Varför ska vi sikta på 800 kilometer? Eftersom detta värde är det högsta förväntade värdet för de flesta människors kryssningsområde, om elfordonets kryssningsområde inte kan nå 800 kilometer, och kostnaden kan accepteras av de flesta, kommer elfordonet att ha mindre popularitet. Så vi sätter detta värde på målet för vårt Battery 500 -projekt. Projektet inleddes 2009 och domineras av Almaden Research Center. Sedan dess har IBM genomfört denna forskning med ett antal affärspartners och forskningsinstitut från Europa, Asien och USA. Batteri 500-projektet är baserat på metall-luftteknologi. Jämfört med litiumbatterier har metall-luftbatterier mer energi per enhetsmassa. Projektforskningen tar fortfarande flera år att kommersialiseras. Men genom dessa sju års experiment kan vi tänka att det framtida metall-luftbatteriet verkligen är användbart i elektriska fordon. Varför är det ett metall-luftbatteri? Genom att ta litium-luftbatterier som ett exempel för att förstå detta problem, låt oss först titta på skillnaden mellan litiumjonbatterier (nu vanliga litiumbatterier) och litium-luftbatterier. Figuren nedan visar batteriets inre tillstånd under laddning och urladdning av litiumjonbatteriet. I ett konventionellt litiumjonbatteri är den positiva elektroden kol, och den negativa elektroden består av olika övergångsmetalloxider såsom kobolt, nickel, mangan och liknande. Båda elektroderna nedsänktes i en elektrolyt där ett litiumsalt löstes. Under laddning och urladdning flyttar litiumjoner från en elektrod till den andra. Rörelsesriktningen skiljer sig beroende på om batteriet laddas eller släpps beroende på batteriets tillstånd. Vid tidpunkten för laddning och urladdning är litiumjoner slutligen inbäddade i atomskiktet i elektrodmaterialet, och därmed beror kapaciteten hos det slutliga batteriet på hur mycket material som rymmer litiumjoner, det vill säga bestäms av volymen och kvaliteten på det elektroderna. 
△ Litiumjonbatteriladdning och urladdningsprocess
Litium-luftbatterier varierar. I metall-luftbatterier sker en elektrokemisk reaktion. Under urladdningsprocessen frigör den litiuminnehållande positiva elektroden litiumjoner, och litiumjonerna rör sig mot den negativa elektroden och reagerar med syre på ytan av den negativa elektroden för att bilda litiumperoxid (Li 2 O2). Litiumjoner, elektroner och syre reagerar på ytan av den negativa elektroden som bildas av poröst kol, eftersom den kemiska reaktionen inte förekommer på den negativa elektroden, och litiumjonen är inte det negativa elektrodmaterialet. Därför är batteriets kapacitet och volymen eller massan för det negativa elektrodmaterialet inte för hög. Stor relation, så länge det finns tillräckligt med ytarea. Det vill säga, kapaciteten för litium-luftbatteriet bestäms inte av elektrodens volym och kvalitet, utan elektrodens ytarea. Detta är anledningen till att i ett litium-luftbatteri kan en elektrod med små massa också lagra en stor mängd energi, vilket resulterar i en högre energitäthet. 
△ Litium-luft batteriladdning och urladdningsprocess
Förutom energitäthet är kostnaden också ett viktigt övervägande. Priset på batteriet ligger för närvarande i intervallet 200-300 dollar / kWh, om du kan köra 5-6 km per kWh, 800 km behöver ett 150 kWh-batteri, behöver du 30 000-4,5 miljoner. En BMW 2 -seriebil behöver bara $ 33 000. Därför, om du vill massproduktion, måste priset per kWh sjunka under 100 $. Vilka problem ska jag lösa för litium-air batteri-kommersialisering? När litium och syre helt enkelt utsätts för en redoxreaktion är den teoretiska maximala energitätheten som kan produceras 3 460 wh/kg. Bortsett från den del av cellen som inte genomgår en kemisk reaktion, är värdet på energitätheten som i slutändan kan uppnås mycket önskvärt. Naturligtvis kommer du också att stöta på problem. Laddningsprocessen för ett litium-luftbatteri liknar det för ett konventionellt litiumjonbatteri, så länge det är externt trycksatt. Skillnaden är att i ett litium-luftbatteri, när det finns en yttre spänning, förstörs strukturen för litiumperoxiden, och den reduceras till syre och litiumjoner, och litiumjonerna återförs till den positiva elektroden. Litium-luftbatterier, som traditionella litiumbatterier, har mer laddnings- och urladdningscykler och har fler biverkningar inuti batteriet. Dessa biverkningar är grundläggande för deras massproduktion och till och med kommersialisering. För att förstå effekterna av dessa biverkningar på batteriet använde vi den elektrokemiska masspektrometern vid forskningscentret för att exakt mäta mängden gas som konsumeras och produceras under varje laddnings- och urladdningscykel. Som ett resultat har ett problem upptäckts: litium-luftbatteriet avger mycket mindre syre under laddning än det syre som konsumeras under utsläpp. (I testet används torrt syre istället för luft.) 
