Perché dovremmo mirare a 800 chilometri? Poiché questo valore è il valore atteso più alto per la gamma di crociera della maggior parte delle persone, se la gamma di crociera del veicolo elettrico non può raggiungere 800 chilometri e il costo può essere accettato dalla maggior parte delle persone, il veicolo elettrico avrà meno popolarità. Quindi, abbiamo impostato questo valore sull'obiettivo del nostro progetto batteria 500. Il progetto è iniziato nel 2009 ed è dominato dall'Almaden Research Center. Da allora, IBM ha condotto questa ricerca con una serie di partner commerciali e istituti di ricerca provenienti da Europa, Asia e Stati Uniti. Il progetto Battery 500 si basa sulla tecnologia in metallo. Rispetto alle batterie al litio, le batterie in metallo hanno più energia per unità di massa. La ricerca del progetto richiede ancora diversi anni per essere commercializzata. Ma attraverso questi sette anni di esperimenti, possiamo pensare che la futura batteria in metallo-aria sia davvero utile nei veicoli elettrici. Perché è una batteria in metallo? Prendendo le batterie al litio all'aria come esempio, per capire questo problema, diamo prima un'occhiata alla differenza tra le batterie agli ioni di litio (ormai comuni batterie al litio) e le batterie al litio. La figura seguente mostra lo stato interno della batteria durante la ricarica e lo scarico della batteria a ioni di litio. In una batteria di ioni di litio convenzionale, l'elettrodo positivo è il carbonio e l'elettrodo negativo è composto da diversi ossidi di metallo di transizione come cobalto, nichel, manganese e simili. Entrambi gli elettrodi sono stati immersi in un elettrolita in cui è stato sciolto un sale di litio. Durante la carica e la scarica, gli ioni di litio si spostano da un elettrodo all'altro. La direzione del movimento differisce a seconda che la batteria sia caricata o scaricata a seconda dello stato della batteria. Al momento della carica e della dimissione, gli ioni di litio sono infine incorporati nello strato atomico del materiale dell'elettrodo, e quindi la capacità della batteria finale dipende da quanto materiale può ospitare gli ioni di litio, che è, determinato dal volume e dalla qualità gli elettrodi. 
△ processo di ricarica e scarico della batteria agli ioni di litio
Le batterie al litio-aria variano. Nelle batterie in metallo, si verifica una reazione elettrochimica. Durante il processo di scarico, l'elettrodo positivo contenente litio rilascia gli ioni di litio e gli ioni di litio si muovono verso l'elettrodo negativo e reagiscono con ossigeno sulla superficie dell'elettrodo negativo per formare il perossido di litio (Li 2 O 2). Ioni di litio, elettroni e ossigeno reagiscono sulla superficie dell'elettrodo negativo formato da carbonio poroso, poiché la reazione chimica non si verifica sull'elettrodo negativo e lo ione al litio non è il materiale dell'elettrodo negativo. Pertanto, la capacità della batteria e il volume o la massa del materiale dell'elettrodo negativo non sono troppo elevati. Grande relazione, purché ci sia abbastanza superficie. Vale a dire, la capacità della batteria all'aria di litio non è determinata dal volume e dalla qualità dell'elettrodo, ma dalla superficie dell'elettrodo. Questo è il motivo per cui in una batteria all'aria di litio, un elettrodo di piccola massa può anche immagazzinare una grande quantità di energia, con conseguente maggiore densità di energia. 
△ processo di ricarica e scarico della batteria al litio.
Naturalmente, oltre alla densità energetica, il costo è anche una considerazione importante. Il prezzo della batteria è attualmente nell'intervallo di 200-300 dollari USA / kWh, se puoi eseguire 5-6 km per kWh, 800 km hanno bisogno di una batteria da 150 kWh, è necessario 30.000-4,5 milioni. Una BMW Series Auto ha bisogno solo di $ 33.000. Pertanto, se si desidera produrre in serie, il prezzo per kWh deve scendere al di sotto di $ 100. Quali problemi dovrei risolvere per la commercializzazione della batteria al litio? Quando il litio e l'ossigeno sono semplicemente sottoposti a una reazione redox, la densità di energia massima teorica che può essere prodotta è 3.460 WH/kg. A parte la parte della cellula che non subisce una reazione chimica, anche il valore della densità di energia che alla fine può essere raggiunta è molto desiderabile. Certo, incontrerai anche problemi. Il processo di ricarica di una batteria al litio-aria è simile a quello di una batteria di ioni di litio convenzionale, purché sia pressurizzata esternamente. La differenza è che in una batteria all'aria di litio, quando vi è una tensione esterna, la struttura del perossido di litio viene distrutta ed è ridotta a ioni di ossigeno e litio e gli ioni di litio vengono restituiti all'elettrodo positivo. Le batterie al litio-aria, come le tradizionali batterie al litio, hanno più cicli di carica e scarica e hanno più effetti collaterali all'interno della batteria. Questi effetti collaterali sono fondamentali per la loro produzione di massa e persino la commercializzazione. Per comprendere gli effetti di questi effetti collaterali sulla batteria, abbiamo utilizzato lo spettrometro di massa elettrochimico presso il centro di ricerca per misurare accuratamente la quantità di gas consumata e prodotta durante ogni ciclo di carica e scarica. Di conseguenza, è stato scoperto un problema: la batteria dell'aria al litio emette molto meno ossigeno durante la carica rispetto all'ossigeno consumato durante la scarica. (Nel test, viene utilizzato l'ossigeno secco anziché l'aria.) 
