Fra 24. til 26. august ble Carbon Neutral Energy Summit Forum og den tredje China International New Energy Storage Technology and Engineering Application Conference og New Energy Storage Technology Young Scientist Forum holdt i Shenzhen under veiledning av Shenzhen Development and Reform Commission, co. -organisert av China Chemical and Physical Power Industry Association og Southern University of Science and Technology Carbon Neutral Energy Research Institute, og støttet av mer enn 100 institusjoner. Temaet for konferansen er "Utvikle ny produktivitet og fremme høykvalitetsutvikling av energilagringsindustrien."
Arrangørene av konferansen inviterte 6 akademikere og 100 bransjeeksperter til å gjennomføre dybdediskusjoner og utvekslinger på 12 spesialsesjoner, inkludert nye integreringsløsninger for energilagringssystem, langsiktig energilagringsteknologi og -applikasjoner, virtuelle kraftverk, industriell og kommersiell energi lagring, nye energilagringsbatterier, nye energilagrings- og elektrisitetsmarkeder, smarte mikronett, promotering av energilagringsstandarder og ny energilagringsteknologi for unge forskere.
Om morgenen 25. august ble professor Ning Xiaohui fra School of Materials Science and Engineering ved Xi'an Jiaotong University invitert til å holde en hovedtale på "New Energy Storage Battery Special Session". Tittelen på rapporten var "Progress in New Liquid Metal Energy Storage Battery Technology".
God morgen, alle sammen! Jeg er Ning Xiaohui fra Xi'an Jiaotong University. Sammenlignet med natriumionbatteriet som professor Cao nettopp snakket om og flytbatteriet som professor Yan introduserte, er teknologien vår veldig nisje. Det kalles en ny type flytende metall energilagringsbatteri. Vår ting er mer nøyaktig definert som flytende metall. Dette batteriet er forskjellig fra litiumionbatteriet, strømningsbatteriet og natriumionbatteriet som brukes i mobiltelefonen din. Det er et batteri med høy temperatur. Tusen takk for muligheten til å introdusere fremgangen til forskningsgruppen vår på dette området.
Bakgrunnen og betydningen er introdusert av alle lærerne akkurat nå. Hovedpoenget er at dagens mål for karbontopp og karbonnøytralitet krever at vi transformerer energistrukturen vår. Fra dagens energistruktur dominert av fossil energi til fremtidig struktur dominert av ny energi. Denne transformasjonen er mer krevende for kraftnettsystemet, fordi vårt nåværende kraftnett er basert på termisk kraft, inkludert vannkraft og kjernekraft. Disse tre energikildene er svært stabile og kan kontrolleres for å generere elektrisitet. På strømforbrukssiden er lovene for strømforbruk i våre fabrikker og husholdninger håndterbare. Nå kan vi fullt ut møte den dynamiske balansen mellom kraftproduksjonssiden og kraftforbrukssiden gjennom Statsnettet og det sørlige kraftnettet, storskala overføring og distribusjon og storskala forsendelsesmuligheter. Men i fremtiden må vi transformere energistrukturen vår. Vindkraft og solcellekraft må legges til kraftproduksjonssiden. Alle vet at denne energien er veldig flyktig og tilfeldig. Så etter å ha lagt den til kraftproduksjonssiden, vil denne siden også svinge kraftig, og med de økende endringene i brukersiden av mikronettets strømforbruksside som elektriske kjøretøy og ny energi, vil tilfeldigheten og ukontrollerbarheten til brukersiden bli vanskeligere og vanskeligere. I dette tilfellet er storskala kraftlagringsteknologi svært viktig for oss.
Som du kan se, i den "14. femårsplanen" nye implementeringsplan for energilagring, sa vår nasjonale utviklings- og reformkommisjon og energibyrå også tydelig at de håper å bygge et nytt innovativt system for ny energilagring og øke utviklingen av diversifiserte teknologier. I denne sammenhengen har vår nisjeenergilagringsteknologi et lite rom for å overleve.
