2018 Avances en la investigación sobre el almacenamiento de energía y la batería de energía

1. 1 material del cátodoLos materiales del cátodo de la batería de iones de litio se dividen principalmente en materiales a base de manganeso ricos en litio, materiales compuestos ternarios, LiMn 2 O 4 de tipo espinela, fosfato de hierro y litio y óxido de manganeso y níquel y litio. Solución de sólido sólido a base de manganeso, material de cátodo Li 1 + x M 1 - x O 2 (M es un metal de transición como Ni, Co y Mn) con alta capacidad específica (> 200 mAh / g), alta densidad de energía, bajo costo y protección ambiental Amigable, etc., pero existen deficiencias tales como baja eficiencia de descarga inicial, baja eficiencia coulombic, pobre ciclo de vida, rendimiento insatisfactorio a alta temperatura y rendimiento de baja tasa. El investigador Wang Zhaoxiang del Instituto de Física de la Academia China de Ciencias combina la investigación experimental con cálculos teóricos. Desde la exploración de la fuerza motriz de la migración de Mn, este documento estudia una serie de problemas causados por la migración de Mn y propone un método para inhibir la migración de Mn. El profesor Wang Xianyou de la Universidad de Xiangtan comenzó a partir de la relación entre la estructura del material y el rendimiento, y mejoró y mejoró optimizando la estructura del material, diseñando la composición del material (O en exceso), controlando la composición de la fase del material (co-dopada) y la modificación de la superficie (recubierta con polianilina) . La forma de rendimiento del material de litio. En la modificación del revestimiento, el profesor Chen Zhaoyong de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Changsha realizó un estudio en profundidad: se construyó una estructura microporosa de revestimiento de doble capa de Al 2 O 3 / PAS sobre la superficie del material de cátodo basado en manganeso rico en litio. y el material del cátodo alcanzó una velocidad de 0.1 C. La capacidad específica es de hasta 280 mAh / g, y después de 100 ciclos a 0. 2 C, todavía hay un 98% de retención de capacidad y no hay transformación estructural del material. La investigación del material del cátodo ternario Ni-Co-Mn se centra principalmente en optimizar la composición y las condiciones de preparación, el recubrimiento o la modificación de dopaje, etc., con el fin de mejorar aún más la capacidad, las características del ciclo y el rendimiento de la velocidad. La capacidad específica de la primera descarga de la capacidad específica de la primera descarga es 209. 4 mAh / g, 1. 0 C. La capacidad específica de la primera descarga del material es 0. 1 C mAh / g, 1. 0 C. 7%。 Capacidad tasa de retención del 95,5%, la tasa de retención de capacidad a altas temperaturas sigue siendo del 87,7%. El material de recubrimiento también puede ser LiTiO 2, Li 2 ZrO 3 o similares, lo que puede mejorar la estabilidad del material de electrodo positivo ternario. La preparación de espinela LiMn 2 O 4 mediante síntesis en combustión en fase sólida puede reducir la temperatura de reacción, acelerar la velocidad de reacción y mejorar la estructura cristalina del producto. Los principales métodos para modificar la espinela LiMn 2 O 4 son el recubrimiento y el dopaje, como el recubrimiento de ZnO, Al 2 O 3, Doping Cu, Mg y Al. Se menciona la modificación del fosfato de litio y hierro. Los métodos utilizados son el co-dopaje de elementos (como el ión vanadio y el ión titanio), la adición de ferroceno y otros aditivos de grafitización catalítica, y la combinación con grafeno, nanotubos de carbono y similares. Para los materiales de cátodo de manganato de níquel-litio, la estabilidad a alta temperatura también se puede mejorar modificando y recubriendo el dopaje, y mejorando los métodos y procesos de síntesis. Otros investigadores han propuesto algunos otros tipos de materiales catódicos, como los compuestos de ftalocianina conjugados con carbonilo, con una capacidad específica de descarga inicial de 850 mAh / g; Grafeno-mesoporoso carbono / selenio (G-MCN / Se) ternario Para el electrodo positivo de película compuesta, cuando el contenido de selenio fue del 62%, la capacidad específica de la primera descarga de 1 C fue de 432 mAh / gy se mantuvo en 385 mAh / g después de 1 300 ciclos, que muestran una buena estabilidad del ciclo.1.2 Material del ánodo Los materiales de grafito son actualmente los materiales principales del ánodo, pero los investigadores han estado explorando