Neden 800 kilometreyi hedeflemeliyiz? Bu değer, çoğu insanın seyir aralığı için beklenen en yüksek değer olduğundan, elektrik aracının seyir aralığı 800 kilometreye ulaşamazsa ve maliyet çoğu insan tarafından kabul edilebilirse, elektrikli araç daha az popülerliğe sahip olacaktır. Bu değeri Battery 500 projemizin amacına ayarladık. Proje 2009 yılında başladı ve Almaden Araştırma Merkezi tarafından yönetiliyor. O zamandan beri IBM, bu araştırmayı Avrupa, Asya ve Amerika Birleşik Devletleri'nden bir dizi iş ortağı ve araştırma enstitüsü ile gerçekleştirdi. Battery 500 projesi metal hava teknolojisine dayanmaktadır. Lityum pillerle karşılaştırıldığında, metal hava pilleri birim kütle başına daha fazla enerjiye sahiptir. Proje araştırmasının ticarileştirilmesi hala birkaç yıl sürüyor. Ancak bu yedi yıllık deneyler boyunca, gelecekteki metal hava pilinin elektrikli araçlarda gerçekten yararlı olduğunu düşünebiliriz. Neden metal hava pil? Lityum-hava pilleri örnek olarak almak, bu sorunu anlamak için önce lityum iyon piller (şimdi yaygın lityum piller) ve lityum-hava piller arasındaki farka bakalım. Aşağıdaki şekil, lityum iyon pilin şarjı ve deşarjı sırasında pilin iç durumunu göstermektedir. Geleneksel bir lityum iyon pilinde, pozitif elektrot karbondur ve negatif elektrot kobalt, nikel, manganez ve benzerleri gibi farklı geçiş metal oksitlerinden oluşur. Her iki elektrot da bir lityum tuzunun çözüldüğü bir elektrolite daldırıldı. Şarj ve deşarj sırasında, lityum iyonları bir elektrottan diğerine geçer. Hareket yönü, bataryanın durumuna bağlı olarak pilin şarj edilmesine veya boşaltılmasına bağlı olarak değişir. Şarj ve deşarj sırasında, lityum iyonları nihayet elektrot malzemesinin atomik tabakasına gömülür ve bu nedenle nihai pilin kapasitesi, lityum iyonlarını ne kadar barındırabileceğine bağlıdır, yani hacim ve kalitesi ile belirlenir. Elektrotlar. 
△ Lityum-iyon pil şarjı ve boşaltma işlemi
Lityum-hava piller değişir. Metal hava pillerinde elektrokimyasal reaksiyon gerçekleşir. Deşarj işlemi sırasında, lityum içeren pozitif elektrot lityum iyonlarını serbest bırakır ve lityum iyonları negatif elektrota doğru hareket eder ve lityum peroksit oluşturmak için negatif elektrotun yüzeyinde oksijen ile reaksiyona girer (Li 2O2). Lityum iyonları, elektronlar ve oksijen, gözenekli karbon tarafından oluşturulan negatif elektrot yüzeyinde reaksiyona girer, çünkü kimyasal reaksiyon negatif elektrotta meydana gelmez ve lityum iyonu negatif elektrot malzemesi değildir. Bu nedenle, pilin kapasitesi ve negatif elektrot malzemesinin hacmi veya kütlesi çok yüksek değildir. Yeterli yüzey alanı olduğu sürece büyük ilişki. Yani, lityum hava pilinin kapasitesi, elektrotun hacmi ve kalitesi ile değil, elektrotun yüzey alanı ile belirlenir. Bu yüzden bir lityum hava pilinde, küçük kütleli bir elektrot da büyük miktarda enerji depolayabilir, bu da daha yüksek bir enerji yoğunluğuna neden olabilir. 
