Od 24. do 26. avgusta so v Shenzhenu pod vodstvom Komisije za razvoj in reforme Shenzhen, Co -organizirata Kitajsko združenje kemijske in fizične industrije energije in Inštitut za raziskovanje ogljično nevtralne energije Južne univerze za znanost in tehnologijo, podpira pa ga več kot 100 institucij. Tema konference je "Razvoj nove produktivnosti in spodbujanje visokokakovostnega razvoja industrije shranjevanja energije."
Organizatorji konference so povabili 6 akademikov in 100 strokovnjakov iz industrije, da izvedejo poglobljene razprave in izmenjave na 12 posebnih sejah, vključno z novimi integracijskimi rešitvami za shranjevanje energije, tehnologijo in aplikacijami za dolgoročno shranjevanje energije, virtualnimi elektrarnami, industrijsko in komercialno energijo shranjevanje, nove baterije za shranjevanje energije, novi trgi za shranjevanje energije in električne energije, pametna mikroomrežja, promocija standardov za shranjevanje energije in nova tehnologija za shranjevanje energije forum mladih znanstvenikov.
25. avgusta zjutraj je bil profesor Ning Xiaohui s Fakultete za znanost o materialih in inženiring Univerze Xi'an Jiaotong povabljen, da ima osrednji govor na "Posebni seji nove baterije za shranjevanje energije". Naslov poročila je bil "Napredek v novi tehnologiji tekočih kovinskih baterij za shranjevanje energije".
Dobro jutro vsem! Sem Ning Xiaohui z univerze Xi'an Jiaotong. V primerjavi z natrijevo-ionsko baterijo, o kateri je pravkar govoril profesor Cao, in pretočno baterijo, ki jo je predstavil profesor Yan, je naša tehnologija zelo nišna. Imenuje se nova vrsta tekoče kovinske baterije za shranjevanje energije. Naša stvar je bolj natančno opredeljena kot tekoča kovina. Ta baterija se razlikuje od litij-ionske baterije, pretočne baterije in natrijeve ionske baterije, ki se uporabljajo v vašem mobilnem telefonu. To je visokotemperaturna baterija. Najlepša hvala za priložnost, da predstavim napredek naše raziskovalne skupine na tem področju.
Ozadje in pomen so pravkar predstavili vsi učitelji. Bistvo je, da trenutni vrh ogljika in cilji glede ogljične nevtralnosti od nas zahtevajo preoblikovanje naše energetske strukture. Od sedanje energetske strukture, v kateri prevladuje fosilna energija, do prihodnje strukture, v kateri prevladuje nova energija. Ta transformacija je zahtevnejša za sistem elektroenergetskega omrežja, saj naše trenutno elektroenergetsko omrežje temelji na toplotni energiji, vključno s hidroenergijo in jedrsko energijo. Ti trije viri energije so zelo stabilni in jih je mogoče nadzorovati za proizvodnjo električne energije. Na strani porabe energije so zakoni porabe energije v naših tovarnah in gospodinjstvih sprejemljivi. Zdaj lahko v celoti dosežemo dinamično ravnovesje med stranjo proizvodnje in porabe energije prek državnega omrežja in južnega električnega omrežja, obsežnega prenosa in distribucije ter obsežnih dispečerskih zmogljivosti. Toda v prihodnosti moramo preoblikovati svojo energetsko strukturo. Energijo vetra in fotovoltaike je treba dodati na stran proizvodnje električne energije. Vsi vedo, da je ta energija zelo spremenljiva in naključna. Torej, ko jo dodamo na stran proizvodnje električne energije, bo tudi ta močno nihala in z naraščajočimi spremembami na uporabniški strani strani porabe energije mikroomrežja, kot so električna vozila in nova energija, bo naključnost in neobvladljivost uporabniške strani postala vedno težje. V tem primeru je za nas zelo pomembna obsežna tehnologija shranjevanja energije.
Kot lahko vidite, sta v »14. petletnem načrtu« načrtu za razvoj novega shranjevanja energije naša nacionalna komisija za razvoj in reforme ter Urad za energijo tudi jasno navedla, da upajo, da bodo zgradili nov inovativen sistem za novo shranjevanje energije in povečali razvoj raznolikih tehnologij. V tem kontekstu ima naša nišna tehnologija za shranjevanje energije malo prostora za preživetje.
