Warum sollten wir auf 800 Kilometer zielen? Da dieser Wert der höchste erwartete Wert für die meisten Menschen für die Kreuzfahrt ist, wird das Elektrofahrzeug weniger Beliebtheit haben, wenn das Kreuzfahrtbereich des Elektrofahrzeugs nicht 800 Kilometer erreichen kann und die Kosten von den meisten Menschen akzeptiert werden können. Wir haben diesen Wert auf das Ziel unseres Battery 500 -Projekts festgelegt. Das Projekt begann im Jahr 2009 und wird vom Almaden Research Center dominiert. Seitdem hat IBM diese Forschung mit einer Reihe von Geschäftspartnern und Forschungsinstituten aus Europa, Asien und den Vereinigten Staaten durchgeführt. Das Projekt Battery 500 basiert auf der Metall-Luft-Technologie. Im Vergleich zu Lithiumbatterien haben Metall-Luft-Batterien mehr Energie pro Masse der Einheit. Die Projektforschung dauert noch mehrere Jahre, um kommerzialisiert zu werden. In diesen sieben Jahren der Experimente können wir jedoch denken, dass die zukünftige Metall-Luft-Batterie in Elektrofahrzeugen in der Tat nützlich ist. Warum ist es eine Metall-Luft-Batterie? Wenn Sie als Beispiel Lithium-Luft-Batterien einnehmen, um dieses Problem zu verstehen, schauen wir uns zunächst den Unterschied zwischen Lithium-Ionen-Batterien (jetzt übliche Lithiumbatterien) und Lithium-Luft-Batterien an. Die folgende Abbildung zeigt den Innenzustand der Batterie während des Ladung und Abladung der Lithium -Ionen -Batterie. In einer herkömmlichen Lithiumionenbatterie ist die positive Elektrode Kohlenstoff, und die negative Elektrode besteht aus verschiedenen Übergangsmetalloxiden wie Kobalt, Nickel, Mangan und dergleichen. Beide Elektroden wurden in einen Elektrolyten eingetaucht, bei dem ein Lithiumsalz gelöst wurde. Während des Ladung und der Entladung bewegen sich Lithiumionen von einer Elektrode zur anderen. Die Bewegungsrichtung unterscheidet sich je nach dem Zustand der Batterie, je nachdem, ob die Batterie geladen oder entladen wird. Zum Zeitpunkt der Ladung und der Entladung werden Lithiumionen schließlich in die Atomschicht des Elektrodenmaterials eingebettet, und daher hängt die Kapazität der endgültigen Batterie davon ab, wie viel Material Lithiumionen aufnehmen kann, dh durch das Volumen und die Qualität von die Elektroden. 
△ Lithium-Ionen-Batterieladung und Entladungsprozess
Lithium-Luft-Batterien variieren. In Metall-Luft-Batterien findet eine elektrochemische Reaktion statt. Während des Entladungsprozesses setzt die lithiumhaltige positive Elektrode Lithiumionen frei, und die Lithiumionen bewegen sich in Richtung der negativen Elektrode und reagieren mit Sauerstoff auf der Oberfläche der negativen Elektrode, um Lithiumperoxid zu bilden (Li 2 O 2). Lithiumionen, Elektronen und Sauerstoff reagieren auf der Oberfläche der durch porösen Kohlenstoff gebildeten negativen Elektrode, da die chemische Reaktion nicht auf der negativen Elektrode auftritt und das Lithiumion nicht das negative Elektrodenmaterial ist. Daher sind die Kapazität der Batterie und das Volumen oder die Masse des negativen Elektrodenmaterials nicht zu hoch. Große Beziehung, solange es genügend Oberfläche gibt. Das heißt, die Kapazität der Lithium-Luft-Batterie wird nicht durch das Volumen und die Qualität der Elektrode, sondern die Oberfläche der Elektrode bestimmt. Aus diesem Grund kann in einer Lithium-Luft-Batterie eine kleine Masseelektrode auch eine große Menge Energie speichern, was zu einer höheren Energiedichte führt. 
