Γιατί πρέπει να στοχεύουμε σε 800 χιλιόμετρα; Επειδή αυτή η τιμή είναι η υψηλότερη αναμενόμενη αξία για την περιοχή ταξιδιού των περισσότερων ανθρώπων, εάν η σειρά κρουαζιέρας του ηλεκτρικού οχήματος δεν μπορεί να φτάσει τα 800 χιλιόμετρα και το κόστος μπορεί να γίνει αποδεκτό από τους περισσότερους ανθρώπους, το ηλεκτρικό όχημα θα έχει λιγότερη δημοτικότητα. Έτσι, θέτουμε αυτήν την τιμή στο στόχο του έργου μας Battery 500. Το έργο ξεκίνησε το 2009 και κυριαρχείται από το ερευνητικό κέντρο Almaden. Από τότε, η IBM διεξήγαγε αυτή την έρευνα με διάφορους επιχειρηματικούς εταίρους και ερευνητικά ιδρύματα από την Ευρώπη, την Ασία και τις Ηνωμένες Πολιτείες. Το έργο μπαταρίας 500 βασίζεται στην τεχνολογία μετάλλου-αέρα. Σε σύγκριση με τις μπαταρίες λιθίου, οι μπαταρίες μετάλλου έχουν περισσότερη ενέργεια ανά μονάδα μάζας. Η έρευνα του έργου εξακολουθεί να διαρκεί αρκετά χρόνια για να εμπορευματοποιηθεί. Αλλά μέσα από αυτά τα επτά χρόνια πειραμάτων, μπορούμε να σκεφτούμε ότι η μελλοντική μπαταρία μετάλλου-αέρα είναι πράγματι χρήσιμη σε ηλεκτρικά οχήματα. Γιατί είναι μπαταρία μετάλλου-αέρα; Λαμβάνοντας τις μπαταρίες λιθίου-αέρα ως παράδειγμα, για να κατανοήσουμε αυτό το πρόβλημα, ας δούμε πρώτα τη διαφορά μεταξύ των μπαταριών ιόντων λιθίου (τώρα κοινών μπαταριών λιθίου) και των μπαταριών λιθίου-αέρα. Το παρακάτω σχήμα δείχνει την εσωτερική κατάσταση της μπαταρίας κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση της μπαταρίας ιόντων λιθίου. Σε μια συμβατική μπαταρία ιόντων λιθίου, το θετικό ηλεκτρόδιο είναι άνθρακας και το αρνητικό ηλεκτρόδιο αποτελείται από διαφορετικά οξείδια μεταβατικών μετάλλων όπως κοβάλτιο, νικέλιο, μαγγάνιο και τα παρόμοια. Και τα δύο ηλεκτρόδια βυθίστηκαν σε έναν ηλεκτρολύτη στον οποίο διαλύθηκε ένα άλας λιθίου. Κατά τη διάρκεια της φόρτισης και της απόρριψης, τα ιόντα λιθίου κινούνται από το ένα ηλεκτρόδιο στο άλλο. Η κατεύθυνση της κίνησης διαφέρει ανάλογα με το αν η μπαταρία φορτίζεται ή απορρίπτεται ανάλογα με την κατάσταση της μπαταρίας. Κατά τη στιγμή της φόρτισης και της εκφόρτισης, τα ιόντα λιθίου ενσωματώνονται τελικά στο ατομικό στρώμα του υλικού ηλεκτροδίου και έτσι η ικανότητα της τελικής μπαταρίας εξαρτάται από το πόσο υλικό μπορεί να φιλοξενήσει ιόντα λιθίου, δηλαδή, καθορίζεται από τον όγκο και την ποιότητα του τα ηλεκτρόδια. 
