От 24 до 26 август в Шенжен се проведоха форумът за среща на върха за неутрална въглеродна енергия и 3-тата китайска международна конференция за нови технологии за съхранение на енергия и инженерни приложения и форумът за млади учени за нови технологии за съхранение на енергия под ръководството на Комисията за развитие и реформа на Шенжен, ко -организирано от Китайската асоциация на химическата и физическа енергетика и Института за изследване на въглеродно неутралната енергия на Южния университет за наука и технологии и подкрепено от повече от 100 институции. Темата на конференцията е „Разработване на нова производителност и насърчаване на висококачествено развитие на индустрията за съхранение на енергия“.
Организаторите на конференцията поканиха 6 академици и 100 експерти от индустрията, за да проведат задълбочени дискусии и обмен на 12 специални сесии, включително нови решения за интегриране на системи за съхранение на енергия, технологии и приложения за дългосрочно съхранение на енергия, виртуални електроцентрали, промишлена и търговска енергия съхранение, нови батерии за съхранение на енергия, ново съхранение на енергия и пазари на електроенергия, интелигентни микромрежи, популяризиране на стандарти за съхранение на енергия и нови технологии за съхранение на енергия форум на млади учени.
Сутринта на 25 август професор Ning Xiaohui от Училището по материалознание и инженерство на университета Xi'an Jiaotong беше поканен да изнесе основна реч на „Специалната сесия за нова батерия за съхранение на енергия“. Заглавието на доклада беше „Напредък в новата технология за съхранение на енергия от течен метал“.
Добро утро на всички! Аз съм Ning Xiaohui от университета Xi'an Jiaotong. В сравнение с натриево-йонната батерия, за която професор Цао току-що говори, и поточната батерия, която професор Ян представи, нашата технология е много ниша. Нарича се нов тип течнометална батерия за съхранение на енергия. Нашето нещо е по-точно определено като течен метал. Тази батерия е различна от литиево-йонната батерия, поточната батерия и натриево-йонната батерия, използвани във вашия мобилен телефон. Това е високотемпературна батерия. Благодаря ви много за възможността да представя напредъка на нашата изследователска група в тази област.
Предисторията и значението бяха представени от всички учители току-що. Основната точка е, че настоящият въглероден пик и целите за въглеродна неутралност изискват от нас да трансформираме нашата енергийна структура. От сегашната енергийна структура, доминирана от енергията от изкопаеми горива, до бъдещата структура, доминирана от нова енергия. Тази трансформация е по-взискателна за системата на електроенергийната мрежа, тъй като сегашната ни електроенергийна мрежа се основава на топлинна енергия, включително водна енергия и ядрена енергия. Тези три източника на енергия са много стабилни и могат да бъдат контролирани за генериране на електричество. От страна на консумацията на енергия, законите за консумация на енергия в нашите фабрики и домакинства са податливи. Сега можем напълно да отговорим на динамичния баланс между страната на производството на електроенергия и страната на потреблението на енергия чрез държавната мрежа и южната електрическа мрежа, мащабен пренос и разпределение и широкомащабни възможности за диспечиране. Но в бъдеще трябва да трансформираме нашата енергийна структура. Вятърната енергия и фотоволтаичната енергия трябва да се добавят към производството на електроенергия. Всеки знае, че тази енергия е много непостоянна и произволна. Така че след добавянето му към страната на производството на електроенергия, тази страна също ще се колебае значително и с нарастващите промени в страната на потребителя на страната на потреблението на енергия на микромрежата, като например електрически превозни средства и нова енергия, произволността и неконтролируемостта на страната на потребителя ще стане все по-трудно. В този случай широкомащабната технология за съхранение на енергия е много важна за нас.
Както можете да видите, в "14-ия петгодишен план" план за внедряване на ново съхранение на енергия, нашата Национална комисия за развитие и реформи и Бюро по енергетика също ясно заявиха, че се надяват да изградят нова иновативна система за ново съхранение на енергия и да увеличат развитието на разнообразни технологии. В този контекст нашата ниша технология за съхранение на енергия има малко място за оцеляване.
Ако искаме да произвеждаме батерии за съхранение на енергия, трябва да направим някои по-иновативни системи и да изоставим някои от предишните идеи за дизайн. Трябва да намерим някои нови системи от електродни материали и да проектираме някои нови структури на батериите, преди да можем да измислим някои нови технологии за батерии за съхранение на енергия.