Če želimo izdelovati baterije za shranjevanje energije, moramo narediti nekaj bolj inovativnih sistemov in opustiti nekatere dosedanje oblikovalske zamisli. Najti moramo nekaj novih sistemov elektrodnih materialov in oblikovati nekaj novih struktur baterij, preden lahko pripravimo nove tehnologije baterij za shranjevanje energije.
Moj nekdanji mentor na MIT, profesor Sadoway, je nekoč delal v metalurgiji in so ga navdušile celice za elektrolizo aluminija. Kovina na Napoleonovi kroni je bila izdelana iz aluminija, kot je bila kovina na konici Washingtonovega spomenika. Aluminij je bil takrat zelo drag, a po proizvodnji z elektrolizo je aluminij postal zelo poceni in je vstopil v tisoče gospodinjstev, zato ga je navdušila tehnologija elektrolize aluminija.
Postopek elektrolize je obraten proces baterij, ki jih uporabljamo zdaj. Naš postopek elektrolize večinoma pretvarja električno energijo v kemično energijo, medtem ko baterije pretvarjajo kemično energijo v električno. Pri polnjenju baterij se uporablja princip elektrolize. Celica za elektrolizo aluminija je zelo velika, dolga več sto metrov in porabi veliko električne energije. To je 4-voltni sistem s 500,000 amperi in vsak dan porabi veliko električne energije. Takrat je bila ena naših najosnovnejših idej obrniti proces elektrolize in stvari, ki porabljajo elektriko, spremeniti v stvari za shranjevanje električne energije, ki jih spremenimo v ogromno baterijo za shranjevanje energije. Kako to narediti? Pomislili smo na postopek rafiniranja z elektrolizo aluminija, postopek elektrokemične rafinacije iz surovega aluminija v rafinirani aluminij, z uporabo troslojne tekoče strukture, dno je surovi aluminij, elektrolit na sredini pa sistem staljene soli, podoben kuhinjska sol, ki jo srečamo v vsakdanjem življenju. Ta stvar se bo stopila pri visoki temperaturi in postala tekočina, podobna vodi, ki lahko prevaja ione, zato je elektrolit staljena sol, na vrhu pa lahko dobimo rafiniran aluminijev material. Zakaj lahko nastanejo tri plasti tekočih materialov? Ker so gostote teh treh materialov različne, jih naravno delimo na tri plasti: zgornjo, srednjo in spodnjo. Poleg tega postopek elektrolize poteka pri visoki temperaturi in lahko prepušča velike tokove.
S temi mislimi smo se spraševali, ali bi lahko uporabili princip elektrolitskega rafiniranja aluminija za oblikovanje troslojne tekoče baterije, tekoče kovinske baterije. Trije materiali tekoče kovinske baterije, pozitivna elektroda, negativna elektroda in elektrolit, imajo različne gostote, zato jih je mogoče naravno razdeliti na tri plasti: zgornjo, srednjo in spodnjo. Najlažja kovina je na vrhu, ki je negativna elektroda baterije, kovina z največjo gostoto pa na dnu, ki je pozitivna elektroda baterije. Na sredini je sistem staljene soli. Ko je baterija izpraznjena, bo negativna elektroda postala ioni, difundirali na površino pozitivne elektrode skozi staljeno sol elektrolita in tvorili zlitino; polnjenje je obraten postopek. Med postopkom polnjenja in praznjenja je le sprememba prostornine materiala tekoče elektrode in ni problema strukture trdnega materiala ali propada strukture materiala. Torej je teoretično lahko njegova življenjska doba zelo dolga. Tekoče kovine uporabljajo razmeroma poceni kovine z razmeroma velikimi rezervami, zato so stroški razmeroma nizki. Hkrati je elektrolit v sredini izdelan iz anorganske staljene soli, ki ne potrebuje diafragme in ima relativno nizko ceno. Poleg tega ima zelo visoko ionsko prevodnost pri visokih temperaturah. Poleg tega je struktura troslojne tekočine zelo enostavna, ko je baterija večja, zato je zelo enostavno izdelati posamezne celice s stotinami amper ur. Naš laboratorij lahko izdela baterijske celice s kapaciteto več kot 200 amper ur. Edina težava je, da gre za visokotemperaturni sistem, zato ga je treba ob prvem zagonu ogreti. Ko pa zložimo baterije in naredimo boljšo izolacijo, bo med postopkom polnjenja in praznjenja ustvarjena velika količina toplote, ki lahko doseže dinamično ravnovesje z izgubo toplote, dovolj za vzdrževanje tekoče kovinske baterije pri tako visoko temperaturo, zato ga je mogoče narediti v samogrelni sistem.
