρία σε θερμοκρασία δωματίου. Φυσικά, δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην πράξη γιατί το θετικό του ηλεκτρόδιο χρησιμοποιεί τοξικό μέταλλο υδραργύρου. Κατασκευάσαμε αυτήν την μπαταρία έτσι ώστε όλοι να μπορούν να δουν την υγρή δομή τριών στρωμάτων πιο καθαρά. Αυτή η μπαταρία έχει όντως τάση και μπορεί εύκολα να φορτιστεί και να αποφορτιστεί, αλλά η απόδοση δεν είναι καλύτερη από αυτή της πραγματικής μπαταρίας μας που λειτουργεί σε υψηλή θερμοκρασία. Είναι απλώς για να κατανοήσουν όλοι την έννοια του υγρού τριών στρωμάτων.
και ανάπτυξη δενδρίτη κατά τη διάρκεια του κύκλου της μπαταρίας. Επειδή είναι υγρό, δεν υπάρχει καταπόνηση κατά τη διαδικασία φόρτισης και εκφόρτισης, επομένως δεν θα υπάρξει κονιοποίηση χωρίς καταπόνηση. Ταυτόχρονα, η διεπαφή υγρού μετάλλου και υγρού ηλεκτρολύτη είναι μια διεπαφή υγρού-υγρού με πολύ καλή επαφή, λύνοντας έτσι το πρόβλημα της διεπαφής επαφής μεταξύ του στερεού ηλεκτροδίου και του ηλεκτρολύτη.
Οι μπαταρίες υγρού μετάλλου έχουν επίσης ορισμένα πλεονεκτήματα. Επειδή η υγρή δομή τριών στρωμάτων τοποθετείται αυτόματα με βάση τις διαφορετικές πυκνότητες υλικών, ολόκληρη η δομή της μπαταρίας είναι πολύ απλή και πολύ εύκολο να γίνει μεγαλύτερη. Το εργαστήριό μας μπορεί να κατασκευάσει μπαταρίες με χωρητικότητα 200 αμπέρ ώρες, 300 αμπέρ ώρες ή ακόμα και 500 ή 600 αμπέρ ώρες. Το δεύτερο είναι ότι τα υγρά ηλεκτρόδια δεν έχουν κάποιες αλλαγές στη δομή του στερεού ηλεκτροδίου που προκαλούν αποσύνθεση της χωρητικότητας της μπαταρίας. Σε σύγκριση με τις μπαταρίες στερεάς κατάστασης, μετά από μεγάλους κύκλους, η δομή του υλικού του ηλεκτροδίου καταρρέει και προκαλεί αποσύνθεση της χωρητικότητας. Αυτό το πρόβλημα δεν υπάρχει στο σύστημά μας, επομένως η μπαταρία μας έχει σχετικά μεγάλη διάρκεια ζωής. Επιπλέον, το λιωμένο αλάτι του ηλεκτρολύτη στη μέση έχει τεχνολογία αποθήκευσης θερμότητας στην τεχνολογία αποθήκευσης ενέργειας. Το ίδιο το λιωμένο αλάτι χρησιμοποιείται ως υλικό αποθήκευσης θερμότητας. Μετά τη δημιουργία θερμότητας, εάν η μπαταρία βραχυκυκλωθεί και παράγει θερμότητα, θα απορροφηθεί από το λιωμένο αλάτι και δεν θα υπάρχει κίνδυνος πυρκαγιάς και έκρηξης. Ταυτόχρονα, δεν απαιτείται διάφραγμα, οπότε το κόστος είναι σχετικά χαμηλό.
Το «14ο Πενταετές Σχέδιο Ανάπτυξης Νέας Αποθήκευσης Ενέργειας» προτείνει επίσης τη χρήση μπαταριών υγρού μετάλλου ως νέα τεχνολογία και κατεύθυνση που πρέπει να αντιμετωπιστεί στο μέλλον, και ελπίζει ότι θα εφαρμοστούν στον τομέα της αποθήκευσης ενέργειας στο μέλλον .
Ακολουθεί μια εισαγωγή στην πρόοδο της ερευνητικής μας ομάδας στα συστήματα υλικών μπαταριών, συμπεριλαμβανομένων μεμονωμένων κυψελών και συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας. Αυτά είναι μερικά από τα αποτελέσματα της έρευνάς μας σχετικά με το σχεδιασμό συστημάτων υγρών μεταλλικών μπαταριών.
