2018 Forschungsfortschritt zu Energiespeicher und Batterie

1. 1 Kathodenmaterial Lithium-Ionen-Batteriekathodenmaterialien werden hauptsächlich in lithiumreiche Mangan-basierte Materialien, ternäre Verbundmaterialien, LiMn 2 O 4 vom Spinelltyp, Lithiumeisenphosphat und Lithiumnickelmanganoxid unterteilt. Li-reiches Kathodenmaterial auf Manganbasis mit fester Lösung Li 1 + x M 1 - x O 2 (M ist ein Übergangsmetall wie Ni, Co und Mn) mit hoher spezifischer Kapazität (> 200 mAh / g), hoher Energiedichte, Niedrige Kosten und geringer Umweltschutz Freundlich usw., aber es gibt Nachteile wie eine niedrige anfängliche Entladungseffizienz, eine niedrige Coulomb-Effizienz, eine schlechte Zykluslebensdauer, eine unbefriedigende Hochtemperaturleistung und eine niedrige Leistung. Der Forscher Wang Zhaoxiang vom Institut für Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften kombiniert experimentelle Forschung mit theoretischen Berechnungen. Ausgehend von der Untersuchung der treibenden Kraft der Mn-Migration untersucht dieser Aufsatz eine Reihe von Problemen, die durch Mn-Migration verursacht werden, und schlägt eine Methode zur Hemmung der Mn-Migration vor. Professor Wang Xianyou von der Xiangtan-Universität ging von der Beziehung zwischen Materialstruktur und Leistung aus und verbesserte und verbesserte diese durch Optimierung der Materialstruktur, der Design-Materialzusammensetzung (O-Überschuss), Kontrolle der Materialphasenzusammensetzung (co-dotiert) und Oberflächenmodifizierung (beschichtet mit Polyanilin). . Der Weg der Lithium-Materialleistung. In der Beschichtungsmodifikation führte Professor Chen Zhaoyong von der Changsha Universität für Wissenschaft und Technologie eine eingehende Studie durch: Auf der Oberfläche des lithiumreichen Kathodenmaterials auf Manganbasis wurde eine mikroporöse Al 2 O 3 / PAS-Doppelschicht-Mantelstruktur aufgebaut und das Kathodenmaterial hatte eine Geschwindigkeit von 0,1 ° C. Die spezifische Kapazität beträgt bis zu 280 mAh / g, und nach 100 Zyklen bei 0,2 ° C gibt es immer noch 98% Kapazitätserhaltung und keine strukturelle Umwandlung des Materials. Die Forschung an ternärem Ni-Co-Mn-Kathodenmaterial konzentriert sich hauptsächlich auf die Optimierung der Zusammensetzung und der Herstellungsbedingungen, der Beschichtung oder der Dotierungsmodifikation usw., um die Kapazität, die Zykluseigenschaften und die Geschwindigkeitsleistung weiter zu verbessern. Die erste entladungsspezifische Kapazität der ersten entladungsspezifischen Kapazität beträgt 209,4 mAh / g, 1,0 C. Die erste entladungsspezifische Kapazität des Materials beträgt 0,1 mAh / g, 1,0 C. 7% 0 Kapazität Retentionsrate von 95,5%, die Kapazitätsretentionsrate bei hohen Temperaturen beträgt immer noch 87,7%. Das Beschichtungsmaterial kann auch LiTiO 2, Li 2 ZrO 3 oder dergleichen sein, was die Stabilität des ternären positiven Elektrodenmaterials verbessern kann. Die Herstellung von Spinell LiMn 2 O 4 durch Festphasenverbrennungssynthese kann die Reaktionstemperatur verringern, die Reaktionsgeschwindigkeit beschleunigen und die Kristallstruktur des Produkts verbessern. Die Hauptverfahren zum Modifizieren des Spinells LiMn 2 O 4 sind Beschichten und Dotieren, wie Beschichten mit ZnO, Al 2 O 3, Dotieren mit Cu, Mg und Al. Die Modifikation von Lithiumeisenphosphat wird erwähnt. Die verwendeten Verfahren sind Element-Co-Dotierung (wie Vanadiumion und Titanion), Zugabe von Ferrocen und anderen katalytischen Graphitierungsadditiven und