Între 24 și 26 august, Forumul Summit-ului pentru energie neutră din carbon și a 3-a Conferință internațională de aplicare a tehnologiei și ingineriei de stocare a energiei noi din China și Forumul tinerilor oameni de știință pentru tehnologiile noi de stocare a energiei au avut loc la Shenzhen, sub îndrumarea Comisiei pentru dezvoltare și reformă din Shenzhen, co -organizat de Asociația Industriei Chimice și Fizice a Energiei din China și Institutul de Cercetare a Energiei Neutre din Carbonul de la Universitatea de Sud de Știință și Tehnologie și susținut de peste 100 de instituții. Tema conferinței este „Dezvoltarea unei noi productivități și promovarea dezvoltării de înaltă calitate a industriei de stocare a energiei”.
Organizatorii conferinței au invitat 6 academicieni și 100 de experți din industrie să conducă discuții și schimburi aprofundate pe 12 sesiuni speciale, inclusiv noi soluții de integrare a sistemelor de stocare a energiei, tehnologie și aplicații de stocare a energiei pe termen lung, centrale electrice virtuale, energie industrială și comercială. stocare, baterii noi de stocare a energiei, noi piețe de stocare a energiei și energie electrică, microrețele inteligente, promovarea standardelor de stocare a energiei și forumul tinerilor oameni de știință pentru noi tehnologii de stocare a energiei.
În dimineața zilei de 25 august, profesorul Ning Xiaohui de la Școala de Știința și Ingineria Materialelor din cadrul Universității Xi'an Jiaotong a fost invitat să țină un discurs principal la „Sesiunea specială a bateriei de stocare a energiei noi”. Titlul raportului a fost „Progres în noua tehnologie a bateriilor de stocare a energiei din metal lichid”.
Bună dimineața, tuturor! Sunt Ning Xiaohui de la Universitatea Xi'an Jiaotong. În comparație cu bateria cu ioni de sodiu despre care tocmai a vorbit profesorul Cao și cu bateria cu flux pe care a introdus-o profesorul Yan, tehnologia noastră este foarte de nișă. Se numește un nou tip de baterie de stocare a energiei din metal lichid. Lucrul nostru este definit mai precis ca metal lichid. Această baterie este diferită de bateria cu litiu-ion, bateria de flux și bateria cu ioni de sodiu utilizate în telefonul dvs. mobil. Este o baterie de înaltă temperatură. Vă mulțumim foarte mult pentru oportunitatea de a prezenta progresul grupului nostru de cercetare în acest domeniu.
Contextul și semnificația au fost introduse chiar acum de toți profesorii. Ideea principală este că actualul vârf de carbon și obiectivele de neutralitate a emisiilor de carbon ne impun să ne transformăm structura energetică. De la structura energetică actuală dominată de energie fosilă până la structura viitoare dominată de energie nouă. Această transformare este mai solicitantă pentru sistemul de rețea electrică, deoarece rețeaua noastră de energie actuală se bazează pe energie termică, inclusiv hidroenergetică și energie nucleară. Aceste trei surse de energie sunt foarte stabile și pot fi controlate pentru a genera energie electrică. În ceea ce privește consumul de energie, legile privind consumul de energie în fabricile și gospodăriile noastre sunt tratabile. Acum putem îndeplini pe deplin echilibrul dinamic dintre partea de generare a energiei și partea de consum de energie prin rețeaua de stat și rețeaua sudică de energie, transmisie și distribuție pe scară largă și capabilități de dispecerizare pe scară largă. Dar, în viitor, trebuie să ne transformăm structura energetică. Energia eoliană și energia fotovoltaică trebuie adăugate la partea de generare a energiei. Toată lumea știe că această energie este foarte volatilă și aleatorie. Deci, după adăugarea acesteia la partea de generare a energiei, această parte va fluctua, de asemenea, foarte mult, iar odată cu schimbările tot mai mari în partea utilizatorului din partea consumului de energie din microrețea, cum ar fi vehiculele electrice și energie nouă, aleatorietatea și necontrolabilitatea părții utilizator vor deveni tot mai greu. În acest caz, tehnologia de stocare a energiei la scară largă este foarte importantă pentru noi.
