Tại sao chúng ta nên nhắm vào 800 km? Bởi vì giá trị này là giá trị dự kiến cao nhất đối với hầu hết các phạm vi bay của mọi người, nếu phạm vi bay của xe điện không thể đạt tới 800 km và chi phí có thể được hầu hết mọi người chấp nhận, xe điện sẽ ít phổ biến hơn. Vì vậy, chúng tôi đặt giá trị này theo mục tiêu của dự án pin 500 của chúng tôi. Dự án bắt đầu vào năm 2009 và bị chi phối bởi Trung tâm nghiên cứu Almaden. Kể từ đó, IBM đã thực hiện nghiên cứu này với một số đối tác kinh doanh và viện nghiên cứu từ Châu Âu, Châu Á và Hoa Kỳ. Dự án Pin 500 dựa trên công nghệ không khí kim loại. So với pin lithium, pin không khí kim loại có nhiều năng lượng trên mỗi đơn vị khối lượng. Nghiên cứu dự án vẫn mất vài năm để được thương mại hóa. Nhưng qua bảy năm thí nghiệm này, chúng ta có thể nghĩ rằng pin không khí kim loại trong tương lai thực sự hữu ích trong xe điện. Tại sao nó là một pin không khí kim loại? Lấy pin lithium-Air làm ví dụ, để hiểu vấn đề này, trước tiên chúng ta hãy xem sự khác biệt giữa pin lithium-ion (nay là pin lithium phổ biến) và pin lithium-Air. Hình dưới đây cho thấy trạng thái bên trong của pin trong quá trình sạc và xả pin ion lithium. Trong một pin ion lithium thông thường, điện cực dương là carbon và điện cực âm bao gồm các oxit kim loại chuyển tiếp khác nhau như coban, niken, mangan và tương tự. Cả hai điện cực đều được ngâm trong một chất điện phân trong đó muối lithium được hòa tan. Trong quá trình sạc và xả, các ion lithium di chuyển từ điện cực này sang điện cực khác. Hướng chuyển động khác nhau tùy thuộc vào việc pin được sạc hay xả tùy thuộc vào trạng thái của pin. Tại thời điểm sạc và xả, các ion lithium cuối cùng được nhúng vào lớp nguyên tử của vật liệu điện cực, và do đó công suất của pin cuối cùng phụ thuộc vào số lượng vật liệu có thể chứa các ion lithium, nghĩa là được xác định bởi khối lượng và chất lượng của các điện cực. 
Quá trình sạc và xả pin lithium-ion
Pin lithium-không khí khác nhau. Trong pin không khí kim loại, một phản ứng điện hóa diễn ra. Trong quá trình phóng điện, điện cực dương có chứa lithium giải phóng các ion lithium và các ion lithium di chuyển về phía điện cực âm và phản ứng với oxy trên bề mặt của điện cực âm để tạo thành lithium peroxide (Li 2 O 2). Các ion lithium, electron và oxy phản ứng trên bề mặt của điện cực âm được hình thành bởi carbon xốp, bởi vì phản ứng hóa học không xảy ra trên điện cực âm và ion lithium không phải là vật liệu điện cực âm. Do đó, công suất của pin và khối lượng hoặc khối lượng của vật liệu điện cực âm không quá cao. Mối quan hệ lớn, miễn là có đủ diện tích bề mặt. Điều đó có nghĩa là, công suất của pin lithium-Air không được xác định bởi khối lượng và chất lượng của điện cực, nhưng diện tích bề mặt của điện cực. Đây là lý do tại sao trong pin lithium-Air, một điện cực khối lượng nhỏ cũng có thể lưu trữ một lượng lớn năng lượng, dẫn đến mật độ năng lượng cao hơn. 