Compoundieren mit Graphen, Kohlenstoffnanoröhren und dergleichen. Für Lithium-Nickel-Manganat-Kathodenmaterialien kann die Hochtemperaturstabilität auch durch Dotierungsmodifizierung und -beschichtung sowie durch Verbesserung der Syntheseverfahren und -prozesse verbessert werden. Andere Forscher haben einige andere Arten von Kathodenmaterialien vorgeschlagen, wie Carbonyl-konjugierte Phthalocyaninverbindungen mit einer spezifischen Kapazität für die anfängliche Entladung von 850 mAh / g; Graphen-mesoporöser Kohlenstoff / Selen (G-MCN / Se) ternär Für die positive Verbundfilmelektrode betrug die erste spezifische Entladungskapazität von 1 C bei einem Selengehalt von 62% 432 mAh / g und blieb bei 385 mAh / g nach 1 300 Zyklen gute Zyklenstabilität.1.2 AnodenmaterialGraphitmaterialien sind derzeit die Hauptanodenmaterialien, aber Forscher haben andere Anodenmaterialien untersucht. Im Vergleich zum Kathodenmaterial weist das Anodenmaterial keinen offensichtlichen Forschungs-Hotspot auf. Der Elektrolyt zersetzt sich während des ersten Zyklus der Batterie auf der Oberfläche der Graphitanode reduktiv und bildet eine Festelektrolyt-Phasengrenzflächen-Membran (SEI), was zu einem ersten irreversiblen Kapazitätsverlust führt. Die SEI-Membran kann jedoch verhindern, dass der Elektrolyt weiterläuft zersetzen sich auf der Graphitoberfläche und schützen so die Elektrode. Die Rolle. Zhang Ting von der South China Normal University fügte Dimethylsulfit als einen SEI-Film bildenden Zusatz hinzu, um die Verträglichkeit zwischen der Graphitanode und dem Elektrolyten zu verbessern und die elektrochemische Leistung der Batterie zu verbessern. Einige Forscher haben Nanotitanat-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe als Anodenmaterialien verwendet und durch Magnetron-Sputtern mit ZnO, Al 2 O 3 und anderen Materialien beschichtet, um die Geschwindigkeitsleistung und die Zyklusstabilität zu verbessern. Sprühtrocknungspyrolyse Das durch das Verfahren hergestellte Silicium-Kohlenstoff-Verbundanodenmaterial hat eine spezifische Erstentladungskapazität von 1033,2 mAh / g bei einem Strom von 100 mA / g und eine Erstlade- und Entladeeffizienz von 77,3%; freitragendes flexibles Silizium / Graphen Das Verbundfilmanodenmaterial wurde 50-mal bei einem Strom von 100 mA / g getaktet, die spezifische Kapazität betrug immer noch 1 500 mAh / g und die Coulomb-Effizienz wurde bei 99% oder mehr stabilisiert. Der Grund dafür ist, dass die Graphenplatten eine hohe elektrische Leitfähigkeit und Flexibilität aufweisen.1.3 LithiumionenbatterieElektrolyt Das herkömmliche Carbonat-Elektrolytsystem weist Probleme wie Entflammbarkeit und schlechte Wärmestabilität auf. Es entwickelt ein Elektrolytsystem mit hohem Flammpunkt, Nichtentflammbarkeit, großem elektrochemischem Stabilitätsfenster und großer Temperaturanpassungsfähigkeit. Es ist ein Schlüsselmaterial für Lithium-Ionen-Batterien.2 NiMH-BatterieEin Forschungsschwerpunkt in Nickel-Metallhydrid-Batterien sind Wasserstoffspeicherlegierungsmaterialien. Professor Guo Jin von der Guangxi Universität glaubt, dass die schnelle Abkühlung bei flüssigem Stickstoff und die Nichtgleichgewichtsbehandlung beim mechanischen Kugelmahlen die Wasserstoffspeicherleistung der Mg 17 Al 12 -Legierung regulieren. Der Associate Professor Lan Zhiqiang von der Guangxi Universität verwendete das Wärmebehandlungsverfahren in Kombination mit mechanischem Legieren zur Herstellung von Mg 90 Li 1 - x Si x (x = 0, 2, 4 und 