După cum puteți vedea, în „Planul cincinal al 14-lea” noul plan de implementare a dezvoltării stocării de energie, Comisia Națională de Dezvoltare și Reformă și Biroul Energetic au declarat, de asemenea, în mod clar că speră să construiască un nou sistem inovator pentru noua stocare a energiei și să sporească dezvoltarea a tehnologiilor diversificate. În acest context, tehnologia noastră de nișă de stocare a energiei are puțin spațiu pentru a supraviețui.
Dacă vrem să facem baterii de stocare a energiei, trebuie să facem niște sisteme mai inovatoare și să renunțăm la unele dintre ideile de design anterioare. Trebuie să găsim noi sisteme de materiale cu electrozi și să proiectăm niște structuri noi de baterii înainte de a putea veni cu câteva tehnologii noi de acumulare a energiei.
Fostul meu mentor la MIT, profesorul Sadoway, lucra în metalurgie și era fascinat de celulele de electroliză din aluminiu. Metalul de pe coroana lui Napoleon a fost realizat din aluminiu, la fel ca metalul de pe vârful Monumentului Washington. Aluminiul era foarte scump la acea vreme, dar după ce a fost produs prin electroliză, aluminiul a devenit foarte ieftin și a intrat în mii de gospodării, așa că a fost fascinat de tehnologia electrolizei aluminiului.
Procesul de electroliză este procesul invers al bateriilor pe care le folosim acum. Procesul nostru de electroliză transformă în principal energia electrică în energie chimică, în timp ce bateriile transformă energia chimică în energie electrică. Principiul electrolizei este utilizat atunci când bateriile sunt încărcate. Celula de electroliză din aluminiu este foarte mare, lungă de sute de metri și consumă multă energie electrică. Este un sistem de 500,000 amperi, 4 volți și consumă multă energie electrică în fiecare zi. La acel moment, una dintre ideile noastre cele mai de bază a fost să inversăm procesul de electroliză și să transformăm lucrurile consumatoare de energie electrică în lucruri de stocare a energiei electrice, transformându-le într-o baterie uriașă pentru a stoca energie. Cum se face? Ne-am gândit la procesul de rafinare prin electroliză a aluminiului, procesul de rafinare electrochimică de la aluminiu brut la aluminiu rafinat, folosind o structură lichidă cu trei straturi, partea de jos este aluminiu brut, iar electrolitul din mijloc este un sistem de sare topită, similar cu sarea de masă pe care o vedem în viața de zi cu zi. Acest lucru se va topi la temperatură ridicată și va deveni un lichid asemănător cu apa, care poate conduce ionii, astfel încât electrolitul este sare topită, iar partea superioară poate obține material de aluminiu rafinat. De ce pot fi generate trei straturi de materiale lichide? Deoarece densitățile acestor trei materiale sunt diferite, ele sunt împărțite în mod natural în trei straturi: superior, mijlociu și inferior. Mai mult, procesul de electroliză funcționează la temperatură ridicată și poate trece curenți mari.
Cu aceste gânduri, ne-am întrebat dacă am putea folosi principiul rafinării electrolitice a aluminiului pentru a proiecta o baterie lichidă cu trei straturi, o baterie cu metal lichid. Cele trei materiale ale bateriei metalice lichide, electrodul pozitiv, materialul electrodului negativ și materialul electrolit, au densități diferite, astfel încât pot fi împărțite în mod natural în trei straturi: superior, mijlociu și inferior. Cel mai ușor metal este în partea de sus, care este electrodul negativ al bateriei, iar metalul cu cea mai mare densitate este în partea de jos, care este electrodul pozitiv al bateriei. În mijloc se află sistemul de sare topită. Când bateria este descărcată, electrodul negativ va deveni ioni, va difuza la suprafața electrodului pozitiv prin sarea topită a electrolitului și va forma un aliaj; încărcarea este procesul invers. În timpul procesului de încărcare și descărcare, este doar modificarea volumului materialului lichid al electrodului și nu există nicio problemă cu structura materialului solid sau colapsul structurii materialului. Deci, în teorie, ciclul său de viață poate fi foarte lung. Metalele lichide folosesc metale relativ ieftine cu rezerve relativ abundente, deci costul este relativ mic. În același timp, electrolitul din mijloc este format din sare topită anorganică, care nu necesită diafragmă și are un cost relativ scăzut. În plus, are o conductivitate ionică foarte mare la temperaturi ridicate. Mai mult decât atât, structura lichidă cu trei straturi este foarte simplă atunci când bateria este mai mare, astfel încât este foarte ușor să faci celule unice cu sute de amperi oră. Laboratorul nostru poate produce celule de baterie cu o capacitate de peste 200 amperi ore. Singura problemă este că este un sistem cu temperatură ridicată, deci trebuie încălzit atunci când este pornit pentru prima dată. Cu toate acestea, după ce stivuim bateriile și facem o treabă mai bună de izolare, o cantitate mare de căldură va fi generată în timpul procesului de încărcare și descărcare, ceea ce poate realiza un echilibru dinamic cu pierderea de căldură, suficient pentru a menține bateria din metal lichid care funcționează la o temperatură atât de ridicată, astfel încât să poată fi transformată într-un sistem de autoîncălzire.