△ Lithium-Luft-Batterieladung und Entladungsprozess
Natürlich sind die Kosten zusätzlich zur Energiedichte eine wichtige Überlegung. Der Preis für die Batterie liegt derzeit im Bereich von 200-300 US-Dollar / kWh. Wenn Sie 5 bis 6 km pro kWh laufen können, benötigen 800 km eine Batterie von 150 kWh, und Sie benötigen 30.000 bis 4,5 Millionen. Ein BMW 2 -Serie -Auto benötigt nur 33.000 US -Dollar. Wenn Sie die Produktion in Massen haben möchten, muss der Preis pro kWh unter 100 US -Dollar sinken. Welche Probleme sollte ich für die Kommerzialisierung von Lithium-Air-Batterien lösen? Wenn Lithium und Sauerstoff einfach einer Redoxreaktion unterzogen werden, beträgt die theoretische maximale Energiedichte, die erzeugt werden kann, 3.460 WH/kg. Abgesehen vom Teil der Zelle, der keine chemische Reaktion unterliegt, ist der Wert der Energiedichte, die letztendlich erreicht werden kann, ebenfalls sehr wünschenswert. Natürlich werden Sie auch auf Probleme stoßen. Der Ladevorgang einer Lithium-Luft-Batterie ähnelt dem einer herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterie, solange sie extern unter Druck gesetzt wird. Der Unterschied besteht darin, dass in einer Lithium-Luft-Batterie bei einer externen Spannung die Struktur des Lithiumperoxids zerstört und auf Sauerstoff- und Lithiumionen reduziert wird und die Lithiumionen in die positive Elektrode zurückgegeben werden. Lithium-Luft-Batterien wie herkömmliche Lithiumbatterien haben mehr Ladungs- und Entladungszyklen und haben mehr Nebenwirkungen in der Batterie. Diese Nebenwirkungen sind für ihre Massenproduktion und sogar die Kommerzialisierung von grundlegender Bedeutung. Um die Auswirkungen dieser Nebenwirkungen auf die Batterie zu verstehen, verwendeten wir das elektrochemische Massenspektrometer im Forschungszentrum, um die während jeder Ladung und des Entladungszyklus produzierte Gasmenge genau zu messen. Infolgedessen wurde ein Problem entdeckt: Die Lithium-Luft-Batterie emittiert während des Lades viel weniger Sauerstoff als der während der Entladung verbrauchte Sauerstoff. (Im Test wird trockener Sauerstoff anstelle von Luft verwendet.) 
△ Das elektrochemische Massenspektrometer des IBM Research Center (: IBM)
In einer idealen Batteriebatter -Zelle ist der während der Entladung verbrauchte Sauerstoff gleich der während des Ladungen freigesetzten Sauerstoffmasse. Die Studie ergab jedoch, dass die Menge an freigesetzten Sauerstoff geringer ist, was bedeutet, dass der Sauerstoff, der nicht freigesetzt wird, wahrscheinlich mit den Komponenten in der Batterieeinheit reagiert, wie z. B. in den Elektrolyten, der Batterie innen ist. Verbrauch. In einem anderen IBM-Labor in Zürich haben wir neue Experimente durchgeführt, um diese selbstzerstörerische chemische Reaktion zu verfolgen und zu computerisieren. Schließlich wurde der Grund am organischen Elektrolyten gefunden. Dann haben wir dieses Problem untersucht. In der jüngsten Batterieeinheit kann nach der Verwendung eines neuen Elektrolyten den größten Teil des während der Entladung absorbierten Sauerstoffs freigesetzt werden. Darüber hinaus verfolgen wir auch den Verbrauch und die Produktion von Wasserstoff und Wasser während der Ladung und Entladung, da das Vorhandensein dieser beiden Substanzen bedeutet, dass es wahrscheinlich mindestens eine chemische Reaktion des Selbstverbrauchs innerhalb der Batterie gibt. Unsere derzeitige Batterieeinheit konnte 200 Ladungs- und Entladungszyklen erreichen, obwohl dies den tatsächlichen Ladevorgang weitaus geringer ist als das theoretische Maximum. Zusätzlich zu diesem Problem haben wir einige wichtige Erkenntnisse zu den verschiedenen Komponenten der Lithium-Luft-Batterie: 1. Die positive Elektrode unterscheidet sich von der positiven Elektrode aus Graphit in der herkömmlichen Lithiumionenbatterie. In der Lithium-Luft-Batterie wechselt die positive Elektrode, die Lithium enthält, während des Ladungsprozesses eine gewisse Oberfläche, und einige mosartige oder baumähnliche Struktur wächst. Es ist ein Dendrit. Diese Dendriten sind sehr gefährlich, da sie eine leitende Schleife zwischen den positiven und negativen Elektroden bilden können, um einen Kurzschluss zu erzeugen. 