otros materiales del ánodo. En comparación con el material del cátodo, el material del ánodo no tiene un punto de acceso de investigación obvio. El electrolito se descompondrá reductivamente en la superficie del ánodo de grafito durante el primer ciclo de la batería para formar una membrana de interfaz de fase de electrolito sólido (SEI), lo que provocará la primera pérdida irreversible de capacidad, pero la membrana SEI puede evitar que el electrolito continúe Se descomponen en la superficie de grafito, protegiendo así el electrodo. El papel. Zhang Ting de South China Normal University añadió dimetil sulfito como un aditivo de formación de película SEI para mejorar la compatibilidad entre el ánodo de grafito y el electrolito y mejorar el rendimiento electroquímico de la batería. Algunos investigadores han utilizado materiales compuestos de nano-titanato-carbono como materiales de ánodo, y se han recubierto con ZnO, Al 2 O 3 y otros materiales mediante pulverización con magnetrón para mejorar el rendimiento de la velocidad y la estabilidad del ciclo; pirólisis de secado por pulverización El material de ánodo compuesto de silicio-carbono preparado por el método tiene una capacidad específica de primera descarga de 1 033. 2 mAh / g a una corriente de 100 mA / gy una primera carga y eficiencia de descarga del 77.3%; autosuficiente flexible de silicio / grafeno El material de ánodo de película compuesta fue ciclado 50 veces a una corriente de 100 mA / g, la capacidad específica todavía era de 1 500 mAh / gy la eficiencia coulombic se estabilizó al 99% o más. La razón es que las láminas de grafeno tienen una alta conductividad eléctrica y flexibilidad.1.3 Batería de iones de litioElectrolito El sistema tradicional de electrólito de carbonato tiene problemas, como la inflamabilidad y la pobre estabilidad térmica. Desarrolla un sistema de electrolitos con alto punto de inflamación, no inflamable, amplia ventana de estabilidad electroquímica y amplia adaptabilidad a la temperatura. Es un material clave para las baterías de iones de litio.2 Batería de NiMH Un hotspot de investigación en baterías de hidruro de níquel-metal es materiales de aleación de almacenamiento de hidrógeno. El profesor Guo Jin, de la Universidad de Guangxi, cree que el rápido enfriamiento a la temperatura del nitrógeno líquido y el tratamiento sin equilibrio del molino mecánico de bolas regulan el rendimiento de almacenamiento de hidrógeno de la aleación Mg 17 Al 12. El profesor asociado Lan Zhiqiang de la Universidad de Guangxi utilizó el proceso de tratamiento térmico combinado con una aleación mecánica para preparar Mg 90 Li 1 - x Si x (x = 0, 2, 4 y 6) materiales compuestos de almacenamiento de hidrógeno, y estudió la adición de Si al Solución sólida de almacenamiento del sistema Mg-Li. El efecto del rendimiento del hidrógeno. La introducción de elementos de tierras raras puede inhibir el fenómeno de amorfización y el proceso de desproporción de la composición de la aleación durante el ciclo de absorción y desorción de hidrógeno, y aumentar la absorción reversible de hidrógeno y la desorción de la aleación. Los materiales de aleación de almacenamiento de hidrógeno convencionales en el mercado son en su mayoría dopados con elementos de tierras raras (La). , Ce, Pr, Nd, etc.), pero el precio de Pr y Nd es más alto. Zhu Xilin informó sobre la aplicación de una aleación de almacenamiento de hidrógeno AB 5 no dopada con Pr y Nd en una batería de níquel-hidrógeno. La batería cuadrada aplicada al bus eléctrico ha sido operada de forma segura durante 100 000 km. Otro hotspot de investigación para los materiales de almacenamiento de hidrógeno son los hidruros de nitrógeno metálicos como el Mg (BH 2) 2 -2LiH, 4MgH 2 - Li 3 AlH 6, Al-Li 3 AiH 6 y NaBH 4 -CO (NH 2) 2. Reducir el tamaño de partícula y agregar un aditivo de metal alcalino puede mejorar el rendimiento de almacenamiento de hidrógeno del material de almacenamiento de hidrógeno de coordinación de metal, en donde el tamaño de partícula se reduce, lo que se logra principalmente mediante el molido mecánico de bolas de alta energía. El material MOU CAU-1 relacionado con Amine-Decorated12-Connected reportado por el Profesor Sun Lixian de la Universidad de Tecnología Electrónica de Guilin tiene excelentes propiedades de absorción de H2, CO2 y metanol, que son de gran importancia y valor de aplicación para la reducción de emisiones de CO2 y el almacenamiento de hidrógeno. . También desarrollaron una variedad de materiales de aleación de aluminio a base de aluminio, como 4MgH 2 -Li 3 AlH 6, Al-Li 3 AiH 6 y NaBH 4 -CO (NH 2) 2, que se utilizan en combinación con las pilas de combustible. 