△ Lityum-hava pil şarjı ve deşarj işlemi
Tabii ki, enerji yoğunluğuna ek olarak, maliyet de önemli bir husustur. Pilin fiyatı şu anda 200-300 ABD doları / kWh aralığında, kwh başına 5-6 km çalışabiliyorsanız, 800 km'lik bir pile ihtiyacınız varsa, 30.000-4.5 milyona ihtiyacınız var. Bir BMW 2 Serisi otomobilin sadece 33.000 $ 'a ihtiyacı var. Bu nedenle, toplu üretim yapmak istiyorsanız, kWh başına fiyat 100 doların altına düşmelidir. Lityum-hava pil ticarileştirmesi için hangi sorunları çözmeliyim? Lityum ve oksijen basitçe bir redoks reaksiyonuna maruz kaldığında, üretilebilen teorik maksimum enerji yoğunluğu 3.460 Wh/kg'dır. Hücrenin kimyasal reaksiyona girmeyen kısmının yanı sıra, sonuçta elde edilebilecek enerji yoğunluğunun değeri de çok arzu edilir. Tabii ki, sorunlarla da karşılaşacaksınız. Bir lityum hava pilinin şarj işlemi, harici olarak basınçlı olduğu sürece, geleneksel bir lityum iyon pilininkine benzer. Fark, bir lityum hava pilinde, harici bir voltaj olduğunda, lityum peroksitin yapısının yok edilmesi ve oksijen ve lityum iyonlarına indirgenmesi ve lityum iyonlarının pozitif elektrota geri döndürülmesidir. Geleneksel lityum piller gibi lityum hava pilleri, daha fazla şarj ve deşarj döngülerine sahiptir ve pilin içinde daha fazla yan etkiye sahiptir. Bu yan etkiler kitlesel üretimleri ve hatta ticarileştirmeleri için temeldir. Bu yan etkilerin batarya üzerindeki etkilerini anlamak için, her yük ve deşarj döngüsü sırasında tüketilen ve üretilen gaz miktarını doğru bir şekilde ölçmek için araştırma merkezinde elektrokimyasal kütle spektrometresini kullandık. Sonuç olarak, bir sorun keşfedildi: Lityum-hava pil, şarj sırasında deşarj sırasında tüketilen oksijenden çok daha az oksijen yayar. (Testte, hava yerine kuru oksijen kullanılır.) 
△ IBM Araştırma Merkezi'nin Elektrokimyasal Kütle Spektrometresi (: IBM)
İdeal bir pil hücresinde, deşarj sırasında tüketilen oksijen, şarj sırasında salınan oksijen kütlesine eşittir. Ancak çalışma, salınan oksijen miktarının daha az olduğunu buldu, yani serbest bırakılmayan oksijenin, pil ünitesindeki bileşenlerle reaksiyona girmesi muhtemel olduğunu buldu, örneğin elektrolite erimiş, pil içeride. Tüketim. Zürih'teki başka bir IBM laboratuvarında, bu kendi kendini yıkıcı kimyasal reaksiyonu izlemek ve bilgisayarlı hale getirmek için yeni deneyler yaptık. Son olarak, nedeni organik elektrolit üzerinde bulundu. Sonra bu sorunu inceledik. En son pil ünitesinde, yeni bir elektrolit kullandıktan sonra, deşarj sırasında emilen oksijenin çoğunu serbest bırakabilir. Ek olarak, şarj ve deşarj sırasında hidrojen ve su tüketimini ve üretimini de izliyoruz, çünkü bu iki maddenin varlığı, pilin içinde en az bir kendini tüketen kimyasal reaksiyon olacağı anlamına geliyor. Mevcut pil ünitemiz 200 şarj ve deşarj döngüsü elde edebildi, ancak bu gerçek şarj işlemini teorik maksimumdan çok daha az hale getirecek. Bu soruna ek olarak, lityum hava pilinin çeşitli bileşenleri hakkında bazı önemli bulgularımız var: 1. Pozitif elektrot, geleneksel lityum iyon bataryasında grafitten yapılmış pozitif elektrottan farklıdır. Lityum hava pilinde, lityum içeren pozitif elektrot şarj işlemi sırasında bazı yüzeyleri değiştirecek ve bazı yosun benzeri veya ağaç benzeri yapılar büyür. Bu bir dendrit. Bu dendritler çok tehlikelidir, çünkü kısa devre oluşturmak için pozitif ve negatif elektrotlar arasında iletken bir döngü oluşturabilirler. 