Бившият ми наставник в Масачузетския технологичен институт, професор Садоуей, работеше в металургията и беше очарован от клетките за електролиза на алуминий. Металът на короната на Наполеон е направен от алуминий, както и металът на върха на монумента на Вашингтон. Алуминият беше много скъп по това време, но след като беше произведен чрез електролиза, алуминият стана много евтин и навлезе в хиляди домакинства, така че той беше очарован от технологията за електролиза на алуминий.
Процесът на електролиза е обратният процес на батериите, които използваме сега. Нашият процес на електролиза основно преобразува електрическата енергия в химическа енергия, докато батериите преобразуват химическата енергия в електрическа. При зареждане на батериите се използва принципът на електролизата. Алуминиевата електролизна клетка е много голяма, дълга стотици метри и консумира много електричество. Това е система от 500,000 ампера 4 волта и консумира много електричество всеки ден. По това време една от най-основните ни идеи беше да обърнем процеса на електролиза и да превърнем консумиращите електричество неща в неща за съхранение на електричество, превръщайки ги в огромна батерия за съхраняване на енергия. Как да го направя? Помислихме за процеса на рафиниране чрез електролиза на алуминий, процеса на електрохимично рафиниране от суров алуминий до рафиниран алуминий, използвайки трислойна течна структура, дъното е суров алуминий, а електролитът в средата е система от разтопена сол, подобна на готварската сол, която виждаме в ежедневието. Това нещо ще се стопи при висока температура и ще се превърне в течност, подобна на вода, която може да провежда йони, така че електролитът е разтопена сол, а отгоре може да се получи рафиниран алуминиев материал. Защо могат да се генерират три слоя течни материали? Тъй като плътността на тези три материала е различна, те естествено се разделят на три слоя: горен, среден и долен. Освен това процесът на електролиза работи при висока температура и може да пропуска големи токове.
С тези мисли се чудехме дали можем да използваме принципа на електролитно рафиниране на алуминий, за да проектираме трислойна течна батерия, течна метална батерия. Трите материала на батерията от течен метал, положителният електрод, материалът на отрицателния електрод и материалът на електролита, имат различни плътности, така че естествено могат да бъдат разделени на три слоя: горен, среден и долен. Най-лекият метал е отгоре, който е отрицателният електрод на батерията, а металът с най-висока плътност е отдолу, който е положителният електрод на батерията. В средата е системата за разтопена сол. Когато батерията се разреди, отрицателният електрод ще се превърне в йони, ще дифундира към повърхността на положителния електрод през разтопената сол на електролита и ще образува сплав; зареждането е обратният процес. По време на процеса на зареждане и разреждане това е само промяна в обема на течния електроден материал и няма проблем със структурата на твърдия материал или срутването на структурата на материала. Така че на теория неговият цикъл може да бъде много дълъг. Течните метали използват сравнително евтини метали с относително изобилни резерви, така че цената е сравнително ниска. В същото време електролитът в средата е направен от неорганична разтопена сол, която не изисква диафрагма и има относително ниска цена. Освен това има много висока йонна проводимост при високи температури. Освен това, трислойната течна структура е много проста, когато батерията е направена по-голяма, така че е много лесно да се правят единични клетки със стотици амперчасове. Нашата лаборатория може да произвежда акумулаторни клетки с капацитет над 200 ампер часа. Единственият проблем е, че е високотемпературна система, така че трябва да се загрее, когато се пусне за първи път. Въпреки това, след като подредим батериите и направим по-добра изолация, ще се генерира голямо количество топлина по време на процеса на зареждане и разреждане, което може да постигне динамичен баланс с топлинните загуби, достатъчен, за да поддържа батерията от течен метал да работи на толкова висока температура, така че може да се превърне в самонагряваща се система.
Както можете да видите от снимката тук, за да накараме всички да разберат по-ясно концепцията за течна метална батерия, ние създадохме демонстрация на течна батерия със стайна температура в лабораторията. Разбира се, той не може да се използва на практика, тъй като неговият положителен електрод използва токсичен метал живак. Създадохме тази батерия, така че всеки да може да види по-ясно трислойната течна структура. Тази батерия наистина има напрежение и може лесно да се зарежда и разрежда, но производителността не е по-добра от тази на нашата действителна батерия, работеща при висока температура. Това е само за да позволи на всеки да разбере концепцията за трислойна течност.