Kot lahko vidite na sliki tukaj, smo v laboratoriju izdelali tekočo baterijo Demo pri sobni temperaturi, da bi vsi bolje razumeli koncept tekoče kovinske baterije. Seveda ga v praksi ni mogoče uporabiti, ker njegova pozitivna elektroda uporablja strupeno kovino živo srebro. To baterijo smo izdelali tako, da lahko vsi jasneje vidijo troslojno strukturo tekočine. Ta baterija ima napetost in jo je mogoče enostavno polniti in prazniti, vendar zmogljivost ni boljša od naše dejanske visokotemperaturne baterije. Samo zato, da bi vsi razumeli koncept troslojne tekočine.
in rast dendritov med ciklom baterije. Ker je tekoč, med postopkom polnjenja in praznjenja ni stresa, zato ne bo prašenja brez stresa. Hkrati je vmesnik med tekočo kovino in tekočim elektrolitom vmesnik tekočina-tekočina z zelo dobrim stikom, s čimer je rešen problem kontaktnega vmesnika med trdno elektrodo in elektrolitom.
Akumulatorji iz tekočih kovin imajo tudi nekaj prednosti. Ker se troslojna tekoča struktura samodejno razporedi po plasteh glede na različne gostote materiala, je celotna struktura baterije zelo preprosta in jo je zelo enostavno povečati. V našem laboratoriju lahko izdelamo baterije s kapaciteto 200 amper ur, 300 amper ur ali celo 500 ali 600 amper ur. Drugi je, da tekoče elektrode nimajo nekaterih sprememb v strukturi trdne elektrode, ki bi povzročile upad kapacitete baterije. V primerjavi z našimi polprevodniškimi baterijami se po dolgih ciklih struktura elektrodnega materiala zruši in povzroči upad zmogljivosti. V našem sistemu te težave ni, zato ima naša baterija relativno dolgo življenjsko dobo. Poleg tega ima elektrolitska staljena sol v sredini tehnologijo shranjevanja toplote v tehnologiji shranjevanja energije. Sama staljena sol se uporablja kot material za shranjevanje toplote. Če je baterija po ustvarjanju toplote v kratkem stiku in ustvarja toploto, jo bo absorbirala staljena sol in ne bo nevarnosti požara in eksplozije. Hkrati ni potrebna diafragma, zato je cena relativno nizka.
"14. petletni načrt za razvoj novega shranjevanja energije" prav tako predlaga uporabo tekočih kovinskih baterij kot novo tehnologijo in smer, ki se ji je treba spopasti v prihodnosti, in upa, da se bodo v prihodnosti uporabljale na področju shranjevanja energije .
Sledi uvod v napredek naše raziskovalne skupine na področju sistemov baterijskih materialov, vključno z enojnimi celicami in sistemi za shranjevanje energije. To je nekaj rezultatov naše raziskave o načrtovanju materialnih sistemov baterij iz tekočih kovin.
Kot vsi vemo, je najosnovnejši način izbire materialov vrnitev k periodnemu sistemu. Ker mora imeti naša baterija določeno napetost, naj bo negativna elektroda izdelana iz lažje kovine. V periodnem sistemu iščemo alkalijske kovine in zemeljskoalkalijske kovine, ki so relativno lahke in imajo določeno aktivnost. Pozitivna elektroda mora biti izdelana iz nečesa z večjo gostoto in nižjim tališčem, zato je naša ponudba kovinskih elementov z močnejšimi nekovinskimi lastnostmi, kar je korak med kovinskimi elementi in nekovinskimi elementi.