Όπως όλοι γνωρίζουμε, ο πιο βασικός τρόπος επιλογής υλικών είναι η επιστροφή στον περιοδικό πίνακα. Επειδή η μπαταρία μας πρέπει να έχει μια συγκεκριμένη τάση, το αρνητικό ηλεκτρόδιο πρέπει να είναι κατασκευασμένο από ελαφρύτερο μέταλλο. Αναζητούμε μέταλλα αλκαλίων και μέταλλα αλκαλικών γαιών στον περιοδικό πίνακα, τα οποία είναι σχετικά ελαφριά και έχουν μια συγκεκριμένη δραστηριότητα. Το θετικό ηλεκτρόδιο πρέπει να είναι κατασκευασμένο από κάτι με μεγαλύτερη πυκνότητα και χαμηλότερο σημείο τήξης, επομένως η γκάμα μας βρίσκεται στα μεταλλικά στοιχεία με ισχυρότερες μη μεταλλικές ιδιότητες, που είναι το βήμα μεταξύ μεταλλικών στοιχείων και μη μεταλλικών στοιχείων.
Γενικά, ο σχεδιασμός των συστημάτων υλικών ηλεκτροδίων πηγαίνει από απλό σε πολύπλοκο, επομένως κατασκευάσαμε αρχικά ένα σχετικά απλό σύστημα. Το μεταλλικό στοιχείο που χρησιμοποιείται για το αρνητικό ηλεκτρόδιο είναι το λίθιο, το οποίο έχει σημείο τήξης περίπου 180 βαθμούς Κελσίου. Το θετικό ηλεκτρόδιο είναι το βισμούθιο, το οποίο έχει σημείο τήξης μεγαλύτερο από 270 μοίρες. Το λιωμένο αλάτι στη μέση είναι με βάση το λίθιο, το οποίο έχει σημείο τήξης περίπου 400 βαθμούς Κελσίου. Επομένως, εάν η μπαταρία μας λειτουργεί στους 500 βαθμούς Κελσίου, τυχαίνει να είναι μια υγρή δομή τριών στρωμάτων.
Ανακαλύψαμε έναν ενδιαφέροντα μηχανισμό σε αυτό το σύστημα μπαταριών υγρού μετάλλου λιθίου/βισμούθιου. Αρχικά πιστεύαμε ότι το ηλεκτρόδιο παρέμενε πάντα σε υγρή κατάσταση κατά τη διαδικασία φόρτισης και εκφόρτισης, αλλά στην πραγματικότητα το θετικό ηλεκτρόδιο δεν είναι έτσι. Το αρνητικό ηλεκτρόδιο παραμένει πάντα σε υγρή κατάσταση, αλλά κατά τη διάρκεια της διαδικασίας εκφόρτισης στην πλευρά του θετικού ηλεκτροδίου, θα δημιουργηθούν ορισμένες διαμεταλλικές ενώσεις στερεάς φάσης στο μέσο της διαδικασίας εκφόρτισης. Αλλά αυτή η στερεά φάση υπάρχει μόνο κατά τη διαδικασία εκφόρτισης και θα επιστρέψει στην υγρή φάση κατά τη φόρτιση. Με άλλα λόγια, το θετικό ηλεκτρόδιο είναι πραγματικά ιάσιμο. Μια στερεή φάση θα δημιουργηθεί κατά την εκφόρτιση, αλλά η στερεά φάση εξαφανίζεται κατά τη φόρτιση και θα επιστρέψει σε μια υγρή δομή τριών στρωμάτων κατά τη φόρτιση.
Πώς μοιάζει η πραγματική μπαταρία μας; Είναι η εικόνα στην κάτω δεξιά γωνία (βλ. PPT). Είναι διαφορετικό από τις μπαταρίες που βλέπετε τώρα. Είναι μεγαλύτερο και βαρύτερο και χρησιμοποιεί κέλυφος από ανοξείδωτο χάλυβα. Σε αυτό το σύστημα, επαληθεύσαμε τη σταθερότητα των μπαταριών σε διαφορετικές χωρητικότητες. Η μικρότερη μπαταρία είναι πολύ μικρή, με διάμετρο 1,3 cm στο άκρο δεξιά και χωρητικότητα περίπου μερικές εκατοντάδες mAh. Το μεγαλύτερο έχει διάμετρο περίπου 15 cm, και έχουμε επιτύχει χωρητικότητα 143 αμπέρ ώρες. Το έχουμε τρέξει για 300 κύκλους χωρίς να δούμε καμία αποσύνθεση χωρητικότητας.
