اخبار صنعت

طراحی جدید باتری می تواند به خودروهای برقی تکان بخورد

2021-06-16
پیشرفت قابل توجهی در معماری باتری می تواند پیشرفت بزرگی برای خودروهای برقی و ذخیره سازی شبکه باشد.



نمونه ای از "نفت خام کمبریج" - یک ماده سیاه و سفید که می تواند یک نوع باتری بسیار کارآمد را تغذیه کند. نمونه اولیه باتری جریان نیمه جامد در پشت فلاسک دیده می شود.



اعضای تیم تحقیق شامل (از چپ به راست) فارغ التحصیل اخیر Mihai Duduta â € 10 ، پروفسور W. Craig Carter ، دانشجوی کارشناسی ارشد برایان هو و پروفسور Yet-Ming Chiang بودند.

یک رویکرد کاملاً جدید در طراحی باتری ها ، که توسط محققان MIT توسعه یافته است ، می تواند جایگزینی سبک و ارزان برای باتری های موجود برای خودروهای برقی و شبکه برق ارائه دهد. این فناوری حتی می تواند "سوخت گیری" باتری هایی مانند پمپاژ گاز به داخل یک ماشین معمولی را سریع و آسان انجام دهد.

باتری جدید متکی بر معماری ابتکاری به نام سلول جریان نیمه جامد است که در آن ذرات جامد در مایع حامل معلق شده و از طریق سیستم پمپ می شوند. در این طرح ، اجزای فعال باتری - الکترودهای مثبت و منفی ، یا کاتد و آند - از ذرات معلق در الکترولیت مایع تشکیل شده است. این دو سیستم تعلیق مختلف از طریق سیستم هایی که توسط یک فیلتر جدا شده اند ، مانند یک غشای متخلخل نازک ، پمپ می شوند.

کار توسط Mihai Duduta ™ € ™ 10 و دانشجوی کارشناسی ارشد برایان هو ، تحت رهبری استادان علوم مواد W. Craig Carter و Yet-Ming Chiang انجام شد. در مقاله ای که در 20 مه در مجله Advanced Energy Materials منتشر شد توضیح داده شده است. این مقاله توسط دانشمند بازدید کننده Pimpa Limthongkul ™ € ™ 02 ، Postdoc Vanessa Wood ™ € ™ 10 و دانشجوی کارشناسی ارشد Victor Brunini â € ™ 08 نوشته شده است.

یکی از ویژگیهای مهم طراحی جدید این است که دو عملکرد باتری را ذخیره می کند - انرژی را تا زمان نیاز ذخیره می کند و آن انرژی را در صورت نیاز به استفاده در ساختارهای فیزیکی جدا می کند. (در باتری های معمولی ، ذخیره و تخلیه هر دو در یک ساختار انجام می شود.) چیانگ می گوید که تفکیک این عملکردها به این معنی است که باتری ها می توانند کارآمدتر طراحی شوند.

طراحی جدید باید اندازه و هزینه یک سیستم کامل باتری ، از جمله تمام پشتیبانی و اتصالات ساختاری آن را به نصف سطح فعلی کاهش دهد. به گفته محققان ، این کاهش چشمگیر می تواند کلید رقابت کامل خودروهای برقی با خودروهای معمولی مجهز به گاز یا دیزل باشد.

مزیت احتمالی دیگر این است که در برنامه های کاربردی خودرو ، چنین سیستمی امکان "سوخت گیری مجدد" باتری را با پمپاژ دوغاب مایع و پمپاژ در یک جایگزین تازه و کاملاً شارژ شده یا با تعویض مخازن مانند لاستیک فراهم می کند. در یک توقفگاه ، در حالی که هنوز گزینه شارژ مجدد مواد موجود در زمان مجاز را حفظ می کنید.

باتری های جریان برای مدتی وجود داشته اند ، اما از مایعات با چگالی انرژی بسیار پایین (میزان انرژی قابل ذخیره در یک حجم معین) استفاده کرده اند. به همین دلیل ، باتری های جریان فعلی فضای بیشتری را نسبت به سلول های سوختی اشغال می کنند و نیاز به پمپاژ سریع مایع خود دارند و کارایی آنها را بیشتر کاهش می دهد.

باتری های نیمه جامد جدید که توسط چیانگ و همکارانش راه اندازی شده اند با غلبه بر این محدودیت ، چگالی انرژی را 10 برابر نسبت به باتری های جریان مایع کنونی و هزینه کمتری نسبت به باتری های لیتیوم یون معمولی ارائه می دهند. از آنجا که این ماده دارای چگالی انرژی بالایی است ، نیازی به پمپاژ سریع برای ارائه قدرت خود ندارد. چیانگ می گوید: "به نوعی سرازیر می شود." کارتر می گوید ، چون سیستم تعلیق مانند گوجه سیاه به نظر می رسد و می تواند به جای نفت برای حمل و نقل مورد استفاده قرار گیرد ، "ما آن را" نفت خام کمبریج "می نامیم.