△ Lithium-Luft-Batterie-positive Elektrode nach mehreren Zehn Zyklen erzeugt die Oberfläche eine dendritische Struktur
Um das Auftreten von Dendriten zu verringern, verwendeten wir eine spezielle Isolationsmembran. Dieses Separator besteht aus einer Materialschicht, die viele nanoskalige Poren enthält, die klein genug und gleichmäßig über die Membran verteilt sind, um den Durchgang von Lithiumionen zu ermöglichen und die dendritische Produktion zu unterdrücken. Aufgrund des Vorhandenseins dieses Separators bleibt die Anode nach mehreren hundert Ladungszyklen glatt. Wenn ein herkömmlicher Trennzeichen verwendet wird, treten Dendriten nach mehreren Zyklen auf. Wenn Sie ein Glaspolymer mit leitenden Ionen verwenden, ist der Effekt besser. 
△ Lithium-Luft-Batterie-positive Elektrode nach der Verwendung von Nano-Isolationsfilm bleibt die Oberfläche glatt
2. Der derzeit im Elektrolyten verwendete Elektrolyte reagiert immer noch mit Sauerstoff oder anderen im Ladung und dem Entladungszyklus erzeugten Verbindungen und wird somit verbraucht. Bisher haben wir kein Lösungsmittel gefunden, das stabil genug ist, damit die Lithium-Luft-Batterie in die Handelsbühne gelangt. 3. Während des Ladungsprozesses können Lithiumionen mit der negativen Elektrode reagieren, um Lithiumnitrat zu erzeugen. Lithiumnitrat reagiert auch mit dem Elektrolyten, verbraucht den Elektrolyten und produziert Kohlendioxid. Im Test haben wir auch die Menge an produzierten Lithiumnitrat verfolgt und einige Maßnahmen ergriffen, um die Produktion zu verringern. Da die erforderliche Ladespannung jedoch höher sein muss als die Betriebsspannung der Batterie um mindestens 700 mV. Die Überspannung verringert die Ladeeffizienz der Batterie. Wir haben versucht, Kohlenstoff in andere Metalloxide umzuwandeln, und die Ergebnisse haben sich nicht viel verändert. 4. Katalysatoren darüber, ob Katalysatoren in Metall-Luft-Batterien verwendet werden sollen oder nicht, es gab viele Debatten zwischen den Profis und den Gegnern. Die Verwendung eines Katalysators kann das Auftreten von Überdruckbedingungen erheblich verringern, aber der gleiche Katalysator beschleunigt im Allgemeinen auch den Elektrolytkonsum. In unseren theoretischen Studien ist die Aktivierungsenergie bei der Oxidation und Reduzierung von Lithium sehr gering. Daher ist in Lithium-Luft-Batterien der Katalysator nicht erforderlich. 5. Vorbereitung von Luft Obwohl die Batterie als Lithium -Luft -Batterie bezeichnet wird, verwenden wir trockener Sauerstoff. Der Schwerpunkt wird auf "Trocknen" gelegt, da es nur notwendig ist, die Komponenten von Wasserdampf und Kohlendioxid in der Luft zu entfernen. Um solche Luft in kommerziellen Batterien zu produzieren, ist ein leichter, effizientes und stabiles Luftreinigungssystem erforderlich. Aus dieser Perspektive kann die praktische Anwendung von Lithium-Luft-Batterien in Bussen, Lastwagen und anderen großen Fahrzeugen sein. Nur diese großen Fahrzeuge können Luftreinigungsausrüstung aufnehmen. Die derzeit zum Testen verwendete Batterieeinheit ist immer noch klein, einen Durchmesser von 76 mm und eine Länge von 13 mm, was für den Standard der Elektrofahrzeuge weit ausreicht. Eine der wichtigsten Aufgaben, die erledigt werden müssen, ist, dass größere Batteriezellen hergestellt werden, viele Batteriezellen in einen Akku erstellen und dann über ein Batteriemanagementsystem verfügen. Wir testen auch verschiedene Größen, wie z. B. 100 x 100 mm (100 mm Durchmesser, 100 mm Länge). Gegenwärtig befindet sich dieses Projekt noch in der anfänglichen Grundlagenforschung über Materialien und chemische Reaktionen, die