В поисках лучшей батареи: исследователи рассматривают алюминий как альтернативу литию
Андреа Свендсен, управляющий редактор.
В связи с растущим во всем мире вниманием к устойчивому развитию автомобильная промышленность меняет свои разработки на более экологичные модели. Первоначально основное внимание уделялось облегчению с использованием алюминия, магния, высокопрочных сталей и других материалов для повышения экономии топлива.
Большая часть внимания в настоящее время сосредоточена на расширении доступности электромобилей (EV), выбросы которых на этапе эксплуатации практически нулевые. Однако одной из главных проблем для автопроизводителей в отношении электромобилей является аспект, который делает их экологически безопасными, — сами аккумуляторы.
Литий-ионные аккумуляторы, представляющие собой современный стандарт доступных технологий, создают ряд проблем. Аккумуляторы для электромобилей тяжелые, дорогие, и их зарядка может занять много времени.
Установка большего количества аккумуляторов в электромобиль может увеличить запас хода, но также значительно увеличивает стоимость и вес автомобиля.
Это область, в которой спрос на алюминий растет, поскольку металл способен обеспечить особенно высокое соотношение прочности к весу, а также обеспечивает такие преимущества, как повышенная жесткость и терморегуляция внутри корпуса батареи. В результате использование алюминия может помочь компенсировать стоимость и вес аккумуляторов, что позволяет автопроизводителям оптимизировать свои электромобили в зависимости от желаемого диапазона и цены.
Тем не менее, автопроизводители и другие производители активно пытаются решить проблемы, связанные с литий-ионными аккумуляторами, путем снижения затрат и повышения их производительности, чтобы уменьшить их вес и увеличить скорость зарядки.
Инженеры автомобильной и других отраслей промышленности не ограничивают свои исследования и разработки литий-ионными батареями. Они также изучают альтернативные конструкции батарей в поисках улучшенных характеристик для использования в автомобильной промышленности и за ее пределами.
Одним из направлений текущих исследований является внедрение аккумуляторов на основе алюминия и магния. За последнее десятилетие был выдвинут ряд таких исследовательских проектов, таких как:
- Ученые Североамериканского научно-исследовательского института Toyota (TRINA) отметили прорыв с использованием магния в качестве анодного материала для аккумуляторов.
- Инженеры из Стэнфордского университета разработали негорючую, недорогую, высокопроизводительную алюминий-ионную батарею, которая может стать недорогим решением для хранения солнечной энергии или других форм возобновляемой энергии.
- В рамках программы «Горизонт 2020» Европейская комиссия начала финансирование новых исследовательских и инновационных проектов, в том числе проект Европейского сообщества интерактивных магниевых батарей (E-MAGIC), который занимался разработкой технологии перезаряжаемых магниевых батарей (RMB).
Исследования новых форм батарей продолжаются. Как свидетельствуют недавние объявления об аккумуляторах на основе алюминия, желаемое внедрение альтернативных материалов и улучшенных конструкций аккумуляторов продолжает вызывать интерес.
Cornell Develops Aluminium Anode Batteries
Стремясь решить проблемы, связанные с хранением энергии, связанные с выработкой электроэнергии с помощью солнечной энергии, исследователи из Корнельского университета изучают использование недорогих материалов, таких как алюминий, в батареях в качестве альтернативы. на литий-ион. Команда под руководством Линдена Арчера, профессора инженерии в Корнелле, стремится создать перезаряжаемые батареи, которые сделают хранение энергии более безопасным и доступным.
Исследования привели к разработке анода на основе алюминия для аккумуляторных батарей. «Очень интересная особенность этой батареи заключается в том, что для анода и катода используются только два элемента — алюминий и углерод, оба из которых недороги и безвредны для окружающей среды», — сказал Цзинсюй (Кент) Чжэн, доктор философии, один из члены исследовательской группы.
Исторически сложилось так, что алюминий было трудно интегрировать в электроды батареи.
В батареях используется сепаратор из стекловолокна между анодом и катодом, который действует как катализатор для обеспечения необходимого электрического заряда. Однако алюминий склонен вступать в химическую реакцию со стекловолокном, что приводит к короткому замыканию и выходу батареи из строя.
Исследователи из Корнелла решили эту проблему, разработав подложку из переплетенных углеродных волокон, которые образуют прочную химическую связь с алюминием при зарядке аккумулятора. Этот метод способен обеспечить более глубокое, последовательное и тщательно контролируемое наслоение алюминия.