△ Spettrometro di massa elettrochimico del Centro di ricerca IBM (: IBM)
In una cella di batteria ideale, l'ossigeno consumato durante la scarica è uguale alla massa di ossigeno rilasciato durante la carica. Ma lo studio ha scoperto che la quantità di ossigeno rilasciato è inferiore, il che significa che l'ossigeno che non viene rilasciato è probabile che reagisca con i componenti nell'unità della batteria, come lo scioglimento dell'elettrolita, la batteria è all'interno. Consumo. In un altro laboratorio IBM di Zurigo, abbiamo condotto nuovi esperimenti per tracciare e informatizzare questa reazione chimica autodistruttiva. Infine, il motivo è stato trovato sull'elettrolita organico. Quindi abbiamo studiato questo problema. Nell'ultima unità batteria, dopo aver utilizzato un nuovo elettrolita, può rilasciare la maggior parte dell'ossigeno assorbito durante la scarica. Inoltre, monitoramo anche il consumo e la produzione di idrogeno e acqua durante la carica e la scarica, poiché la presenza di queste due sostanze significa che è probabile che ci sia almeno una reazione chimica di autoconsimento all'interno della batteria. La nostra attuale unità batteria è stata in grado di ottenere 200 cicli di carica e scarica, sebbene ciò sia per rendere il processo di ricarica effettivo molto inferiore al massimo teorico. Oltre a questo problema, abbiamo alcuni risultati chiave sui vari componenti della batteria all'aria di litio: 1. L' elettrodo positivo è diverso dall'elettrodo positivo realizzato in grafite nella tradizionale batteria a ioni di litio. Nella batteria in aria di litio, l'elettrodo positivo contenente litio cambierà un po 'di superficie durante il processo di ricarica e cresce un po' di struttura a forma di muschio o simile a un albero. È un dendrite. Questi dendriti sono molto pericolosi perché possono formare un ciclo conduttivo tra gli elettrodi positivi e negativi per creare un corto circuito. 
△ Elettrodo positivo della batteria al litio, dopo diverse decine di cicli, la superficie produce struttura dendritica
Al fine di ridurre il verificarsi di dendriti, abbiamo usato una membrana di isolamento speciale. Questo separatore è costituito da uno strato di materiale contenente molti pori nanoscala che sono abbastanza piccoli e distribuiti uniformemente attraverso la membrana per consentire il passaggio di ioni di litio e per sopprimere la produzione dendritica. A causa della presenza di questo separatore, l'anodo rimane liscio dopo diverse centinaia di cicli di carica. Se viene utilizzato un separatore tradizionale, dopo diversi cicli si verificheranno dendriti. Se usi un polimero di vetro con ioni conduttivi, l'effetto sarà migliore. 
