Od 24. do 26. kolovoza, Forum o ugljično neutralnoj energiji i 3. kineska međunarodna konferencija o novim tehnologijama pohranjivanja energije i inženjerskim primjenama te Forum mladih znanstvenika o novim tehnologijama pohranjivanja energije održani su u Shenzhenu pod vodstvom Komisije za razvoj i reformu Shenzhena, co - u organizaciji Kineske udruge kemijske i fizičke industrije energetike i Istraživačkog instituta za ugljično neutralnu energiju Sveučilišta Southern University of Science and Technology, a uz podršku više od 100 institucija. Tema konferencije je "Razvoj nove produktivnosti i promicanje visokokvalitetnog razvoja industrije skladištenja energije".
Organizatori konferencije pozvali su 6 akademika i 100 stručnjaka iz industrije da provedu detaljne rasprave i razmjenu informacija na 12 posebnih sesija, uključujući nova rješenja integracije sustava za pohranu energije, tehnologiju i aplikacije za dugoročno pohranjivanje energije, virtualne elektrane, industrijsku i komercijalnu energiju pohrana, nove baterije za pohranu energije, nova pohrana energije i tržišta električne energije, pametne mikromreže, promocija standarda za pohranu energije i nova tehnologija pohrane energije Forum mladih znanstvenika.
Ujutro 25. kolovoza, profesor Ning Xiaohui sa Fakulteta za znanost o materijalima i inženjerstvo Sveučilišta Xi'an Jiaotong pozvan je da održi uvodni govor na "Posebnoj sesiji nove baterije za pohranu energije". Naslov izvješća bio je "Napredak u tehnologiji novih baterija za pohranu energije od tekućeg metala".
Dobro jutro svima! Ja sam Ning Xiaohui sa Sveučilišta Xi'an Jiaotong. U usporedbi s natrijevo-ionskom baterijom o kojoj je upravo govorio profesor Cao i protočnom baterijom koju je predstavio profesor Yan, naša je tehnologija vrlo nišna. Naziva se novom vrstom tekuće metalne baterije za pohranu energije. Naša stvar je točnije definirana kao tekući metal. Ova se baterija razlikuje od litij-ionske baterije, protočne baterije i natrij-ionske baterije koje se koriste u vašem mobilnom telefonu. To je visokotemperaturna baterija. Hvala vam puno na prilici da predstavim napredak naše istraživačke grupe u ovom području.
Pozadinu i značaj su upravo predstavili svi učitelji. Glavna poanta je da trenutni vrhunac ugljika i ciljevi ugljične neutralnosti zahtijevaju od nas da transformiramo našu energetsku strukturu. Od sadašnje energetske strukture kojom dominira fosilna energija do buduće strukture kojom dominira nova energija. Ova transformacija je zahtjevnija za elektroenergetski sustav, jer se naša trenutna elektroenergetska mreža temelji na termoenergiji, uključujući hidroenergiju i nuklearnu energiju. Ova tri izvora energije su vrlo stabilna i mogu se kontrolirati za proizvodnju električne energije. Što se tiče potrošnje energije, zakoni potrošnje energije u našim tvornicama i kućanstvima su podložni. Sada možemo u potpunosti zadovoljiti dinamičku ravnotežu između strane proizvodnje električne energije i strane potrošnje energije kroz državnu mrežu i južnu elektroenergetsku mrežu, veliki prijenos i distribuciju i velike mogućnosti dispečiranja. Ali u budućnosti moramo transformirati našu energetsku strukturu. Energiju vjetra i fotonaponsku energiju potrebno je dodati na stranu proizvodnje električne energije. Svi znaju da je ova energija vrlo promjenjiva i nasumična. Dakle, nakon dodavanja na stranu proizvodnje električne energije, ova će strana također uvelike fluktuirati, a sa sve većim promjenama na strani korisnika na strani potrošnje energije mikromreže, kao što su električna vozila i nova energija, slučajnost i nekontroliranost korisničke strane postat će sve teže i teže. U ovom slučaju, tehnologija za skladištenje energije velikih razmjera vrlo nam je važna.