△ Lityum-hava pil pozitif elektrot, birkaç on döngüden sonra yüzey dendritik yapı üretir
Dendritlerin oluşumunu azaltmak için özel bir izolasyon zarı kullandık. Bu ayırıcı, lityum iyonlarının geçişine izin vermek ve dendritik üretimi baskılamak için membran boyunca yeterince küçük ve eşit olarak dağıtılan birçok nano ölçekli gözenek içeren bir malzeme tabakasından oluşur. Bu ayırıcının varlığı nedeniyle, anot birkaç yüz şarj döngüsünden sonra pürüzsüz kalır. Geleneksel bir ayırıcı kullanılırsa, dendritler birkaç döngüden sonra oluşacaktır. İletken iyonlara sahip bir cam polimer kullanırsanız, etki daha iyi olacaktır. 
△ Lityum-hava pil pozitif elektrot, nano-izolasyon filmi kullandıktan sonra yüzey pürüzsüz kalır
2. Elektrolitte şu anda kullanılan elektrolit hala yük ve deşarj döngüsünde üretilen oksijen veya diğer bileşiklerle reaksiyona girer ve böylece tüketilir. Şimdiye kadar, lityum hava pilinin ticari aşamaya girmesine izin verecek kadar sabit olan herhangi bir çözücü bulamadık. 3. Şarj işlemi sırasında, lityum iyonları lityum nitrat üretmek için negatif elektrot ile reaksiyona girebilir. Lityum nitrat ayrıca elektrolit ile reaksiyona girer, elektrolit tüketir ve karbondioksit üretir. Testte, üretilen lityum nitrat miktarını da izledik ve üretimini azaltmak için bazı önlemler aldık. Bununla birlikte, gerekli şarj voltajı, pilin çalışma voltajından en az 700mV daha yüksek olmalıdır. Aşırı gerilim, pilin şarj verimliliğini azaltacaktır. Karbonları diğer bazı metal oksitlere dönüştürmeye çalıştık ve sonuçlar çok fazla değişmedi. 4. Katalizörler Metal hava pillerinde katalizörlerin kullanılıp kullanılmadığı konusunda, profesyoneller ve rakipler arasında birçok tartışma olmuştur. Bir katalizörün kullanımı aşırı basınç koşullarının oluşumunu önemli ölçüde azaltabilir, ancak aynı katalizör genellikle elektrolit tüketimini de hızlandıracaktır. Teorik çalışmalarımızda, aktivasyon enerjisi lityumun oksidasyonu ve azaltılmasında çok düşüktür. Bu nedenle, lityum-hava pillerinde katalizör gerekli değildir. 5. Havanın Hazırlanması Pilin lityum hava pili olarak adlandırılmasına rağmen, aslında kuru oksijen kullanıyoruz. "Kurutma" üzerine vurgu yapılır, çünkü sadece havada su buharı ve karbondioksit bileşenlerini çıkarmak gerekir. Ticari pillerde bu tür havayı seri olarak üretmek için hafif, verimli ve kararlı bir hava saflaştırma sistemine ihtiyaç vardır. Bu açıdan bakıldığında, lityum hava pillerinin pratik uygulaması otobüslerde, kamyonlarda ve diğer büyük araçlarda olabilir. Sadece bu büyük araçlar hava saflaştırma ekipmanlarını barındırabilir. Şu anda test için kullanılan pil ünitesi hala küçük, 76 mm çapında ve 13 mm uzunluğundadır, bu da elektrikli araç standardı için yeterli değildir. Bu nedenle, yapılması gereken en önemli görevlerden biri, daha büyük pil hücrelerinin nasıl yapılması, birçok pil hücresinin bir pil paketine nasıl paketlenmesi ve paketlenmesi ve daha sonra bir pil yönetim sistemine sahip olmasıdır. Ayrıca 100 x 100mm (100mm çap, 100mm uzunluk) gibi bazı farklı boyutları test ediyoruz. Şu anda, bu proje hala malzeme ve kimyasal reaksiyonlar üzerindeki ilk temel bilim aşamasındadır, ancak elde edilen sonuçlar olumludur. Çalışmamızda, şimdi elde edilebilen enerji yoğunluğu, 15 kWh/kg'lık lityum