Αν και αυτό το σύστημα λειτουργεί καλά, η εσωτερική αντίσταση είναι σχετικά μεγάλη και η διεπαφή μεταξύ του ηλεκτροδίου και του ηλεκτρολύτη είναι λίγο ανισόρροπη. Αργότερα ανακαλύψαμε ότι επειδή η θήκη της μπαταρίας είναι κατασκευασμένη από ανοξείδωτο χάλυβα, το υγρό μέταλλο Bi δεν διαβρέχει τελείως τον ανοξείδωτο χάλυβα, επομένως η εσωτερική αντίσταση είναι σχετικά μεγάλη. Για να βελτιώσουμε τη διαβρεξιμότητα, προσθέσαμε μια πολύ μικρή ποσότητα στοιχείου Se στο Bi. Μετά την προσθήκη του στοιχείου Se, το θετικό ηλεκτρόδιο και ο ανοξείδωτος χάλυβας βρέχονται εντελώς, γεγονός που μειώνει την εσωτερική αντίσταση της μπαταρίας. Κατασκευάσαμε λοιπόν μια μπαταρία χωρητικότητας 20 αμπέρ ωρών, τη χρησιμοποιήσαμε για 1.200 κύκλους και το ποσοστό διατήρησης χωρητικότητας έφτασε το 98,4%.
Στη συνέχεια διαπιστώσαμε ότι η τάση της μπαταρίας Li|Bi ήταν σχετικά χαμηλή, οπότε σκεφτήκαμε αν θα μπορούσαμε να προσθέσουμε κάποιο στοιχείο κράματος Sb στο θετικό ηλεκτρόδιο. Η τάση του Sb είναι υψηλότερη από το Bi, αλλά το σημείο τήξης είναι επίσης υψηλότερο, φθάνοντας περισσότερο από 600 μοίρες, έτσι κραματίσαμε το Bi και το Sb, έτσι ώστε το σημείο τήξης να μπορεί να χαμηλώσει και η τάση να είναι υψηλότερη. Μετά την προσθήκη του Sb, μπορούμε να δούμε ότι η πλατφόρμα τάσης εκφόρτισης έχει βελτιωθεί. Με αυτόν τον τρόπο, κατασκευάσαμε μια μπαταρία χωρητικότητας 5 αμπέρ ωρών και τη χρησιμοποιήσαμε για περισσότερους από 160 κύκλους χωρίς καμία αποσύνθεση χωρητικότητας.
Αλλά το πρόβλημα με αυτό το θετικό ηλεκτρόδιο BiSb είναι ότι η απόδοση του σε υψηλό ρυθμό δεν είναι καλή. Θέλουμε να μάθουμε αν μπορούμε να βελτιώσουμε την απόδοσή του σε υψηλά ποσοστά. Ας δούμε το στοιχείο Te στον περιοδικό πίνακα. Είναι σχετικά ακριβό, επομένως το χρησιμοποιούμε και ως πρόσθετο στοιχείο. Αφού προσθέσουμε λίγο, η τάση εκφόρτισης του Te είναι πολύ διαφορετική από αυτή των Bi και Sb. Οπότε αφήνουμε πρώτα το Te να σχηματίσει κάποιες στερεές φάσεις στην επιφάνεια. Κατά την εκφόρτιση, λόγω της τάσης που δημιουργείται κατά τον σχηματισμό του κράματος πολλαπλών συστατικών του θετικού ηλεκτροδίου, πολλές ρωγμές μπορούν να συμπιεστούν στο στρώμα στερεάς φάσης του Te , έτσι ώστε να έχουμε αυξήσει αόρατα τα κανάλια για πολλά ιόντα λιθίου. Αφού προσθέσαμε λίγο Te , διαπιστώσαμε ότι βελτιώθηκε και ο ρυθμός απόδοσης της μπαταρίας. Όταν φτάσαμε από τα 100 mAh ανά τετραγωνικό εκατοστό στα 1000 mAh ανά τετραγωνικό εκατοστό, η αναστρέψιμη απώλεια χωρητικότητας ήταν πολύ μικρή.
