Новини от индустрията

Новият дизайн на батерията би могъл да разтърси електрическите превозни средства

2021-06-16
Значителен напредък в архитектурата на батериите може да бъде пробив за електрически превозни средства и мрежово съхранение.



Проба от „суров Кеймбридж“ - черно, гъсто вещество, което може да захранва високоефективен нов тип батерии. Прототип на батерията с полутвърд поток се вижда зад колбата.



Членовете на изследователския екип включваха (отляво надясно) наскоро завършилия Михай Дудута € 10, проф. У. Крейг Картър, аспирант Брайън Хо и проф. Ет-Минг Чианг.

Коренно нов подход към дизайна на батериите, разработен от изследователи от MIT, може да осигури лека и евтина алтернатива на съществуващите батерии за електрически превозни средства и електрическата мрежа. Технологията може дори да направи „зареждане с гориво“ такива батерии толкова бързи и лесни, колкото изпомпването на газ в конвенционален автомобил.

Новата батерия разчита на иновативна архитектура, наречена полутвърда поточна клетка, в която твърдите частици се суспендират в течност-носител и се изпомпват през системата. В този дизайн активните компоненти на батерията - положителните и отрицателните електроди, или катодите и анодите - са съставени от частици, суспендирани в течен електролит. Тези две различни суспензии се изпомпват през системи, разделени от филтър, като тънка пореста мембрана.

Работата беше извършена от Михай Дудута 10 и аспирант Брайън Хо, под ръководството на преподаватели по материалознание У. Крейг Картър и Ити-Минг Чианг. Той е описан в документ, публикуван на 20 май в списанието Advanced Energy Materials. Документът е в съавторство с гостуващ изследовател Пимпа Лимтонгкул 02, докторант Ванеса Ууд 10 и аспирант Виктор Брунини 08.

Една важна характеристика на новия дизайн е, че той разделя двете функции на батерията - съхранява енергия, докато е необходима, и разтоварва тази енергия, когато трябва да се използва - в отделни физически структури. (При конвенционалните батерии съхранението и разреждането се извършват в една и съща структура.) Разделянето на тези функции означава, че батериите могат да бъдат проектирани по -ефективно, казва Чианг.

Новият дизайн трябва да даде възможност за намаляване на размера и цената на цялостна батерийна система, включително цялата й структурна поддръжка и конектори, до около половината от настоящите нива. Това драстично намаляване може да бъде ключът към превръщането на електрическите превозни средства в пълна конкуренция с конвенционалните превозни средства на газ или дизел, казват изследователите.

Друго потенциално предимство е, че в приложенията на превозни средства такава система би позволила просто „зареждане с гориво“ на акумулатора чрез изпомпване на течната каша и изпомпване на свежа, напълно заредена подмяна или чрез смяна на резервоарите като гуми на пит стоп, като същевременно се запазва възможността просто да се презареди съществуващия материал, когато времето позволява.

Проточните батерии съществуват от известно време, но са използвали течности с много ниска енергийна плътност (количеството енергия, което може да се съхранява в даден обем). Поради това съществуващите дебитни батерии заемат много повече място от горивните клетки и изискват бързо изпомпване на течността им, което допълнително намалява тяхната ефективност.

Новите батерии с полутвърд поток, създадени от Chiang и колегите му, преодоляват това ограничение, осигурявайки 10-кратно подобрение на енергийната плътност спрямо сегашните батерии с течен поток и по-евтино производство от конвенционалните литиево-йонни батерии. Тъй като материалът има такава висока енергийна плътност, не е необходимо да се изпомпва бързо, за да достави своята мощност. „Това е нещо, което тече“, казва Чианг. Тъй като окачванията изглеждат и текат като черна каша и могат да се използват вместо петрол за транспортиране, Картър казва: „Ние го наричаме„ суров Кеймбридж “.

Ключовото прозрение на екипа на Chiang беше, че би било възможно да се комбинира основната структура на батериите с воден поток с доказаната химия на литиево-йонните батерии чрез намаляване на твърдите материали на батериите до малки частици, които могат да бъдат пренесени в течна суспензия - подобна на начина, по който пясъчните пясъци могат да текат като течност, въпреки че се състоят предимно от твърди частици. „Ние използваме две доказани технологии и ги обединяваме“, казва Картър.

В допълнение към потенциалните приложения в превозните средства, новата акумулаторна система може да бъде увеличена до много големи размери на ниска цена. Това би го направило особено подходящо за мащабно съхранение на електроенергия за комунални услуги, което потенциално би направило периодични, непредсказуеми източници като вятърна и слънчева енергия практични за захранване на електрическата мрежа.

Екипът се стреми да „изобрети акумулаторната батерия“, казва Чианг. Но устройството, което те измислиха, е потенциално цяло семейство от нови акумулаторни системи, тъй като това е дизайнерска архитектура, която „не е свързана с някаква конкретна химия“. Чианг и колегите му сега проучват различни химични комбинации, които може да се използва в системата с полутвърд поток. „Ще разберем какво може на практика да се разработи днес“, казва Чианг, „но тъй като идват по -добри материали, можем да ги адаптираме към тази архитектура“.

Юрий Гогоци, заслужен университетски преподавател в университета Дрексел и директор на Института по нанотехнологии на Дрексел, казва: „Демонстрацията на полутвърда литиево-йонна батерия е голям пробив, който показва, че могат да се използват активни материали от суспензия за съхранение на електрическа енергия. “Този напредък, казва той,„ има огромно значение за бъдещето на производството и съхранението на енергия. “

Гогоци предупреждава, че създаването на практическа, търговска версия на такава батерия ще изисква изследвания за намиране на по -добри катодни и анодни материали и електролити, но добавя, че „не виждам фундаментални проблеми, които не могат да бъдат решени“ - това са преди всичко инженерни проблеми. Разбира се, разработването на работещи системи, които могат да се конкурират с наличните понастоящем батерии по отношение на разходите и производителността, може да отнеме години. “

Chiang, чиито по-ранни прозрения за химията на литиево-йонните батерии доведоха до основаването на 2001 г. на MIT spinoff A123 Systems, казва, че двете технологии се допълват и разглеждат различни потенциални приложения. Например, новите батерии с полутвърд поток вероятно никога няма да бъдат подходящи за по-малки приложения като инструменти или където са необходими кратки изблици с много висока мощност-области, където батериите на A123 превъзхождат.

Новата технология е лицензирана от компания, наречена 24M Technologies, основана миналото лято от Chiang and Carter заедно с предприемача Throop Wilder, който е президент на компанията. Компанията вече е събрала над 16 милиона долара за рисков капитал и федерално финансиране на научни изследвания.

Развитието на технологията е частично финансирано от безвъзмездни средства от Агенцията за напреднали изследователски проекти на Министерството на отбраната на САЩ и Агенцията за напреднали научноизследователски проекти-ARPA-E. Продължаващите изследвания на технологията се извършват частично в 24M, където някои скорошни възпитаници на MIT, които са работили по проекта, са част от екипа; в Масачузетския технологичен институт, където преподавателите Анджела Белчер и Паула Хамънд са съвместни изследователи; и в Rutgers, с професор Glenn Amatucci.

Целта на текущата работа на екипа, в рамките на тригодишна безвъзмездна помощ ARPA-E, отпусната през септември 2010 г., е до края на безвъзмездния период да има „напълно функционираща, намалена прототипна система“ “, казва Чианг, готов да бъде проектиран за производство като заместител на съществуващите батерии за електрически автомобили.