Pramonės naujienos

Naujas akumuliatoriaus dizainas gali sukrėsti elektrines transporto priemones

2021-06-16
Didelė pažanga akumuliatorių architektūroje galėtų būti proveržis elektrinėms transporto priemonėms ir tinklų saugojimui.



„Cambridge raw“ pavyzdys - juoda, lipni medžiaga, galinti maitinti labai efektyvią naujo tipo bateriją. Už kolbos matomas pusiau kieto srauto akumuliatoriaus prototipas.



Tyrimo grupės nariai buvo (iš kairės į dešinę) neseniai baigęs mokslus Mihai Duduta-10, prof. W. Craig Carter, magistrantas Bryan Ho ir prof. Still-Ming Chiang.

Radikaliai naujas požiūris į akumuliatorių dizainą, kurį sukūrė MIT tyrėjai, galėtų būti lengva ir nebrangi alternatyva esamoms elektromobilių ir elektros tinklo baterijoms. Dėl šios technologijos „akumuliatorių papildymas degalais“ gali būti toks greitas ir paprastas, kaip dujų įpylimas į įprastą automobilį.

Naujoji baterija remiasi novatoriška architektūra, vadinama pusiau kieto srauto elementu, kuriame kietos dalelės suspenduojamos nešiklio skystyje ir pumpuojamos per sistemą. Šioje konstrukcijoje aktyvūs akumuliatoriaus komponentai - teigiami ir neigiami elektrodai arba katodai ir anodai - susideda iš skystame elektrolite suspenduotų dalelių. Šios dvi skirtingos suspensijos pumpuojamos per sistemas, atskirtas filtru, pavyzdžiui, ploną akytąją membraną.

Darbą atliko Mihai Duduta 10 ir aspirantas Bryanas Ho, vadovaujami medžiagų mokslų profesorių W. Craigo Carterio ir Still-Ming Chiang. Tai aprašyta žurnale „Advanced Energy Materials“, paskelbtame gegužės 20 d. Straipsnio bendraautorius buvo kviestinis tyrinėtojas Pimpa Limthongkul 02, postdoc Vanessa Wood 10 ir magistrantas Viktoras Brunini 08.

Viena svarbi naujo dizaino ypatybė yra ta, kad jis atskiria dvi akumuliatoriaus funkcijas - kaupia energiją, kol jos prireikia, ir išleidžia tą energiją, kai ją reikia naudoti, - į atskiras fizines struktūras. (Įprastose baterijose saugojimas ir iškrovimas vyksta toje pačioje struktūroje.) Šių funkcijų atskyrimas reiškia, kad baterijos gali būti suprojektuotos efektyviau, sako Chiangas.

Nauja konstrukcija turėtų sudaryti sąlygas sumažinti visos akumuliatorių sistemos dydį ir išlaidas, įskaitant visą jos konstrukcinę atramą ir jungtis, iki maždaug pusės dabartinio lygio. Pasak mokslininkų, toks dramatiškas sumažėjimas gali būti raktas į tai, kad elektrinės transporto priemonės būtų visiškai konkurencingos su įprastomis dujomis ar dyzelinu varomomis transporto priemonėmis.

Kitas galimas pranašumas yra tas, kad transporto priemonėse tokia sistema leistų tiesiog „papildyti degalus“ akumuliatoriumi, išpumpuojant skystas srutas ir įpurškiant naują, visiškai įkrautą akumuliatorių arba pakeičiant bakus, pavyzdžiui, padangas stotelėje, tuo pačiu išlaikant galimybę tiesiog įkrauti esamą medžiagą, kai tik tai leis.

Srautinės baterijos egzistuoja jau kurį laiką, tačiau jose buvo naudojami labai mažo energijos tankio skysčiai (energijos kiekis, kurį galima laikyti tam tikru tūriu). Dėl šios priežasties esamos srauto baterijos užima daug daugiau vietos nei kuro elementai ir reikalauja greito jų skysčio pumpavimo, o tai dar labiau sumažina jų efektyvumą.

Chiang ir jo kolegų pradėtos naujos pusiau kieto srauto baterijos įveikia šį apribojimą, 10 kartų pagerindamos energijos tankį, palyginti su dabartinėmis skysčio srauto baterijomis, ir gaminamos pigiau nei įprastos ličio jonų baterijos. Kadangi medžiaga turi tokį didelį energijos tankį, jos nereikia greitai pumpuoti, kad būtų pasiekta galia. „Tai tarsi sklinda“, - sako Chiangas. Kadangi pakabos atrodo ir teka kaip juoda dulksna ir gali būti naudojamos vietoj naftos transportavimui, Carteris sako: „Mes tai vadiname„ žaliu Kembridžo “.