Quá trình sạc và xả pin Lithium-Air
Tất nhiên, ngoài mật độ năng lượng, chi phí cũng là một cân nhắc quan trọng. Giá pin hiện nằm trong khoảng 200-300 đô la / kwh, nếu bạn có thể chạy 5-6 km mỗi kWh, 800 km cần pin 150 kWh, bạn cần 30.000-4,5 triệu. Một chiếc xe BMW 2 Series chỉ cần 33.000 đô la. Do đó, nếu bạn muốn sản xuất hàng loạt, giá mỗi kWh phải giảm xuống dưới 100 đô la. Tôi nên giải quyết vấn đề gì cho việc thương mại hóa pin lithium-Air? Khi lithium và oxy chỉ đơn giản là phải chịu phản ứng oxy hóa khử, mật độ năng lượng tối đa lý thuyết có thể được tạo ra là 3,460 WH/kg. Ngoài phần của tế bào không trải qua phản ứng hóa học, giá trị của mật độ năng lượng cuối cùng có thể đạt được cũng rất mong muốn. Tất nhiên, bạn cũng sẽ gặp vấn đề. Quá trình sạc của pin lithium-Air tương tự như pin ion lithium thông thường, miễn là nó được điều áp bên ngoài. Sự khác biệt là trong pin lithium-Air, khi có điện áp bên ngoài, cấu trúc của lithium peroxide bị phá hủy và nó được giảm xuống thành các ion oxy và lithium, và các ion lithium được đưa trở lại điện cực dương. Pin lithium-Air, như pin lithium truyền thống, có nhiều chu kỳ sạc và xả hơn và có nhiều tác dụng phụ hơn bên trong pin. Những tác dụng phụ này là nền tảng cho sản xuất hàng loạt của họ và thậm chí là thương mại hóa. Để hiểu được tác dụng của các tác dụng phụ này đối với pin, chúng tôi đã sử dụng máy quang phổ khối điện hóa tại trung tâm nghiên cứu để đo chính xác lượng khí tiêu thụ và sản xuất trong mỗi chu kỳ điện tích và xả. Do đó, một vấn đề đã được phát hiện: pin lithium-Air phát ra ít oxy hơn nhiều trong quá trình sạc so với oxy tiêu thụ trong quá trình xả. (Trong thử nghiệm, oxy khô được sử dụng thay vì không khí.) 
Máy quang phổ khối điện hóa điện hóa của Trung tâm nghiên cứu IBM (: IBM)
Trong một tế bào pin lý tưởng, oxy tiêu thụ trong quá trình xả bằng với khối lượng oxy được giải phóng trong quá trình sạc. Nhưng nghiên cứu cho thấy lượng oxy được giải phóng là ít hơn, điều đó có nghĩa là oxy không được giải phóng có khả năng phản ứng với các thành phần trong bộ phận pin, chẳng hạn như tan chảy vào chất điện phân, pin ở bên trong. Sự tiêu thụ. Trong một phòng thí nghiệm khác của IBM ở Zurich, chúng tôi đã tiến hành các thí nghiệm mới để theo dõi và vi tính hóa phản ứng hóa học tự hủy hoại này. Cuối cùng, lý do được tìm thấy trên chất điện phân hữu cơ. Sau đó, chúng tôi đã nghiên cứu vấn đề này. Trong đơn vị pin mới nhất, sau khi sử dụng chất điện phân mới, nó có thể giải phóng hầu hết các oxy được hấp thụ trong quá trình xả. Ngoài ra, chúng tôi cũng theo dõi mức tiêu thụ và sản xuất hydro và nước trong quá trình sạc và xả, bởi vì sự hiện diện của hai chất này có nghĩa là có khả năng có ít nhất một phản ứng hóa học tự tiêu thụ bên trong pin. Đơn vị pin hiện tại của chúng tôi đã có thể đạt được 200 chu kỳ sạc và xả, mặc dù điều này là để làm cho quá trình sạc thực tế ít hơn nhiều so với mức tối đa lý thuyết. Ngoài vấn đề này, chúng tôi có một số phát hiện chính về các thành phần khác nhau của pin lithium-Air: 1. Điện cực dương khác với điện cực dương làm bằng than chì trong pin ion lithium truyền thống. Trong pin lithium-Air, điện cực dương chứa lithium sẽ thay đổi một số bề mặt trong quá trình sạc và một số cấu trúc giống như rêu hoặc giống như cây phát triển. Đó là một dendrite. Những sợi nhánh này rất nguy hiểm vì chúng có thể tạo thành một vòng dẫn điện giữa các điện cực dương và âm để tạo ra một đường ngắn. 