Hvis vi vil lage energilagringsbatterier, må vi lage noen mer innovative systemer og forlate noen av de tidligere designideene. Vi må finne noen nye elektrodematerialsystemer og designe noen nye batteristrukturer før vi kan komme opp med noen nye energilagringsbatteriteknologier.
Min tidligere mentor ved MIT, professor Sadoway, pleide å jobbe med metallurgi, og han var fascinert av aluminiumelektrolyseceller. Metallet på Napoleons krone var laget av aluminium, det samme var metallet på spissen av Washington-monumentet. Aluminium var veldig dyrt på den tiden, men etter å ha blitt produsert gjennom elektrolyse ble aluminium veldig billig og kom inn i tusenvis av husholdninger, så han ble fascinert av aluminiumelektrolyseteknologi.
Elektrolyseprosessen er den omvendte prosessen av batteriene vi bruker nå. Elektrolyseprosessen vår konverterer hovedsakelig elektrisk energi til kjemisk energi, mens batterier konverterer kjemisk energi til elektrisk energi. Prinsippet om elektrolyse brukes når batterier lades. Elektrolysecellen i aluminium er veldig stor, hundrevis av meter lang, og den bruker mye strøm. Det er et 500,000 ampere 4 volt system, og det bruker mye strøm hver dag. På den tiden var en av våre mest grunnleggende ideer å reversere elektrolyseprosessen og gjøre de strømforbrukende tingene om til strømlagringsting, og gjøre dem om til et enormt batteri for å lagre energi. Hvordan gjøre det? Vi tenkte på prosessen med aluminiumelektrolyseraffinering, prosessen med elektrokjemisk raffinering fra råaluminium til raffinert aluminium, ved bruk av en trelags flytende struktur, bunnen er råaluminium, og elektrolytten i midten er et smeltet saltsystem, som ligner på bordsaltet vi ser i dagliglivet. Denne tingen vil smelte ved høy temperatur og bli en væske som ligner på vann, som kan lede ioner, så elektrolytten er smeltet salt, og toppen kan få raffinert aluminiumsmateriale. Hvorfor kan tre lag med flytende materialer genereres? Fordi tetthetene til disse tre materialene er forskjellige, er de naturlig delt inn i tre lag: øvre, midtre og nedre. Dessuten opererer elektrolyseprosessen ved høy temperatur og kan passere store strømmer.
Med disse tankene lurte vi på om vi kunne bruke prinsippet om elektrolytisk raffinering av aluminium til å designe et trelags flytende batteri, et flytende metallbatteri. De tre materialene i det flytende metallbatteriet, den positive elektroden, det negative elektrodematerialet og elektrolyttmaterialet, har forskjellige tettheter, slik at de naturlig kan deles inn i tre lag: øvre, midtre og nedre. Det letteste metallet er på toppen, som er den negative elektroden til batteriet, og metallet med høyest tetthet er på bunnen, som er den positive elektroden til batteriet. I midten er det smeltede saltsystemet. Når batteriet er utladet, vil den negative elektroden bli ioner, diffundere til overflaten av den positive elektroden gjennom det smeltede elektrolyttsaltet og danne en legering; lading er omvendt prosess. Under lade- og utladingsprosessen er det bare endringen i volumet av det flytende elektrodematerialet, og det er ikke noe problem med strukturen til det faste materialet eller sammenbruddet av materialstrukturen. Så i teorien kan sykluslevetiden være veldig lang. Flytende metaller bruker relativt billige metaller med relativt rikelige reserver, så kostnadene er relativt lave. Samtidig er elektrolytten i midten laget av uorganisk smeltet salt, som ikke krever membran og har en relativt lav kostnad. I tillegg har den en meget høy ionisk ledningsevne ved høye temperaturer. Dessuten er trelags væskestrukturen veldig enkel når batteriet gjøres større, så det er veldig enkelt å lage enkeltceller med hundrevis av amperetimer. Vårt laboratorium kan lage battericeller med en kapasitet på mer enn 200 amperetimer. Problemet er bare at det er et høytemperatursystem, så det må varmes opp når det kjøres for første gang. Men etter at vi har stablet batteriene og gjort en bedre jobb med isolasjon, vil det genereres en stor mengde varme under lade- og utladingsprosessen, noe som kan oppnå en dynamisk balanse med varmetapet, nok til å opprettholde det flytende metallbatteriet i drift kl. så høy temperatur, så det kan gjøres om til et selvoppvarmingssystem.