Na splošno gre zasnova sistemov elektrodnega materiala od enostavnega k zapletenemu, zato smo sprva zgradili razmeroma preprost sistem. Kovinski element, ki se uporablja za negativno elektrodo, je litij, ki ima tališče okoli 180 stopinj Celzija. Pozitivna elektroda je bizmut, ki ima tališče več kot 270 stopinj. Staljena sol v sredini je na osnovi litija, ki ima tališče približno 400 stopinj Celzija. Torej, če naša baterija deluje pri 500 stopinjah Celzija, se zgodi, da gre za troslojno tekočo strukturo.
Odkrili smo zanimiv mehanizem v tem sistemu tekoče kovine iz litija/bizmuta. Sprva smo mislili, da elektroda med postopkom polnjenja in praznjenja vedno ostaja v tekočem stanju, vendar pozitivna elektroda v resnici ni takšna. Negativna elektroda vedno ostane v tekočem stanju, toda med procesom praznjenja na strani pozitivne elektrode bo sredi procesa praznjenja nastalo nekaj intermetalnih spojin v trdni fazi. Toda ta trdna faza obstaja le med postopkom praznjenja in se bo med polnjenjem vrnila v tekočo fazo. Z drugimi besedami, pozitivna elektroda je dejansko ozdravljiva. Med praznjenjem bo nastala trdna faza, ki pa med polnjenjem izgine in se med polnjenjem vrne v troslojno tekočo strukturo.
Kako izgleda naša dejanska baterija? To je slika v spodnjem desnem kotu (glej PPT). Drugačen je od baterij, ki jih vidite zdaj. Je večji in težji ter uporablja lupino iz nerjavečega jekla. V tem sistemu smo preverjali stabilnost baterij pri različnih kapacitetah. Najmanjša baterija je zelo majhna, s premerom 1,3 cm na skrajni desni strani in kapaciteto približno nekaj sto mAh. Največji ima premer približno 15 cm, dosegli pa smo kapaciteto 143 amper ur. Poganjali smo ga 300 ciklov, ne da bi opazili upad zmogljivosti.
Čeprav ta sistem deluje dobro, je notranji upor razmeroma velik, vmesnik med elektrodo in elektrolitom pa nekoliko neuravnotežen. Kasneje smo ugotovili, da ker je ohišje baterije izdelano iz nerjavečega jekla, tekoča kovina Bi ne zmoči popolnoma nerjavečega jekla, zato je notranji upor razmeroma velik. Za izboljšanje omočljivosti smo Bi dodali zelo majhno količino elementa Se. Po dodajanju elementa Se se pozitivna elektroda in nerjaveče jeklo popolnoma namočita, kar zmanjša notranji upor baterije. Tako smo izdelali baterijo s kapaciteto 20 amper ur, jo izvajali 1200 ciklov in stopnja ohranjanja zmogljivosti je dosegla 98,4 %.
Nato smo ugotovili, da je napetost baterije Li|Bi relativno nizka, zato smo razmišljali, ali bi lahko pozitivni elektrodi dodali nekaj legiranega elementa Sb. Napetost Sb je višja od Bi, vendar je tudi tališče višje in dosega več kot 600 stopinj, zato smo zlili Bi in Sb, tako da se lahko tališče zniža in napetost je lahko višja. Po dodajanju Sb lahko vidimo, da je platforma razelektritvene napetosti izboljšana. Na ta način smo izdelali baterijo s kapaciteto 5 amper ur in jo vzdrževali več kot 160 ciklov brez upada zmogljivosti.
Toda težava s to pozitivno elektrodo BiSb je v tem, da njena zmogljivost visoke hitrosti ni dobra. Zanima nas, ali lahko izboljšamo njegovo visoko hitrostno delovanje. Poglejmo element Te v periodnem sistemu. Te je relativno drag, zato ga uporabljamo tudi kot dodatek. Po dodajanju malenkosti se napetost praznjenja Te zelo razlikuje od napetosti Bi in Sb. Zato najprej pustimo, da Te tvori nekaj trdnih faz na površini. Med razelektritvijo se lahko zaradi napetosti, ki nastane med tvorbo večkomponentne zlitine pozitivne elektrode, v plasti trdne faze Te iztisne veliko razpok, tako da smo nevidno povečali kanale za številne litijeve ione. Ko smo dodali malo Te, smo ugotovili, da se je izboljšala tudi zmogljivost baterije. Ko smo prešli s 100 mAh na kvadratni centimeter na 1000 mAh na kvadratni centimeter, je bila reverzibilna izguba zmogljivosti zelo majhna.