«В основном мы используем химическую движущую силу, чтобы способствовать равномерному отложению алюминия в порах архитектуры», — отметил Чжэн. «Электрод намного толще и имеет гораздо более быструю кинетику».
Увеличенное изображение, показывающее химическую связь между алюминием и углеродными волокнами в электроде батареи. (Изображение предоставлено Корнельским университетом.) Батареи с алюминиевым анодом имеют значительно более длительный срок службы и могут заряжаться до 10 000 раз.
«Когда мы рассчитываем стоимость хранения энергии, нам нужно амортизировать ее по сравнению с общей пропускной способностью энергии, а это означает, что батарея является перезаряжаемой, поэтому мы можем использовать ее много-много раз», — пояснил Чжэн. «Поэтому, если у нас будет более длительный срок службы, то эта стоимость будет дополнительно снижена».
Алюминий-ионный аккумулятор обсуждается в статье «Регулирование морфологии электроосаждения в анодах аккумуляторов большой емкости из алюминия и цинка с использованием межфазной связи металл-подложка», опубликованной исследовательской группой Корнелла в Nature Energy .
Phinergy расширяет внедрение алюминиево-воздушной батареи
В 2014 году Phinergy представила свою разработку алюминиево-воздушной батареи, которая была представлена как часть демонстрационного автомобиля, разработанного в сотрудничестве с Alcoa. Вместо того, чтобы конкурировать с литий-ионными батареями, алюминиевая воздушная батарея была разработана, чтобы дополнить их.
По сути, это позволяет автопроизводителям уменьшить размер литий-ионного аккумуляторного блока, установив алюминиевую воздушную систему в свои электромобили в качестве увеличения запаса хода, что обеспечивает дополнительный запас хода примерно на 1600 км с нулевым выбросом CO2.
Воздушная батарея использует энергию, высвобождаемую в результате реакции алюминия с кислородом, для выработки электроэнергии. Алюминиевый анод действует как топливо, вдыхая кислород, который разлагает воду на гидроксид. Внешний слой медленно растворяется обратно в гидроксид алюминия. Как только алюминий истощается, алюминиево-воздушная батарея должна быть полностью заменена.
С момента выпуска батареи в 2014 году компания Phinergy продолжает совершенствовать технологию и внедрять ее на более широкий рынок электромобилей.
В этом году компания подписала несколько соглашений о сотрудничестве с индийскими компаниями.
В марте Phinergy наладила сотрудничество с Mahindra Electric, ведущей индийской компанией в секторе электромобилей, в рамках которого компании представят прототип электрической рикши, который будет испытан в Индии. Ожидается, что алюминиево-воздушная батарея увеличит дальность поездки рикши со 130 до 400 км.
Также в марте IOP, компания, находящаяся в совместном владении Phinergy и Indian Oil Corporation, подписала письма о намерениях с двумя крупными индийскими автопроизводителями, включая Maruti Suzuki, дочернюю компанию Suzuki Motor Corporation, и Ashok Leyland, второго по величине производителя коммерческих автомобилей. автомобилей в Индии. Автопроизводители будут сотрудничать с IOP для тестирования алюминиево-воздушной батареи Phinergy в прототипах электромобилей для автобусов и легковых автомобилей.
«Сотрудничество с ведущими производителями автомобилей укрепляет позицию и видение Phinergy в области электромобилей в целом и на индийском рынке в частности», — сказал Дэвид Майер, генеральный директор Phinergy.
«Мы надеемся, что первые демонстрационные автомобили будут ездить по индийским дорогам в ближайшем будущем и впоследствии будут перевозить миллионы пассажиров в Индии экологически безопасным способом, с большим запасом хода по сравнению с литиевыми батареями аналогичного размера и веса. [обеспечивая] быструю подзарядку без зависимости от электрической сети по конкурентоспособной цене».
GM Тестирование аккумуляторов с катодами на основе алюминия
Компания General Motors (GM) объявила о планах по разработке и тестированию различных технологий и производственных процессов с целью расширения ассортимента и снижения стоимости аккумуляторов для электромобилей. Это включает в себя изучение различных химических элементов для аккумуляторной платформы Ultium следующего поколения, которые разрабатываются в рамках Ultium Cells LLC, совместного предприятия с LG Energy Solution.