بینش کلیدی تیم چیانگ این بود که می توان با کاهش مواد جامد باتری ها به ذرات ریز قابل حمل ، ساختار اصلی باتری های آبی را با شیمی ثابت شده باتری های لیتیوم-یون ترکیب کرد. یک سوسپانسیون مایع مشابه روش شن روان می تواند مانند یک مایع جریان یابد حتی اگر بیشتر از ذرات جامد تشکیل شده باشد. کارتر می گوید: "ما از دو فناوری اثبات شده استفاده می کنیم و آنها را کنار هم قرار می دهیم."

علاوه بر کاربردهای احتمالی در خودروها ، سیستم باتری جدید را می توان با هزینه کم تا اندازه های بسیار بزرگ افزایش داد. این امر به ویژه برای ذخیره سازی مقیاس بزرگ برق برای تأسیسات برق مناسب است و به طور بالقوه منابع متناوب و غیرقابل پیش بینی مانند باد و انرژی خورشیدی را برای تأمین برق شبکه های الکتریکی عملی می کند.

چیانگ می گوید ، تیم تلاش کرد تا باتری قابل شارژ را دوباره اختراع کند. اما دستگاهی که آنها ارائه دادند به طور بالقوه یک خانواده کامل از سیستم های باتری جدید است ، زیرا این معماری طراحی است که به هیچ شیمی خاصی مرتبط نیست. چیانگ و همکارانش در حال حاضر در حال بررسی ترکیبات شیمیایی مختلف هستند. می تواند در سیستم جریان نیمه جامد استفاده شود. چیانگ می گوید: "ما خواهیم فهمید که امروزه عملاً چه چیزی را می توان توسعه داد" ، اما با افزایش مصالح بهتر می توانیم آنها را با این معماری سازگار کنیم.

یوری گوگوتی ، استاد برجسته دانشگاه درکسل و مدیر موسسه فناوری نانو درکسل ، می گوید: "نشان دادن باتری نیمه جامد لیتیوم یونی یک پیشرفت بزرگ است که نشان می دهد می توان از مواد فعال از نوع دوغاب استفاده کرد." برای ذخیره انرژی الکتریکی. "او می گوید ، این پیشرفت" اهمیت فوق العاده ای برای آینده تولید و ذخیره انرژی دارد. "

گوگوتی هشدار می دهد که ساخت نسخه تجاری و تجاری چنین باتری برای یافتن مواد و الکترولیت های کاتد و آند بهتر نیاز به تحقیق دارد ، اما می افزاید: "من مشکلات اساسی را نمی بینم که نمی توان آنها را برطرف کرد" مسائل مهندسی البته ، توسعه سیستم های کاری که بتوانند از نظر هزینه و کارایی با باتری های موجود رقابت کنند ، ممکن است سالها طول بکشد

چیانگ ، که بینش های اولیه اش در زمینه شیمی باتری های لیتیوم-یون منجر به تاسیس 2001 سیستم M12 spinoff A123 Systems شد ، می گوید که این دو فناوری مکمل یکدیگر هستند و کاربردهای بالقوه متفاوتی را مورد بررسی قرار می دهند. به عنوان مثال ، باتری های جدید نیمه جامد جدید احتمالاً هرگز برای کاربردهای کوچکتر مانند ابزارها مناسب نیستند ، یا در مناطقی که انفجارهای کوتاه با قدرت بسیار بالا مورد نیاز است-در مناطقی که باتری A123 برتری دارد.

این فناوری جدید دارای مجوز به شرکتی به نام 24M Technologies است که تابستان گذشته توسط چیانگ و کارتر همراه با کارآفرین تروپ وایلدر ، که رئیس شرکت است ، تاسیس شد. این شرکت در حال حاضر بیش از 16 میلیون دلار سرمایه گذاری خطرپذیر و تامین مالی تحقیقات فدرال جمع آوری کرده است.

توسعه این فناوری تا حدی از کمک های مالی آژانس پروژه های تحقیقاتی دفاعی وزارت دفاع ایالات متحده و انرژی (ARPA-E) توسط آژانس پروژه های تحقیقاتی پیشرفته تأمین شده است. تحقیقات مداوم در مورد این فناوری تا حدودی در 24M انجام می شود ، جایی که برخی از فارغ التحصیلان MIT اخیر که روی پروژه کار کرده اند ، بخشی از تیم هستند. در MIT ، جایی که پروفسورها آنجلا بلچر و پائولا هاموند همکار تحقیق هستند. و در روتگرز ، با استاد گلن آماتوچی.

هدف کار مداوم تیم ، تحت یک کمک سه ساله ARPA-E که در سپتامبر 2010 اعطا شد ، این است که ، تا پایان دوره اعطا ، یک سیستم نمونه اولیه با کارکرد کامل و مقیاس کوچک داشته باشد. ، چیانگ می گوید ، آماده است تا به عنوان جایگزینی برای باتری های خودروهای برقی موجود ، تولید شود.