△ Λήψη και διαδικασία φόρτισης και εκφόρτισης ιόντων λιθίου
Οι μπαταρίες λιθίου-αέρα ποικίλλουν. Στις μπαταρίες μετάλλου-αέρα, λαμβάνει χώρα ηλεκτροχημική αντίδραση. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας εκκένωσης, το θετικό ηλεκτρόδιο που περιέχει λιθίου απελευθερώνει ιόντα λιθίου και τα ιόντα λιθίου κινούνται προς το αρνητικό ηλεκτρόδιο και αντιδρούν με οξυγόνο στην επιφάνεια του αρνητικού ηλεκτροδίου για να σχηματίσουν υπεροξείδιο του λιθίου (Li 2 Ο2). Τα ιόντα λιθίου, τα ηλεκτρόνια και το οξυγόνο αντιδρούν στην επιφάνεια του αρνητικού ηλεκτροδίου που σχηματίζεται από πορώδες άνθρακα, επειδή η χημική αντίδραση δεν εμφανίζεται στο αρνητικό ηλεκτρόδιο και το ιόν λιθίου δεν είναι το αρνητικό υλικό ηλεκτροδίου. Επομένως, η χωρητικότητα της μπαταρίας και η ένταση ή η μάζα του αρνητικού υλικού ηλεκτροδίου δεν είναι πολύ υψηλή. Μεγάλη σχέση, εφ 'όσον υπάρχει αρκετή επιφάνεια. Δηλαδή, η χωρητικότητα της μπαταρίας λιθίου-αέρα δεν καθορίζεται από τον όγκο και την ποιότητα του ηλεκτροδίου, αλλά την επιφάνεια του ηλεκτροδίου. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο σε μια μπαταρία λιθίου-αέρα, ένα ηλεκτρόδιο μικρής μάζας μπορεί επίσης να αποθηκεύσει μια μεγάλη ποσότητα ενέργειας, με αποτέλεσμα υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα. 
△ Λιθοβολία και διαδικασία φόρτισης και εκφόρτισης λιθίου-αέρα
Φυσικά, εκτός από την ενεργειακή πυκνότητα, το κόστος είναι επίσης ένα σημαντικό θέμα. Η τιμή της μπαταρίας κυμαίνεται σήμερα από 200-300 δολάρια ΗΠΑ / kWh, αν μπορείτε να εκτελέσετε 5-6 χλμ. Ανά kWh, 800 χλμ. Χρειάζεστε μπαταρία 150 kWh, χρειάζεστε 30.000-4,5 εκατομμύρια. Ένα αυτοκίνητο της σειράς BMW 2 χρειάζεται μόνο $ 33.000. Επομένως, εάν θέλετε να μαζέψετε, η τιμή ανά kWh πρέπει να μειωθεί κάτω από $ 100. Ποια προβλήματα πρέπει να λύσω για την εμπορευματοποίηση μπαταριών λιθίου-αέρα; Όταν το λίθιο και το οξυγόνο υποβάλλονται απλώς σε αντίδραση οξειδοαναγωγής, η θεωρητική μέγιστη πυκνότητα ενέργειας που μπορεί να παραχθεί είναι 3.460 WH/kg. Εκτός από το τμήμα του κυττάρου που δεν υποβάλλεται σε χημική αντίδραση, η τιμή της ενεργειακής πυκνότητας που μπορεί τελικά να επιτευχθεί είναι επίσης πολύ επιθυμητή. Φυσικά, θα αντιμετωπίσετε επίσης προβλήματα. Η διαδικασία φόρτισης μιας μπαταρίας λιθίου-αέρα είναι παρόμοια με αυτή μιας συμβατικής μπαταρίας ιόντων λιθίου, εφόσον είναι εξωτερικά υπό πίεση. Η διαφορά είναι ότι σε μια μπαταρία λιθίου-αέρα, όταν υπάρχει εξωτερική τάση, η δομή του υπεροξειδίου του λιθίου καταστρέφεται και μειώνεται σε ιόντα οξυγόνου και λιθίου και τα ιόντα λιθίου επιστρέφονται στο θετικό ηλεκτρόδιο. Οι μπαταρίες λιθίου-αέρα, όπως οι παραδοσιακές μπαταρίες λιθίου, έχουν περισσότερους κύκλους φόρτισης και εκκένωσης και έχουν περισσότερες παρενέργειες μέσα στην μπαταρία. Αυτές οι παρενέργειες είναι θεμελιώδεις για τη μαζική τους παραγωγή και ακόμη και την εμπορευματοποίηση. Για να κατανοήσουμε τις επιδράσεις αυτών των παρενεργειών στην μπαταρία, χρησιμοποιήσαμε το φασματόμετρο ηλεκτροχημικής μάζας στο ερευνητικό κέντρο για να μετρήσουμε με ακρίβεια την ποσότητα του φυσικού αερίου που καταναλώνεται και παράγεται κατά τη διάρκεια κάθε κύκλου φόρτισης και εκφόρτισης. Ως αποτέλεσμα, έχει ανακαλυφθεί ένα πρόβλημα: η μπαταρία του λιθίου-αέρα εκπέμπει πολύ λιγότερο οξυγόνο κατά τη φόρτιση από το οξυγόνο που καταναλώνεται κατά τη διάρκεια της απόρριψης. (Στη δοκιμή χρησιμοποιείται ξηρό οξυγόνο αντί για αέρα.) 