Som du kan se av bildet her, for å få alle til å forstå konseptet med flytende metallbatteri, bygde vi en romtemperatur væskebatteridemo i laboratoriet. Selvfølgelig kan den ikke brukes i praksis fordi dens positive elektrode bruker giftig kvikksølvmetall. Vi bygde dette batteriet slik at alle kan se trelags væskestrukturen tydeligere. Dette batteriet har en spenning og kan enkelt lades og utlades, men ytelsen er ikke bedre enn det faktiske høytemperatur-driftsbatteriet vårt. Det er bare å la alle forstå konseptet med trelags væske.
og dendrittvekst under batterisyklusen. Fordi det er flytende, er det ingen stress under lade- og utladningsprosessen, så det vil ikke være noen pulverisering uten stress. Samtidig er grensesnittet mellom det flytende metallet og den flytende elektrolytten en væske-væske-grensesnitt med meget god kontakt, og løser dermed problemet med kontaktgrensesnittet mellom den faste elektroden og elektrolytten.
Flytende metallbatterier har også noen fordeler. Fordi trelags væskestrukturen automatisk blir lagdelt basert på de forskjellige materialtetthetene, er hele batteristrukturen veldig enkel og veldig lett å gjøre større. Laboratoriet vårt kan lage batterier med en kapasitet på 200 amperetimer, 300 amperetimer eller til og med 500 eller 600 amperetimer. Den andre er at flytende elektroder ikke har noen endringer i den solide elektrodestrukturen som forårsaker batterikapasitetsfall. Sammenlignet med våre solid-state batterier, etter lange sykluser, kollapser elektrodematerialets struktur og forårsaker kapasitetsfall. Dette problemet eksisterer ikke i systemet vårt, så batteriet vårt har relativt lang levetid. I tillegg har elektrolytten smeltet salt i midten en varmelagringsteknologi i energilagringsteknologien. Selve det smeltede saltet brukes som varmelagringsmateriale. Etter å ha generert varme, hvis batteriet er kortsluttet og genererer varme, vil det absorberes av det smeltede saltet, og det vil ikke være fare for brann og eksplosjon. Samtidig er ingen membran nødvendig, så kostnadene er relativt lave.
Den "14. femårsplanen for ny energilagringsutvikling" foreslår også å bruke flytende metallbatterier som en ny teknologi og en retning som skal gripes i fremtiden, og håper at de vil bli brukt innen energilagring i fremtiden .
Det følgende er en introduksjon til vår forskningsgruppes fremgang innen batterimaterialsystemer, inkludert enkeltceller og energilagringssystemer. Dette er noen av resultatene av vår forskning på design av flytende metallbatterimaterialsystemer.
Som vi alle vet, er den mest grunnleggende måten å velge materialer på å gå tilbake til det periodiske systemet. Fordi batteriet vårt må ha en viss spenning, bør den negative elektroden være laget av et lettere metall. Vi ser etter alkalimetaller og jordalkalimetaller i det periodiske systemet, som er relativt lette og har en viss aktivitet. Den positive elektroden må være laget av noe med en tyngre tetthet og et lavere smeltepunkt, så vårt utvalg ligger i metallelementene med sterkere ikke-metalliske egenskaper, som er trinnet mellom metallelementer og ikke-metalliske elementer.