3 supercapacitores La búsqueda de materiales de electrodos con un rendimiento de alta velocidad y larga vida útil es el centro de investigación en supercapacitores, entre los cuales los materiales de carbono son los materiales de electrodos de supercapacitores más comunes, tales como materiales de carbón poroso, materiales de carbono de biomasa y materiales compuestos de carbono. Algunos investigadores han preparado materiales de aerogel de carbono nanoporoso y han demostrado que las buenas características de capacitancia electroquímica provienen de la estructura del esqueleto de la red tridimensional y del área de superficie específica ultraalta. Nie Pengru, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Huazhong, obtuvo un material de carbono poroso tridimensional y lo usó como material de electrodo para supercapacitores en el proceso de recuperación de baterías de plomo-ácido de desecho mediante lixiviación húmeda con ácido cítrico. Este método puede promover la estrecha integración de la industria de almacenamiento de energía y la industria de protección ambiental, y producir buenos beneficios ecológicos y ambientales. Los investigadores también exploraron el uso de diferentes materiales de carbono de biomasa (sacarosa, polen, algas, etc.) como electrodos para supercondensadores. En el aspecto de los materiales compuestos, los investigadores han diseñado un material compuesto de MoO 3 / C en forma de sándwich, la capa de α-MoO 3 y la capa de grafeno están intercaladas y apiladas horizontalmente, lo que tiene excelentes propiedades electroquímicas; Compuesto de punto cuántico de grafeno / carbono El material también se puede utilizar como un material de electrodo con una capacitancia específica de 256 F / g a una corriente de 0,5 A / g. El profesor Liu Zonghuai de la Universidad Normal de Shaanxi preparó un material de nanoelectrodo de óxido de manganeso mesoporoso ensamblado a partir de nanopartículas de óxido de manganeso con un área de superficie específica de 456 m 2 / gy una capacitancia específica de 281 F / g a una corriente de 0.25 A / g. Liu Peipei, de la Universidad de Tecnología del Sur de China, preparó un material compuesto tridimensional de NiO-Co 3 O 4 con nano flores con una capacidad específica de 1 988. 6 F / g a una corriente de 11 A / g, y una tasa de retención de capacidad de 1.500 ciclos. 94. 0%; Wang Yijing, de la Universidad de Nankai, estudió el mecanismo de crecimiento, la microestructura y el rendimiento de los materiales de NiCo 2 O 4 con diferentes morfologías. Tang Ke, de la Universidad de Artes y Ciencias de Chongqing, analizó la relación entre la resistencia equivalente y la corriente de carga. El modelo de circuito equivalente se utilizó para estudiar la variación de la capacidad, la capacidad de almacenamiento y la eficiencia de carga del supercapacitor con la corriente. Se discutió el rendimiento de almacenamiento de temperatura del supercapacitor. Célula de combustible Impact.4 La comercialización de celdas de combustible de membrana de intercambio de protones (PEMFC) está limitada principalmente por el costo y la longevidad. Dado que el catalizador utilizado en PEMFC es principalmente un metal noble como Pt, es costoso y se degrada fácilmente en el ambiente de trabajo, lo que resulta en una disminución de la actividad catalítica. El investigador Shao Zhigang del Instituto Dalian de Física Química de la Academia de Ciencias de China informó sobre un catalizador de núcleo-cubierta de Pd-Pt que introduce Pd para reducir la cantidad de Pt utilizada y aumentar la actividad del catalizador. Además, los investigadores han mejorado la interacción entre el metal y el portador mediante el uso de la estabilización de polímeros, la agrupación de superficies y la modificación del grupo de carbono de la superficie metálica para obtener un catalizador de reducción de oxígeno metálico PEMFC con alta actividad y alta estabilidad. Cao Tai del Instituto de Tecnología de Beijing introdujo un método de síntesis ligero, de bajo costo y a gran escala para la síntesis de nanotubos de carbono uniformes, contaminados con nitrógeno y con forma de bambú con nanopartículas de cobalto en la parte superior. Los productos tienen excelentes propiedades. Actividad catalizadora redox. Los catalizadores a base de carbono y otros catalizadores que no son de platino para celdas de combustible, que pueden reemplazar a los catalizadores a base de platino convencionales, se obtienen mediante carbonización hidrotérmica, craqueo térmico a alta temperatura, etc., y tienen un rendimiento comparable al de los catalizadores de carbono de platino comerciales.5 otros pilas5. 