и растеж на дендритите по време на цикъла на батерията. Тъй като е течен, няма стрес по време на процеса на зареждане и разреждане, така че няма да има пулверизация без стрес. В същото време интерфейсът между течния метал и течния електролит е интерфейс течност-течност с много добър контакт, като по този начин се решава проблемът с контактния интерфейс между твърдия електрод и електролита.
Батериите от течен метал също имат някои предимства. Тъй като трислойната течна структура автоматично се наслоява на базата на различните плътности на материала, цялата структура на батерията е много проста и много лесна за увеличаване. Нашата лаборатория може да произвежда батерии с капацитет от 200 ампер часа, 300 ампер часа или дори 500 или 600 ампер часа. Второто е, че течните електроди нямат някои промени в структурата на твърдия електрод, които причиняват намаляване на капацитета на батерията. В сравнение с нашите твърдотелни батерии, след дълги цикли, структурата на електродния материал се разпада и причинява намаляване на капацитета. Този проблем не съществува в нашата система, така че нашата батерия има относително дълъг експлоатационен живот. В допълнение, електролитната разтопена сол в средата има технология за съхранение на топлина в технологията за съхранение на енергия. Самата стопена сол се използва като материал за съхранение на топлина. След генериране на топлина, ако батерията е съединена накъсо и генерира топлина, тя ще бъде абсорбирана от разтопената сол и няма да има риск от пожар и експлозия. В същото време не е необходима диафрагма, така че цената е относително ниска.
„14-ият петгодишен план за развитие на ново съхранение на енергия“ също така предлага използването на батерии от течен метал като нова технология и посока, която трябва да се предприеме в бъдеще, и се надява те да бъдат приложени в областта на съхранението на енергия в бъдеще .
Следното е въведение в напредъка на нашата изследователска група в системите от материали за батерии, включително единични клетки и системи за съхранение на енергия. Това са някои от резултатите от нашите изследвания върху проектирането на системи от течни метални батерии.
Както всички знаем, най-основният начин за избор на материали е да се върнем към периодичната таблица. Тъй като нашата батерия трябва да има определено напрежение, отрицателният електрод трябва да бъде направен от по-лек метал. Ние търсим алкални метали и алкалоземни метали в периодичната таблица, които са относително леки и имат определена активност. Положителният електрод трябва да бъде направен от нещо с по-голяма плътност и по-ниска точка на топене, така че нашата гама се намира в металните елементи с по-силни неметални свойства, което е стъпката между металните елементи и неметалните елементи.
Като цяло дизайнът на системите от електродни материали преминава от прости към сложни, така че първоначално изградихме относително проста система. Металният елемент, използван за отрицателния електрод, е литий, който има точка на топене около 180 градуса по Целзий. Положителният електрод е бисмут, който има точка на топене над 270 градуса. Разтопената сол в средата е на литиева основа, която има точка на топене около 400 градуса по Целзий. Следователно, ако нашата батерия работи при 500 градуса по Целзий, тя се оказва трислойна течна структура.
Открихме интересен механизъм в тази система от литиево/бисмутови батерии от течен метал. Първоначално мислехме, че електродът винаги остава в течно състояние по време на процеса на зареждане и разреждане, но всъщност положителният електрод не е такъв. Отрицателният електрод винаги остава в течно състояние, но по време на процеса на разреждане от страната на положителния електрод, някои твърдофазни интерметални съединения ще се генерират в средата на процеса на разреждане. Но тази твърда фаза съществува само по време на процеса на разреждане и ще се върне в течната фаза при зареждане. С други думи, положителният електрод всъщност е лечим. По време на разреждането ще се генерира твърда фаза, но твърдата фаза изчезва по време на зареждане и ще се върне към трислойна течна структура по време на зареждане.
Как изглежда действителната ни батерия? Това е снимката в долния десен ъгъл (вижте PPT). Различен е от батериите, които виждате сега. Той е по-голям и по-тежък и използва черупка от неръждаема стомана. В тази система проверихме стабилността на батериите при различен капацитет. Най-малката батерия е много малка, с диаметър 1,3 см най-вдясно и капацитет от около няколкостотин mAh. Най-големият е с диаметър около 15 см, като сме постигнали капацитет от 143 амперчаса. Пуснахме го в продължение на 300 цикъла, без да видим спад на капацитета.