△ điện cực dương pin lithium-không khí, sau vài chục chu kỳ, bề mặt tạo ra cấu trúc đuôi gai
Để giảm sự xuất hiện của đuôi gai, chúng tôi đã sử dụng màng cách ly đặc biệt. Dấu tách này bao gồm một lớp vật liệu chứa nhiều lỗ chân lông nano đủ nhỏ và phân bố đều trên màng để cho phép truyền các ion lithium và ức chế sản xuất đuôi gai. Do sự hiện diện của thiết bị phân tách này, cực dương vẫn trơn tru sau vài trăm chu kỳ sạc. Nếu một thiết bị phân tách truyền thống được sử dụng, đuôi gai sẽ xảy ra sau nhiều chu kỳ. Nếu bạn sử dụng polymer thủy tinh với các ion dẫn điện, hiệu ứng sẽ tốt hơn. 
△ điện cực dương pin lithium-không khí, sau khi sử dụng màng phân lập nano, bề mặt vẫn mịn
2. Các chất điện phân hiện được sử dụng trong chất điện phân vẫn phản ứng với oxy hoặc các hợp chất khác được sản xuất trong chu kỳ điện tích và xả và do đó được tiêu thụ. Cho đến nay, chúng tôi chưa tìm thấy bất kỳ dung môi nào đủ ổn định để cho phép pin lithium-Air bước vào giai đoạn thương mại. 3. Trong quá trình sạc, các ion lithium có thể phản ứng với điện cực âm để tạo ra lithium nitrat. Lithium nitrat cũng phản ứng với chất điện phân, tiêu thụ chất điện phân và sản xuất carbon dioxide. Trong thử nghiệm, chúng tôi cũng đã theo dõi lượng nitrat lithium được sản xuất và thực hiện một số biện pháp để giảm sản xuất. Tuy nhiên, vì điện áp sạc cần thiết phải cao hơn điện áp hoạt động của pin ít nhất 700mV. Quá điện áp sẽ giảm hiệu quả sạc của pin. Chúng tôi đã cố gắng chuyển đổi carbon sang một số oxit kim loại khác và kết quả không thay đổi nhiều. 4. Chất xúc tác về việc có sử dụng chất xúc tác trong pin không khí kim loại hay không, đã có nhiều cuộc tranh luận giữa các chuyên gia và đối thủ. Việc sử dụng chất xúc tác có thể làm giảm đáng kể sự xuất hiện của các điều kiện quá áp, nhưng cùng một chất xúc tác cũng sẽ làm tăng tốc độ tiêu thụ điện giải. Trong các nghiên cứu lý thuyết của chúng tôi, năng lượng kích hoạt rất thấp trong quá trình oxy hóa và giảm lithium. Do đó, trong pin lithium-không khí, chất xúc tác là không cần thiết. 5. Chuẩn bị không khí Mặc dù pin được gọi là pin không khí lithium, trên thực tế chúng tôi sử dụng oxy khô. Nhấn mạnh được đặt vào "sấy" vì chỉ cần loại bỏ các thành phần của hơi nước và carbon dioxide trong không khí. Để sản xuất hàng loạt không khí như vậy trong pin thương mại, một hệ thống tinh chế không khí nhẹ, hiệu quả và ổn định là cần thiết. Từ quan điểm này, ứng dụng thực tế của pin lithium-không khí có thể nằm trong xe buýt, xe tải và các phương tiện lớn khác. Chỉ những chiếc xe lớn này có thể chứa thiết bị lọc không khí. Đơn vị pin hiện được sử dụng để thử nghiệm vẫn có kích thước nhỏ, đường kính 76 mm và chiều dài 13 mm, không đủ so với tiêu chuẩn của xe điện. Vì vậy, một trong những nhiệm vụ quan trọng nhất cần phải làm là làm thế nào để tạo ra các pin pin lớn hơn, đóng gói và đóng gói nhiều pin pin thành một bộ pin, sau đó có hệ thống quản lý pin. Chúng tôi cũng đang thử nghiệm một số kích thước khác nhau, chẳng hạn như 100 x 100mm (đường kính 100mm, chiều dài 100mm). Hiện tại, dự án này vẫn đang trong giai đoạn khoa học cơ bản ban đầu về vật liệu và phản ứng hóa học, nhưng kết quả thu được là tích