△ Electrochemical Mass Electochemicer Center του IBM (: IBM)
Σε ένα ιδανικό κύτταρο μπαταρίας, το οξυγόνο που καταναλώνεται κατά τη διάρκεια της απόρριψης είναι ίση με τη μάζα του οξυγόνου που απελευθερώνεται κατά τη φόρτιση. Αλλά η μελέτη διαπίστωσε ότι η ποσότητα απελευθέρωσης οξυγόνου είναι μικρότερη, πράγμα που σημαίνει ότι το οξυγόνο που δεν απελευθερώνεται είναι πιθανό να αντιδράσει με τα εξαρτήματα της μονάδας μπαταρίας, όπως η τήξη στον ηλεκτρολύτη, η μπαταρία είναι μέσα. Κατανάλωση. Σε ένα άλλο εργαστήριο της IBM στη Ζυρίχη, πραγματοποιήσαμε νέα πειράματα για να παρακολουθήσουμε και να υπολογίσουμε αυτή την αυτοκαταστροφική χημική αντίδραση. Τέλος, ο λόγος βρέθηκε στον οργανικό ηλεκτρολύτη. Στη συνέχεια, μελετήσαμε αυτό το πρόβλημα. Στην πιο πρόσφατη μονάδα μπαταρίας, μετά τη χρήση ενός νέου ηλεκτρολύτη, μπορεί να απελευθερώσει το μεγαλύτερο μέρος του οξυγόνου που απορροφάται κατά την εκκένωση. Επιπλέον, παρακολουθούμε επίσης την κατανάλωση και την παραγωγή υδρογόνου και νερού κατά τη διάρκεια του φορτίου και της εκκένωσης, επειδή η παρουσία αυτών των δύο ουσιών σημαίνει ότι είναι πιθανό να υπάρχει τουλάχιστον μία χημική αντίδραση αυτο-κατανάλωσης μέσα στην μπαταρία. Η τρέχουσα μονάδα μπαταρίας μας μπόρεσε να επιτύχει 200 κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης, αν και αυτό πρόκειται να γίνει η πραγματική διαδικασία φόρτισης πολύ μικρότερη από το θεωρητικό μέγιστο. Εκτός από αυτό το πρόβλημα, έχουμε μερικά βασικά ευρήματα σχετικά με τα διάφορα συστατικά της μπαταρίας λιθίου-αέρα: 1. Το θετικό ηλεκτρόδιο είναι διαφορετικό από το θετικό ηλεκτρόδιο κατασκευασμένο από γραφίτη στην παραδοσιακή μπαταρία ιόντων λιθίου. Στη μπαταρία λιθίου-αέρα, το θετικό ηλεκτρόδιο που περιέχει λίθιο θα αλλάξει κάποια επιφάνεια κατά τη διάρκεια της διαδικασίας φόρτισης και αυξάνεται κάποια δομή που μοιάζει με βρύα ή δέντρο. Είναι ένας δενδρίτης. Αυτοί οι δενδρίτες είναι πολύ επικίνδυνες επειδή μπορούν να σχηματίσουν έναν αγώγιμο βρόχο μεταξύ των θετικών και των αρνητικών ηλεκτροδίων για να δημιουργήσουν ένα βραχυκύκλωμα. 