Въпреки че тази система работи добре, вътрешното съпротивление е сравнително голямо и интерфейсът между електрода и електролита е малко небалансиран. По-късно открихме, че тъй като корпусът на батерията е направен от неръждаема стомана, течният метал Bi не намокря напълно неръждаемата стомана, така че вътрешното съпротивление е относително голямо. За да подобрим омокряемостта, добавихме много малко количество елемент Se към Bi. След добавяне на елемента Se, положителният електрод и неръждаемата стомана са напълно намокрени, което намалява вътрешното съпротивление на батерията. Така че ние направихме батерия с капацитет от 20 ампер часа, работихме с нея за 1200 цикъла и степента на запазване на капацитета достигна 98,4%.
Тогава открихме, че напрежението на батерията Li|Bi е сравнително ниско, така че помислихме дали можем да добавим някакъв легиран елемент Sb към положителния електрод. Напрежението на Sb е по-високо от Bi, но точката на топене също е по-висока, достигайки повече от 600 градуса, така че сплавихме Bi и Sb, така че точката на топене да може да бъде понижена и напрежението да бъде по-високо. След добавяне на Sb можем да видим, че платформата за разрядно напрежение е подобрена. По този начин направихме батерия с капацитет от 5 амперчаса и я работихме повече от 160 цикъла без никакво намаляване на капацитета.
Но проблемът с този BiSb положителен електрод е, че неговата висока скорост не е добра. Искаме да знаем дали можем да подобрим високата му производителност. Нека разгледаме елемента Te в периодичната таблица. Te е сравнително скъп, затова го използваме и като допълнителен елемент. След добавяне на малко, разрядното напрежение на Te е много различно от това на Bi и Sb. Така че първо оставяме Te да образува някои твърди фази на повърхността. По време на разреждане, поради напрежението, генерирано по време на образуването на многокомпонентната сплав на положителния електрод, много пукнатини могат да бъдат изтласкани в слоя твърда фаза на Te, така че ние невидимо увеличихме каналите за много литиеви йони. След като добавихме малко Te, открихме, че производителността на батерията също е подобрена. Когато преминахме от 100 mAh на квадратен сантиметър до 1000 mAh на квадратен сантиметър, обратимата загуба на капацитет беше много малка.
Установихме, че добавянето на елементи от сплав към положителния електрод може да подобри работата на батерията в ограничена степен, но ако разчитаме само на нашия опит или експериментални проби и грешки, разходите за време и пари са сравнително високи, така че се чудехме дали можем да използваме AI технология. Така че използвахме някои методи за машинно обучение и изградихме база данни. Чрез машинно обучение успяхме да проектираме положителни електроди от многоелементна сплав. Проектирахме положителен електрод от четвъртична сплав чрез машинно обучение и постигнахме подобрения в производителността. В същото време нашата предишна електродна система използваше литий като отрицателен електрод, но литият е сравнително скъп, така че ние проектирахме отрицателен електрод от сплав на базата на калций, който се върти стабилно за 500 цикъла без загуба на капацитет. Открихме, че използването на машинно обучение наистина може да ни помогне да проектираме системи от електродни материали, спестявайки много време и разходи.
В допълнение към изследването на системата от електродни материали на течни метални батерии, ние също проектирахме и оптимизирахме мономерите на течните метални батерии. Първо направихме едни малки батерии, защото го правехме в лабораторията и беше невъзможно да го тестваме няколко години. Така че ние направихме 5 ампер-часа батерия от течен метал, която беше тествана при разряден ток от 15 ампера. Токовете на зареждане и разреждане бяха 15 ампера, 100% дълбоко зареждане и дълбоко разреждане и скорост 3C. Тази батерия работи за повече от 4100 цикъла, а разреденият капацитет е около 4,92 амперчаса, степента на използване на материала достига 98,4%, а кулоновата ефективност е 99,52%.
Направихме и батерия с по-голям капацитет, 200 ампера-часа. Поради ограничението на лабораторното оборудване за зареждане и разреждане на ток, ние можем да зареждаме и разреждаме само при ток от 50 ампера, 0,25C, и също така зареждаме и разреждаме 100% дълбоко. Капацитетът на разреждане може да достигне 199,4 ампер часа, а степента на използване на материала може да достигне 96,79%. Тя работи стабилно в продължение на повече от 700 цикъла, в продължение на девет месеца, и не е установено очевидно намаляване на капацитета, което наистина доказва, че нашата батерия от течен метал има добра стабилност на цикъла.