Generelt går utformingen av elektrodematerialsystemer fra enkelt til komplekst, så vi bygde i utgangspunktet et relativt enkelt system. Metallelementet som brukes til den negative elektroden er litium, som har et smeltepunkt på omtrent 180 grader Celsius. Den positive elektroden er vismut, som har et smeltepunkt på mer enn 270 grader. Det smeltede saltet i midten er litiumbasert, som har et smeltepunkt på rundt 400 grader Celsius. Derfor, hvis batteriet vårt fungerer ved 500 grader Celsius, er det tilfeldigvis en trelags væskestruktur.
Vi oppdaget en interessant mekanisme i dette litium/vismut flytende metallbatterisystemet. Vi trodde først at elektroden alltid forble i flytende tilstand under lade- og utladingsprosessen, men faktisk er ikke den positive elektroden slik. Den negative elektroden forblir alltid i flytende tilstand, men under utladningsprosessen på den positive elektrodesiden vil noen fastfase intermetalliske forbindelser genereres midt i utladningsprosessen. Men denne faste fasen eksisterer bare under utslippsprosessen, og den vil gå tilbake til væskefasen ved lading. Med andre ord, den positive elektroden kan faktisk helbredes. En fast fase vil bli generert under utslipp, men den faste fasen forsvinner under lading, og den vil gå tilbake til en tre-lags væskestruktur under lading.
Hvordan ser vårt faktiske batteri ut? Det er bildet i nedre høyre hjørne (se PPT). Det er annerledes enn batteriene du ser nå. Den er større og tyngre, og bruker et skall i rustfritt stål. I dette systemet verifiserte vi stabiliteten til batterier ved forskjellige kapasiteter. Det minste batteriet er veldig lite, med en diameter på 1,3 cm helt til høyre, og en kapasitet på rundt noen hundre mAh. Den største har en diameter på ca. 15 cm, og vi har oppnådd en kapasitet på 143 amperetimer. Vi har kjørt den i 300 sykluser uten å se noe kapasitetsfall.
Selv om dette systemet fungerer bra, er den indre motstanden relativt stor, og grensesnittet mellom elektroden og elektrolytten er litt ubalansert. Vi oppdaget senere at fordi batterikassen er laget av rustfritt stål, fukter ikke det flytende metallet Bi det rustfrie stålet helt, så den indre motstanden er relativt stor. For å forbedre fuktbarheten tilsatte vi en veldig liten mengde Se-element til Bi. Etter tilsetning av Se-elementet blir den positive elektroden og det rustfrie stålet fullstendig fuktet, noe som reduserer den interne motstanden til batteriet. Så vi laget et batteri med en kapasitet på 20 ampere timer, kjørte det i 1200 sykluser, og kapasitetsbevaringsgraden nådde 98,4%.
Så fant vi ut at spenningen til Li|Bi-batteriet var relativt lav, så vi tenkte på om vi kunne legge til noe legeringselement Sb til den positive elektroden. Spenningen til Sb er høyere enn Bi, men smeltepunktet er også høyere, og når mer enn 600 grader, så vi legerte Bi og Sb, slik at smeltepunktet kan senkes og spenningen kan bli høyere. Etter å ha lagt til Sb, kan vi se at utladningsspenningsplattformen er forbedret. På denne måten laget vi et batteri med kapasitet på 5 ampere timer og kjørte det i mer enn 160 sykluser uten noe kapasitetsfall.
Men problemet med denne BiSb positive elektroden er at ytelsen med høy hastighet ikke er god. Vi vil vite om vi kan forbedre ytelsen med høy hastighet. La oss se på Te-elementet i det periodiske systemet. Teen er relativt dyr, så vi bruker den også som et additivelement. Etter å ha lagt til litt, er utladningsspenningen til Te veldig forskjellig fra den til Bi og Sb. Så vi lar først Te danne noen faste faser på overflaten. Under utladning, på grunn av spenningen som genereres under dannelsen av den positive elektrode-flerkomponentlegeringen, kan mange sprekker presses ut i fastfaselaget til Te, slik at vi usynlig har økt kanalene for mange litiumioner. Etter at vi la til litt Te, fant vi ut at hastighetsytelsen til batteriet også ble forbedret. Da vi gikk fra 100 mAh per kvadratcentimeter til 1000 mAh per kvadratcentimeter, var det reversible kapasitetstapet svært lite.