cực. Trong nghiên cứu của chúng tôi, mật độ năng lượng hiện có thể đạt được là phản ứng oxy hóa lithium là 15 kWh/kg (sử dụng catốt carbon thô, 5700 mAh x 2,7 v/g) và mật độ năng lượng trong tế bào là khoảng 800 wh/kg . Pin natri-không khí: mật độ năng lượng thấp, nhưng trong pin không khí kim loại ổn định, có nhiều kim loại có thể được sử dụng, ngoài lithium, natri và kali. Phản ứng ngược của các kim loại này dễ dàng hơn và các kim loại tương đối nặng như magiê, nhôm, kẽm, sắt, v.v. đã được chứng minh là khó nạp lại, vì vậy dự án 500 Pin đã chọn nghiên cứu cả lithium và natri. kim loại. Pin natri-không khí là một sự kết hợp thú vị khác, mặc dù mật độ năng lượng có thể đạt được thấp hơn so với pin lithium-Air, nhưng lợi ích của nó ổn định hơn. Lý do tại sao mật độ năng lượng thấp là phản ứng hóa học được tạo ra là khác nhau. Như đã đề cập ở trên, trong pin lithium-không khí, lithium phản ứng với oxy để tạo ra lithium peroxide (LI2O2), nhưng trong pin natri-không khí, natri phản ứng với oxy chỉ sử dụng một electron, dẫn đến natri superoxide NaO2. Thay vì natri peroxide, Na2O2. So sánh, mật độ năng lượng mà pin natri-Air có thể tạo ra giảm một nửa về mặt lý thuyết và giới hạn trên lý thuyết của mật độ năng lượng là 1100 wh/kg. Mặt khác, pin natri-không khí hiệu quả hơn pin lithium-không khí và quá điện áp khá thấp, dưới 20MV (700mV đối với lithium). Theo quan điểm này, điện áp hoạt động của bộ phận pin có thể được giảm xuống còn 3V, do đó việc tự tiêu thụ của các thành phần khác bên trong pin có thể được giảm rất nhiều, chẳng hạn như chất điện phân. Chúng tôi đã đo nó bằng thử nghiệm và đã xác minh nó. Điều này có lợi thế là sự ổn định của pin khá cao và dung lượng của pin hầu như không thay đổi sau 50 chu kỳ sạc và xả. Ngoài ra còn có một số thách thức trong việc sử dụng thương mại pin natri-không khí. Ví dụ, pin natri-Air tiêu thụ gấp đôi oxy so với pin lithium-Air để phản ứng với phản ứng, tương đương với lượng không khí cần thiết để tạo ra động cơ piston có cùng một công suất. Ngoài ra, hoạt động hóa học của kim loại natri khá cao và nhiều người sẽ nhớ cuộc biểu tình của giáo viên hóa học trong lớp học trung học. Một mảnh nhỏ natri được ném xuống nước, và một phản ứng hóa học bạo lực sẽ xảy ra. Tuy nhiên, lithium là một kim loại quý hiếm và nó không rẻ. Nhưng natri là một kim loại phổ biến và chi phí là cực kỳ thấp. Chi phí của các vật liệu trong cùng một pin natri-Air có kích thước tương tự ít hơn một phần mười trong pin lithium-Air. Mặc dù về lâu dài, pin lithium-không khí sẽ có hiệu suất tốt hơn, nhưng xem xét sự ổn định và chi phí, pin natri-Air không thấp như năng lượng sẽ là lựa chọn tốt hơn từ pin hiện tại cho đến tương lai. 0 lần
Window._bd_share_config = {"phổ biến": {"bdsnskey": {}, "bdtext": "" 0 "," bdsize ":" 24 "}," chia sẻ ": {}," hình ảnh ": {" viewlist ": [" qzone "," tsina "," tqq "," renren "," weixin "], "ViewText": "Chia sẻ với:", "ViewSize": "16"}, "selectShare": {"BdcontainerClass": null, "bdselectminilist": ["qzone", "tsina", "tqq", "renren" , "weixin"]}}; với (tài liệu) 0 [(getElsionByTagName ('head') [0] || body). Badu.com/static/api/js/share.js?v=89860593.js?cdnversion= ' + ~ (-New Date ()/36e5)];
