Литий-воздушные аккумуляторы - многообещающая возможность для электромобилей. «Если нам удастся разработать эту технологию, нас ждет окончательный прорыв для электромобилей, потому что на практике плотность энергии литий-воздушных аккумуляторов будет сравнима с плотностью энергии бензина и дизеля, если учесть, что КПД двигателя внутреннего сгорания составляет всего около 30 процентов», - говорит Тейс Вегге, старший научный сотрудник отдела исследования материалов Risø DTU. Если аккумуляторы с такой большой плотностью энергии станут реальностью, можно будет легко представить грузовики с электрическим приводом.
Электромобиль был представлен Эдисоном еще в 1900 году. Но, как мы все знаем, концепция автомобиля Генри Форда с шумным, вонючим двигателем внутреннего сгорания выиграла гонку за то, чтобы стать самым ценным индивидуальным транспортным средством людей, несмотря на Дело в том, что двигатель внутреннего сгорания в принципе бесперспективен.
Тогда, как и сейчас, ахиллесовой пятой электромобиля была ограниченная плотность энергии аккумуляторов, которые выдерживают только короткие поездки. Теперь, спустя 110 лет, аккумуляторная технология в сочетании с эффектной электроникой и электрическим двигателем зашла так далеко в производительности, размерах и цене, что электромобиль снова становится интересным. Электромобиль не загрязняет окружающую среду, и при разумном использовании его можно использовать для увеличения количества возобновляемой энергии в электроснабжении.
Электромобили хорошо подходят обществу, отказавшемуся от использования ископаемого топлива.
Вот почему электромобили возродились как важный фактор в видении общества без ископаемого топлива, и первые электромобили уже вышли на дороги, хотя и в очень ограниченном количестве и с очень короткими интервалами между подзарядками..
Преимущества электромобиля заключаются, прежде всего, в том, что он может быть интегрирован в систему электроснабжения и потенциально может служить буфером в системе электроснабжения завтрашнего дня, где большая часть нашей электроэнергии вырабатывается из возобновляемых источников энергии с колебаниями. Там, где есть избыток электроэнергии, например, от ветряные турбины, электромобили можно заряжать. При нехватке электроэнергии часть мощности можно вернуть в электросеть. Другим важным преимуществом является то, что в случае массового производства электромобиль может быть дешевле в производстве, чем нынешние автомобили.
2 тонны аккумуляторов или 50 литров бензина
Сегодня аккумуляторные блоки дороги и способны хранить лишь относительно небольшое количество энергии. Исследователи всего мира работают над тем, чтобы изменить это. В нынешних условиях электромобиль бесполезен, если вы едете с семьей в отпуск на озеро Гарда в Италии. Чтобы электромобили стали предпочтительным видом транспорта для потребителей, необходимо значительно увеличить емкость аккумулятора. В отчете Risø Energy Report 9, стр. 58, вы можете прочитать, что плотность энергии в современных батареях почти на два порядка ниже, чем у ископаемого топлива. Это означает, что аккумуляторная батарея, содержащая энергию, соответствующую 50 литрам бензина, будет весить от 1,5 до 2 тонн.
Литий - мягкий серебристо-белый металл - самый легкий из всех металлов. Литий чрезвычайно реактивен и быстро подвергается коррозии во влажной атмосфере. Там литий обычно хранится под керосином или в защитной атмосфере, чтобы избежать контакта с кислородом и водой.
Наиболее перспективные аккумуляторы для электромобилей созданы на основе металлического лития (Li). Литий - мягкий металл серебристо-белого цвета - самый легкий из всех металлов. Литий чрезвычайно реактивен и быстро подвергается коррозии во влажной атмосфере. Там литий обычно хранится под керосином, чтобы избежать контакта с кислородом и водой. Легкость - одна из сильных сторон лития. Традиционные автомобильные аккумуляторы основаны на свинце (Pb), который является одним из самых тяжелых существующих металлов. Чтобы уменьшить вес батарей, лучше всего использовать литий, что также подтверждается известностью перезаряжаемых литий-ионных батарей, например. мобильные телефоны, фотоаппараты и проигрыватели MP3 и MP4. Эти аккумуляторы имеют самую высокую плотность энергии среди перезаряжаемых аккумуляторов.