Διαπιστώσαμε ότι η προσθήκη στοιχείων κράματος στο θετικό ηλεκτρόδιο μπορεί να βελτιώσει την απόδοση της μπαταρίας σε περιορισμένο βαθμό, αλλά αν βασιστούμε μόνο στην εμπειρία μας ή στις πειραματικές δοκιμές και λάθη μας, το κόστος χρόνου και χρήματος είναι σχετικά υψηλό, επομένως αναρωτηθήκαμε αν θα μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε AI τεχνολογία. Έτσι χρησιμοποιήσαμε κάποιες μεθόδους μηχανικής μάθησης και δημιουργήσαμε μια βάση δεδομένων. Μέσω της μηχανικής μάθησης, μπορέσαμε να σχεδιάσουμε θετικά ηλεκτρόδια από κράμα πολλαπλών στοιχείων. Σχεδιάσαμε ένα θετικό ηλεκτρόδιο τεταρτοταγούς κράματος μέσω μηχανικής εκμάθησης και πετύχαμε βελτιώσεις στην απόδοση. Ταυτόχρονα, το προηγούμενο σύστημα ηλεκτροδίων μας χρησιμοποιούσε λίθιο ως αρνητικό ηλεκτρόδιο, αλλά το λίθιο είναι σχετικά ακριβό, έτσι σχεδιάσαμε ένα αρνητικό ηλεκτρόδιο από κράμα ασβεστίου, το οποίο κύκλωνε σταθερά για 500 κύκλους χωρίς καμία απώλεια χωρητικότητας. Διαπιστώσαμε ότι η χρήση μηχανικής μάθησης μπορεί πράγματι να μας βοηθήσει να σχεδιάσουμε συστήματα υλικών ηλεκτροδίων, εξοικονομώντας πολύ χρόνο και κόστος.
Εκτός από την έρευνα για το σύστημα υλικών ηλεκτροδίων μπαταριών υγρού μετάλλου, σχεδιάσαμε και βελτιστοποιήσαμε επίσης τα μονομερή μπαταριών υγρού μετάλλου. Αρχικά φτιάξαμε μερικές μικρές μπαταρίες, γιατί το κάναμε στο εργαστήριο και ήταν αδύνατο να το δοκιμάσουμε για αρκετά χρόνια. Κατασκευάσαμε λοιπόν μια υγρή μεταλλική μπαταρία 5 αμπέρ ωρών, η οποία δοκιμάστηκε σε ρεύμα εκφόρτισης 15 αμπέρ. Τα ρεύματα φόρτισης και εκφόρτισης ήταν και τα δύο 15 αμπέρ, 100% βαθιά φόρτιση και βαθιά εκφόρτιση και ρυθμός 3 C. Αυτή η μπαταρία λειτούργησε για περισσότερους από 4.100 κύκλους και η χωρητικότητα εκφόρτισης ήταν περίπου 4,92 αμπέρ-ώρες, ο ρυθμός χρήσης υλικού έφτασε το 98,4% και η απόδοση κουλούμπ ήταν 99,52%.
Κατασκευάσαμε επίσης μια μπαταρία μεγαλύτερης χωρητικότητας, 200 ampere-h. Λόγω του περιορισμού του εργαστηριακού εξοπλισμού ρεύματος φόρτισης και εκφόρτισης, μπορούμε να φορτίζουμε και να εκφορτίζουμε μόνο σε ρεύμα 50 αμπέρ, 0,25 C, και επίσης φορτίζουμε και εκφορτίζουμε 100% βαθιά. Η ικανότητα εκφόρτισης μπορεί να φτάσει τις 199,4 αμπέρ ώρες και ο ρυθμός χρήσης υλικού μπορεί να φτάσει το 96,79%. Λειτουργεί σταθερά για περισσότερους από 700 κύκλους, για εννέα μήνες, και δεν έχει βρεθεί εμφανής αποσύνθεση χωρητικότητας, γεγονός που αποδεικνύει πραγματικά ότι η μπαταρία υγρού μετάλλου μας έχει καλή σταθερότητα κύκλου.