Ugotovili smo, da lahko dodajanje elementov iz zlitine pozitivni elektrodi v omejenem obsegu izboljša delovanje baterije, a če se zanašamo le na svoje izkušnje ali eksperimentalne poskuse in napake, so stroški časa in denarja relativno visoki, zato smo se spraševali, ali bi lahko uporabili AI tehnologija. Zato smo uporabili nekaj metod strojnega učenja in zgradili zbirko podatkov. S strojnim učenjem smo lahko oblikovali pozitivne elektrode iz večelementne zlitine. S strojnim učenjem smo oblikovali pozitivno elektrodo iz kvartarne zlitine in dosegli izboljšave zmogljivosti. Hkrati je naš prejšnji sistem elektrod uporabljal litij kot negativno elektrodo, vendar je litij razmeroma drag, zato smo zasnovali negativno elektrodo iz zlitine na osnovi kalcija, ki je 500 ciklov stabilno krožila brez kakršne koli izgube zmogljivosti. Ugotovili smo, da nam lahko uporaba strojnega učenja dejansko pomaga pri oblikovanju sistemov elektrodnih materialov, s čimer prihranimo veliko časa in stroškov.
Poleg raziskav elektrodnega materialnega sistema akumulatorjev iz tekočih kovin smo zasnovali in optimizirali tudi monomere akumulatorjev iz tekočih kovin. Najprej smo naredili nekaj majhnih baterij, ker smo to delali v laboratoriju in je bilo več let nemogoče testirati. Tako smo naredili 5 amper ur tekoče kovinsko baterijo, ki smo jo testirali pri razelektritvenem toku 15 amperov. Tok polnjenja in praznjenja sta bila 15 amperov, 100 % globoko polnjenje in globoko praznjenje ter stopnja 3C. Ta baterija je delovala več kot 4100 ciklov, izpraznjena zmogljivost pa je bila približno 4,92 amper ur, stopnja izkoriščenosti materiala je dosegla 98,4 %, kulonski izkoristek pa 99,52 %.
Izdelali smo tudi baterijo večje kapacitete, 200 amper ur. Zaradi omejitve laboratorijske opreme za polnjenje in praznjenje toka lahko polnimo in praznimo le pri toku 50 amperov, 0,25C, prav tako pa polnimo in praznimo 100 % globoko. Zmogljivost praznjenja lahko doseže 199,4 amper ur, stopnja izkoriščenosti materiala pa lahko doseže 96,79%. Stabilno je deloval več kot 700 ciklov, devet mesecev, in ni bilo ugotovljenega očitnega upada zmogljivosti, kar resnično dokazuje, da ima naša tekočekovinska baterija dobro stabilnost ciklov.
Druga točka, ki ljudi bolj skrbi pri baterijah iz tekočih kovin, je, kaj se zgodi, če se tri plasti tekočine pomešajo ali pa se baterija prevrne, zato smo za testiranje vzeli baterijo z 200 amper urami in jo postavili na vrtljivo grelno mizo. Ker naša baterija deluje pri visokih temperaturah, jo moramo, če jo želimo preizkusiti, hraniti v visokotemperaturnem sistemu, ki se lahko vrti. Ko jo nagnemo na 31,9 stopinje, je troslojna tekoča struktura baterije še vedno ohranjena, zato se lahko baterija še vedno normalno polni in prazni, če pa je popolnoma obrnjena na glavo in obrnjena za 90 stopinj, se pozitivni in negativni pol izklopita. bo prišlo do kratkega stika in mešanja, pri tem pa bo nastala toplota. Izmerili smo tudi vijolično in rumeno krivuljo v spodnjem desnem kotu. Ta dva termočlena sta pritrjena na steno baterije in lahko izmerimo povečanje temperature baterije po odseku vezja, od 550 stopinj Celzija do 590 stopinj Celzija, kar je približno 45 stopinj Celzija. To pomeni, da sistem staljene soli absorbira veliko količino ustvarjene toplote, tako da ni intrinzične možnosti uplinjanja in eksplozije.