După cum puteți vedea din imaginea de aici, pentru a face pe toată lumea să înțeleagă mai clar conceptul de baterie cu metal lichid, am construit o baterie lichidă la temperatura camerei Demo în laborator. Desigur, nu poate fi folosit în practică deoarece electrodul său pozitiv folosește mercur metal toxic. Am construit această baterie astfel încât toată lumea să poată vedea mai clar structura lichidă cu trei straturi. Această baterie are o tensiune și poate fi încărcată și descărcată cu ușurință, dar performanța nu este mai bună decât cea a bateriei noastre reale de funcționare la temperatură înaltă. Este doar pentru a permite tuturor să înțeleagă conceptul de lichid cu trei straturi.
și creșterea dendritelor în timpul ciclului bateriei. Deoarece este lichid, nu există stres în timpul procesului de încărcare și descărcare, deci nu va exista pulverizare fără stres. În același timp, interfața dintre metalul lichid și electrolitul lichid este o interfață lichid-lichid cu un contact foarte bun, rezolvând astfel problema interfeței de contact dintre electrodul solid și electrolit.
Bateriile metalice lichide au și unele avantaje. Deoarece structura lichidă cu trei straturi este stratificată automat pe baza diferitelor densități ale materialelor, întreaga structură a bateriei este foarte simplă și foarte ușor de mărit. Laboratorul nostru poate produce baterii cu o capacitate de 200 amperi oră, 300 amperi oră sau chiar 500 sau 600 amperi oră. Al doilea este că electrozii lichizi nu au unele modificări în structura electrodului solid care cauzează scăderea capacității bateriei. În comparație cu bateriile noastre cu stare solidă, după cicluri lungi, structura materialului electrodului se prăbușește și provoacă scăderea capacității. Această problemă nu există în sistemul nostru, așa că bateria noastră are o durată de viață relativ lungă. În plus, sarea topită cu electrolit din mijloc are o tehnologie de stocare a căldurii în tehnologia de stocare a energiei. Sarea topită în sine este folosită ca material de stocare a căldurii. După generarea căldurii, dacă bateria este scurtcircuitată și generează căldură, aceasta va fi absorbită de sarea topită și nu va exista risc de incendiu și explozie. În același timp, nu este necesară nicio diafragmă, deci costul este relativ scăzut.
„Planul cincinal al 14-lea pentru dezvoltarea noilor stocări de energie” propune, de asemenea, utilizarea bateriilor cu metal lichid ca o nouă tehnologie și o direcție care trebuie abordată în viitor și speră că acestea vor fi aplicate în domeniul stocării de energie în viitor. .
Următoarea este o introducere a progresului grupului nostru de cercetare în sistemele de materiale ale bateriilor, inclusiv cu celule unice și sisteme de stocare a energiei. Acestea sunt câteva dintre rezultatele cercetărilor noastre privind proiectarea sistemelor de materiale de baterii din metal lichid.
După cum știm cu toții, cel mai elementar mod de a alege materialele este să te întorci la tabelul periodic. Deoarece bateria noastră trebuie să aibă o anumită tensiune, electrodul negativ ar trebui să fie dintr-un metal mai ușor. Căutăm metale alcaline și metale alcalino-pământoase în tabelul periodic, care sunt relativ ușoare și au o anumită activitate. Electrodul pozitiv trebuie să fie făcut din ceva cu o densitate mai mare și un punct de topire mai scăzut, astfel încât gama noastră se află în elementele metalice cu proprietăți nemetalice mai puternice, care este pasul dintre elementele metalice și elementele nemetalice.