Kao što možete vidjeti, u "14. petogodišnjem planu", planu provedbe razvoja novog skladišta energije, naše Nacionalno povjerenstvo za razvoj i reformu i Ured za energetiku također su jasno naveli da se nadaju izgradnji novog inovativnog sustava za novo skladištenje energije i povećanju razvoja raznolikih tehnologija. U tom kontekstu, naša nišna tehnologija za pohranu energije ima malo prostora za preživljavanje.
Ako želimo proizvoditi baterije za pohranjivanje energije, moramo napraviti neke inovativnije sustave i napustiti neke od dosadašnjih dizajnerskih ideja. Moramo pronaći neke nove sustave materijala za elektrode i dizajnirati neke nove strukture baterija prije nego što možemo smisliti neke nove tehnologije baterija za pohranu energije.
Moj bivši mentor na MIT-u, profesor Sadoway, radio je u metalurgiji i bio je fasciniran ćelijama za elektrolizu aluminija. Metal na Napoleonovoj kruni bio je izrađen od aluminija, kao i metal na vrhu Washington Monumenta. Aluminij je u to vrijeme bio vrlo skup, no nakon proizvodnje elektrolizom aluminij je postao vrlo jeftin i ušao u tisuće kućanstava, pa ga je fascinirala tehnologija elektrolize aluminija.
Proces elektrolize je obrnuti proces od baterija koje sada koristimo. Naš proces elektrolize uglavnom pretvara električnu energiju u kemijsku, dok baterije pretvaraju kemijsku energiju u električnu. Pri punjenju baterija koristi se princip elektrolize. Ćelija za elektrolizu aluminija je vrlo velika, duga je stotine metara i troši puno električne energije. To je 4-voltni sustav od 500,000 ampera i svaki dan troši mnogo električne energije. U to vrijeme, jedna od naših najosnovnijih ideja bila je preokrenuti proces elektrolize i pretvoriti stvari koje troše električnu energiju u stvari za skladištenje električne energije, pretvarajući ih u golemu bateriju za pohranu energije. Kako to učiniti? Razmišljali smo o procesu rafiniranja elektrolizom aluminija, procesu elektrokemijskog rafiniranja od sirovog aluminija do rafiniranog aluminija, koristeći troslojnu tekuću strukturu, dno je sirovi aluminij, a elektrolit u sredini je sustav rastaljene soli, sličan kuhinjska sol koju vidimo u svakodnevnom životu. Ova stvar će se rastopiti na visokoj temperaturi i postati tekućina slična vodi, koja može provoditi ione, tako da je elektrolit rastaljena sol, a na vrhu se može dobiti rafinirani aluminijski materijal. Zašto se mogu generirati tri sloja tekućih materijala? Budući da su gustoće ova tri materijala različite, prirodno su podijeljeni u tri sloja: gornji, srednji i donji. Štoviše, proces elektrolize radi na visokoj temperaturi i može propuštati velike struje.
S ovim razmišljanjima, pitali smo se možemo li upotrijebiti princip elektrolitičke rafinacije aluminija za dizajn troslojne tekuće baterije, baterije od tekućeg metala. Tri materijala baterije od tekućeg metala, pozitivna elektroda, negativna elektroda i elektrolit, imaju različite gustoće, pa se prirodno mogu podijeliti u tri sloja: gornji, srednji i donji. Najlakši metal je na vrhu, što je negativna elektroda baterije, a metal s najvećom gustoćom je na dnu, što je pozitivna elektroda baterije. U sredini je sustav rastaljene soli. Kada se baterija isprazni, negativna elektroda će postati ioni, difundirati na površinu pozitivne elektrode kroz rastaljenu sol elektrolita i formirati leguru; punjenje je obrnuti proces. Tijekom procesa punjenja i pražnjenja, to je samo promjena u volumenu tekućeg materijala elektrode, i nema problema strukture čvrstog materijala ili kolapsa strukture materijala. Dakle, u teoriji, njegov životni ciklus može biti vrlo dug. Tekući metali koriste relativno jeftine metale s relativno velikim rezervama, tako da je cijena relativno niska. U isto vrijeme, elektrolit u sredini je napravljen od anorganske rastaljene soli, koja ne zahtijeva dijafragmu i ima relativno nisku cijenu. Osim toga, ima vrlo visoku ionsku vodljivost pri visokim temperaturama. Štoviše, troslojna tekuća struktura je vrlo jednostavna kada je baterija veća, tako da je vrlo lako napraviti pojedinačne ćelije sa stotinama amper sati. Naš laboratorij može izraditi baterijske ćelije kapaciteta većeg od 200 amper sati. Jedini problem je što se radi o visokotemperaturnom sustavu pa ga treba zagrijati kad se prvi put pokreće. Međutim, nakon što složimo baterije i napravimo bolju izolaciju, tijekom procesa punjenja i pražnjenja stvorit će se velika količina topline, čime se može postići dinamička ravnoteža s gubitkom topline, dovoljna da baterija od tekućeg metala radi na tako visoku temperaturu, tako da se može napraviti u samozagrijavajući sustav.
