Беспокойство по дальности - это проблема потребителей № 1 для электромобилей, но новое поколение батарей сверхвысокой плотности может изменить все. К нам присоединяется доктор К.М. Абрахам, пионер в области исследований литий-ионных аккумуляторов и изобретатель литиево-воздушной батареи, который объясняет, как 40-летний прорыв в области аккумуляторных технологий может привести к появлению электромобилей с 1000 миль, смартфоны, которые работают в течение недели, и дроны, которые летают часами.
КМ, добро пожаловать! Позвольте мне начать с цитирования вашей работы над литий-ионными батареями. За свою карьеру вы написали более 200 журнальных статей и получили около 15 патентов на литий-ионные аккумуляторы. Мне интересно, каковы некоторые из ваших ключевых инноваций в этой технологии и как они внесли свой вклад в развитие этой технологии.
Я занимаюсь разработкой литиевых аккумуляторных батарей более 40 лет. Я начал свою карьеру в 1976 году в небольшой стартап-компании в районе Бостона под названием EIC Laboratories, и одна из программ, в которых мы участвовали, заключалась в разработке перезаряжаемой литиевой батареи. Это было сразу после изобретения дисульфида титана в качестве положительного электрода профессором Стэнли Уиттингемом , который тогда работал в компании Exxon в Нью-Джерси.
Таким образом, Уиттингем разрабатывал твердый катодный интеркалирующий электрод с использованием дисульфида титана, и наши усилия были сосредоточены на разработке анода из металлического лития. Как вы знаете, батарея имеет два электрода, и они оба должны работать с одинаковой эффективностью, чтобы обеспечить длительный срок службы батареи.
Мы объединили его катод с нашим анодом, и в 1978 году мы опубликовали одну из первых статей о практичной перезаряжаемой литиево-титановой дисульфидной батарее с более чем 100 циклами зарядки-разрядки. В то время было большой проблемой создать перезаряжаемую литиевую батарею, которая работает более 100 циклов.
Итак, это был один из моих первых ключевых вкладов, и я опубликовал эту статью на собрании электрохимического общества в 1978 году в Лос-Анджелесе, а затем опубликовал в сборнике материалов по электрохимическому собранию. Позднее, в начале 1981 года, мы опубликовали больше работ 82 года с различными катодными материалами, на литий-металлических анодных аккумуляторных батареях с емкостью до 5 ампер-часов и сотнями циклов зарядки.
В то время мы были готовы заняться разработкой этих батарей, но безопасность стала проблемой, поэтому они так и не стали практической системой. Однако это исследование помогло привести к разработке литий-ионной батареи Sony, и в 1991 году они выпустили первую литий-ионную батарею.
Теперь вы упомянули циклы зарядки-разрядки минуту назад. Как вы увидели эффективность этого роста за свою карьеру?
Ну, я имею в виду пару ключевых вещей, которые вы ищете в аккумуляторной батарее. Во-первых, это срок службы, то есть количество циклов зарядки / разрядки до того, как его емкость упадет ниже 80% от его первоначальной емкости.
Другой является плотность энергии, которая измеряется как энергия на килограмм батареи для удельной энергии, или энергия на литр для объемной плотности энергии. Они дают нам измерения плотности энергии для веса и объема.
В 1991 году, когда Sony выпустила свой первый литий-ионный аккумулятор 18650, он имел емкость чуть меньше одного ампер-часа. Теперь батарея того же размера имеет емкость 3,6 ампер-часа. Так, за последние 29 лет емкость 18650 литий-ионных аккумуляторов увеличилась в четыре раза.
За это время мы также наблюдали увеличение продолжительности жизни цикла - с примерно ста циклов первоначально до более чем 1000 циклов в настоящее время. Таким образом, с точки зрения литий-ионных элементов мы наблюдаем значительное увеличение как накопления энергии, так и долговечности.
Из того, что я читал, литий-ионные технологии достигают фундаментальных ограничений для накопления энергии. Это становится проблемой?
Правильно, и вот почему это происходит: плотность энергии литий-ионного аккумулятора существенно зависит от емкости, которую вы можете получить от положительного электрода или катода.
Материал, используемый в современных литий-ионных батареях, представляет собой литийсодержащий оксид переходного металла, и этот материал достигает максимального количества электронов, которое он может обратимо разместить в этом материале - он достигает предела в один электрон. Чтобы еще больше увеличить эту емкость, нам нужны материалы, способные вместить более одного электрона, или то, что называется многоэлектронным переносом.
Другими словами, нам нужно найти новые оксиды металлов или другие материалы, которые могут вместить более одного электрона на эквивалент реакции. Вот где сера, кислород и все эти новые материалы входят.
Это подводит нас к вашему изобретению: литиево-воздушный аккумулятор. Я читал, что вы обнаружили это случайно, когда заметили, что тестируемые вами литий-ионные элементы имели утечку воздуха в электролите, что давало более высокое выходное напряжение. Так произошло открытие?
Да. На самом деле, у меня есть статья под названием « Краткая история неводных металло-воздушных батарей », которая опубликована в одном из следующих выпусков электрохимического общества - вы можете найти ее в моих цитатах из Google Scholar.