1 batería de iones de sodio. El proceso de carga y descarga de Na 0. 44 MnO 2 material se estudió en Dai Kehua, de la Universidad Northeastern. Se encontró que se formó Mn2 + en la superficie del material a bajo potencial. La resina conductora de resina fenólica PFM podría mejorar la capacidad específica reversible del polvo puro de Sn. Para lograr una carga y descarga estables. La Universidad de Zhongnan Xiao Zhongxing et al. sinterizado por el método hidrotérmico y el método de alta temperatura en fase sólida para sintetizar Na 0. 44 MnO 2 de pureza más alta, y el metal sodio se usó como electrodo negativo para ensamblar una batería de tipo botón, con una capacidad de 0. Ciclo 5 C 20 veces. La tasa de retención fue del 98.9%; Zhang Junxi de Shanghai Electric Power College sintetizó los cristales de NaFePO 4 de la estructura de olivino, que se usó como material de cátodo para baterías de ión sodio y tenía un buen rendimiento electroquímico. El profesor adjunto Deng Jianqiu de la Universidad de Tecnología Electrónica de Guilin preparó un sulfuro nano-lineal de estroncio por método hidrotermal y lo utilizó como material de electrodo negativo para baterías de iones de sodio. El material tiene una capacidad específica de primera descarga de 552 mAh / g a 100 mA / g. Después de 55 ciclos, la capacidad de retención es del 85,5%. Se realiza un ciclo 40 veces a 2 A / gy vuelve a 100 mA / La corriente de g y la capacidad específica de la descarga se restauran a 580 mAh / g, lo que indica que el rendimiento del ciclo del material del electrodo negativo es bueno, y La estructura se puede mantener estable después de un gran ciclo de corriente. 2 baterías de litio-azufre Actualmente, la investigación de las baterías de litio-azufre se centra en los materiales de los electrodos, como materiales de carbón poroso, materiales compuestos, etc., destinados a mejorar la seguridad de la batería, el ciclo de vida y la densidad de energía. El material de carbono desarrollado por Zhang Hongzhang del Instituto de Física Química de Dalian de la Academia de Ciencias de China tiene un gran volumen de poros (> 4. 0 cm 3 / g), un área de superficie específica alta (> 1 500 m 2 g), y un alto contenido de azufre (> 70%). Bajo la condición de alto contenido de azufre (3 mg / cm 2), la capacidad específica específica de descarga de 0,1 C es de 1 200 mAh / g; El profesor Chen Yong de la Universidad de Hainan usa Ti 3 C 2 de estructura de acordeón bidimensional como material de electrodo positivo. Combinada con azufre para obtener el compuesto de S / Ti 2 C 3, la capacidad específica de descarga inicial alcanzó 1 291 mAh / g con una corriente de 200 mAh / gy la capacidad específica reversible del ciclo fue de 970 mAh / g.5. El investigador Zhang Huamin de 3 flujos, del Instituto de Química y Física de Dalian, de la Academia de Ciencias de China, presentó un informe sobre el progreso de la investigación y la aplicación de la tecnología de almacenamiento de energía de la batería líquida e introdujo el progreso del desarrollo del electrolito de la batería líquida, membrana conductora de iones sin fluoruro y reactor de potencia de alta especificidad. Y los resultados de la investigación en el sistema de batería de flujo. Desarrollaron una pila de baterías de flujo de alta potencia de 32 kW de clase que se cargó y descargó a una densidad de corriente de 120 mA / cm 2 con una eficiencia energética del 81.2%, lo que permite una producción a gran escala, de los cuales 5 MW / 10 MWh de flujo. batería El sistema de almacenamiento de energía se ha implementado en la red.6 ConclusiónLas baterías de ión-litio, los supercapacitores y las pilas de combustible siguen siendo el foco de la investigación sobre baterías; Otras baterías, como las baterías de iones de sodio, las baterías de flujo y las baterías de litio-azufre, también están evolucionando. El enfoque de investigación actual de varios tipos de baterías aún es desarrollar materiales de electrodos para lograr una mayor capacidad, eficiencia, rendimiento del ciclo y rendimiento de seguridad. Introducción a todos los materiales sólidos de electrolito
Fuente: Meeyou Carbide