Ultium — это новая модульная аккумуляторная система и платформа GM, в которой используются аккумуляторы с катодами на основе алюминия.
(Фото Стива Фехта, GM.)«Доступность и запас хода — два основных препятствия для массового внедрения электромобилей», — сказал Марк Ройсс, президент GM. «Мы считаем, что с этой химией Ultium следующего поколения мы находимся на пороге улучшения плотности энергии и стоимости, которое происходит раз в поколение. В обеих категориях есть еще много возможностей для совершенствования, и мы намерены внедрять инновации быстрее, чем любая другая компания в этой области».
Батарея Ultium в настоящее время разрабатывается с катодами никель-кобальт-марганец-алюминий (NCMA), а также с анодами на основе графита и жидким электролитом. Ожидается, что батареи будут иметь запас хода до 450 миль и будут использоваться в новых электрических моделях GM, таких как Cadillac Lyriq и Hummer EV.
Совместное предприятие в настоящее время строит объект стоимостью 2,3 миллиарда долларов и площадью 2,8 миллиона квадратных футов в Спринг-Хилл, штат Теннесси. Это будет второе предприятие, способное производить новые батареи Ultium.
Качественная оптовая продажа биметаллической ленты из меди и алюминия Поставщик
Наш медно-алюминиевый биметаллический композит представляет собой медное покрытие на алюминиевом сердечнике. Два металла объединяются вместе с помощью нашей запатентованной технологии, которую мы назвали технологией бескислородной полурасплавленной прокатной массы. Эта технология решает технические проблемы окисления и эвтектики медно-алюминиевого композита. Наши композитные материалы протестированы многими способами и зарекомендовали себя в течение многих лет как материал для замены чистой меди в некоторых применениях.
По сравнению с чистым медным материалом преимущества медно-алюминиевых биметаллических композитов приведены ниже.
- Значительное снижение стоимости: меньше медных материалов, что значительно снижает стоимость примерно на 40%-50%.
- Более легкий вес: плотность медно-алюминиевых композитов составляет всего 37-40% от чистой меди, что значительно снижает вес примерно на 50%.
Медно-алюминиевые биметаллические композиты полосы Особенности
- 90 073 Размеры и допустимые допуски медно-алюминиевых композиционных материалов
Лист 1: Толщина и ширина полосы и допустимые допуски (единица измерения：мм)
| Серийный номер | код материала | Имя | базовое значение | допустимые допуски |
| 1 |
TY-DC0001 | толщина | 3,8 мм | +0,15/-0 |
| 2 | Толщина медного слоя | 1,3 мм | ±0,05 | |
| 3 | Толщина алюминиевого слоя | 2,5 мм | / | |
| 4 | Ширина | 40~145 | +0/-0,3 | |
| 5 | Длина | / | / | |
| 6 |
TY-DC0002 | толщина | 3,9 мм | +0,1/-0,05 |
| 7 | Толщина медного слоя | 1,3 мм | ±0,05 | |
| 8 | Толщина алюминиевого слоя | 2,6 мм | / | |
| 9 | Ширина | 40~145 | +0/-0,3 | |
| 10 | Длина | / | / |
- Механические свойства медно-алюминиевых композитов
2.
1 Твердость по Виккерсу медно-алюминиевых композитов
Лист 2: Твердость по Виккерсу медно-алюминиевых композитов
| Металл Модель 901 26 | Лт | Твердость поверхности меди | Твердость поверхности алюминия |
| Т2/1060 | х28 | / | 35~45 |
2.2 Характеристики растяжения при комнатной температуре
Лист 3: Свойства композитов при продольном растяжении при комнатной температуре
| Металлическая модель | Лт | глубина/мм | предел прочности при растяжении Rm/МПа | Удлинение |
| Т2/1060 | х28 | ≥3,8 | ≥150 МПа | ≥10 |
2.3 Прочность на отрыв ≥25 Н/мм
2.4 Состав смеси：100%
900 02 Широко используемый медно-алюминиевый композитный материал сочетает в себе преимущества меди и алюминия, которые не только обладают преимуществами медь, такая как высокая электрическая и теплопроводность, низкое контактное сопротивление и красивый внешний вид, но также имеет преимущества легкого веса и коррозионной стойкости алюминия.