Еще в начале 90-х у нас была довольно обширная программа по разработке литий-ионных полимерных батарей для электромобилей - это было частью усилий Министерства энергетики и Большой тройки. В то время они использовали ключевой материал, который мы разработали в EIC Laboratories, полимерный электролит, а я занимался исследованиями его химии.
В ходе нашего исследования мы сделали полуэлемент с литий-графитовым анодом, чтобы исследовать поведение графитового электрода в сочетании с этим полимерным электролитом - и пока мы это тестировали, ко мне подошел коллега и сказал: «похоже как будто я ошибся, потому что напряжение, которое мы получаем для тестовой ячейки, намного выше, чем должно быть ».
Мы ожидали увидеть небольшое напряжение для этой половины ячейки, но она вырабатывала напряжение почти три вольт. Поэтому он сказал: «О, я, должно быть, сделал какую-то ошибку. Давайте выбросим это, и я собираюсь начать все сначала. ” Тем не менее, я был заинтригован и решил попытаться разрядить камеру, чтобы узнать, сможем ли мы извлечь из нее какую-либо емкость. Удивительно, но мы смогли не только получить емкость, но и несколько циклов зарядки / разрядки от элемента.
Немного подумав, я понял, что в ячейке произошла утечка, что означало, что напряжение исходит от электрохимии кислорода. Наш графитовый анод просто действовал как каталитический электрод для восстановления и окисления кислорода. Это вдохновило нас на создание экспериментальных литиево-кислородных ячеек, и мы смогли продемонстрировать, что они работают, что мы позже опубликовали и запатентовали.
Из того, что я читал, литий-воздушные элементы имеют гораздо более высокую плотность энергии, чем литий-ионные, с теоретической удельной энергией неводных литий-воздушных батарей около 40,1 МДж на килограмм, что составляет около 85%. плотности энергии бензина. Это точно?
Да все верно. Я обычно цитирую это число как 11 400 ватт-часов на килограмм, что является точным только для металлического реагента лития в клетке, потому что вы вводите кислород из внешней атмосферы.
После первого цикла вес элемента увеличивается из-за накопления восстановленного кислорода, поэтому я использую 11,4 кВт · ч / кг вместе с другим числом, используя и литий, и кислород в теоретическом расчете плотности энергии, который получается около 5000 ватт-часов на килограмм. В любом случае количество энергии, которое вы можете получить от литиево-воздушной батареи, значительно выше.
Итак, это теоретический предел - но с практической точки зрения я понимаю, что современные литиево-воздушные прототипы могут хранить примерно в пять раз больше энергии, чем коммерческая литий-ионная батарея. Это звучит правильно?
Да, на практике вы обычно можете достичь 20-50% от теоретической общей плотности энергии в экспериментальном прототипе из-за таких факторов, как упаковка электролита и элемента.
Тем не менее, даже если мы возьмем наихудший сценарий эффективности с 20% -ной эффективностью, мы все равно получим более 2280 ватт-часов на килограмм для литиево-воздушной батареи, что примерно в пять раз больше, чем литий-ионная батарея. С точки зрения будущих коммерческих проектов, мы считаем, что литиево-воздушные батареи могут достичь гораздо большей эффективности, чем даже это.
Что касается упаковки, то в течение многих лет Тесла использовал 18650 элементов, о которых вы упоминали ранее, которые представляют собой батареи почти размера АА, но я видел макеты для литиево-воздушных элементов, которые намного больше, возможно, размера свинцово-кислотных элементов. Можем ли мы ожидать увидеть огромное количество размеров для литиево-воздушных батарей?
Ну, да, вы можете упаковать и сформировать эти клетки разными способами. С точки зрения веса, он должен быть значительно легче литий-ионного аккумулятора, но вы можете создать упаковку так, как вам нужно.
Вы знаете, эти ячейки будут не просто больше: вы также увидите гораздо меньшие размеры для смартфонов и медицинских приложений. Есть все виды медицинских устройств, которые могут использовать эту технологию, и они будут нуждаться в очень маленьких клетках. Кроме того, у военных есть некоторые стратегические приложения для этого в отдаленных районах, где у них нет свободного доступа к зарядным устройствам.
Потребность потребителей стимулирует спрос на лучшие аккумуляторы для смартфонов, и я читал, что беспокойство по поводу дальности - единственное, что сдерживает электромобили. Учитывая потенциал литиево-воздушных батарей, мне интересно, видите ли вы в настоящее время гораздо большее давление для достижений?
Да, публика хочет больше энергии от своих устройств, что создает давление на производителей. Так что да, интерес к ним значительно выше, и то, что вы могли бы назвать пассивным давлением, из разных источников.
Что касается электромобилей, то стандартная батарея в Tesla сейчас составляет 60 киловатт-час, и это даст вам в лучшем случае около 200 миль. Если вы обновите батарею до 80 киловатт-часов, вы получите около 300 миль - но это только в начале срока службы батареи.
Вы должны помнить, что с каждым циклом зарядки / разрядки емкость батареи снижается, и через год вы получите намного меньше. Это создает большое напряжение для батарей, которые могут дать вам 400 или 500 миль без каких-либо трудностей в ближайшей перспективе.