Друг момент, за който хората са по-загрижени за батериите от течен метал, е какво се случва, ако трите слоя течност се смесят заедно или батерията се преобърне, така че взехме батерия от 200 амперчаса за тестване и я поставихме на въртяща се нагревателна маса. Тъй като нашата батерия работи при високи температури, ако искаме да я тестваме, трябва да я държим в система с висока температура, която може да се върти. Когато я наклоним на 31,9 градуса, трислойната течна структура на батерията все още се запазва, така че батерията все още може да се зарежда и разрежда нормално, но ако е напълно обърната с главата надолу и обърната на 90 градуса, положителните и отрицателните полюси ще се съединят накъсо и ще се смесят заедно и в този момент ще се генерира топлина. Измерихме и лилавите и жълтите криви в долния десен ъгъл. Тези две термодвойки са прикрепени към стената на батерията и можем да измерим повишаването на температурата на батерията след част от веригата, от 550 градуса по Целзий до 590 градуса по Целзий, което е около 45 градуса по Целзий. Това означава, че голямо количество генерирана топлина се абсорбира от системата с разтопена сол, така че няма присъща възможност за газификация и експлозия.
В същото време, ако нашите батерии се използват в действителни ситуации за съхранение на енергия в бъдеще, те могат да се сблъскат с някои екстремни ситуации, като земетресения. Така че направихме и някои тестове за безопасност при честота на земетресение от 20 Hz, включително някои вертикални вибрации и хоризонтални вибрации. В този случай неравностите по кривата на батерията са причинени от вибрациите на позицията на окабеляването, но батерията може да работи нормално по време на вертикална вибрация. Имаше късо късо съединение по време на хоризонтална вибрация, но когато вибрациите на батерията спряха, батерията спря да работи и остана неподвижна за определен период от време, след което отново можеше да се зарежда и разрежда нормално. Това доказва, че на това ниво честотата на земетресение от 20Hz10Hz не оказва голямо влияние върху батерията.
По време на 13-ия петгодишен план предприехме ключови проекти за научноизследователска и развойна дейност и направихме батерия. В този процес първо преодоляхме ключови проблеми в системата, като последователността на батерията. Оптимизирахме структурата на батерията, съставките, процеса на сглобяване, структурните параметри и т.н. и подобрихме консистенцията на батерията. Разликата в капацитета на батерията от повече от 200 ампер-часа е по-малка от 2 ампер-часа, а разликата във вътрешното съпротивление е по-малка от 2 милиома. Консистенцията на батерията е сравнително висока. Единичната клетка 0,2C може да постигне средна енергийна ефективност от повече от 86%.
Тъй като напрежението на нашата батерия от течен метал е сравнително ниско, за разлика от сегашните литиеви и натриеви батерии, ние също трябва да проектираме наша собствена BMS. Ето защо, въз основа на характеристиките на голям ток и ниско напрежение, ние проектирахме двуслойна система за балансиране. След балансиране, консистенцията на нашата батерия е много висока, с разлика в напрежението от 40,6mV и балансиращ ток от 1,4 ампера.
На тази основа трябва да свържем и отоплителния модул. Тъй като ние сме високотемпературна батерия, ние използваме принципа на конвекция на горещ въздух в системата, за да проектираме отоплението, и също така вземаме предпазни мерки срещу преливане на температурата. На фигурата в долния десен ъгъл можем да видим, че след като около дузина батерии са свързани последователно, те работят със скорост 0.5C. Синята крива е токът на външното захранване. Може да се види, че когато работи при 0.5C, топлината, генерирана от тази батерия, е достатъчна, за да работи батерията сама. Самата тя е 500 градуса по Целзий, така че няма нужда от външно отопление и може да се постигне самонагряване. Разбира се, тази батерия все още се нуждае от нас, за да й дадем малко топлина, когато работи за първи път, но това не е необходимо при нормална работа.
На тази база си сътрудничихме с професор Джианг Кай от Университета за наука и технологии Huazhong за конструиране на триизмерен модел на свързване на топлообмен от течни метални батерии, предложихме стратегия за регулиране на характеристиките на услугата за електрическо-термично свързване, реализирахме многостепенна ефективна батерия система за управление и изгради първата в страната 5KW и 30KWH литиево-базирана система от течни метални батерии, която също премина тестване от трета страна.
На тази основа сме натрупали технология през годините. През юни 2023 г. Henghui Keyuan (Xi'an) New Energy Technology Co., Ltd. беше създадена в Сиан, посветена на насърчаването на индустриализацията на технологията за течни метални батерии. Ангелският кръг е получил десетки милиони финансиране от Jiangyuan Investment. Експерти и учители са добре дошли да дойдат в Сиан, за да ръководят нашата работа.