6) -Wasserstoff-Verbundspeichermaterialien und untersuchte die Zugabe von Si zum Lagerung in fester Lösung des Mg-Li-Systems. Der Effekt der Wasserstoffleistung. Die Einführung von Seltenerdelementen kann das Amorphisierungsphänomen und den Disproportionierungsprozess der Legierungszusammensetzung während des Wasserstoffabsorptions- und -desorptionszyklus hemmen und die reversible Wasserstoffabsorption und -desorption der Legierung erhöhen. Die auf dem Markt befindlichen konventionellen Wasserstoffspeicherlegierungsmaterialien sind meist mit Seltenerdelementen (La) dotiert. , Ce, Pr, Nd usw.), aber der Preis von Pr und Nd ist höher. Zhu Xilin berichtete über die Anwendung einer AB 5 Wasserstoffspeicherlegierung, die nicht mit Pr und Nd dotiert war, in einer Nickel-Wasserstoff-Batterie. Die quadratische Batterie des Elektrobusses wurde 100.000 km lang sicher betrieben. Ein weiterer Forschungsschwerpunkt für Wasserstoffspeichermaterialien sind Metallstickstoffhydride wie Mg (BH 2) 2 -2LiH, 4MgH 2 -Li 3 AlH 6, Al-Li 3 AiH 6 und NaBH 4 -CO (NH 2) 2. Das Reduzieren der Partikelgröße und das Hinzufügen eines Alkalimetalladditivs kann die Wasserstoffspeicherleistung des Wasserstoffspeichermaterials mit Metallkoordination verbessern, wobei die Partikelgröße reduziert wird, was hauptsächlich durch mechanisches Kugelmahlen mit hoher Energie erreicht wird. Das amindekorierte12-verbundene MOF-CAU-1-Material von Professor Sun Lixian von der Guilin University of Electronic Technology weist hervorragende Adsorptionseigenschaften für H 2, CO 2 und Methanol auf, die für die Reduzierung der CO 2 -Emissionen und die Speicherung von Wasserstoff von großer Bedeutung und von großem Anwendungswert sind . Sie entwickelten auch eine Vielzahl von wasserstofferzeugenden Materialien auf Aluminiumbasis, wie 4MgH 2 -Li 3 AlH 6, Al-Li 3 AiH 6 und NaBH 4 -CO (NH 2) 2, werden in Kombination mit Brennstoffzellen verwendet. 3 SuperkondensatorenDie Suche nach Elektrodenmaterialien mit hoher Leistung und langer Lebensdauer steht im Mittelpunkt der Forschung an Superkondensatoren, unter denen Kohlenstoffmaterialien die häufigsten Superkondensatorelektrodenmaterialien sind, wie poröse Kohlenstoffmaterialien, Biomassekohlenstoffmaterialien und Kohlenstoffverbundmaterialien. Einige Forscher haben nanoporöse Kohlenstoff-Aerogel-Materialien hergestellt und bewiesen, dass gute elektrochemische Kapazitätseigenschaften von der dreidimensionalen Netzwerkgerüststruktur und der ultrahohen spezifischen Oberfläche herrühren. Nie Pengru, Huazhong Universität für Wissenschaft und Technologie, erhielt ein dreidimensionales poröses Kohlenstoffmaterial und verwendete es als Elektrodenmaterial für Superkondensatoren bei der Rückgewinnung von Blei-Säure-Altbatterien durch Zitronensäure-Nasslaugung. Diese Methode kann die enge Integration der Energiespeicherbranche und der Umweltschutzbranche fördern und einen guten ökologischen und ökologischen Nutzen bringen. Die Forscher untersuchten auch die Verwendung verschiedener Biomasse-Kohlenstoffmaterialien (Saccharose, Pollen, Algen usw.) als Elektrodenmaterialien für Superkondensatoren. Im Hinblick auf Verbundwerkstoffe haben Forscher einen sandwichförmigen MoO 3 / C-Verbundwerkstoff entworfen, bei dem die α-MoO 3 -Schicht und die Graphenschicht horizontal verschachtelt und gestapelt sind und der hervorragende elektrochemische Eigenschaften aufweist. Graphen / Kohlenstoff-Quantenpunkt-Verbundmaterial Das Material kann auch als Elektrodenmaterial mit einer