În general, proiectarea sistemelor de materiale cu electrozi trece de la simplu la complex, așa că inițial am construit un sistem relativ simplu. Elementul metalic folosit pentru electrodul negativ este litiu, care are un punct de topire de aproximativ 180 de grade Celsius. Electrodul pozitiv este bismut, care are un punct de topire de peste 270 de grade. Sarea topită din mijloc este pe bază de litiu, care are un punct de topire de aproximativ 400 de grade Celsius. Prin urmare, dacă bateria noastră funcționează la 500 de grade Celsius, se întâmplă să fie o structură lichidă cu trei straturi.
Am descoperit un mecanism interesant în acest sistem de baterii din metal lichid litiu/bismut. Am crezut inițial că electrodul a rămas întotdeauna în stare lichidă în timpul procesului de încărcare și descărcare, dar de fapt electrodul pozitiv nu este așa. Electrodul negativ rămâne întotdeauna în stare lichidă, dar în timpul procesului de descărcare pe partea electrodului pozitiv, niște compuși intermetalici în fază solidă vor fi generați în mijlocul procesului de descărcare. Dar această fază solidă există doar în timpul procesului de descărcare și va reveni la faza lichidă la încărcare. Cu alte cuvinte, electrodul pozitiv este de fapt vindecabil. O fază solidă va fi generată în timpul descărcării, dar faza solidă dispare în timpul încărcării și va reveni la o structură lichidă cu trei straturi în timpul încărcării.
Cum arată bateria noastră reală? Este imaginea din colțul din dreapta jos (vezi PPT). Este diferit de bateriile pe care le vedeți acum. Este mai mare și mai greu și folosește o carcasă din oțel inoxidabil. În acest sistem, am verificat stabilitatea bateriilor la diferite capacități. Cea mai mică baterie este foarte mică, cu un diametru de 1,3 cm în extrema dreaptă, și o capacitate de aproximativ câteva sute de mAh. Cel mai mare are un diametru de aproximativ 15 cm, iar noi am atins o capacitate de 143 amperi ore. L-am rulat timp de 300 de cicluri fără a observa nicio scădere a capacității.
Desi acest sistem functioneaza bine, rezistenta interna este relativ mare, iar interfata dintre electrod si electrolit este putin dezechilibrata. Am descoperit ulterior că, deoarece carcasa bateriei este din oțel inoxidabil, metalul lichid Bi nu udă complet oțelul inoxidabil, deci rezistența internă este relativ mare. Pentru a îmbunătăți umecbilitatea, am adăugat o cantitate foarte mică de element Se la Bi. După adăugarea elementului Se, electrodul pozitiv și oțelul inoxidabil sunt complet umezite, ceea ce reduce rezistența internă a bateriei. Așa că am făcut o baterie cu o capacitate de 20 amperi ore, am rulat-o timp de 1.200 de cicluri, iar rata de reținere a capacității a ajuns la 98,4%.
Apoi am constatat că tensiunea bateriei Li|Bi a fost relativ scăzută, așa că ne-am gândit dacă am putea adăuga un element de aliaj Sb la electrodul pozitiv. Tensiunea lui Sb este mai mare decât Bi, dar și punctul de topire este mai mare, ajungând la mai mult de 600 de grade, așa că am aliat Bi și Sb, astfel încât punctul de topire să poată fi scăzut și tensiunea să fie mai mare. După adăugarea Sb, putem vedea că platforma de tensiune de descărcare este îmbunătățită. În acest fel, am făcut o baterie cu o capacitate de 5 amperi-oră și am rulat-o timp de mai mult de 160 de cicluri fără nicio scădere a capacității.
