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恒达娱乐-什么时候是电池的突破时间?这三个主要问题都让科学

  恒达娱乐 电动飞机可以成为航空的未来。从理论上讲,电动飞机比传统飞机更安静,更便宜,更环保。如果一架电动飞机可以飞行1000公里,它可以完成今天近一半的商业任务,将全球航空碳排放量减少15%。

  电动汽车也是如此。实际上,电动汽车不仅环保,而且汽车也更好。电机几乎无噪音,可以快速响应驱动器命令。为汽车充电的成本比燃烧油便宜得多。电动车辆运动部件少,维护成本低。

  为什么电动车还不流行?由于电池太贵,购买电动汽车的前期投资大于类似的汽油车。除非您总是驾驶汽车,否则汽油的节省不足以支付您之前付款的费用。简而言之,电动汽车在经济上仍然不可行。

  目前的电池不能用于驱动重量或体积的客机。人类在实际上变得流行之前需要在电池技术方面取得突破。

  电池便携式设备改变了我们的生活,但电池受到物理原理的限制。人类在1799年发明了第一个电池,从那时起已经研究了两个多世纪,但是科学家仍然无法完全理解设备内部的情况。如果电池想要改变我们的生活,有三个问题需要解决:电力,能源和安全。

  没有通用的锂电池

  每个锂电池都有两个极,正极和负极。锂电池的大部分阳极由石墨制成,但阴极具有各种材料,这取决于电池的使用位置。下图显示了各种阴极材料如何影响电池性能。

  权力挑战

  很多时候,我们经常混合“能量”和“力量”,但这两种含义在电池方面有所不同。功率代表能量释放率。我们称之为力量。

  如果您的公务机想要一次充电1000公里,您需要一个能够提供足够能量的强大电池,特别是在短时间内。因此,在电池中储存大量能量是不够的,但速度非常快。

  要解决电源问题,您需要了解业务电池的内部结构。我们一直夸大新电池技术。主要是因为他们没有进入内部细节。

  我们使用的电池中最常见的化学物质是锂。大多数专家认为,在未来十年或更长时间内,没有其他化学品能够击败锂。锂离子电池具有两个电极(阴极和阳极),隔板(传导离子而不是电子以防止短路的材料),中央隔板和电解质(通常为液体)。锂离子在两极之间来回移动。当电池充电时,离子从阴极流到阳极,当电池放电时,离子沿相反方向移动。我们可以把它想象成两块面包。左侧有阴极,右侧有阳极。假设阴极由镍,锰,钴(NMC)片组成,阳极由石墨组成,例如层状碳原子。

  在放电状态下,NMC面包在中间层之间具有锂离子夹层。当电池充电时,锂离子从中间层提取并被迫进入液体电解质。隔板仅允许锂离子穿过石墨层。当电池完全充电时,阴极不再具有锂离子,并且在所有石墨块之间整齐排列。当电池释放电能时,锂离子返回到负电极,直到锂离子从正电极移除。此时我们需要为电池充电。

  基本上,电池的功率由处理速度决定。提高速度并非如此简单。从阴极提取锂离子,如果速度太高,则会损坏该层。因此,使用手机,笔记本电脑和电动车的时间越长,电池寿命越短。每次充电和放电都会导致面包块变得脆弱。

  许多公司正在寻找更好的解决方案。一个想法是用结构更坚固的材料代替电极层。例如,瑞士电池公司Leclanché正在开发一种使用磷酸铁锂(LIB)作为阳极和橄榄石结构的技术,并使用钛酸锂(LTO)作为阳极。结构。使用这些材料制造电池可以提高锂离子流的效率。

  Leclanché目前拥有自己的电池,100%容量的无人叉车部门。对于Bitsla Super Charger,需要大约10分钟才能为特斯拉充电50%。在英国,Leclanché正在展开,并试图安装自己的电池充电快速电动汽车。电池缓慢安装在电网中,直到充电站充满电为止。汽车停放时,电池可以快速为汽车电池充电。当汽车离开时,充电站中的电池再次开始充电。

  Leclanché的工作向我们证明,人类完全有能力找到更好的电池化学成分并提高电池电量。但直到现在,人类还没有发现能够快速释放能量的电池,以至于它们能够满足商务喷气机的要求。一些初创企业可能需要多达12人来开发小型飞机,当飞机正在巡航电池时,燃料起飞,可以安装低能量密度电池或混合动力电动飞机。

  不幸的是,研究中有很多公司,但没有一家公司接近商业化。卡内基梅隆大学,Ben Cartwith和Natan Battery的专家可能需要电池来应对未来几十年的商务飞行。能源挑战

  3型是特斯拉最便宜的车型起价为35,000美元。该车配备50千瓦时的电池,售价约为8,750美元,占汽车总价的25%。

  与上一年相比,这些成本大幅下降。据彭博新能源金融公司称,2018年锂离子电池的平均成本约为每千瓦时175美元,2010年约为1200美元。

  据美国能源部称,一旦电池成本降至每千瓦时125美元,拥有和使用电动汽车的成本对于世界上大多数地区的汽油车来说至少是低的。电动汽车并未完全消除所有细分市场和主要市场的汽油车。例如,长寿卡车不适用于电池供电的车辆。然而,选择电动汽车将更容易,因为从达到这个转折点的角度来看,它可以经济地接受。

  实现这一转折点的一种方法是增加电池的能量密度并将kWh进一步推入电池组。从理论上讲,我们可以在电池化学方面做到这一点,既可以增加阴极的能量密度,也可以增加或同时增加阳极的能量密度。