△ IBM Research Center: s elektrokemiska masspektrometer (: IBM)
I en idealisk battericell är syre som konsumeras under urladdning lika med massa av syre som frigörs under laddning. Men studien fann att mängden frisatt syre är mindre, vilket innebär att syre som inte frigörs sannolikt kommer att reagera med komponenterna i batteriten, såsom smältning i elektrolyten, batteriet är inuti. Konsumtion. I ett annat IBM-laboratorium i Zürich genomförde vi nya experiment för att spåra och datorisera denna självförstörande kemiska reaktion. Slutligen hittades orsaken till den organiska elektrolyten. Sedan studerade vi detta problem. I den senaste batterienheten, efter att ha använt en ny elektrolyt, kan den frigöra det mesta av syre som absorberas under utsläpp. Dessutom spårar vi också konsumtion och produktion av väte och vatten under laddning och urladdning, eftersom närvaron av dessa två ämnen innebär att det sannolikt kommer att finnas minst en kemisk reaktion i självförbrukning i batteriet. Vår nuvarande batterienhet har kunnat uppnå 200 laddnings- och urladdningscykler, även om detta är för att göra den faktiska laddningsprocessen mycket mindre än det teoretiska maximumet. Utöver detta problem har vi några viktiga resultat om de olika komponenterna i litium-luftbatteriet: 1. Den positiva elektroden skiljer sig från den positiva elektroden gjord av grafit i det traditionella litiumjonbatteriet. I litium-luftbatteriet kommer den positiva elektroden som innehåller litium att förändra en viss yta under laddningsprocessen, och en del mossliknande eller trädliknande struktur växer. Det är en dendrit. Dessa dendriter är mycket farliga eftersom de kan bilda en ledande slinga mellan de positiva och negativa elektroderna för att skapa en kortslutning. 
△ Litium-luft Batteri Positiv elektrod, efter flera tiotals cykler producerar ytan dendritisk struktur
För att minska förekomsten av dendriter använde vi ett speciellt isoleringsmembran. Denna separator består av ett lager av material som innehåller många nanoskala porer som är tillräckligt små och jämnt fördelade över membranet för att möjliggöra passering av litiumjoner och för att undertrycka dendritisk produktion. På grund av närvaron av denna separator förblir anoden smidig efter flera hundra laddningscykler. Om en traditionell separator används kommer dendriter att inträffa efter flera cykler. Om du använder en glaspolymer med ledande joner blir effekten bättre. 
△ Litium-luft Batteri Positiv elektrod, efter att ha använt nano-isoleringsfilm förblir ytan smidig
2. Den elektrolyt som för närvarande används i elektrolyten reagerar fortfarande med syre eller andra föreningar som produceras i laddnings- och urladdningscykeln och konsumeras således. Hittills har vi inte hittat något lösningsmedel som är tillräckligt stabilt för att litium-luftbatteriet kommer in i det kommersiella stadiet. 3. Under laddningsprocessen kan litiumjoner reagera med den negativa elektroden för att producera litiumnitrat. Litiumnitrat reagerar också med elektrolyten, konsumerar elektrolyten och producerar koldioxid. I testet spårade vi också mängden litiumnitrat som producerades och vidtog några åtgärder för att minska produktionen. Eftersom den nödvändiga laddningsspänningen måste vara högre än batteriets driftspänning med minst 700 mV. Överspänning minskar batteriets laddningseffektivitet. Vi har försökt omvandla kol till vissa andra metalloxider, och resultaten har inte förändrats mycket. 4. Katalysatorer När det gäller att använda katalysatorer i metall-batterier eller inte har det varit många debatter mellan proffsen och motståndarna. Användningen av en katalysator kan avsevärt minska förekomsten av övertrycksbetingelser, men samma katalysator kommer i allmänhet också att påskynda konsumtionen av elektrolyt. I våra teoretiska studier är aktiveringsenergin mycket låg i oxidationen och reduktionen av litium. Därför är katalysatorn i litium-luftbatterier inte nödvändig. 