Подзарядка
20 июля 2012 г. — Литий, самый легкий металл, в сочетании с кислородом из атмосферы создает заманчивое партнерство в легкой батарее. Теоретически эта «литий-воздушная батарея» обеспечивает в несколько раз больше энергии на килограмм, чем сегодняшние литий-ионные батареи. Но пока что в лабораторных тестах литий отвлекается на тупиковые химические реакции, которые не позволяют перезаряжать аккумуляторы. Одноразовая батарея подходит для наручных часов, но не для электромобиля нового поколения.
В прошлом месяце исследователи из Рима и Сеула, Южная Корея, сообщили о разработке литий-воздушной батареи, у которой не возникало проблем с перезарядкой, обеспечивающей примерно 100 циклов зарядки и разрядки с небольшой потерей емкости. А на этой неделе исследовательская группа под руководством химика Питера Брюса из Университета Сент-Эндрюс в Шотландии сообщила в журнале Science о литий-воздушной батарее другой конструкции, которая достигла 100 циклов, потеряв всего 5 процентов своей емкости в течение процесс.
Брюс говорит, что эти недавние результаты показывают, что литий-воздушные батареи могут выдерживать «действительно обратимую реакцию». Группа измерила состав задействованных химических веществ, показав, что литий действительно рециркулируется с помощью обратимого вещества, пероксида лития (Li 2 O 2 ), при каждой зарядке и разрядке.
Воздушно-литиевые батареи работают, по крайней мере, теоретически, подвергая литиевый анод воздействию электролита, который захватывает его положительно заряженные ионы лития и направляет их к катоду, сделанному из другого пористого материала, который позволяет кислороду из воздуха образовываться ключевой перекись лития.
Но до этих последних событий не было хорошего способа обратить процесс вспять. «Нет электролита, который в настоящее время хорошо работает», — объясняет М. Стэнли Уиттингем, эксперт в области материаловедения из Бингемтонского университета, входящего в состав Государственного университета Нью-Йорка.
Но исследователи добились определенного прогресса в понимании того, почему это так. Линда Назар, исследователь в области накопления энергии из Университета Ватерлоо в Онтарио, Канада, недавно сообщила, что углерод, из которого изготовлено большинство катодов, вступает в реакцию с литием, что снижает способность батареи к перезарядке. А в некоторых экспериментальных батареях исследователи обнаружили, что литий иногда реагировал с электролитами.
Имея это в виду, Брюс и его коллеги заменили угольный катод катодом из нанопористого золота и заменили органические карбонаты и эфиры, использовавшиеся в качестве электролитов в более ранних литий-воздушных батареях, растворителем перхлората лития (LiClO 4 ) и диметилсульфоксидом. . Когда они разрядили батарею и измерили образовавшиеся химические вещества, они обнаружили в основном перекись лития, химическое вещество, которое легко использовать для обращения реакции вспять или подзарядки батареи. «До этого момента материалы электродов не могли доставлять чистый пероксид лития», — говорит Брюс.
Почему это работает, немного загадка. Ученые из Сент-Эндрюса знали, что золото использовалось в некоторых предыдущих батареях, но они до сих пор не понимают в деталях, что именно в этой комбинации обеспечивает это, говорит Брюс.
IBM и некоторые автопроизводители изучают литий-воздушную технологию, но она ни в коем случае не является лидером автомобильных аккумуляторов, говорит Уиттингем. Такие батареи находятся на переднем крае технологий, и в настоящее время финансирование их исследований в основном обеспечивается крупными рисковыми организациями, такими как Агентство перспективных исследовательских проектов Министерства энергетики США (ARPA-E). Другие проекты, финансируемые ARPA-E, такие как Pellion, изучают магний в качестве альтернативы литию для аккумуляторов высокой плотности. Магний несет два электрона по сравнению с одним литием, поэтому ученые считают, что он может оказаться более эффективным.
Одна проблема заключается в том, что для того, чтобы обеспечить такую же энергию, как, скажем, бензин, литий-воздушные батареи требуют больше места — хотя и не намного больше веса — чем ископаемое топливо.
Уиттингем прогнозирует, что эта технология будет использоваться для крупных стационарных накопителей энергии, а не для портативных аккумуляторов.
Другая проблема заключается в том, что литий-воздушные батареи химически деликатны: литий вступает в тупиковые реакции с водой или углекислым газом в воздухе, поэтому электроды в любой будущей батарее, возможно, потребуется герметизировать или фильтровать, чтобы они взаимодействовали. только с сухим воздухом и электролитом, дополнительные расходы и сложность.
В любом случае материал, используемый группой Брюса, удобен для экспериментов, но, вероятно, слишком опасен, дорог и тяжел для коммерческого использования. Но химик из Кембриджского университета Клэр Грей говорит, что определение стабильных электродов и электролитов поможет исследованиям литий-воздушных батарей, даже если есть большое количество практических вещей, в которых еще нужно разобраться, прежде чем коммерческие версии появятся в продаже как часть электрических аккумуляторов.
транспортные средства.
Лукас Лаурсен — независимый журналист из Мадрида. В майском номере 2012 года он сообщил о биологических топливных элементах, испытанных на улитках.
АНАЛИЗ: Очередной инцидент вновь привлек внимание к батареям 787 | Анализ
Для Boeing это еще один новый год – и еще одна неисправность новой литий-ионной батареи на Боинге 787.
