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[电池材料] 后锂时代

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发表于 2016-3-12 12:56:26 | 显示全部楼层 |阅读模式
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后锂时代

后锂时代

        宝马公司的电池预装配在丁格芬工厂完成

        为了提高电池的整体能量密度,最直接有效的方法是增加阴极板与阳极板的表面积、采用导电性更好的材料,为此,很多国外研究机构都在着力开发纳米材料、超级电容等。
        提升能量密度的措施和挑战
        大幅度地增加阴极板与阳极板的表面积并采用导电性好的材料,可以有效地提高电池的整体能量密度。
        近期一些国外研究机构对铅酸电池的最新研究指出,新的开发成果可将传统铅酸电池的电量提高6倍,接近于传统锂电池能量的2倍。在美国Los Alamos国家实验室,试验人员研究了经过氮处理的碳纳米管替代铂作为催化剂,人们相信这种材料能够进一步提升空气锂离子电池的性能。英国BAE系统公司的工程师十分了解这项技术的潜力。“大多数纳米材料的研究是针对新型锂基电池方面,”BAE公司混合驱动解决部门的首席系统工程师Thomas Apalenek先生肯定了这一点,“当然,也许在2030年,蓄电池将会基于一些目前还没被人们考虑到的材料和化学反应。抛开化学反应,几乎可以确定的是,未来的电池将基于工程纳米材料和技术。未来电池需要更大的反应表面积以得到充足的能量密度和功率密度,而工程纳米材料和技术是创造足够大的反应表面积的惟一途径。在未来,我们将面临的最大的工程挑战在于如何低成本和可靠地大规模生产这些设计精良的纳米材料。”
        大幅度地增加电池的能量密度只是工作的一小部分。Thomas Apalenek先生说,:“使用电驱动系统替代当今的内燃机动力系统任务十分艰巨,创造出和汽油机具有同等性能表现的电池系统仅仅是一小部分工作。当你给汽车添加汽油的时候,灌进油箱的能量的速率大约相当于一个4MW的电源插座提供的功率。所以当所有人都开电动汽车的时候,对基础设施和电网的需求将是巨大的。当然,也会有很多人晚上把车停在家里充电,但是总体来说人们喜爱驾驶。当每个人都希望在星期五下班后外出度假。为了应对周五晚高峰,当地的电力公司提供需要为每一座具有8个充电桩的充电站提供32MW的充电功率。”
       

后锂时代

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        宝马公司表示,都市版i3电动车高压电池组的智能加热/冷却系统能够确保电池的输出功率和续航里程受到环境温度波动的影响比通常这种类型的电池更小

        电容的兴起
        刚刚兴起的另一个新概念是锂离子超级电容(LUCS),这是将锂电池的充电机理嫁接到利用活性炭材料,在双层电介质中存储电荷的阴极电容上的混合设备。该设备的阳极使用预先掺杂锂离子的石墨材料制成,锂离子降低了阳极电位,从而升高了电池的输出电压,通常在3.8~4V的范围之间。因此,锂离子超级电容结合了锂电池能量密度高与超级电容功率密度高的双重优势,这对许多电动车研发人员来说是双赢的局面。LUCS的优点还包括单体容量高、可靠性好、具有较宽的工作温度区间(-20~+70℃涵盖了电动车运行的典型温度)以及相对较低的自放电,在25℃温度下放置超过3个月时间,电压降低不到5%。
        Goodwolfe能源公司的电池技术专家相信,锂离子超级电容是缩小目前锂离子电池技术和未来先进的电池化学技术之间差距的理想选择。“这种新型的锂离子电池在很多方面都十分具有吸引力,”该公司创始人兼首席执行官Ian Goodman先生说,“它们存储了一定的能量,并且能保存3个月。同时它也拥有和超级电容一样的数百万次的充电循环和巨大的峰值功率。这是一个非常有趣的过渡性技术,我们现在正在与客户一同努力,以期望明年将锂离子超级电容系统推向市场。对于整车厂来说,想达到能量存储系统的寿命和整车的寿命相当的水平,锂离子超级电容将是理想的选择。测试显示,在典型的混合动力车的生命周期中,其循环寿命达到140万次。”
        然而,当被问及电池系统的长期前景时,Ian Goodman先生仍然比较冷静:“我的直觉是,未来将会出现一种能量存储系统以及配套的必要的基础设施,它的能量密度可能比不上汽油或柴油,但也不会差太远,但是我认为,在25年后,我们使用的能量存储技术将会比当今的电池技术有本质性的进步。”
       

后锂时代

后锂时代

        雷诺Zoe纯电动车配备22kWh的锂离子电池组,在NEDC循环下能够提供210km续驶里程,但是这一技术是否将很快被先进的硫基化学超越?

        材料世界
        大多数行业分析师都认为,锂离子电池必须针对电动汽车和插电式混合动力汽车日益增长的需求做出实质性的改进,但是在电池性能方面的进展一直比较缓慢。
        Wildcat Discovery技术公司正试图通过利用组合化学的原理发展新材料,以扭转这种局面。然而组合化学本身并不是一个新的概念,它已经率先在其他行业特别是新药物和催化剂行业中得到应用。但是,该公司的工程师是第一个将这种技术应用在对燃料电池性能的提升。他们通过将电池研发的每一步骤,包括合成、配方、电池组装、电化学测试和数据分析等实现自动化和并行操作,完成了这一壮举。最终的成果是一种高产量的电池研发流程,使得其团队每周都能开发和测试成千上万的电池新材料,其效率远远超过传统的实验室方法。
        Wildcat Discovery技术公司的商业模式是利用其独特的平台,为其他机构加速电池的研发。其客户群包括整个电池供应链的全球领先企业,从化学和材料企业、电池制造商、汽车电子企业到整车厂。客户项目可以针对电池的任何组件进行测试(包括阴极、阳极和电解质),项目目标从短期内的电池优化到长期的真正能够实现电池性能突破的先进材料的研发。
        进一步的发展
        在我们的电池调查过程中,另外一些新技术也吸引了我们的眼球。首先,最具吸引力的是,沃尔沃的工程师在瑞典开发了一种革命性的理念——将轻量化的车身结构组件用作存储能量,可以提高未来电动车的能源利用率。该材料由碳纤维、纳米结构电池和超级电容组成,削减了能量存储系统的重量以及在车内占据的空间,而且具有成本效益。
        在美国,大金工业正在开发基于氟化学成分的先进高性能电解质,这将使锂离子电池在更高的电压和温度下运行。
        在日本,电装的工程师正与名古屋大学的研究人员合作打造基于电池的车载能源管理系统,可以预测家庭用电的需求和车辆的使用模式,以降低整体的用电成本。
        在英国,Dearman、Ricardo、E4tech和Mira正在合作开发一种具有革命性意义的基于液态空气或液态氮气运行的零排放活塞式发动机。
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