5. Beredning av luft Även om batteriet kallas ett litiumluftbatteri använder vi faktiskt torrt syre. Tyngdpunkten läggs på "torkning" eftersom det bara är nödvändigt att ta bort komponenterna i vattenånga och koldioxid i luften. För att massproducera sådan luft i kommersiella batterier behövs ett lätt, effektivt och stabilt luftreningssystem. Ur detta perspektiv kan den praktiska tillämpningen av litium-luftbatterier vara i bussar, lastbilar och andra stora fordon. Endast dessa stora fordon kan rymma luftreningsutrustning. Batterienheten som för närvarande används för testning är fortfarande liten i storlek, 76 mm i diameter och 13 mm lång, vilket är tillräckligt långt ifrån för standarden för elektriska fordon. Så en av de viktigaste uppgifterna som måste göras är hur man gör större battericeller, förpackar och packar många battericeller i ett batteripaket och sedan har ett batteriledningssystem. Vi testar också några olika storlekar, till exempel 100 x 100 mm (100 mm diameter, 100 mm längd). För närvarande befinner sig detta projekt fortfarande i det första grundläggande vetenskapsstadiet på material och kemiska reaktioner, men de erhållna resultaten är positiva. I vår studie är energitätheten som nu kan uppnås litiumoxidoreduktiv reaktion på 15 kWh/kg (med en rå kolkatod, 5700 mAh x 2,7 V/g), och energitätheten i cellen är ungefär 800 WH/kg . Natriumluftbatteri: låg energitäthet, men i stabila metall-luftbatterier finns det många metaller som kan användas, utöver litium, natrium och kalium. Den omvända reaktionen av dessa metaller är enklare, och relativt tyngre metaller såsom magnesium, aluminium, zink, järn, etc. har visat sig vara svårt att ladda, så Battery 500 -projektet valde att studera både litium och natrium. metall. Natrium-luftbatterier är en annan intressant kombination, även om energitätheten som kan uppnås är lägre jämfört med litium-luftbatterier, men dess fördelar är mer stabila. Anledningen till att energitätheten är låg är att den kemiska reaktionen som genereras är annorlunda. Som nämnts ovan, i litium-luftbatterier, reagerar litium med syre för att producera litiumperoxid (Li2O2), men i natrium-luftbatterier reagerar natrium med syre med användning av endast en elektron, vilket resulterar i natriumsuperoxid NaO2. I stället för natriumperoxid, Na2O2. Som jämförelse reduceras den energitäthet som ett natriumluftbatteri kan producera teoretiskt med hälften, och den teoretiska övre energitätheten är 1100 WH/kg. Å andra sidan är natriumluftbatterier mer effektiva än litium-luftbatterier, och överspänningen är ganska låg, mindre än 20 mV (700 mV för litium). Med tanke på detta kan batterienhetens driftspänning reduceras till 3V, så att självförbrukningen av andra komponenter inuti batteriet kan minskas mycket, såsom elektrolyt. Vi mätte det med experiment och fick det verifierat. Detta har fördelen att batteriets stabilitet är ganska hög, och batteriets kapacitet förändras knappast efter 50 laddnings- och urladdningscykler. Det finns också några utmaningar i kommersiell användning av natriumluftbatterier. Till exempel förbrukar ett natrium-luftbatteri dubbelt så mycket syre som ett litium-luftbatteri som svar på en reaktion, motsvarande den mängd luft som krävs för att producera en kolvmotor med samma kraft. Dessutom är den kemiska aktiviteten för natriummetall ganska hög, och många kommer att komma ihåg demonstrationen från kemiläraren i gymnasiet. En liten bit natrium kastas i vattnet och en våldsam kemisk reaktion kommer att inträffa. Litium är dock en sällsynt metall och det är inte billigt. Men natrium är en vanlig metall och kostnaden är extremt låg. Kostnaden för material i samma storlek natriumluftbatteri är mindre än en tiondel av det i litium-luftbatterier. Även på lång sikt kommer litium-luftbatterier att ha bättre prestanda, men med tanke på stabiliteten och kostnaden, natriumluftbatteriet som inte är så lågt som energin kommer att vara ett bättre val från det nuvarande batteriet till framtiden. 0 gånger
Fönster._bd_share_config = {"common": {"bdsnskey": {}, "bdtext": "", "bdmini": "2", "bdminilist": falsk, "bdpic": "", "bdstyle": " 0 "," bdsize ":" 24 "}," dela ": {}," bild ": {" ViewList ": [" qZone "," Tsina "," TQQ "," Renren "," Weixin "], "ViewText": "Dela till:", "ViewSize": "16"}, "selectshare": {"BDContainerClass": null, "Bdselectminilist": ["qZone", "Tsina", "TQQ", "Renren" , "weixin"]}}; med (dokument) 0 [(getElementsByTagName ('head') [0] || body) .appendChild (createElement ('Script')). Src = 'http: //bdimg.share. Baidu.com/static/api/js/share.js?v=89860593.js?cdnversion= ' + ~ (-ny datum ()/36E5)];