Подробности о полном объеме неисправности и повреждениях на борту основной батареи 787 Japan Airlines сегодня в Токио все еще отрывочны, но опубликованная на данный момент информация указывает на критические различия с отказами двух батарей в течение восьми дней в прошлом году, которые привели к остановке флота.
Может оказаться полезным технический обзор электрической системы 787 и роли ионно-литиевых аккумуляторов.
«Более электрическая» архитектура Боинга 787 просто означает, что он использует электроэнергию для создания давления в кабине и удаления льда с крыла, а не пневматический пневматический источник питания.
Такая архитектура не требует от Boeing использования литий-ионных аккумуляторов в качестве основного резервного источника питания бортового радиоэлектронного оборудования и запуска вспомогательной силовой установки. Можно было бы использовать более традиционные и менее мощные никель-кадмиевые батареи. Тем не менее, электрические требования 787 выше, чем у любого другого коммерческого самолета, поэтому Boeing решил использовать мощную ионно-литиевую химию, чтобы минимизировать вес аккумуляторной системы.
Точный химический состав аккумуляторной системы 787 также вызывает споры. Производители автомобилей используют менее мощный и горючий литиевый химический состав для гибридных автомобилей, называемый фосфатом железа и литий-марганцем. Однако батарея 787 основана на диоксиде лития-кобальта, формула которого при значительном перегреве выделяет кислород, который заставляет огонь гореть дольше и с большей интенсивностью.
Внутри каждого из двух 32-вольтовых литий-ионных аккумуляторов Боинга 787 находится восемь элементов, каждый из которых может заряжаться напряжением 4 В.
Последняя неисправность означает, что эти перезаряжаемые ионно-литиевые батареи в парке самолетов 787 испытали три случая вентиляции элемента с момента ввода в эксплуатацию около 27 месяцев назад. Пожар, вызванный неперезаряжаемой литий-ионной батареей на Боинге 787, серьезно повредил Боинг 787 Эфиопских авиалиний в июле прошлого года, но это произошло с помощью системы аварийного локатора/передатчика Honeywell, которая не была уникальной для Боинга 787.
Из трех подтвержденных случаев вентиляции ячеек , два предыдущих в прошлом году кажутся гораздо более серьезными.
В этих двух событиях, произошедших в течение восьми дней в течение года, по крайней мере один, а возможно, и более одного — точная последовательность еще выясняется — элементов аккумуляторов перегрелись.
По мере повышения температуры в плотно упакованном корпусе батареи соседние элементы также начали перегреваться и «выдыхать», извергая дым и кипящий электролит из плавящегося алюминиевого корпуса батареи.
К счастью, в прошлом году ни одна из двух батарей не загорелась, хотя пожарный на мероприятии в Бостоне видел две небольшие струйки пламени, вырывающиеся из батарейного отсека. Следователи все еще проверяют факты. Тем не менее, Boeing считает, что батареи перегрелись, но не допустили настоящего теплового разгона.
Возникновения теплового разгона в некоторых типах ионно-литиевых аккумуляторов, таких как те, что установлены на Боинге 787, опасаются, потому что они создают свой собственный окислитель, поэтому их трудно, если вообще возможно, потушить в случае пожара, пока в них не закончится топливо.
Для самолета на крейсерской высоте это может иметь катастрофические последствия.
Неудивительно, что в прошлом году Федеральное авиационное управление США (FAA) приостановило полеты самолетов 787 на 3,5 месяца, пока компания Boeing не разработала более безопасную аккумуляторную систему.
Boeing решил оставить прежними конфигурацию и химический состав батареи 787 и вместо этого сосредоточиться на улучшении расположения каждой из ячеек внутри корпуса. Вместо двух рядов плотно упакованных рядов Боинг добавил пространство между каждой ячейкой. В это пространство Боинг вставил керамические пластины, которые действовали как тепловые экраны. Если какая-либо ячейка вентилируется, дополнительное пространство и экранирование должны препятствовать переходу тепла от одной ячейки к другой. Boeing также заменил алюминиевый корпус батареи коробкой из нержавеющей стали, способной поглотить взрыв батареи в случае теплового разгона.
В мае самолеты Боинг-787 вернулись в строй с новой аккумуляторной батареей.
В течение восьми месяцев компания Boeing не получала сообщений об очередном выходе из строя одного или нескольких элементов литий-ионных аккумуляторов 787-го, несмотря на несвязанное событие на эфиопском 787-м в июле.
Эта безупречная серия закончилась 14 января, или за два дня до годовщины посадки 787-го на мель.
Японские авиалинии, как сообщается, заявили, что обнаружили, что одна из восьми ячеек внутри батареи ВСУ выпускала дым. Ремонтники также обнаружили в аккумуляторном ящике неидентифицированную «жидкость» — скорее всего, электролит, выкипавший из ячейки в процессе вентиляции.
Ячейка батареи, которая вентилируется при перегреве, неисправна, но работает правильно. Аккумулятор, который не вентилируется из-за перегрева, может взорваться и вызвать опасную цепную реакцию в других поврежденных элементах. Вместо того, чтобы встревожить следователей по безопасности, безопасное удаление воздуха из неисправного элемента батареи, скорее всего, произведет на них впечатление.