IBM Research изследва литиево-въздушни батерии за електромобили. Проектът бе презентиран още през миналата година на щанда на  IBM по време на CeBit 2011.

Новите батерии ще са с пет пъти по-голям капацитет от капацитета на днешните батерии, които осигуряват пробег от около 150 км с едно зареждане. Ако проектът е успешен, електрическите превозни средства ще преодолеят ниския пробег и ще станат широко разпространени.

Преминаването от течни горива към електричество, като основен енергиен източник за движение на ЕПС, би могло да бъде една от най-значимите технологично повратните точки в историята на  съвременното индустриално общество. Въпреки това, напредъкът в разработването на високопроизводителни батерии е бавен. Високите разходи за производство са друг основен фактор, който ограничава мащабното развитие на ЕПС.

Големият страх на потребителите е да не бъдат блокирани някъде с празна батерия и този страх е оправдан, тъй като обхвата на най-актуалните батерии днес е около 150 км. Изглежда малко вероятно да се постигне по-добра батерия с днешните технологии, която на всичкото отгоре да бъде с приемливо тегло и нормална цена.

Презареждащите се литиево-йонни акумулаторни батерии, като тези които се използват в мобилните телефони или преносими компютри, предлагат само част от плътността на съхранение на енергия за единица маса, в сравнение с обема постиган с изкопаеми горива.  Ако тази ситуация не се промени из основи чрез създаването на нови видове батерии с значително по-висока плътност на съхраняваната енергия, то съвременната литиево-йонна батерия днес няма да се справи с тази задача.

IBM е световен лидер в продължение на десетилетия във фундаменталните изследвания на батериите.  IBM вече стартира нов проект, наречен "Батерия 500", чиято задача е  да се намери решение на този проблем. За този нов проект IBM мобилизира всичките си възможности в областта на науката за материалите, нанотехнологиите, химията и суперкомпютрите.

Интердисциплинарен екип от учени от IBM Research - Almadén в Калифорния и IBM Research - Цюрих, заедно с водещи университети, компании и изследователски институти, проучват така наречената литиево-въздушна батерия от средата на 2009 г.. Целта на този проект е да се разработи батерия, чиято енергийна плътност е до десет пъти по-висока от тази на днешните акумулаторни литиево-йонни батерии, като по този начин се за ЕПС се подсигури обхват на движение до 500 мили или 800 км. "С нашата технология на литиево-въздушната батерия се надяваме да постигнем квантов скок, който може да бъде пробив при електрическите автомобили", казва д-р Винфрид Уилке, инициатор и ръководител на проекта на IBM Research - Almadén. "Това е още един проект на IBM" за по-интелигентна планета ".

Основно предимство на литиево-въздушната батерия е, че отнема кислорода от атмосферата, който реагира като неговагент. Кислородът се съхранява в леки въглеродни наноструктури в катода, което означава, че значително повече енергия на килограм от батерията може да бъде съхранена, в сравнение с днешните батерии.

Числен пример илюстрира това предимство:  конвенционална литиево-йонна батерия, коят е с енергийно съдържание от 50 киловатчаса (кВтч), тежи около 500 кг. Обхват от 800 км ще изисква енергийното съдържание от 150 кВтч, което би означавало, че батерията би трябвало да има тегло от 1.5 тона. Очевидно е, че това не е реалистично за практическата употреба на такава батерия в ЕПС. Учените от IBM смятат, че 150 кВтч литиево-въздушна батерия ще тежи "само" около 150-300 кг.

Технологично е постижима целта -  11 кВтч за килограм (кВтч / кг). По този начин литиево-въздушната технология става с най-голям потенциал от всички видове батерии, познати до момента.

Батерия, която "диша"!

Както всички батерии литиево-въздушната батерия се състои от два електрода, в този случай метален електрод на литий (анод) и кислородо пропускащ електрод с лека въглеродна структура (катод). Когато батерията е разредена, литиевите атоми на анода губят електрони. Във вид на  литиеви йони, чрез електропроводимостта на електролита, се придвижват към катода, където  реагират с кислорода от атмосферата. Продуктът на тази реакция се депозира в катода.

Когато батерията е заредена, се освобождава кислород, който е събран, докато превозното средство се движи (разрежда) обратно в атмосферата. Метафорично казано, акумулатора "вдишва" кислород при разреждане и "издишва" отново, докато се зарежда.