Pagrindinė Chiang komandos įžvalga buvo ta, kad būtų galima sujungti pagrindinę vandens srauto baterijų struktūrą su įrodyta ličio jonų baterijų chemija, sumažinant kietąsias baterijas iki smulkių dalelių, kurias būtų galima įnešti skysta suspensija - panaši į tai, kaip greitasis smėlis gali tekėti kaip skystis, nors daugiausia susideda iš kietų dalelių. „Mes naudojame dvi patikrintas technologijas ir jas sujungiame“, - sako Carteris.

Be galimo pritaikymo transporto priemonėse, nauja baterijų sistema gali būti padidinta iki labai didelių dydžių už mažą kainą. Dėl to jis būtų ypač tinkamas plataus masto elektros energijos kaupimui komunalinėms paslaugoms, todėl gali būti, kad pertrūkiai, nenuspėjami šaltiniai, tokie kaip vėjo ir saulės energija, yra praktiški elektros energijos tiekimui.

Komanda nusprendė „iš naujo įkrauti įkraunamą bateriją“, - sako Chiangas. Tačiau prietaisas, kurį jie sugalvojo, gali būti visa naujų baterijų sistemų šeima, nes tai yra dizaino architektūra, „nesusijusi su jokia konkrečia chemija“. Chiang ir jo kolegos dabar tiria įvairius cheminius derinius, kurie gali būti naudojamas pusiau kieto srauto sistemoje. „Mes išsiaiškinsime, ką galima praktiškai sukurti šiandien“, - sako Chiangas, - bet kai atsiranda geresnių medžiagų, galime jas pritaikyti prie šios architektūros.

Yury Gogotsi, garsus universiteto profesorius Drexelio universitete ir Drexel nanotechnologijų instituto direktorius, sako: „Pusiau kietos ličio jonų baterijos demonstravimas yra didelis laimėjimas, parodantis, kad galima naudoti srutų tipo aktyvias medžiagas. elektros energijai kaupti. “Jis sako, kad šis žingsnis yra labai svarbus energijos gamybos ir saugojimo ateičiai.”

Gogotsi įspėja, kad norint sukurti praktinę, komercinę tokios baterijos versiją, reikės atlikti tyrimus, kad būtų surastos geresnės katodo ir anodo medžiagos bei elektrolitai, tačiau priduria: „Nematau esminių problemų, kurių negalima išspręsti“ - tai visų pirma inžinerijos klausimais. Žinoma, sukurti sistemas, kurios pagal kainą ir našumą galėtų konkuruoti su šiuo metu turimomis baterijomis, gali užtrukti metus. “

Chiang, kurio ankstesnės įžvalgos apie ličio jonų akumuliatorių chemiją paskatino 2001 m. Įkurti „MIT spinoff A123 Systems“, teigia, kad šios dvi technologijos viena kitą papildo ir yra skirtingos. Pavyzdžiui, naujos pusiau kieto srauto baterijos tikriausiai niekada netinka mažesnėms reikmėms, pvz., Įrankiams, arba ten, kur reikia trumpų labai didelės galios pliūpsnių-srityse, kuriose puikios A123 baterijos.

Nauja technologija licencijuojama bendrovei „24M Technologies“, kurią praėjusią vasarą įkūrė Chiangas ir Carteris kartu su verslininku Throopu Wilderiu, kuris yra bendrovės prezidentas. Bendrovė jau surinko daugiau nei 16 milijonų dolerių rizikos kapitalo ir federalinio mokslinių tyrimų finansavimo.

Technologijos plėtra iš dalies buvo finansuojama iš JAV gynybos departamento Išplėstinės gynybos tyrimų projektų agentūros ir Išplėstinių tyrimų projektų agentūros (Energy (ARPA-E)) dotacijų. Tęstiniai technologijos tyrimai iš dalies vyksta 24M, kur kai kurie neseniai MIT absolventai, dirbę prie projekto, yra komandos dalis; MIT, kur profesoriai Angela Belcher ir Paula Hammond yra bendradarbiai; ir Rutgers, su profesoriumi Glennu Amatucci.

Tęstinio komandos darbo tikslas-pagal 2010 m. Rugsėjo mėn. Suteiktą trejų metų ARPA-E dotaciją-iki dotacijos laikotarpio pabaigos turėti visiškai veikiančią, sumažinto masto prototipų sistemą. “,-sako Chiangas, pasiruošęs gaminti, kad pakeistų esamas elektromobilių baterijas.