△ θετικό ηλεκτρόδιο μπαταρίας λιθίου-αέρα, μετά από αρκετές δεκάδες κύκλους, η επιφάνεια παράγει δενδριτική δομή
Προκειμένου να μειωθεί η εμφάνιση δενδριτών, χρησιμοποιήσαμε μια ειδική μεμβράνη απομόνωσης. Αυτός ο διαχωρισμός αποτελείται από ένα στρώμα υλικού που περιέχει πολλούς πόρους νανοκλίμακας που είναι αρκετά μικρά και ομοιόμορφα κατανεμημένα σε όλη τη μεμβράνη για να επιτρέψουν τη διέλευση ιόντων λιθίου και την καταστολή της δενδριτικής παραγωγής. Λόγω της παρουσίας αυτού του διαχωριστή, η άνοδος παραμένει ομαλή μετά από αρκετές εκατοντάδες κύκλους φόρτισης. Εάν χρησιμοποιηθεί ένας παραδοσιακός διαχωριστικός, οι δενδρίτες θα εμφανιστούν μετά από αρκετούς κύκλους. Εάν χρησιμοποιείτε ένα γυάλινο πολυμερές με αγώγιμα ιόντα, το αποτέλεσμα θα είναι καλύτερο. 
△ Θετικό ηλεκτρόδιο μπαταρίας λιθίου-αέρα, αφού χρησιμοποιείτε φιλμ νανο-απομόνωσης, η επιφάνεια παραμένει ομαλή
2. Ο ηλεκτρολύτης που χρησιμοποιείται επί του παρόντος στον ηλεκτρολύτη εξακολουθεί να αντιδρά με οξυγόνο ή άλλες ενώσεις που παράγονται στον κύκλο φορτίου και εκφόρτισης και έτσι καταναλώνεται. Μέχρι στιγμής, δεν βρήκαμε κανένα διαλύτη που να είναι αρκετά σταθερό για να επιτρέψει στην μπαταρία λιθίου-αέρα να εισέλθει στην εμπορική σκηνή. 3. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας φόρτισης, τα ιόντα λιθίου μπορούν να αντιδράσουν με το αρνητικό ηλεκτρόδιο για την παραγωγή νιτρικού λιθίου. Το νιτρικό λίθιο αντιδρά επίσης με τον ηλεκτρολύτη, καταναλώνοντας τον ηλεκτρολύτη και παράγοντας διοξείδιο του άνθρακα. Στη δοκιμή, παρακολουθήσαμε επίσης την ποσότητα του νιτρικού λιθίου που παρήγαγε και έλαβε κάποια μέτρα για να μειώσει την παραγωγή του. Ωστόσο, επειδή η απαιτούμενη τάση φόρτισης πρέπει να είναι υψηλότερη από την τάση λειτουργίας της μπαταρίας κατά τουλάχιστον 700mV. Η υπερβολή θα μειώσει την απόδοση φόρτισης της μπαταρίας. Προσπαθήσαμε να μετατρέψουμε τον άνθρακα σε κάποια άλλα μεταλλικά οξείδια και τα αποτελέσματα δεν έχουν αλλάξει πολύ. 4. Καταλύτες σχετικά με το αν θα χρησιμοποιηθούν καταλύτες σε μπαταρίες μετάλλου-αέρα, υπήρξαν πολλές συζητήσεις μεταξύ των επαγγελματιών και των αντιπάλων. Η χρήση ενός καταλύτη μπορεί να μειώσει σημαντικά την εμφάνιση συνθηκών υπερπίεσης, αλλά ο ίδιος καταλύτης θα επιταχύνει γενικά την κατανάλωση ηλεκτρολύτη. Στις θεωρητικές μελέτες μας, η ενέργεια ενεργοποίησης είναι πολύ χαμηλή στην οξείδωση και τη μείωση του λιθίου. Επομένως, στις μπαταρίες λιθίου-αέρα, ο καταλύτης δεν είναι απαραίτητος. 