spezifischen Kapazität von 256 F / g bei einem Strom von 0,5 A / g verwendet werden. Professor Liu Zonghuai von der Shaanxi Normal University stellte ein mesoporöses Manganoxid-Nanoelektrodenmaterial her, das aus Manganoxid-Nanopartikeln mit einer spezifischen Oberfläche von 456 m 2 / g und einer spezifischen Kapazität von 281 F / g bei einem Strom von 0,25 A / g zusammengesetzt war. Liu Peipei von der South China University of Technology stellte ein dreidimensionales, nanoblühendes NiO-Co 3 O 4 -Kompositmaterial mit einer spezifischen Kapazität von 1 988,6 F / g bei einem Strom von 11 A / g und einer Kapazitätsretentionsrate her von 1.500 Zyklen. 94,0%; Wang Yijing von der Nankai University untersuchte den Wachstumsmechanismus, die Mikrostruktur und die Leistung von NiCo 2 O 4 -Materialien mit unterschiedlichen Morphologien. Tang Ke von der Chongqing Universität für Künste und Wissenschaften analysierte die Beziehung zwischen äquivalentem Widerstand und Ladestrom. Das Ersatzschaltbild wurde verwendet, um die Variation von Kapazität, Speicherkapazität und Ladeeffizienz von Superkondensatoren mit Strom zu untersuchen. Die Temperaturspeicherleistung des Superkondensators wurde diskutiert. Auswirkungen.4 BrennstoffzelleDie Kommerzialisierung von Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) ist in erster Linie von den Kosten und der Langlebigkeit abhängig. Da es sich bei dem in der PEMFC verwendeten Katalysator hauptsächlich um ein Edelmetall wie Pt handelt, wird er in der Arbeitsumgebung teuer und leicht abgebaut, was zu einer Abnahme der katalytischen Aktivität führt. Der Forscher Shao Zhigang vom Dalian Institute of Chemical Physics der chinesischen Akademie der Wissenschaften berichtete über einen Pd-Pt-Core-Shell-Katalysator, der Pd einführt, um die Menge an verwendetem Pt zu verringern und die Aktivität des Katalysators zu erhöhen. Darüber hinaus haben Forscher die Wechselwirkung zwischen Metall und Träger durch Verwendung von Polymerstabilisierung, Oberflächengruppierung und Metalloberflächen-Kohlenstoffcluster-Modifikation verbessert, um einen PEMFC-Metallsauerstoff-Reduktionskatalysator mit hoher Aktivität und hoher Stabilität zu erhalten. Cao Tai vom Beijing Institute of Technology stellte eine leichte, kostengünstige und großtechnische Synthesemethode für die Synthese von einheitlichen, stickstoffdotierten, bambusförmigen Kohlenstoffnanoröhren mit Cobaltnanopartikeln an der Spitze vor. Die Produkte haben hervorragende Eigenschaften. Redoxkatalytische Aktivität. Katalysatoren auf Kohlenstoffbasis und andere Nicht-Platin-Katalysatoren für Brennstoffzellen, die herkömmliche Katalysatoren auf Platinbasis ersetzen können, werden durch hydrothermale Carbonisierung, thermisches Cracken bei hohen Temperaturen usw. erhalten und weisen eine vergleichbare Leistung wie handelsübliche Platin-Kohlenstoff-Katalysatoren auf.5 andere Batterien5. 1 NatriumionenbatterieDer Lade- und Entladevorgang von Na0,44MnO2-Material wurde in Dai Kehua der Northeastern University untersucht. Es wurde gefunden, dass Mn 2+ auf der Oberfläche des Materials bei niedrigem Potential gebildet wurde. Das leitfähige Phenolharz PFM könnte die reversible spezifische Kapazität von reinem Sn-Pulver verbessern. Um ein stabiles Laden und Entladen zu erreichen. Die Zhongnan Universität Xiao Zhongxing et al. gesintert durch das hydrothermale Verfahren und das Hochtemperaturfestphasenverfahren, um das Na0,44MnO2 mit höherer Reinheit zu synthetisieren, und das metallische Natrium wurde als negative Elektrode verwendet, um eine Knopfzellenbatterie mit einer Kapazität von 0 zusammenzusetzen. 