Vi fant ut at å legge til legeringselementer til den positive elektroden kan forbedre batteriytelsen i begrenset grad, men hvis vi bare stoler på vår erfaring eller eksperimentell prøving og feiling, er tids- og pengekostnadene relativt høye, så vi lurte på om vi kunne bruke AI teknologi. Så vi brukte noen maskinlæringsmetoder, og vi bygde en database. Gjennom maskinlæring var vi i stand til å designe positive elektroder i flerelementlegering. Vi designet en positiv elektrode i kvaternær legering gjennom maskinlæring og oppnådde ytelsesforbedringer. Samtidig brukte vårt forrige elektrodesystem litium som negativ elektrode, men litium er relativt dyrt, så vi designet en negativ elektrode av kalsiumbasert legering, som syklet stabilt i 500 sykluser uten kapasitetstap. Vi fant ut at bruk av maskinlæring faktisk kan hjelpe oss med å designe elektrodematerialsystemer, noe som sparer mye tid og kostnader.
I tillegg til forskningen på elektrodematerialsystemet til flytende metallbatterier, designet og optimaliserte vi også flytende metallbatterimonomerer. Vi laget først noen små batterier, fordi vi gjorde det i laboratoriet og det var umulig å teste det på flere år. Så vi laget et 5 ampere-timers flytende metallbatteri, som ble testet ved en utladningsstrøm på 15 ampere. Lade- og utladningsstrømmene var begge 15 ampere, 100 % dyplading og dyputladning, og en hastighet på 3C. Dette batteriet gikk i mer enn 4100 sykluser, og utladet kapasitet var omtrent 4,92 amperetimer, materialutnyttelsesgraden nådde 98,4%, og den coulombiske effektiviteten var 99,52%.
Vi har også laget et batteri med større kapasitet, 200 ampere-timer. På grunn av begrensningen av laboratoriets lade- og utladingsstrømutstyr, kan vi kun lade og utlade ved en strøm på 50 ampere, 0,25C, og vi lader og lader også 100% dypt. Utladningskapasiteten kan nå 199,4 amperetimer, og materialutnyttelsesgraden kan nå 96,79%. Den har kjørt stabilt i mer enn 700 sykluser, i ni måneder, og ingen åpenbar kapasitetsreduksjon er funnet, noe som virkelig beviser at vårt flytende metallbatteri har god syklusstabilitet.
Et annet punkt som folk er mer opptatt av med flytende metallbatterier er hva som skjer hvis de tre væskelagene blandes sammen eller batteriet veltes, så vi tok et 200 ampere-timers batteri for testing og satte det på et roterende varmebord. Fordi batteriet vårt fungerer ved høye temperaturer, hvis vi vil teste det, må vi holde det i et høytemperatursystem som kan rotere. Når vi vipper det til 31,9 grader, opprettholdes den trelags væskestrukturen til batteriet fortsatt, slik at batteriet fortsatt kan lades og lades normalt, men hvis det snus helt opp ned og snus til 90 grader, vil de positive og negative polene vil kortsluttes og blandes sammen, og varme vil genereres på dette tidspunktet. Vi målte også de lilla og gule kurvene i nedre høyre hjørne. Disse to termoelementene er festet til batteriveggen, og vi kan måle temperaturøkningen til batteriet etter en del av kretsen, fra 550 grader Celsius til 590 grader Celsius, som er omtrent 45 grader Celsius. Det vil si at en stor mengde varme som genereres absorberes av det smeltede saltsystemet, så det er ingen iboende mulighet for gassifisering og eksplosjon.