5. Παρασκευή αέρα Αν και η μπαταρία ονομάζεται μπαταρία αέρα λιθίου, στην πραγματικότητα χρησιμοποιούμε ξηρό οξυγόνο. Η έμφαση δίνεται στην "ξήρανση" επειδή είναι απαραίτητο μόνο η απομάκρυνση των συστατικών του υδρατμού και του διοξειδίου του άνθρακα στον αέρα. Για την μαζική παραγωγή τέτοιου είδους αέρα σε εμπορικές μπαταρίες, απαιτείται ένα ελαφρύ, αποτελεσματικό και σταθερό σύστημα καθαρισμού αέρα. Από αυτή την άποψη, η πρακτική εφαρμογή μπαταριών λιθίου-αέρα μπορεί να βρίσκεται σε λεωφορεία, φορτηγά και άλλα μεγάλα οχήματα. Μόνο αυτά τα μεγάλα οχήματα μπορούν να φιλοξενήσουν εξοπλισμό καθαρισμού αέρα. Η μονάδα μπαταρίας που χρησιμοποιείται επί του παρόντος για δοκιμές εξακολουθεί να είναι μικρή σε μέγεθος, διαμέτρου 76 mm και μήκους 13 mm, το οποίο απέχει αρκετά από το πρότυπο των ηλεκτρικών οχημάτων. Έτσι, ένα από τα πιο σημαντικά καθήκοντα που πρέπει να γίνει είναι πώς να δημιουργήσετε μεγαλύτερα κύτταρα μπαταρίας, να συσκευάσετε και να συσκευάσετε πολλά κύτταρα μπαταρίας σε ένα πακέτο μπαταρίας και στη συνέχεια να έχετε ένα σύστημα διαχείρισης μπαταριών. Δοκιμάζουμε επίσης μερικά διαφορετικά μεγέθη, όπως 100 x 100mm (διάμετρος 100mm, μήκος 100mm). Επί του παρόντος, το έργο αυτό εξακολουθεί να βρίσκεται στο αρχικό βασικό στάδιο της επιστήμης για τα υλικά και τις χημικές αντιδράσεις, αλλά τα αποτελέσματα που λαμβάνονται είναι θετικά. Στη μελέτη μας, η ενεργειακή πυκνότητα που μπορεί τώρα να επιτευχθεί είναι η οξειδωτική αντίδραση λιθίου 15 kWh/kg (χρησιμοποιώντας μια ακατέργαστη κάθοδο άνθρακα, 5700 mAh x 2,7 V/g) και η ενεργειακή πυκνότητα στο κύτταρο είναι περίπου 800 WH/kg . Μπαταρία νατρίου-αέρα: χαμηλή πυκνότητα ενέργειας, αλλά σε σταθερές μπαταρίες μεταλλικού αέρα, υπάρχουν πολλά μέταλλα που μπορούν να χρησιμοποιηθούν, εκτός από το λίθιο, το νάτριο και το κάλιο. Η αντίστροφη αντίδραση αυτών των μετάλλων είναι ευκολότερη και τα σχετικά βαρύτερα μέταλλα όπως το μαγνήσιο, το αλουμίνιο, ο ψευδάργυρος, ο σίδηρος κλπ. Έχουν αποδειχθεί ότι είναι δύσκολο να επαναφορτιστούν, οπότε το έργο της μπαταρίας 500 επέλεξε να μελετήσει τόσο το λίθιο όσο και το νάτριο. μέταλλο. Οι μπαταρίες νατρίου-αέρα είναι ένας άλλος ενδιαφέροντος συνδυασμός, αν και η ενεργειακή πυκνότητα που μπορεί να επιτευχθεί είναι χαμηλότερη σε σύγκριση με τις μπαταρίες λιθίου-αέρα, αλλά τα οφέλη του είναι πιο σταθερά. Ο λόγος για τον οποίο η ενεργειακή πυκνότητα είναι χαμηλή είναι ότι η χημική αντίδραση που παράγεται είναι διαφορετική. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, στις μπαταρίες του λιθίου-αέρα, το λίθιο αντιδρά με οξυγόνο για την παραγωγή υπεροξειδίου του λιθίου (Li2O2), αλλά σε μπαταρίες νατρίου-αέρα, το νάτριο αντιδρά με οξυγόνο χρησιμοποιώντας μόνο ένα ηλεκτρόνιο, με αποτέλεσμα το υπεροξείδιο του νατρίου NaO2. Αντί του υπεροξειδίου του νατρίου, Na2O2. Σε σύγκριση, η ενεργειακή πυκνότητα που μπορεί να παράγει μια μπαταρία νατρίου-αέρα θεωρητικά μειώνεται κατά το ήμισυ και το θεωρητικό ανώτατο όριο της πυκνότητας ενέργειας είναι 1100 WH/kg. Από την άλλη πλευρά, οι μπαταρίες νατρίου-αέρα είναι πιο αποτελεσματικές από τις μπαταρίες λιθίου-αέρα, και η υπέρβαση είναι αρκετά χαμηλή, λιγότερο από 20mV (700mV για το λίθιο). Ενόψει αυτού, η τάση λειτουργίας της μονάδας μπαταρίας μπορεί να μειωθεί σε 3V, έτσι ώστε η αυτο-κατανάλωση άλλων εξαρτημάτων μέσα στην μπαταρία να μπορεί να μειωθεί πολύ, όπως ο ηλεκτρολύτης. Το μετρήσαμε με πείραμα και το επαληθεύσαμε. Αυτό έχει το πλεονέκτημα ότι η σταθερότητα της μπαταρίας είναι αρκετά υψηλή και η χωρητικότητα της μπαταρίας δεν αλλάζει δύσκολα μετά από 50 κύκλους φόρτισης και εκφόρτισης. Υπάρχουν επίσης ορισμένες προκλήσεις στην εμπορική χρήση μπαταριών νατρίου-αέρα. Για παράδειγμα, μια μπαταρία νατρίου-αέρα καταναλώνει δύο φορές περισσότερο οξυγόνο από μια μπαταρία λιθίου-αέρα σε απόκριση σε μια αντίδραση, ισοδύναμη με την ποσότητα αέρα που απαιτείται για την παραγωγή ενός εμβόλου της ίδιας ισχύος. Επιπλέον, η χημική δραστηριότητα του μετάλλου νατρίου είναι αρκετά υψηλή και πολλοί άνθρωποι θα θυμούνται τη διαδήλωση που έγινε από τον δάσκαλο της χημείας στην τάξη του γυμνασίου. Ένα μικρό κομμάτι νατρίου ρίχνεται στο νερό και θα συμβεί μια βίαιη χημική αντίδραση. Ωστόσο, το λίθιο είναι ένα σπάνιο μέταλλο και δεν είναι φθηνό. Αλλά το νάτριο είναι ένα κοινό μέταλλο και το κόστος είναι εξαιρετικά χαμηλό. Το κόστος των υλικών στην μπαταρία νατρίου-αέρα του ίδιου μεγέθους είναι μικρότερο από το ένα δέκατο αυτού σε μπαταρίες λιθίου-αέρα. Αν και μακροπρόθεσμα, οι μπαταρίες λιθίου-αέρα θα έχουν καλύτερη απόδοση, αλλά λαμβάνοντας υπόψη τη σταθερότητα και το κόστος, η μπαταρία νατρίου-αέρα που δεν είναι τόσο χαμηλή όσο η ενέργεια θα είναι μια καλύτερη επιλογή από την τρέχουσα μπαταρία στο μέλλον. 0 φορές
Window._bd_share_config = {"Common": {"bdsnskey": {}, "bdtext": "", "bdmini": "2", "bdminilist": false, "bdpic": "," bdstyle ":" 0 "," BDSIZE ":" 24 "}," Μοιραστείτε ": {}," Εικόνα ": {" ViewList ": [" Qzone "," Tsina "," TQQ "," Renren "," Weixin "], "ViewText": "Μοιραστείτε σε:", "Προβολές": "16"}, "selectshare": {"bdcontainerClass": null, "bdselectminilist": [qzone "," tsina "," tqq "," renren " , "Weixin"]}}; με (έγγραφο) 0 [(getElementsByTagName ('head') [0] || body) .AppendChild (createElement ('script')) src = 'http: //bdimg.share. Baidu.com/static/api/js/share.js?v=89860593.js?cdnversion= ' + ~ (-new Ημερομηνία ()/36e5)];