Ένα άλλο σημείο για το οποίο οι άνθρωποι ανησυχούν περισσότερο για τις μπαταρίες υγρού μετάλλου είναι τι συμβαίνει εάν τα τρία στρώματα υγρού αναμειχθούν μεταξύ τους ή η μπαταρία ανατραπεί, οπότε πήραμε μια μπαταρία 200 αμπέρ ωρών για δοκιμή και την τοποθετήσαμε σε ένα περιστρεφόμενο τραπέζι θέρμανσης. Επειδή η μπαταρία μας λειτουργεί σε υψηλές θερμοκρασίες, αν θέλουμε να τη δοκιμάσουμε, πρέπει να τη διατηρήσουμε σε ένα σύστημα υψηλής θερμοκρασίας που να μπορεί να περιστρέφεται. Όταν το γείρουμε στις 31,9 μοίρες, η υγρή δομή τριών στρωμάτων της μπαταρίας εξακολουθεί να διατηρείται, επομένως η μπαταρία μπορεί να φορτίζει και να αποφορτίζεται κανονικά, αλλά αν γυρίσει εντελώς ανάποδα και γυρίσει στις 90 μοίρες, οι θετικοί και αρνητικοί πόλοι θα βραχυκυκλωθούν και θα αναμειχθούν μεταξύ τους και θα παράγεται θερμότητα αυτή τη στιγμή. Μετρήσαμε επίσης τις μωβ και κίτρινες καμπύλες στην κάτω δεξιά γωνία. Αυτά τα δύο θερμοστοιχεία είναι προσαρτημένα στο τοίχωμα της μπαταρίας και μπορούμε να μετρήσουμε την αύξηση της θερμοκρασίας της μπαταρίας μετά από ένα τμήμα του κυκλώματος, από 550 βαθμούς Κελσίου σε 590 βαθμούς Κελσίου, δηλαδή περίπου 45 βαθμούς Κελσίου. Δηλαδή, μεγάλη ποσότητα θερμότητας που παράγεται απορροφάται από το σύστημα τετηγμένου αλατιού, επομένως δεν υπάρχει εγγενής πιθανότητα οποιασδήποτε αεριοποίησης και έκρηξης.
Ταυτόχρονα, εάν οι μπαταρίες μας χρησιμοποιηθούν σε πραγματικές καταστάσεις αποθήκευσης ενέργειας στο μέλλον, μπορεί να αντιμετωπίσουν κάποιες ακραίες καταστάσεις, όπως σεισμούς. Έτσι, κάναμε επίσης μερικές δοκιμές ασφαλείας σε συχνότητα σεισμού 20 Hz, συμπεριλαμβανομένων ορισμένων κάθετων δονήσεων και οριζόντιων δονήσεων. Σε αυτήν την περίπτωση, τα γρέζια στην καμπύλη της μπαταρίας προκαλούνται από τη δόνηση της θέσης καλωδίωσης, αλλά η μπαταρία μπορεί να λειτουργήσει κανονικά κατά τη διάρκεια κάθετης δόνησης. Υπήρξε βραχυκύκλωμα κατά τη διάρκεια της οριζόντιας δόνησης, αλλά όταν σταμάτησε η δόνηση της μπαταρίας, η μπαταρία σταμάτησε να λειτουργεί και έμεινε ακίνητη για κάποιο χρονικό διάστημα, και στη συνέχεια η μπαταρία μπορούσε να φορτιστεί και να αποφορτιστεί ξανά κανονικά. Αυτό αποδεικνύει ότι σε αυτό το επίπεδο, η συχνότητα σεισμού των 20Hz10Hz δεν έχει μεγάλη επίδραση στην μπαταρία.
Κατά τη διάρκεια του 13ου Πενταετούς Σχεδίου, αναλάβαμε βασικά έργα Ε&Α και φτιάξαμε ένα πακέτο μπαταριών. Σε αυτή τη διαδικασία, πρώτα ξεπεράσαμε βασικά προβλήματα στο σύστημα, όπως η συνέπεια της μπαταρίας. Βελτιστοποιήσαμε τη δομή της μπαταρίας, τα συστατικά, τη διαδικασία συναρμολόγησης, τις δομικές παραμέτρους κ.λπ., και βελτιώσαμε τη συνοχή της μπαταρίας. Η διαφορά χωρητικότητας της μπαταρίας μεγαλύτερη από 200 αμπέρ ώρες είναι μικρότερη από 2 αμπέρ ώρες και η διαφορά εσωτερικής αντίστασης είναι μικρότερη από 2 χιλιοστόμετρα. Η συνοχή της μπαταρίας είναι σχετικά υψηλή. Η μονή κυψέλη 0,2C μπορεί να επιτύχει μέση ενεργειακή απόδοση μεγαλύτερη από 86%.