På samme tid, hvis batteriene våre brukes i faktiske energilagringssituasjoner i fremtiden, kan de møte noen ekstreme situasjoner, for eksempel jordskjelv. Så vi gjorde også noen sikkerhetstester ved en 20 Hz jordskjelvfrekvens, inkludert noen vertikale vibrasjoner og horisontale vibrasjoner. I dette tilfellet er gratene på batterikurven forårsaket av vibrasjonen i ledningsposisjonen, men batteriet kan fungere normalt under vertikal vibrasjon. Det ble kortslutning ved horisontal vibrasjon, men da batterivibrasjonen stoppet, sluttet batteriet å virke og sto stille i en periode, og da kunne batteriet lades og utlades normalt igjen. Dette beviser at på dette nivået har ikke jordskjelvfrekvensen på 20Hz10Hz stor innvirkning på batteriet.
I løpet av den 13. femårsplanen gjennomførte vi viktige FoU-prosjekter og laget en batteripakke. I denne prosessen overvant vi først nøkkelproblemer i systemet, for eksempel batterikonsistens. Vi optimaliserte batteristrukturen, ingrediensene, monteringsprosessen, strukturelle parametere osv., og forbedret batterikonsistensen. Batterikapasitetsforskjellen på mer enn 200 amperetimer er mindre enn 2 amperetimer, og den interne motstandsforskjellen er mindre enn 2 milliohm. Batterikonsistensen er relativt høy. 0,2C enkeltcellen kan oppnå en gjennomsnittlig energieffektivitet på mer enn 86%.
Siden spenningen til vårt flytende metallbatteri er relativt lav, i motsetning til dagens litium- og natriumbatterier, må vi også designe vårt eget BMS. Derfor, basert på egenskapene til stor strøm og lav spenning, designet vi et to-lags balanseringssystem. Etter balansering er konsistensen på batteriet vårt veldig høy, med en spenningsforskjell på 40,6mV og en balanseringsstrøm på 1,4 ampere.
På dette grunnlaget må vi også koble til varmemodulen. Fordi vi er et høytemperaturbatteri bruker vi varmluftskonveksjonsprinsippet i systemet for å designe oppvarmingen, og vi tar også forholdsregler mot temperaturløp. I figuren i nedre høyre hjørne kan vi se at etter at omtrent et dusin batterier er koblet i serie, drives de med en hastighet på 0.5C. Den blå kurven er strømmen til den eksterne kraften. Det kan ses at når du kjører ved 0.5C, er varmen som genereres av dette batteriet nok til at batteriet kan fungere av seg selv. Det er 500 grader Celsius av seg selv, så det er ikke behov for ekstern oppvarming, og selvoppvarming kan oppnås. Dette batteriet trenger selvfølgelig fortsatt at vi gir det litt varme når det går for første gang, men det er ikke nødvendig under normal drift.
På dette grunnlaget samarbeidet vi med professor Jiang Kai fra Huazhong University of Science and Technology for å konstruere en tredimensjonal varmeoverføringskoblingsmodell av flytende metallbatterier, foreslo en reguleringsstrategi for elektrisk-termisk koblingstjenestekarakteristikk, realiserte en flernivåbatterieffektiv styringssystem, og bygde landets første 5KW og 30KWH litiumbaserte flytende metallbatterisystem, som også bestod tredjeparts testing.
På dette grunnlaget har vi akkumulert teknologi gjennom årene. I juni 2023 ble Henghui Keyuan (Xi'an) New Energy Technology Co., Ltd. etablert i Xi'an, dedikert til å fremme industrialiseringen av flytende metallbatteriteknologi. Englerunden har mottatt titalls millioner av finansiering fra Jiangyuan Investment . Eksperter og lærere er velkommen til å komme til Xi'an for å veilede arbeidet vårt.