Рынок литиевых батарей будет расти в геометрической прогрессии, и уже возникла дискуссия о том, хватит ли лития для электрификации всего автомобильного парка в мире. Литий встречается в природе с прибл. 65 г на тонну в верхнем слое почвы и ок. 0,1 г на тонну воды, и его можно извлекать как из почвы, так и из воды, но если содержание лития невелико, извлечение обходится дорого.
Помимо использования в батареях, литий используется в производстве антидепрессантов, керамики, стекла, алюминия, смазочных материалов и синтетического каучука. В будущем (после 2050 г.) литий, вероятно, также будет использоваться в термоядерных реакторах для производства электроэнергии. Мировые запасы лития находятся в таких странах, как Чили, Китай, Австралия, Россия, Аргентина, США, Зимбабве и Боливия. В последнее время в Афганистане были обнаружены крупные месторождения - настолько большие, что США окрестили эту страну «Саудовской Аравией лития». В Боливии литий в больших количествах находится под Салар-де-Уюни - крупнейшим в мире соленым озером. В прошлом году президент Боливии Моралес объявил, что страна собирается инвестировать 5 миллиардов датских крон в добычу лития из высохшего соленого озера, которое занимает площадь более 10 000 квадратных километров и содержит более четверти мировых месторождений лития.
Борьба за мировые ресурсы лития в будущем усилится, но преимущество в том, что литиевая часть батарей может быть переработана, поэтому, когда батареи изношены, литий можно извлечь и превратить в часть новая батарея.
Литий-воздушные батареи могут иметь такую же эффективную плотность энергии, как и бензиновые
Литий-воздушные аккумуляторы - многообещающая возможность в долгосрочной перспективе. «Если нам удастся разработать эту технологию, нас ждет окончательный прорыв для электромобилей, потому что на практике плотность энергии литий-воздушных аккумуляторов будет сравнима с плотностью энергии бензина и дизеля, если учесть, что КПД двигателя внутреннего сгорания составляет всего около 30 процентов», - говорит Тейс Вегге, старший научный сотрудник отдела исследования материалов. Если аккумуляторы с такой большой плотностью энергии станут реальностью, можно будет легко представить грузовики с электрическим приводом. Таким образом, литий-воздушные аккумуляторы являются многообещающей областью исследований, но предстоит решить множество исследовательских задач, прежде чем аккумуляторы найдут свое применение в электромобилях.
Разработка перезаряжаемых батарей продвигалась медленно с момента изобретения традиционных свинцово-кислотных батарей, которые до сих пор используются в большинстве, например, электромобилей. стартерные аккумуляторы для обычных автомобилей. Разработка литий-ионных аккумуляторов ознаменовала значительный скачок в плотности энергии перезаряжаемых аккумуляторов. Окончательный прорыв может произойти с литий-воздушными батареями, которые на практике могут иметь такую же эффективную плотность энергии, как и бензин. Источник: Литий-воздушная батарея: обещания и вызовы, Г. Гиришкумар, Б. Макклоски, А. К. Лунц, С. Суонсон и В. Уилке, IBM Research, опубликовано в J. Phys. Chem. Lett.2010, 1, 2193-2203..
В литий-воздушной батарее используются литиевый электрод (анод), электролит и пористый угольный электрод (катод), который притягивает кислород из воздуха во время работы батареи. Таким образом, батарея, так сказать, открыта с одного конца или имеет собственный запас кислорода. Во время разрядки кислород вступает в реакцию с литием с образованием перекиси лития (Li2O2), а во время зарядки происходит обратный процесс с выделением кислорода. Обе реакции происходят на поверхности пористого угольного электрода.
Батарея похожа на человека: набирает вес и начинает задыхаться
Взаимодействие с воздухом требует, чтобы электрод имел очень большую площадь поверхности. Прототипы, над которыми сейчас работают, имеют плотность тока ок. 1 миллиампер на квадратный сантиметр площади поверхности, и это должно быть увеличено как минимум на один порядок, прежде чем батареи будут готовы к использованию в реальной жизни.
Тот факт, что батарея поглощает атомы кислорода из воздуха, означает, что батарея прибавляет в весе по мере разрядки. Теоретически батарея может более чем удвоить свой вес.