Kao što možete vidjeti na slici ovdje, kako bismo svima jasnije razumjeli koncept baterije od tekućeg metala, u laboratoriju smo napravili demonstraciju tekuće baterije sobne temperature. Naravno, ne može se koristiti u praksi jer njegova pozitivna elektroda koristi otrovnu metalnu živu. Napravili smo ovu bateriju tako da svatko može jasnije vidjeti troslojnu strukturu tekućine. Ova baterija ima napon i može se lako puniti i prazniti, ali izvedba nije bolja od one naše stvarne baterije koja radi na visokim temperaturama. Samo da svi razumiju koncept troslojne tekućine.
i rast dendrita tijekom ciklusa baterije. Budući da je tekućina, nema stresa tijekom procesa punjenja i pražnjenja, tako da neće biti niti usitnjavanja bez stresa. U isto vrijeme, sučelje između tekućeg metala i tekućeg elektrolita je sučelje tekućina-tekućina s vrlo dobrim kontaktom, čime je riješen problem kontaktnog sučelja između čvrste elektrode i elektrolita.
Baterije od tekućeg metala također imaju neke prednosti. Budući da se troslojna tekuća struktura automatski slojevito temelji na različitim gustoćama materijala, cijela struktura baterije vrlo je jednostavna i vrlo ju je lako povećati. Naš laboratorij može izraditi baterije kapaciteta 200 amper sati, 300 amper sati ili čak 500 ili 600 amper sati. Drugo je da tekuće elektrode nemaju neke promjene u strukturi čvrste elektrode koje uzrokuju pad kapaciteta baterije. U usporedbi s našim solid-state baterijama, nakon dugih ciklusa, struktura materijala elektrode se urušava i uzrokuje pad kapaciteta. Ovaj problem ne postoji u našem sustavu, tako da naša baterija ima relativno dug vijek trajanja. Osim toga, rastaljena sol elektrolita u sredini ima tehnologiju skladištenja topline u tehnologiji skladištenja energije. Sama rastaljena sol koristi se kao materijal za skladištenje topline. Nakon stvaranja topline, ako je baterija u kratkom spoju i stvara toplinu, rastopljena sol će je apsorbirati i neće biti opasnosti od požara i eksplozije. Istodobno, dijafragma nije potrebna, tako da je cijena relativno niska.
"14. petogodišnji plan za razvoj novih pohrana energije" također predlaže korištenje baterija od tekućeg metala kao novu tehnologiju i smjer kojim se treba pozabaviti u budućnosti, te se nada da će se one u budućnosti primijeniti na području pohrane energije .
Slijedi uvod u napredak naše istraživačke grupe u sustavima baterijskih materijala, uključujući pojedinačne ćelije i sustave za pohranu energije. Ovo su neki od rezultata našeg istraživanja dizajna sustava baterijskih materijala od tekućeg metala.
Kao što svi znamo, najosnovniji način odabira materijala je vratiti se na periodni sustav. Budući da naša baterija mora imati određeni napon, negativna elektroda bi trebala biti od lakšeg metala. U periodnom sustavu tražimo alkalijske metale i zemnoalkalijske metale koji su relativno lagani i imaju određenu aktivnost. Pozitivna elektroda mora biti izrađena od nečega veće gustoće i nižeg tališta, tako da naš asortiman leži u metalnim elementima s jačim nemetalnim svojstvima, što je korak između metalnih i nemetalnih elemenata.