  在商业材料中具有最高能量密度的阴极是NMC 811(数字代表镍,锰和钴的比率)。然而,这种电极仍然不完美。最大的问题是电池不能使用,因为充电和放电时间相对较小。但专家预测,未来五年将解决NMC 811问题。这样做可将NMC 811的电池密度提高10%以上。

  尽管如此,增长10%并不是那么多。在过去的几十年中已经有许多创新,并且阴极的能量密度实际上已经增加。现在机会在阳极上。

  制造阳极时石墨仍占主导地位。廉价,可靠和能量密度也是其优势所在。然而,与其他潜在的阳极材料如硅和锂相比,石墨在层压时相对较弱。

  从理论上讲,硅比石墨更好地吸收锂离子。出于这个原因,一些公司将试图在双极设计中将一些硅压成石墨,特斯拉CEO Mask表示他的公司正在开发这种电池。

  如果你可以制造商业上可获得的硅阳极(由硅制成),那将是一个很大的改进。但硅很难做到,因为它有自己的特点。当石墨吸收锂离子时,体积变化不大。如果是硅阳极,则在相同条件下延伸至4次。

  外壳不能延伸膨胀,膨胀也会破坏硅阳极“固体电解质膜”(SEI)。您可以将SEI的保护作用视为保护阳极免受生锈的保护层,如铁,如氧化铁。如果外面有另一层,则与氧气的反应会减慢。当生锈时,铁被氧化得更慢,内部变得更强。

  当电池的第一次充电形成电极本身的“绿色”层,即SEI时,电极不会从另一部分侵蚀掉。 SEI可防止其他化学反应,防止电极被腐蚀,并使锂离子尽可能平稳地移动。

  当引入硅阳极时,当电池由另一个设备充电时,每个SEI被拆卸并再充电。在每个充电周期期间消耗一些硅。最终,硅消耗达到一定水平,电池不再可用。

  在过去的十年中,硅谷的一些初创企业一直在寻找解决方案。例如,Sila Nano已经找到了一种将硅原子封装在具有许多“空房间”的纳米细胞中的方法。因此,SEI形成在壳体中并且在每个SEI充电/放电循环中不会损坏,其中硅原子的膨胀是在内部产生的。 Silano Nano价值350美元,它表示2020年将是一种快速的设备技术。

  有Enovix把它放在一个大的物理应力环境中,迫使它吸收小的锂离子,因此可以限制其防止SEI损坏,100%阴极膨胀的硅阳极引入特殊的制造技术。 Enovix已经获得了高通公司对英特尔的投资,该公司预计将开发电池,将用于2020年的设备。

  在这些公司的研究中,硅阳极无法达到理论上的高能量密度。然而,两家公司都表示他们的电极性能优于石墨阳极。第三方正在测试电池。

  安全问题

  修复分子以释放更多能量会影响安全性。由于本发明,锂离子电池总是由于火灾而引起问题。 1990年,莫莉能源加拿大推出了一款用于手机的锂铁电池,正式营业,但被迫召回莫莉产品在现实世界中的火灾危险电池,该公司最终申请破产。该公司的一些资产被一家台湾公司在中国收购,而Moli仍然以E-One Moli Energy品牌销售锂电池。

  最近回忆起三星Galaxy Note(7)起火,该手机配备了锂离子电池。在2016年召回时,三星损失了53亿美元。

  锂离子电池仍然存在火灾危险,因为它们主要使用易燃液体作为电解质。不幸的是,液体很容易携带离子,但容易发生火灾。一种方法是使用固体电解质。然而,固体电解质具有其他缺点。如果你接触到骰子,用坚硬的水,沙子和你想象的坚硬的水,它不仅仅是沙子。目前,诸如互连传感器的固体电解质锂离子电池用于低能量环境中。为了拓宽固态电池的应用范围,通常有两种选择:高温固体聚合物和室温陶瓷。

  解释以下步骤。

  高温聚合物:聚合物是非常长的分子链,它们连在一起。这种材料在日常应用中非常普遍,塑料袋由聚合物制成。一些聚合物在加热时看起来像液体,但不像液体电解质那样易燃。换句话说,像液体电解质一样,离子电导率非常高,但不存在可燃性的风险。

  不幸的是,聚合物有其自身的局限性它们仅在105度以上工作,不适合手机。但是,您可以将其引入家用电池以存储电网电源。两家公司,美国的SEEO和法国的Bollor,正在开发一种使用高温聚合物作为电解质的新型固态电池。

  陶瓷在室温下:未在过去的10年中,和一个或两个LLZO(锂,氧化镧,氧化锆),以证明我们陶瓷液体环境的室温离子电导率,导光板(锂,氦和硫化物)。

  QuantumScape是丰田和硅谷的一家初创公司,正在开发陶瓷锂离子电池。卡内基梅隆大学专家Viswanathan说: “你可以在未来几年内看到陶瓷电池。”

  最终平衡

  电池是一家大公司,市场仍在增长。企业家在有钱的地方收集想法。但是电池初创公司遇到了困难,因为故障率高于软件公司。为什么呢?在材料科学领域取得突破非常困难。

  电池化学家发现其他色谱柱在试图提高色谱柱时会减弱(例如,能量密度)(例如,安全性)。需要保持平衡,因此难以进展,速度非常慢,并且出现各种问题。

  然而,越来越多的专家将电池作为目标。这是个好消息。麻省理工学院的专家说,即使在10年前的明蒋之前,美国科学家研究的细胞数量也增加了一倍以上。电池的潜力巨大。在考虑困难和困难时,最好在有人怀疑新电池是好的时候看看它,如果有疑问的话。

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