В то же время электрод мог стать, так сказать, одышкой. Кислород, поглощаемый батареей, вступает в реакцию с литием с образованием пероксида лития, который может вызвать засорение агрегатов в каналах батареи, вызывая их блокировку и препятствуя дополнительной подаче кислорода. «В наших испытаниях мы используем чистый кислород, так что все в порядке, но проблемы накапливаются, когда кислород приходится извлекать из обычного воздуха», - говорит Сёрен Хойгаард Йенсен из отдела топливных элементов и химии твердого тела. Обычный воздух также содержит влагу, и следует учитывать, что, как упоминалось выше, литий и влажность не составляют привлекательного сочетания.
Сложно заряжать
En чрезвычайно высокое перенапряжение требуется для перезарядки батареи после разрядки. Так называемое равновесное напряжение для литий-воздушной батареи составляет 3 вольта. При разрядке аккумулятора напряжение падает до 2,6-2,7 вольт. Но когда вы хотите подзарядить аккумулятор, напряжение необходимо увеличить до 4,5 вольт. Для сравнения, литий-ионный аккумулятор можно заряжать при перенапряжении всего на 10 процентов.
«Процесс разряда протекает очень хорошо. Наша проблема в том, что обратный процесс имеет очень большие потери энергии», - говорит старший научный сотрудник Пол Норби из отдела исследования материалов. «Высокое перенапряжение для подзарядки тяжело переносится современными компонентами батареи, что ограничивает количество перезарядок батареи», - говорит Пол Норби. Циклические потери энергии при зарядке/подзарядке в литий-воздушных батареях составляют около 40 процентов. Задача состоит в том, чтобы уменьшить это число до 10 процентов, что соответствует литий-ионным батареям.
Чтобы решить эту проблему, Tejs Vegge выполняет обширные компьютерные расчеты, так называемые расчеты DFT (Density Functional Theory), на литий-воздушных батареях. Используя этот метод, можно на атомном уровне, применяя приближение к известному уравнению Шредингера, рассчитать, как взаимодействуют атомы лития и кислорода. «Таким образом, мы надеемся найти объяснение высокого перенапряжения и решение того, что мы можем сделать, чтобы уменьшить его, например.грамм. путем добавления соответствующего катализатора», - говорит Тейс Вегге.
В дополнение к компьютерным расчетам батареи исследуются с помощью рентгеновского и нейтронного излучения. Эти методы позволяют ученым изучать, как ионы и электроны перемещаются на границе раздела электрод-электролит, когда аккумулятор заряжается и разряжается. «Мы уделяем особое внимание твердотельным электролитам, потому что они обеспечивают безопасность и преимущества при транспортировке. Большие литиевые батареи с жидкими электролитами могут представлять угрозу безопасности в случае аварии», - говорит Тейс Вегге.
Наконец, свойства батареи проверены на практике. Испытания больших литиевых батарей проходят в переоборудованном морозильном ларе в лабораториях Отдела топливных элементов и химии твердого тела. «Аккумуляторы должны выдерживать сильный мороз и сильную жару, и мы можем подвергнуть их этому в нашем переделанном морозильном ларе, который способен охлаждать предметы до -60°C и нагревать их примерно до 50°C», - говорит Сёрен Хёйгаард Йенсен.
Должен быстро заряжаться - и не менее 300 раз
Сегодня металло-воздушные батареи используются только как одноразовые батареи для специальных целей с высокими требованиями к плотности энергии, например. для военной техники, а воздушно-цинковые батареи используются как одноразовые батареи, например, в слуховые аппараты.
Если аккумулятор должен выдерживать движение автомобиля, например. 250 000 километров в течение всего срока службы, а аккумулятор способен обеспечить ок. 800 километров от одной зарядки, он должен выдерживать полную зарядку и разрядку не менее 300 раз. Прототипы литий-воздушных аккумуляторов в настоящее время могут выдерживать 50 зарядов, поэтому перед исследователями стоят другие научные задачи.
В дополнение к количеству зарядов, которое должна выдержать батарея, также должна быть возможность быстрой зарядки. «Подумайте об объеме энергии, который передается, когда вы заправляете машину бензином. Это занимает пару минут, а потом вы можете проехать еще 800-1000 километров. Это настоящая проблема для литий-воздушных аккумуляторов, потому что потенциально они могут содержать то же количество энергии, что и бензин, но для дозаправки требуется значительно больше времени», - говорит Тейс Вегге.