Općenito, dizajn sustava materijala elektroda ide od jednostavnog prema složenom, tako da smo u početku izgradili relativno jednostavan sustav. Metalni element koji se koristi za negativnu elektrodu je litij, koji ima talište od oko 180 stupnjeva Celzijusa. Pozitivna elektroda je bizmut, koji ima talište veće od 270 stupnjeva. Rastaljena sol u sredini je na bazi litija, koja ima talište od oko 400 stupnjeva Celzijusa. Stoga, ako naša baterija radi na 500 stupnjeva Celzijusa, događa se da je riječ o troslojnoj tekućoj strukturi.
Otkrili smo zanimljiv mehanizam u ovom sustavu baterija od tekućeg metala litij/bizmut. U početku smo mislili da elektroda uvijek ostaje u tekućem stanju tijekom procesa punjenja i pražnjenja, ali pozitivna elektroda zapravo nije takva. Negativna elektroda uvijek ostaje u tekućem stanju, ali tijekom procesa pražnjenja na strani pozitivne elektrode, usred procesa pražnjenja će se stvoriti intermetalni spojevi čvrste faze. Ali ta čvrsta faza postoji samo tijekom procesa pražnjenja, a vratit će se u tekuću fazu prilikom punjenja. Drugim riječima, pozitivna elektroda je zapravo izlječiva. Tijekom pražnjenja nastat će čvrsta faza, ali čvrsta faza nestaje tijekom punjenja, a tijekom punjenja će se vratiti u troslojnu tekuću strukturu.
Kako izgleda naša stvarna baterija? To je slika u donjem desnom kutu (vidi PPT). Razlikuje se od baterija koje sada vidite. Veći je i teži, a koristi školjku od nehrđajućeg čelika. U ovom sustavu provjerili smo stabilnost baterija različitih kapaciteta. Najmanja baterija je vrlo mala, promjera 1,3 cm krajnje desno, kapaciteta oko nekoliko stotina mAh. Najveći je promjera oko 15 cm, a postigli smo kapacitet od 143 amper sata. Pokrenuli smo ga 300 ciklusa bez da smo primijetili pad kapaciteta.
Iako ovaj sustav radi dobro, unutarnji otpor je relativno velik, a sučelje između elektrode i elektrolita malo je neuravnoteženo. Kasnije smo otkrili da budući da je kućište baterije izrađeno od nehrđajućeg čelika, tekući metal Bi ne smoči potpuno nehrđajući čelik, pa je unutarnji otpor relativno velik. Kako bismo poboljšali sposobnost vlaženja, dodali smo vrlo malu količinu elementa Se u Bi. Nakon dodavanja elementa Se, pozitivna elektroda i nehrđajući čelik su potpuno namočeni, što smanjuje unutarnji otpor baterije. Tako smo napravili bateriju s kapacitetom od 20 amper sati, radili je 1200 ciklusa, a stopa zadržavanja kapaciteta dosegla je 98,4%.
Zatim smo otkrili da je napon Li|Bi baterije relativno nizak, pa smo razmišljali možemo li pozitivnoj elektrodi dodati neki element legure Sb. Napon Sb je viši od Bi, ali je i točka taljenja viša, doseže više od 600 stupnjeva, pa smo legirali Bi i Sb, tako da se točka taljenja može sniziti, a napon može biti viši. Nakon dodavanja Sb, možemo vidjeti da je platforma napona pražnjenja poboljšana. Na taj smo način napravili bateriju kapaciteta 5 amper sati i radili s njom više od 160 ciklusa bez ikakvog pada kapaciteta.