В будущем я бы предположил, что электромобили могут достигать даже тысячи миль, но вы должны помнить, что дальность действия зависит от многих факторов. Важна не только энергия аккумулятора, но и эффективность двигателя, вес автомобиля и многое другое. В целом, тем не менее, вы можете получить такой пробег до тысячи миль в некоторых транспортных средствах.
Теперь я понимаю, что электроды в литиево-воздушных элементах - это то место, где была большая часть проблем разработки. Как вы думаете, они будут решены в ближайшее время, или на рынке появятся батареи другого типа, такие как литиевая сера?
Что ж, главная проблема лития-воздуха заключается в том, что для доступа к кислороду необходимо подвергать элемент воздействию воздуха. Это приводит к возможности попадания в клетку других материалов, например влаги, а литий не любит влагу. Таким образом, вы должны иметь возможность фильтровать воздух, чтобы получить доступ только к кислороду без других загрязнений. Мы верим в то, что нанесем на клетку полупроницаемую мембрану, которая сможет это сделать, но в ее области нам еще предстоит добиться прогресса.
Вы также упомянули об исследовании концепции литий-кислород в полимерном электролите, верно? Решает ли это проблему загрязнения?
Да, это еще одна возможность, которая может сработать, и мы фактически опубликовали результаты 10 лет назад для твердотельной литиево-воздушной батареи, в которой мы заменили жидкий электролит неорганическим твердотельным электролитом. Это еще одна технология, которая может найти практическое применение. Существует несколько вариантов, позволяющих твердотельным элементам преодолеть некоторые проблемы, связанные с проникновением воды в элемент, и мы рассмотрим все из них.
Воспламеняемость - это проблема аккумуляторов смартфонов - это еще одна область, которую стоит изучить. Это касается и литиево-воздушных элементов?
Что ж, проблема безопасности в литий-ионных элементах связана с воспламеняемостью жидких электролитов, используемых в батарее, в сочетании с внутренними короткими замыканиями, которые могут возникнуть из-за производственного брака или неправильного использования элемента. Как только происходит короткое замыкание, оно генерирует много тепла, которое выпускает электролит в атмосферу, где он может загореться.
Литий-воздушные батареи не могут иметь внутренних коротких замыканий, таких как литий-ионные элементы, потому что кислород всегда находится в воздухе, и у вас недостаточно материала внутри элементов для такого типа реакции. Так что, с моей точки зрения, безопаснее.
Что касается литий-ионных элементов, нам необходимо выяснить, как заменить современные легковоспламеняющиеся жидкие электролиты на полутвердый или твердый электролит, чтобы сделать все батареи более безопасными.
Аккумуляторы будут с нами навсегда - мы не можем жить без этой технологии сейчас, поэтому нам нужны настолько безопасные аккумуляторы, что нам не нужно беспокоиться о их зарядке, когда мы спим ночью или когда мы спим не дома.
Теперь мы поговорили об электромобилях, потенциально имеющих радиус действия в тысячу миль - как насчет дронов? Они также нуждаются в более длительном сроке службы батареи.
Да. Военные будут использовать их в беспилотных летательных аппаратах, потому что литиево-воздушные элементы будут очень легкими, что дает преимущества для беспилотных летательных аппаратов и самолетов. Фактически, недавно в C & E News была опубликована статья Американского химического общества о применении литиево-воздушных батарей для самолетов, и некоторые компании всерьез взялись за это из-за меньшего веса.
Для самолетов может потребоваться использовать эти батареи с другим источником питания для взлета самолета, но для крейсерских целей можно использовать литиево-воздушную батарею, чтобы самолет мог преодолевать очень большие расстояния.
Как вы думаете, как литий-воздух повлияет на жизнь смартфона? Это была давняя жалоба потребителей на смартфоны. Как вы думаете, мы увидим смартфоны, которые работают три-четыре дня подряд?
О, да. Легко три или четыре дня, возможно, даже неделю, в зависимости от привычек человека, использующего его. Да.
Электромобили, дроны, смартфоны, медицинские имплантаты и многое другое - впереди много больших изменений. Позвольте мне в заключение спросить, что будет дальше с литиево-воздушными батареями, и что нам следует искать в заголовках будущих новостей?
Ну, как вы упомянули ранее, мы ограничены в достижении предела. Если я посмотрю на периодическую таблицу элементов и посмотрю на возможности изготовления батарей, мы уже достигаем предела в новых системах батарей. На самом деле это означает, что люди будут изучать вариации современной аккумуляторной технологии в течение многих лет, и я не сомневаюсь, что мы найдем решение проблем с литиево-воздушной батареей.
О нашем госте
Доктор Кужикайл М. Абрахам является изобретателем литиево-воздушной батареи и признанным экспертом по литий-ионным и литий-серным батареям, с более чем 200 журнальными статьями и пятнадцатью патентами на материалы и характеристики литиевых и литий-ионных батарей, а также вклад СМИ в новостные организации, такие как Wired Magazine и Wall Street Journal.