erhaltenen Ergebnisse sind jedoch positiv. In unserer Studie ist die Energiedichte, die jetzt erreicht werden kann . Natrium-Luft-Batterie: Niedrige Energiedichte, aber in stabilen Metall-Luft-Batterien gibt es viele Metalle, die zusätzlich zu Lithium, Natrium und Kalium verwendet werden können. Die umgekehrte Reaktion dieser Metalle ist einfacher, und relativ schwerere Metalle wie Magnesium, Aluminium, Zink, Eisen usw. haben sich als schwierig nachgewiesen, dass das Projekt Battery 500 sowohl Lithium als auch Natrium untersucht hat. Metall. Natrium-Luft-Batterien sind eine weitere interessante Kombination, obwohl die erzielte Energiedichte im Vergleich zu Lithium-Luft-Batterien niedriger ist, aber seine Vorteile sind stabiler. Der Grund, warum die Energiedichte niedrig ist, ist, dass die erzeugte chemische Reaktion unterschiedlich ist. Wie oben erwähnt, reagiert Lithium in Lithium-Luft-Batterien mit Sauerstoff auf Lithiumperoxid (Li2O2), aber bei Natrium-Luft-Batterien reagiert Natrium mit Sauerstoff nur ein Elektron, was zu Natrium-Superoxid-NaO2 führt. Anstelle von Natriumperoxid na2o2. Im Vergleich dazu wird die Energiedichte, die eine Natrium-Luft-Batterie erzeugen kann, theoretisch um die Hälfte reduziert und die theoretische Obergrenze der Energiedichte 1100 WH/kg beträgt. Andererseits sind Natrium-Luft-Batterien effizienter als Lithium-Luft-Batterien, und die Überspannung ist ziemlich niedrig, weniger als 20 mV (700 mV für Lithium). In Anbetracht dessen kann die Betriebsspannung der Batterieeinheit auf 3 V reduziert werden, so dass der Selbstkonsum anderer Komponenten innerhalb der Batterie stark reduziert werden kann, wie z. B. Elektrolyt. Wir haben es durch Experiment gemessen und es verifiziert. Dies hat den Vorteil, dass die Stabilität der Batterie ziemlich hoch ist und die Kapazität der Batterie nach 50 Ladungs- und Entladungszyklen kaum ändert. Es gibt auch einige Herausforderungen bei der kommerziellen Verwendung von Natrium-Luft-Batterien. Beispielsweise verbraucht eine Natrium-Luft-Batterie doppelt so viel Sauerstoff wie eine Lithium-Luft-Batterie als Reaktion auf eine Reaktion, die der Luftmenge entspricht, die zur Herstellung eines Kolbenmotors mit derselben Leistung erforderlich ist. Darüber hinaus ist die chemische Aktivität von Natriummetall ziemlich hoch, und viele Menschen werden sich an die Demonstration des Chemielehrers im Klassenzimmer der High School erinnern. Ein kleines Stück Natrium wird ins Wasser geworfen, und es tritt eine heftige chemische Reaktion auf. Lithium ist jedoch ein seltenes Metall und es ist nicht billig. Aber Natrium ist ein übliches Metall und die Kosten sind extrem niedrig. Die Materialkosten in der gleichen Natrium-Luft-Batterie sind weniger als ein Zehntel davon in Lithium-Luft-Batterien. Obwohl Lithium-Luft-Batterien auf lange Sicht eine bessere Leistung haben, aber angesichts der Stabilität und der Kosten wird die Natrium-Luft-Batterie, die nicht so niedrig ist wie die Energie, eine bessere Wahl von der aktuellen Batterie in die Zukunft sein. 0 mal
Window._bd_share_config = {"Common": {"bdsnskey": {}, "BdText": "", "Bdmini": "2", "Bdminilist": Falsch, "Bdpic": "", "Bdstyle": ":": ":": ":": ":": ":": ":": " 0 ". "ViewText": "Teilen Sie an:", "ViewSize": "16"}, "selectShare": {"BdContainerClass": null, "bdSelectminilist": ["Qzone", "Tsina", "Tqq", "Renren", "Renren", "Renren" , "wixin"]}}; mit (Dokument) 0 [(getElementsByTagName ('head') [0] || body) .AppendChild (createLement ('script')). src = 'http: //bdimg.share. Baidu.com/static/api/js/share.js?v=89860593.js?cdnversion= ' + ~ (-New Date ()/36e5)];