Ali problem s ovom BiSb pozitivnom elektrodom je taj što njezine performanse visoke brzine nisu dobre. Želimo znati možemo li poboljšati njegove visoke performanse. Pogledajmo element Te u periodnom sustavu elemenata. Te je relativno skup pa ga koristimo i kao dodatni element. Nakon malog dodavanja, napon pražnjenja Te je vrlo različit od napona Bi i Sb. Dakle, prvo smo pustili Te da formira neke čvrste faze na površini. Tijekom pražnjenja, zbog stresa koji nastaje tijekom formiranja višekomponentne legure pozitivne elektrode, mnoge pukotine mogu biti istisnute u sloju čvrste faze Te, tako da smo nevidljivo povećali kanale za mnoge litijeve ione. Nakon što smo dodali malo Te, otkrili smo da je i performansa brzine baterije također poboljšana. Kada smo sa 100 mAh po kvadratnom centimetru prešli na 1000 mAh po kvadratnom centimetru, reverzibilni gubitak kapaciteta bio je vrlo mali.
Otkrili smo da dodavanje elemenata legure na pozitivnu elektrodu može poboljšati performanse baterije u ograničenoj mjeri, ali ako se oslanjamo samo na svoje iskustvo ili eksperimentalne pokušaje i pogreške, troškovi vremena i novca su relativno visoki, pa smo se pitali možemo li koristiti AI tehnologija. Pa smo koristili neke metode strojnog učenja i izgradili bazu podataka. Putem strojnog učenja uspjeli smo dizajnirati pozitivne elektrode od legure s više elemenata. Dizajnirali smo pozitivnu elektrodu od kvaternarne legure kroz strojno učenje i postigli poboljšanja performansi. U isto vrijeme, naš prethodni sustav elektroda koristio je litij kao negativnu elektrodu, ali litij je relativno skup, pa smo dizajnirali negativnu elektrodu od legure na bazi kalcija, koja je stabilno radila 500 ciklusa bez ikakvog gubitka kapaciteta. Otkrili smo da nam korištenje strojnog učenja doista može pomoći u dizajniranju sustava materijala za elektrode, štedeći puno vremena i troškova.
Uz istraživanje sustava materijala elektroda baterija od tekućeg metala, također smo dizajnirali i optimizirali monomere baterije od tekućeg metala. Prvo smo napravili neke male baterije, jer smo to radili u laboratoriju i bilo je nemoguće to testirati nekoliko godina. Tako smo napravili bateriju od tekućeg metala od 5 amper sati, koja je testirana pri struji pražnjenja od 15 ampera. Struje punjenja i pražnjenja bile su 15 ampera, 100% duboko punjenje i duboko pražnjenje, i brzina 3C. Ova je baterija radila više od 4100 ciklusa, a kapacitet pražnjenja bio je oko 4,92 amper-sata, stopa iskorištenja materijala dosegla je 98,4%, a kulonska učinkovitost bila je 99,52%.
Napravili smo i bateriju većeg kapaciteta, 200 amper-sata. Zbog ograničenja laboratorijske opreme za punjenje i pražnjenje struje, možemo puniti i prazniti samo pri struji od 50 ampera, 0,25C, a također punimo i praznimo 100% duboko. Kapacitet pražnjenja može doseći 199,4 amper sati, a stopa iskorištenja materijala može doseći 96,79%. Stabilno radi više od 700 ciklusa, devet mjeseci, i nije pronađeno očito opadanje kapaciteta, što stvarno dokazuje da naša baterija od tekućeg metala ima dobru stabilnost ciklusa.
Još jedna stvar koja ljude više brine kod baterija od tekućeg metala je što se događa ako se tri sloja tekućine pomiješaju ili se baterija prevrne, pa smo uzeli bateriju od 200 amper sati za testiranje i stavili je na rotirajući stol za grijanje. Budući da naša baterija radi na visokim temperaturama, ako je želimo testirati, moramo je držati u visokotemperaturnom sustavu koji se može okretati. Kada ga nagnemo na 31,9 stupnjeva, troslojna tekuća struktura baterije je i dalje zadržana, pa se baterija i dalje može normalno puniti i prazniti, ali ako je skroz okrenuta naopako i okrenuta za 90 stupnjeva, pozitivni i negativni polovi ne mogu se promijeniti. doći će do kratkog spoja i miješanja, te će se u tom trenutku generirati toplina. Također smo izmjerili ljubičastu i žutu krivulju u donjem desnom kutu. Ova dva termopara pričvršćena su na stijenku baterije i možemo izmjeriti porast temperature baterije nakon dijela kruga, od 550 stupnjeva Celzija do 590 stupnjeva Celzija, što je oko 45 stupnjeva Celzija. To jest, sustav rastaljene soli apsorbira veliku količinu proizvedene topline, tako da ne postoji intrinzična mogućnost rasplinjavanja i eksplozije.