Δεδομένου ότι η τάση της μπαταρίας υγρού μετάλλου μας είναι σχετικά χαμηλή, σε αντίθεση με τις τρέχουσες μπαταρίες λιθίου και νατρίου, πρέπει επίσης να σχεδιάσουμε το δικό μας BMS. Επομένως, με βάση τα χαρακτηριστικά του μεγάλου ρεύματος και της χαμηλής τάσης, σχεδιάσαμε ένα σύστημα εξισορρόπησης δύο επιπέδων. Μετά την εξισορρόπηση, η συνοχή της μπαταρίας μας είναι πολύ υψηλή, με διαφορά τάσης 40,6 mV και ρεύμα εξισορρόπησης 1,4 αμπέρ.
Σε αυτή τη βάση, πρέπει επίσης να συνδέσουμε τη μονάδα θέρμανσης. Επειδή είμαστε μπαταρία υψηλής θερμοκρασίας, χρησιμοποιούμε την αρχή της μεταφοράς θερμού αέρα στο σύστημα για να σχεδιάσουμε τη θέρμανση και επίσης λαμβάνουμε προφυλάξεις κατά της διαρροής της θερμοκρασίας. Στο σχήμα στην κάτω δεξιά γωνία, μπορούμε να δούμε ότι αφού συνδεθούν σε σειρά περίπου δώδεκα μπαταρίες, λειτουργούν με ρυθμό 0.5C. Η μπλε καμπύλη είναι το ρεύμα της εξωτερικής ισχύος. Μπορεί να φανεί ότι όταν λειτουργεί στους 0,5C, η θερμότητα που παράγεται από αυτήν την μπαταρία είναι αρκετή για να λειτουργήσει μόνη της η μπαταρία. Είναι 500 βαθμοί Κελσίου από μόνος του, οπότε δεν χρειάζεται εξωτερική θέρμανση και μπορεί να επιτευχθεί αυτοθέρμανση. Φυσικά, αυτή η μπαταρία χρειάζεται ακόμα να της δώσουμε λίγη θερμότητα όταν λειτουργεί για πρώτη φορά, αλλά δεν είναι απαραίτητη κατά την κανονική λειτουργία.
Σε αυτή τη βάση, συνεργαστήκαμε με τον καθηγητή Jiang Kai του Πανεπιστημίου Επιστήμης και Τεχνολογίας Huazhong για την κατασκευή ενός τρισδιάστατου μοντέλου ζεύξης μεταφοράς θερμότητας μπαταριών υγρού μετάλλου, προτείναμε μια στρατηγική ρύθμισης χαρακτηριστικών της υπηρεσίας ηλεκτρικής θερμικής ζεύξης, υλοποιήσαμε μια αποδοτική μπαταρία πολλαπλών επιπέδων σύστημα διαχείρισης και κατασκεύασε το πρώτο σύστημα μπαταριών υγρού μετάλλου λιθίου 5KW και 30KWH της χώρας, το οποίο πέρασε επίσης σε δοκιμές τρίτων.
Σε αυτή τη βάση, έχουμε συσσωρεύσει τεχνολογία με τα χρόνια. Τον Ιούνιο του 2023, η Henghui Keyuan (Xi'an) New Energy Technology Co., Ltd. ιδρύθηκε στο Xi'an, αφιερωμένη στην προώθηση της εκβιομηχάνισης της τεχνολογίας μπαταριών υγρού μετάλλου. Ο γύρος αγγέλων έχει λάβει δεκάδες εκατομμύρια χρηματοδότηση από την Jiangyuan Investment. Οι ειδικοί και οι δάσκαλοι είναι ευπρόσδεκτοι να έρθουν στο Xi'an για να καθοδηγήσουν τη δουλειά μας.