Учените от IBM се съсредоточават върху така наречените aprotic (не-воднисти) литиево-въздушни батерии, които използват органични течности и литиеви соли като електролити. При разреждане на батерията се отделя литиев прекис (Li2O2), но само когато се използват правилните електролити, които се съхраняват в катода на батерията. По време на процеса на зареждане, литиевия прекис се разпада на кислород, който се освобождава в атмосферата, и литий, който се съхранява в анода на батерията.

От симулации и експерименти към успех

Членовете на този проект вече са постигнали значителен напредък по пътя към амбициозната цел. Например, функционалността на тази технология е доказана по принцип чрез лабораторни модели, които безспорно демонстрира процесите при презареждане на  на литиево-въздушните батерии. Ключът към този първи успех е комбинация от компютърни симулации и практически експерименти. Екипът на лабораторията на IBM Research - Цюрих, извършва така наречените от самото начало, симулации, за да се получи информация за процеси на молекулярно ниво, протичащи в литиево-въздушните батерии. Тези изключително сложни симулации се провеждат на базата на  овните закони на физиката и физичните модели. По този начин взаимодействието между атомите и молекулите в дадена система може да бъде изчислено точно. Направените чрез IBM BlueGene / P суперкомпютър в Argonne National Laboratory симулации показват за първи път, че електролитите използвани в традиционните литиево-йонни батерии, не работят в литиево-въздушни батерии, противно на това, което се е считало преди.

"Нашите симулации ни позволиха да демонстрираме процесите, които протичат по време на разтоварване. На въглеродна основа електролит реагира по нежелан начин с литиево пероксид и се разлагат, като резултат. Това ефективно унищожава батерия литиево-въздух ", обяснява д-р Алесандро Curioni, ръководител на група за изследвания изчислителните науки в IBM Research - Цюрих.

С помощта на масов спектрометър, разработена специално за батерията 500 проекта, учените са в състояние да извършват лабораторни експерименти, които ясно да потвърждава, разлагане на електролита, предсказано от симулациите. "Симулации и експериментални резултати ни позволи да се идентифицират стабилни електролити, с което бяхме в състояние да докаже основната функционалност на зареждане и разреждане", казва проекта лидер Wilcke. В допълнение, много висок капацитет за зареждане са доказани в лаборатория. Друг фундаментален резултат е фактът, че в противоречие с отколешни предположения, катализаторни не се кинетично необходимо, защото т.нар. Пренапрежение на фундаменталната електрохимична реакция 2Li + + O2 + 2 - <=> Li2O2 е много по-малък, отколкото първоначално се смяташе. Въпреки това, много ниска проводимост на литий прекис е проблем, който предстои да бъде решен.

Все още е "Grand Challenge"

Няколко други истински предизвикателства стоят за решаване пред учените относно литиево-въздушните батерии. Решенията могат да бъдат приложени на практика при промишленото производство. Едно от така наречените "сериозни предизвикателства" пред IBM Research, са амбициозните и рискови изследователски проекти с неясни резултати, но с много висок потенциал, като например разработването на суперкомпютъра " WATSON".

В момента учените опитват да се увеличи енергийната плътност на батерията, която все още е твърде ниска за реална употреба в електромобилите. Друго предизвикателство е процеса на зареждане, който понастоящем е твърде бавен. Но дори ако се приеме, че този процес може да се подобри значително, няма да е възможно да речем, да заредите батерията бързо по време на кафе-пауза.  За решаване на проблема, породен от чувствителността на лития към влагата, екипът на IBM разработва нови нанотехнологии, в лезултат на което да се предпази чувствителнаия анод от литий от пара и въглеродния диоксид в атмосферата. Допълнителни предизвикателства са и дългосрочната стабилност на материалите и компонентите в батерията, за  подобряване на възможността за подтискане на нежелани вторични реакции.

След успешното приключване на текущата фаза на изследванията по проект "Батерия 500", би могло да се пристъпи към контакт с индустриални партньори, за да развиват търговските модели на литиево-въздушната батерия в сроковете, от 2020 г. до 2030.

 

zurich.ibm.com

Иновации и свързване: Ден на цифровото и индустриално посредничество - 12 септември 2024 г.,oще ...

ИКЕМ е координатор на проект: ПРЕЗЕНТАЦИИ НА СОЛАРНИ АВТОМОБИЛИ

ERASMUS+  2023 oще ...

Очаква се 2024 г. да бъде година на напредък за развитието на зарядна инфраструктура за електр oще ...

Проектът събира усилията на своите участници по темата за соларните електомобили.

oще ...