Dar problema cu acest electrod pozitiv BiSb este că performanța sa ridicată nu este bună. Vrem să știm dacă îi putem îmbunătăți performanța la rata mare. Să ne uităm la elementul Te din tabelul periodic. Te este relativ scump, așa că îl folosim și ca element aditiv. După adăugarea unui pic, tensiunea de descărcare a lui Te este foarte diferită de cea a lui Bi și Sb. Așa că mai întâi l-am lăsat pe Te să formeze câteva faze solide la suprafață. În timpul descărcării, din cauza stresului generat în timpul formării aliajului multicomponent cu electrod pozitiv, multe fisuri pot fi presate în stratul în fază solidă de Te, astfel încât am mărit invizibil canalele pentru mulți ioni de litiu. După ce am adăugat puțin Te , am constatat că și performanța ratei bateriei a fost îmbunătățită. Când am trecut de la 100 mAh pe centimetru pătrat la 1000 mAh pe centimetru pătrat, pierderea reversibilă a capacității a fost foarte mică.
Am descoperit că adăugarea de elemente din aliaj la electrodul pozitiv poate îmbunătăți performanța bateriei într-o măsură limitată, dar dacă ne bazăm doar pe experiența noastră sau pe încercări și erori experimentale, costurile de timp și bani sunt relativ mari, așa că ne-am întrebat dacă am putea folosi AI. tehnologie. Așa că am folosit câteva metode de învățare automată și am construit o bază de date. Prin învățarea automată, am reușit să proiectăm electrozi pozitivi din aliaj cu mai multe elemente. Am proiectat un electrod pozitiv din aliaj cuaternar prin învățare automată și am obținut îmbunătățiri ale performanței. În același timp, sistemul nostru de electrozi anterior a folosit litiu ca electrod negativ, dar litiul este relativ scump, așa că am proiectat un electrod negativ din aliaj pe bază de calciu, care a funcționat stabil timp de 500 de cicluri fără nicio pierdere de capacitate. Am descoperit că folosirea învățării automate ne poate ajuta într-adevăr să proiectăm sisteme de materiale cu electrozi, economisind mult timp și costuri.
Pe lângă cercetările privind sistemul material al electrozilor bateriilor cu metal lichid, am proiectat și optimizat și monomerii bateriilor cu metal lichid. Am făcut mai întâi niște baterii mici, pentru că o făceam în laborator și a fost imposibil de testat câțiva ani. Așa că am făcut o baterie de metal lichid de 5 amperi-oră, care a fost testată la un curent de descărcare de 15 amperi. Curenții de încărcare și de descărcare au fost ambii de 15 amperi, încărcare și descărcare profundă 100% și o rată de 3C. Această baterie a funcționat pentru mai mult de 4.100 de cicluri, iar capacitatea descărcată a fost de aproximativ 4,92 amperi-oră, rata de utilizare a materialului a ajuns la 98,4%, iar eficiența coulombică a fost de 99,52%.
De asemenea, am realizat o baterie de capacitate mai mare, de 200 amperi-oră. Datorită limitării echipamentului de încărcare și descărcare a curentului de laborator, putem încărca și descărca doar la un curent de 50 de amperi, 0,25 C și, de asemenea, încărcăm și descarcăm 100% profund. Capacitatea de descărcare poate ajunge la 199,4 amperi oră, iar rata de utilizare a materialului poate ajunge la 96,79%. Funcționează stabil timp de peste 700 de cicluri, timp de nouă luni, și nu a fost găsită nicio scădere evidentă a capacității, ceea ce demonstrează cu adevărat că bateria noastră cu metal lichid are o stabilitate bună a ciclului.
Un alt punct de care oamenii sunt mai preocupați de bateriile cu metal lichid este ceea ce se întâmplă dacă cele trei straturi de lichid sunt amestecate împreună sau bateria este răsturnată, așa că am luat o baterie de 200 de amperi-oră pentru testare și am pus-o pe o masă de încălzire rotativă. Deoarece bateria noastră funcționează la temperaturi ridicate, dacă vrem să o testăm, trebuie să o păstrăm într-un sistem de temperatură ridicată care se poate roti. Când o înclinăm la 31,9 grade, structura lichidă cu trei straturi a bateriei este încă menținută, astfel încât bateria se poate încărca și descărca în mod normal, dar dacă este complet răsturnată și întoarsă la 90 de grade, polii pozitiv și negativ va fi scurtcircuitat și amestecat împreună, iar căldura va fi generată în acest moment. De asemenea, am măsurat curbele violet și galben din colțul din dreapta jos. Aceste două termocupluri sunt atașate de peretele bateriei și putem măsura creșterea temperaturii bateriei după o secțiune a circuitului, de la 550 de grade Celsius la 590 de grade Celsius, adică aproximativ 45 de grade Celsius. Adică, o cantitate mare de căldură generată este absorbită de sistemul de sare topită, deci nu există posibilitatea intrinsecă de gazeificare și explozie.