5 C Zyklus 20 mal. Die Rückhalterate betrug 98,9%; Zhang Junxi vom Shanghai Electric Power College synthetisierte NaFePO 4 -Kristallite mit Olivinstruktur, die als Kathodenmaterial für Natriumionenbatterien verwendet wurden und gute elektrochemische Eigenschaften aufwiesen. Associate Professor Deng Jianqiu von der Guilin University of Electronic Technology stellte ein nanolineares Strontiumsulfid nach der hydrothermalen Methode her und verwendete es als negatives Elektrodenmaterial für Natriumionenbatterien. Das Material hat eine spezifische Kapazität für die erste Entladung von 552 mAh / g bei 100 mA / g. Nach 55 Zyklen beträgt die Kapazitätsbeibehaltung 85,5%. Es wird 40-mal mit 2 A / g getaktet und kehrt zu 100 mA / zurück. Der Strom von g und die spezifische Kapazität der Entladung werden auf 580 mA / g wiederhergestellt, was anzeigt, dass die Zyklenleistung des Materials der negativen Elektrode gut ist Struktur kann nach einem großen Stromzyklus stabil gehalten werden.5. 2 Lithium-Schwefel-BatterieDie Forschung an Lithium-Schwefel-Batterien konzentriert sich derzeit auf Elektrodenmaterialien wie poröse Kohlenstoffmaterialien, Verbundmaterialien usw., um die Batteriesicherheit, die Lebensdauer und die Energiedichte zu verbessern. Das von Zhang Hongzhang vom Dalian Institute of Chemical Physics der chinesischen Akademie der Wissenschaften entwickelte Kohlenstoffmaterial hat ein großes Porenvolumen (> 4, 0 cm 3 / g) und eine hohe spezifische Oberfläche (> 1, 500 m 2 g). und einen hohen Schwefelgehalt (> 70%). Unter der Bedingung eines hohen Schwefelgehalts (3 mg / cm 2) beträgt die spezifische Kapazität der 0,1 C-Entladung 1 200 mAh / g; Professor Chen Yong von der Hainan Universität verwendet Ti 3 C 2 mit zweidimensionaler Akkordeonstruktur als Material für die positive Elektrode. Kombiniert mit Schwefel, um ein S / Ti 2 C 3 -Verbundmaterial zu erhalten, erreichte die spezifische Kapazität der anfänglichen Entladung 1 291 mAh / g bei einem Strom von 200 mAh / g und die reversible spezifische Kapazität des Zyklus betrug immer noch 970 mAh / g.5. 3-Flow-BatterieForscher Zhang Huamin vom Dalian Institute of Chemistry and Physics der Chinese Academy of Sciences berichtete über den Forschungsfortschritt und die Anwendung der Energiespeichertechnologie für Flüssigbatterien und stellte den Entwicklungsfortschritt der nicht fluoridionenleitenden Flüssigbatterieelektrolytmembran vor und Hochleistungsreaktor. Und Forschungsergebnisse im Durchflussbatteriesystem. Sie entwickelten einen 32-kW-Hochleistungs-Durchsatzbatteriestapel, der mit einer Stromdichte von 120 mA / cm 2 und einer Energieeffizienz von 81,2% geladen und entladen wurde und eine großtechnische Produktion ermöglichte, von der 5 MW / 10 MWh fließen Batterie Das Energiespeichersystem wurde in das Stromnetz integriert.6 Fazit Lithium-Ionen-Batterien, Superkondensatoren und Brennstoffzellen stehen nach wie vor im Fokus der Batterieforschung. Andere Batterien, wie Natriumionenbatterien, Durchflussbatterien und Lithium-Schwefel-Batterien, entwickeln sich ebenfalls weiter. Der derzeitige Forschungsschwerpunkt verschiedener Batterietypen liegt in der Entwicklung von Elektrodenmaterialien, um eine höhere Kapazität, Effizienz, Zyklusleistung und Sicherheitsleistung zu erzielen. Einführung in alle Festelektrolytmaterialien
Quelle: Meeyou Carbide