Ob istem času, če se naše baterije v prihodnosti uporabljajo v dejanskih situacijah shranjevanja energije, lahko naletijo na nekatere ekstremne situacije, kot so potresi. Zato smo izvedli tudi nekaj varnostnih testov pri frekvenci potresa 20 Hz, vključno z nekaterimi navpičnimi in vodoravnimi tresljaji. V tem primeru so neravnine na krivulji akumulatorja posledica tresenja položaja ožičenja, vendar lahko akumulator med navpičnimi tresljaji deluje normalno. Med vodoravnim vibriranjem je prišlo do kratkega kratkega stika, ko pa je vibriranje akumulatorja prenehalo, je akumulator prenehal delovati in je nekaj časa miroval, nato pa se je akumulator lahko spet normalno napolnil in izpraznil. To dokazuje, da na tej ravni potresna frekvenca 20Hz10Hz nima velikega vpliva na baterijo.
V 13. petletki smo se lotili ključnih raziskovalno-razvojnih projektov in izdelali baterijski sklop. V tem procesu smo najprej premagali ključne težave v sistemu, kot je skladnost baterije. Optimizirali smo strukturo baterije, sestavine, postopek sestavljanja, strukturne parametre itd. in izboljšali konsistenco baterije. Razlika v kapaciteti akumulatorja za več kot 200 amper ur je manjša od 2 amper ur, razlika v notranjem uporu pa je manjša od 2 miliohmov. Konzistentnost baterije je razmeroma visoka. Posamezna celica 0,2C lahko doseže povprečno energetsko učinkovitost več kot 86%.
Ker je napetost naše tekoče kovinske baterije razmeroma nizka, za razliko od trenutnih litijevih in natrijevih baterij, moramo oblikovati tudi lastno BMS. Zato smo na podlagi značilnosti velikega toka in nizke napetosti zasnovali dvoslojni sistem uravnoteženja. Po uravnoteženju je konsistenca naše baterije zelo visoka, z napetostno razliko 40,6 mV in izravnalnim tokom 1,4 ampera.
Na podlagi tega moramo spojiti tudi grelni modul. Ker smo visokotemperaturna baterija, za načrtovanje ogrevanja uporabljamo v sistemu princip konvekcije toplega zraka, poleg tega pa poskrbimo tudi za preprečitev temperaturnega bega. Na sliki v spodnjem desnem kotu lahko vidimo, da po približno ducatu zaporedno povezanih baterij te delujejo s hitrostjo 0,5C. Modra krivulja je tok zunanje moči. Vidimo lahko, da pri delovanju pri 0.5C toplota, ki jo ustvari ta baterija, zadošča za samostojno delovanje. Sama ima 500 stopinj Celzija, zato ni potrebe po zunanjem ogrevanju, dosežemo pa lahko samosegrevanje. Seveda ta baterija še vedno potrebuje, da jo segrejemo, ko jo zaženemo prvič, vendar to ni potrebno med normalnim delovanjem.
Na tej podlagi smo sodelovali s profesorjem Jiang Kaijem z Univerze za znanost in tehnologijo Huazhong pri izdelavi tridimenzionalnega modela sklopitve prenosa toplote tekočih kovinskih baterij, predlagali strategijo regulacije značilnosti storitev električnega termičnega sklopljenja, uresničili večnivojsko učinkovito baterijo sistem upravljanja in izdelal prvi 5KW in 30KWH tekoče kovinski baterijski sistem v državi, ki je prestal tudi testiranje tretjih oseb.
Na tej podlagi smo skozi leta kopičili tehnologijo. Junija 2023 je bilo v Xi'anu ustanovljeno podjetje Henghui Keyuan (Xi'an) New Energy Technology Co., Ltd., namenjeno spodbujanju industrializacije tehnologije tekočih kovinskih baterij. Angelski krog je prejel na desetine milijonov financiranja od Jiangyuan Investment. Strokovnjaki in učitelji so dobrodošli, da pridejo v Xi'an in vodijo naše delo.