U isto vrijeme, ako se naše baterije budu koristile u stvarnim situacijama skladištenja energije u budućnosti, mogu se susresti s nekim ekstremnim situacijama, poput potresa. Stoga smo također proveli neke sigurnosne testove na frekvenciji potresa od 20 Hz, uključujući neke vertikalne vibracije i horizontalne vibracije. U ovom slučaju, neravnine na krivulji baterije uzrokovane su vibracijama položaja ožičenja, ali baterija može normalno raditi tijekom okomitih vibracija. Došlo je do kratkog spoja tijekom horizontalne vibracije, ali kada je vibracija baterije prestala, baterija je prestala raditi i neko vrijeme je stajala mirno, a zatim se baterija mogla ponovno normalno puniti i prazniti. To dokazuje da na ovoj razini frekvencija potresa od 20Hz10Hz nema veliki utjecaj na bateriju.
Tijekom 13. petogodišnjeg plana poduzeli smo ključne projekte istraživanja i razvoja i izradili bateriju. U ovom procesu prvo smo prevladali ključne probleme u sustavu, kao što je dosljednost baterije. Optimizirali smo strukturu baterije, sastojke, proces sastavljanja, strukturne parametre itd. i poboljšali konzistenciju baterije. Razlika kapaciteta baterije veća od 200 amper-sati manja je od 2 amper-sata, a razlika unutarnjeg otpora manja je od 2 miliohma. Konzistencija baterije je relativno visoka. Jedna ćelija od 0,2C može postići prosječnu energetsku učinkovitost veću od 86%.
Budući da je napon naše tekuće metalne baterije relativno nizak, za razliku od trenutnih litijevih i natrijevih baterija, također moramo dizajnirati vlastiti BMS. Stoga smo, na temelju karakteristika velike struje i niskog napona, dizajnirali dvoslojni sustav uravnoteženja. Nakon balansiranja, postojanost naše baterije je vrlo visoka, s razlikom napona od 40,6 mV i strujom balansiranja od 1,4 ampera.
Na temelju toga također moramo spojiti modul grijanja. Budući da smo visokotemperaturna baterija, koristimo princip konvekcije vrućeg zraka u sustavu za projektiranje grijanja, a također poduzimamo mjere opreza protiv bježanja temperature. Na slici u donjem desnom kutu možemo vidjeti da nakon otprilike desetak baterija spojenih u seriju, one rade brzinom od 0.5C. Plava krivulja je struja vanjskog napajanja. Može se vidjeti da kada radi na 0.5C, toplina koju stvara ova baterija je dovoljna da baterija radi samostalno. Sama je 500 stupnjeva Celzijusa, tako da nema potrebe za vanjskim grijanjem, a može se postići samozagrijavanje. Naravno, ovu bateriju i dalje trebamo malo zagrijati kada se pokrene prvi put, ali to nije potrebno tijekom normalnog rada.
Na temelju toga, surađivali smo s profesorom Jiang Kaiom sa Sveučilišta za znanost i tehnologiju Huazhong kako bismo konstruirali trodimenzionalni model spajanja prijenosa topline tekućih metalnih baterija, predložili strategiju regulacije usluga električno-termalnog spajanja, realizirali učinkovitu bateriju s više razina sustav upravljanja i izgradio prvi sustav baterija od tekućeg metala na bazi litija od 5KW i 30KWH u zemlji, koji je također prošao testiranje treće strane.
Na temelju toga smo godinama akumulirali tehnologiju. U lipnju 2023. Henghui Keyuan (Xi'an) New Energy Technology Co., Ltd. osnovana je u Xi'anu, posvećena promicanju industrijalizacije tehnologije baterija od tekućeg metala. Anđeoski krug je dobio desetke milijuna financiranja od Jiangyuan Investmenta. Stručnjaci i nastavnici su dobrodošli da dođu u Xi'an da vode naš rad.