oksidoredüktif reaksiyondur (ham karbon katot, 5700 mAh x 2.7 v/g kullanılarak) ve hücredeki enerji yoğunluğu yaklaşık 800 WH/kg'dır. . Sodyum-hava pil: Düşük enerjili yoğunluk, ancak stabil metal hava pillerinde, lityum, sodyum ve potasyumun yanı sıra kullanılabilecek birçok metal vardır. Bu metallerin ters reaksiyonu daha kolaydır ve magnezyum, alüminyum, çinko, demir vb. Gibi nispeten daha ağır metallerin şarj edilmesinin zor olduğu kanıtlanmıştır, bu nedenle Battery 500 projesi hem lityum hem de sodyum incelemeyi seçmiştir. metal. Sodyum-hava pilleri bir başka ilginç kombinasyondur, ancak elde edilebilen enerji yoğunluğu lityum-hava pillerine kıyasla daha düşüktür, ancak faydaları daha kararlıdır. Enerji yoğunluğunun düşük olmasının nedeni, üretilen kimyasal reaksiyonun farklı olmasıdır. Yukarıda belirtildiği gibi, lityum-hava pillerinde lityum, lityum peroksit (Li2O2) üretmek için oksijen ile reaksiyona girer, ancak sodyum-hava pillerinde sodyum, sadece bir elektron kullanarak oksijen ile reaksiyona girer, bu da sodyum süperoksit NaO2 ile sonuçlanır. Sodyum peroksit yerine, Na2O2. Buna karşılık, bir sodyum hava pilinin üretebileceği enerji yoğunluğu teorik olarak yarı yarıya azalır ve enerji yoğunluğunun teorik üst sınırı 1100 WH/kg'dır. Öte yandan, sodyum-hava pilleri lityum hava pillerinden daha verimlidir ve aşırı gerilim 20mV'ten (lityum için 700mV) oldukça düşüktür. Bu göz önüne alındığında, pil ünitesinin çalışma voltajı 3V'ye düşürülebilir, böylece pil içindeki diğer bileşenlerin kendi kendini tüketmesi elektrolit gibi çok azaltılabilir. Deneyle ölçtük ve doğrulandık. Bu, pilin stabilitesinin oldukça yüksek olması ve 50 şarj ve deşarj döngülerinden sonra pilin kapasitesinin neredeyse hiç değişmesi avantajına sahiptir. Sodyum-hava pillerinin ticari kullanımında da bazı zorluklar vardır. Örneğin, bir sodyum hava pil, bir reaksiyona yanıt olarak, aynı gücün pistonlu bir motor üretmek için gereken hava miktarına eşdeğer bir lityum hava pilinden iki kat daha fazla oksijen tüketir. Buna ek olarak, sodyum metalin kimyasal aktivitesi oldukça yüksektir ve birçok insan lise sınıfında kimya öğretmeni tarafından yapılan gösteriyi hatırlayacaktır. Küçük bir sodyum parçası suya atılır ve şiddetli bir kimyasal reaksiyon meydana gelir. Bununla birlikte, lityum nadir bir metaldir ve ucuz değildir. Ancak sodyum yaygın bir metaldir ve maliyet son derece düşüktür. Aynı boyutta sodyum-hava pildeki malzemelerin maliyeti, lityum hava pillerindeki ondan biri. Uzun vadede, lityum hava pilleri daha iyi performansa sahip olacak, ancak stabilite ve maliyet göz önüne alındığında, enerji kadar düşük olmayan sodyum-hava pil, mevcut pilden geleceğe daha iyi bir seçim olacaktır. 0 kez
Window._bd_share_config = {"ortak": {"bdsnskey": {}, "bdtext": "", "bdmini": "2", "bdminilist": "bdpic": "", "bdstyle": " 0 "," bdSize ":" 24 "}," paylaş ": {}," image ": {" viewlist ": [" qzone "," tqq "," Renren "," weixin "], "Viewtext": "Paylaş:", "ViewSize": "16"}, "SelectShare": {"bdcontainerclass": null, "bdselectMinilist": ["qzone", "tsina", "tqq", "Renren" , "weixin"]}}; (belge) 0 [(getElementsByTagName ('Head') [0] || gövde) .AppendChild (CreateElement ('script')). Src = 'http: //bdimg.share. Baidu.com/static/api/js/share.js?v=89860593.js?