În același timp, dacă bateriile noastre sunt folosite în situații reale de stocare a energiei în viitor, acestea se pot confrunta cu unele situații extreme, cum ar fi cutremure. Așa că am făcut și câteva teste de siguranță la o frecvență de cutremur de 20 Hz, inclusiv unele vibrații verticale și vibrații orizontale. În acest caz, bavurile de pe curba bateriei sunt cauzate de vibrația poziției cablajului, dar bateria poate funcționa normal în timpul vibrațiilor verticale. A existat un scurtcircuit în timpul vibrației orizontale, dar când vibrația bateriei s-a oprit, bateria a încetat să funcționeze și a rămas nemișcată pentru o perioadă de timp, iar apoi bateria a putut fi încărcată și descărcată din nou normal. Acest lucru demonstrează că la acest nivel, frecvența cutremurului de 20Hz10Hz nu are un impact prea mare asupra bateriei.
În timpul celui de-al 13-lea plan cincinal, am întreprins proiecte cheie de cercetare și dezvoltare și am realizat un pachet de baterii. În acest proces, am depășit mai întâi problemele cheie ale sistemului, cum ar fi consistența bateriei. Am optimizat structura bateriei, ingredientele, procesul de asamblare, parametrii structurali etc. și am îmbunătățit consistența bateriei. Diferența de capacitate a bateriei de mai mult de 200 amperi-oră este mai mică de 2 amperi-oră , iar diferența de rezistență internă este mai mică de 2 miliohmi. Consistența bateriei este relativ mare. Celula unică de 0,2C poate atinge o eficiență energetică medie de peste 86%.
Deoarece tensiunea bateriei noastre cu metal lichid este relativ scăzută, spre deosebire de bateriile actuale cu litiu și sodiu, trebuie să ne proiectăm și propriul BMS. Prin urmare, pe baza caracteristicilor curentului mare și tensiunii joase, am proiectat un sistem de echilibrare cu două straturi. După echilibrare, consistența bateriei noastre este foarte mare, cu o diferență de tensiune de 40,6 mV și un curent de echilibrare de 1,4 amperi.
Pe această bază, trebuie să cuplam și modulul de încălzire. Deoarece suntem o baterie cu temperaturi ridicate, folosim principiul convecției aerului cald în sistem pentru a proiecta încălzirea și luăm, de asemenea, măsuri de precauție împotriva evaporării temperaturii. În figura din colțul din dreapta jos, putem vedea că după ce aproximativ o duzină de baterii sunt conectate în serie, acestea funcționează la o rată de 0.5C. Curba albastră este curentul puterii externe. Se poate observa că atunci când rulează la 0.5C, căldura generată de această baterie este suficientă pentru ca bateria să funcționeze singură. Este de 500 de grade Celsius de la sine, deci nu este nevoie de încălzire externă, iar autoîncălzirea poate fi realizată. Desigur, această baterie încă are nevoie de noi să-i dăm puțină căldură atunci când funcționează pentru prima dată, dar nu este necesar în timpul funcționării normale.
Pe această bază, am cooperat cu profesorul Jiang Kai de la Universitatea de Știință și Tehnologie Huazhong pentru a construi un model tridimensional de cuplare cu transfer de căldură al bateriilor cu metal lichid, am propus o strategie de reglementare a caracteristicilor serviciului de cuplare electrică-termică, am realizat o baterie eficientă pe mai multe niveluri. sistem de management și a construit primul sistem de baterii din metal lichid pe bază de litiu de 5KW și 30KWH din țară, care a trecut, de asemenea, testele terțelor părți.
Pe această bază, am acumulat tehnologie de-a lungul anilor. În iunie 2023, Henghui Keyuan (Xi'an) New Energy Technology Co., Ltd. a fost înființată în Xi'an, dedicată promovării industrializării tehnologiei bateriilor cu metal lichid. Runda îngerului a primit zeci de milioane de finanțare de la Jiangyuan Investment. Experții și profesorii sunt bineveniți să vină la Xi'an pentru a ne ghida munca.