△ Elettrodo positivo della batteria al litio, dopo aver usato il film di nano-isolamento, la superficie rimane liscia
2. L'elettrolita attualmente utilizzato nell'elettrolita reagisce ancora con ossigeno o altri composti prodotti nel ciclo di carica e scarica e viene così consumato. Finora non abbiamo trovato alcun solvente abbastanza stabile da consentire alla batteria all'aria di litio di entrare nella fase commerciale. 3. Durante il processo di ricarica, gli ioni di litio possono reagire con l'elettrodo negativo per produrre nitrati di litio. Il nitrato di litio reagisce anche con l'elettrolita, consumando l'elettrolita e producendo anidride carbonica. Nel test, abbiamo anche monitorato la quantità di nitrato di litio prodotto e preso alcune misure per ridurne la produzione. Tuttavia, poiché la tensione di ricarica richiesta deve essere superiore alla tensione operativa della batteria di almeno 700 mV. La sovratensione ridurrà l'efficienza di ricarica della batteria. Abbiamo cercato di convertire il carbonio in altri ossidi di metallo e i risultati non sono cambiati molto. 4. Catalizzatori che riguardano se utilizzare o meno catalizzatori nelle batterie in metallo, ci sono stati molti dibattiti tra i professionisti e gli avversari. L'uso di un catalizzatore può ridurre significativamente il verificarsi di condizioni di sovrapressione, ma lo stesso catalizzatore accelererà generalmente anche il consumo di elettrolita. Nei nostri studi teorici, l'energia di attivazione è molto bassa nell'ossidazione e nella riduzione del litio. Pertanto, nelle batterie all'aria di litio, il catalizzatore non è necessario. 5. Preparazione dell'aria Sebbene la batteria sia chiamata batteria dell'aria al litio, in effetti usiamo ossigeno secco. L'enfasi è posta sull'essiccazione "perché è necessario solo rimuovere i componenti del vapore acqueo e dell'anidride carbonica nell'aria. Per produrre in serie tale aria nelle batterie commerciali, è necessario un sistema di purificazione dell'aria leggera, efficiente e stabile. Da questo punto di vista, l'applicazione pratica delle batterie al litio-aria può essere in autobus, camion e altri veicoli di grandi dimensioni. Solo questi grandi veicoli possono ospitare attrezzature per la purificazione dell'aria. L'unità batteria attualmente utilizzata per il test è ancora di dimensioni ridotte, di 76 mm di diametro e 13 mm di lunghezza, che è tutt'altro che sufficiente per lo standard dei veicoli elettrici. Quindi uno dei compiti più importanti che devono essere svolti è come realizzare celle a batteria più grandi, confezionare e impacchettare molte celle della batteria in un pacco batteria e quindi avere un sistema di gestione della batteria. Stiamo anche testando alcune dimensioni diverse, come 100 x 100 mm (diametro di 100 mm, lunghezza di 100 mm). Al momento, questo progetto è ancora nella fase scientifica di base iniziale su materiali e reazioni chimiche, ma i risultati ottenuti sono positivi. Nel nostro studio, la densità di energia che ora può essere raggiunta è la reazione ossidoreduttiva del litio di 15 kWh/kg (usando un catodo di carbonio grezzo, 5700 mAh x 2,7 V/g) e la densità di energia nella cellula è di circa 800 WH/kg . Batteria a base di aria di sodio: bassa densità di energia, ma in batterie in metallo stabile, ci sono molti metalli che possono essere utilizzati, oltre al litio, al sodio e al potassio. La reazione inversa di questi metalli è più semplice e metalli relativamente più pesanti come magnesio, alluminio, zinco, ferro, ecc. Sono stati dimostrati difficili da ricaricare, quindi il progetto della batteria 500 ha scelto di studiare sia il litio che il sodio. metallo. Le batterie all'aria di sodio sono un'altra combinazione interessante, sebbene la densità di energia che può essere raggiunta sia inferiore rispetto alle batterie al litio, ma i suoi benefici sono più stabili. Il motivo per cui la densità di energia è bassa è che la reazione chimica generata è diversa. Come accennato in precedenza, nelle batterie all'aria al litio, il litio reagisce con ossigeno per produrre perossido di litio (Li2O2), ma nelle batterie al sodio-aria, il sodio reagisce con ossigeno usando un solo elettrone, con conseguente superossido di sodio Nao2. Invece di perossido di sodio, Na2o2. In confronto, la densità energetica che una batteria all'aria di sodio può produrre è teoricamente ridotta della metà e il limite teorico superiore della densità di energia è di 1100 WH/kg. D'altra parte, le batterie all'aria di sodio sono più efficienti delle batterie al litio-aria e la sovratensione è piuttosto bassa, meno di 20 mV (700 mV per litio). In considerazione di ciò, la tensione operativa dell'unità della batteria può essere ridotta a 3 V, in modo che il consumo di autoconsimento di altri componenti all'interno della batteria possa essere ridotto molto, come l'elettrolita. L'abbiamo misurato per esperimento e l'abbiamo verificato. Ciò ha il vantaggio che la stabilità della batteria è piuttosto elevata e che la capacità della batteria non cambia dopo 50 cicli di carica e scarica. Ci sono anche alcune sfide nell'uso commerciale di batterie all'aria di sodio. Ad esempio, una batteria all'aria di sodio consuma il doppio dell'ossigeno di una batteria all'aria di litio in risposta a una reazione, equivalente alla quantità di aria necessaria per produrre un motore a pistoni della stessa potenza. Inoltre, l'attività chimica del metallo di sodio è piuttosto elevata e molte persone ricorderanno la dimostrazione fatta dall'insegnante di chimica in classe delle scuole superiori. Un piccolo pezzo di sodio viene gettato in acqua e si verificherà una violenta reazione chimica. Tuttavia, il litio è un metallo raro e non è economico. Ma il sodio è un metallo comune e il costo è estremamente basso. Il costo dei materiali della batteria con sodio-aria delle stesse dimensioni è inferiore a un decimo di quello nelle batterie al litio. Sebbene a lungo termine, le batterie al litio avranno prestazioni migliori, ma considerando la stabilità e il costo, la batteria all'aria di sodio che non è bassa come l'energia sarà una scelta migliore dall'attuale batteria al futuro. 0 volte
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