Pourquoi devrions-nous viser 800 kilomètres? Parce que cette valeur est la valeur la plus attendue pour la gamme de croisière de la plupart des gens, si la gamme de croisière du véhicule électrique ne peut pas atteindre 800 kilomètres et que le coût peut être accepté par la plupart des gens, le véhicule électrique aura moins de popularité. Nous avons donc fixé cette valeur sur l'objectif de notre projet Battery 500. Le projet a commencé en 2009 et est dominé par le Centre de recherche Almaden. Depuis lors, IBM a mené cette recherche avec un certain nombre de partenaires commerciaux et d'instituts de recherche d'Europe, d'Asie et des États-Unis. Le projet Battery 500 est basé sur la technologie des airs métalliques. Par rapport aux batteries au lithium, les batteries métal-air ont plus d'énergie par masse unitaire. La recherche de projet met encore à plusieurs années à être commercialisée. Mais à travers ces sept années d'expériences, nous pouvons penser que la future batterie métal-air est en effet utile dans les véhicules électriques. Pourquoi est-ce une batterie en air métallique? Prendre des batteries au lithium-air comme exemple, pour comprendre ce problème, examinons d'abord la différence entre les batteries lithium-ion (maintenant les batteries au lithium courantes) et les batteries lithium-air. La figure ci-dessous montre l'état interne de la batterie lors de la charge et de la décharge de la batterie au lithium. Dans une batterie de lithium conventionnelle, l'électrode positive est du carbone et l'électrode négative est composée de différents oxydes de métal de transition tels que le cobalt, le nickel, le manganèse, etc. Les deux électrodes ont été immergées dans un électrolyte dans lequel un sel de lithium a été dissous. Pendant la charge et la décharge, les ions lithiums se déplacent d'une électrode à l'autre. La direction du mouvement diffère selon que la batterie est chargée ou déchargée en fonction de l'état de la batterie. Au moment de la charge et de la décharge, les ions lithium sont enfin intégrés dans la couche atomique du matériau de l'électrode, et donc la capacité de la batterie finale dépend de la quantité de matériau qui peut accueillir des ions lithiums, c'est-à-dire déterminé par le volume et la qualité de les électrodes. 
△ Processus de charge et de décharge de batterie au lithium-ion
Les batteries au lithium-air varient. Dans les batteries métal-air, une réaction électrochimique a lieu. Pendant le processus de décharge, l'électrode positive contenant du lithium libère des ions lithium et les ions lithium se déplacent vers l'électrode négative et réagissent avec l'oxygène à la surface de l'électrode négative pour former du peroxyde de lithium (Li 2 O 2). Les ions lithium, les électrons et l'oxygène réagissent à la surface de l'électrode négative formée par du carbone poreux, car la réaction chimique ne se produit pas sur l'électrode négative, et l'ion lithium n'est pas le matériau d'électrode négatif. Par conséquent, la capacité de la batterie et le volume ou la masse du matériau d'électrode négative ne sont pas trop élevées. Grande relation, tant qu'il y a suffisamment de surface. C'est-à-dire que la capacité de la batterie lithium-air n'est pas déterminée par le volume et la qualité de l'électrode, mais la surface de l'électrode. C'est pourquoi dans une batterie lithium-air, une petite électrode de masse peut également stocker une grande quantité d'énergie, ce qui entraîne une densité d'énergie plus élevée. 
△ Processus de charge et de décharge de batterie au lithium-air
Bien sûr, en plus de la densité énergétique, le coût est également une considération importante. Le prix de la batterie se situe actuellement dans la fourchette de 200 à 300 dollars américains / kWh, si vous pouvez fonctionner 5 à 6 km par kWh, 800 km ont besoin d'une batterie de 150 kWh, vous avez besoin de 30 000 à 4,5 millions. Une voiture de la série BMW 2 n'a besoin que de 33 000 $. Par conséquent, si vous voulez la production de masse, le prix par KWh doit baisser en dessous de 100 $. Quels problèmes dois-je résoudre pour la commercialisation de la batterie au lithium-air? Lorsque le lithium et l'oxygène sont simplement soumis à une réaction redox, la densité d'énergie maximale théorique qui peut être produite est de 3 460 wh / kg. Mis à part la partie de la cellule qui ne subit pas de réaction chimique, la valeur de la densité d'énergie qui peut finalement être obtenue est également très souhaitable. Bien sûr, vous rencontrerez également des problèmes. Le processus de charge d'une batterie lithium-air est similaire à celui d'une batterie au lithium conventionnelle, tant qu'elle est sous pression externe. La différence est que dans une batterie lithium-air, lorsqu'il y a une tension externe, la structure du peroxyde de lithium est détruite, et elle est réduite à l'oxygène et aux ions lithium, et les ions lithiums sont retournés à l'électrode positive. Les batteries au lithium-air, comme les batteries au lithium traditionnelles, ont plus de cycles de charge et de décharge et ont plus d'effets secondaires à l'intérieur de la batterie. Ces effets secondaires sont fondamentaux pour leur production de masse et même leur commercialisation. Pour comprendre les effets de ces effets secondaires sur la batterie, nous avons utilisé le spectromètre de masse électrochimique au centre de recherche pour mesurer avec précision la quantité de gaz consommée et produite pendant chaque cycle de charge et de décharge. En conséquence, un problème a été découvert: la batterie lithium-air émet beaucoup moins d'oxygène pendant la charge que l'oxygène consommé pendant la décharge. (Dans le test, l'oxygène sec est utilisé à la place de l'air.) 
△ Spectromètre de masse électrochimique du Centre de recherche IBM (: IBM)
Dans une cellule de batterie idéale, l'oxygène consommé pendant la décharge est égal à la masse d'oxygène libérée pendant la charge. Mais l'étude a révélé que la quantité d'oxygène libérée est moindre, ce qui signifie que l'oxygène qui n'est pas libéré est susceptible de réagir avec les composants de l'unité de batterie, comme la fusion dans l'électrolyte, la batterie est à l'intérieur. Consommation. Dans un autre laboratoire IBM à Zurich, nous avons mené de nouvelles expériences pour suivre et informatiser cette réaction chimique autodestructrice. Enfin, la raison a été trouvée sur l'électrolyte organique. Ensuite, nous avons étudié ce problème. Dans la dernière unité de batterie, après avoir utilisé un nouvel électrolyte, il peut libérer la majeure partie de l'oxygène absorbé pendant la décharge. De plus, nous suivons également la consommation et la production d'hydrogène et d'eau pendant la charge et la décharge, car la présence de ces deux substances signifie qu'il y aura probablement au moins une réaction chimique d'auto-consommer à l'intérieur de la batterie. Notre unité de batterie actuelle a été en mesure d'atteindre 200 cycles de charge et de décharge, bien que cela soit de rendre le processus de charge réel beaucoup moins que le maximum théorique. En plus de ce problème, nous avons quelques résultats clés sur les différents composants de la batterie lithium-air: 1. L' électrode positive est différente de l'électrode positive en graphite dans la batterie traditionnelle du lithium ion. Dans la batterie lithium-air, l'électrode positive contenant du lithium changera une certaine surface pendant le processus de charge, et une structure en mousse ou en forme d'arbre se développe. C'est une dendrite. Ces dendrites sont très dangereuses car elles peuvent former une boucle conductrice entre les électrodes positives et négatives pour créer un court-circuit. 
△ Electrode positive de batterie lithium-air, après plusieurs dizaines de cycles, la surface produit une structure dendritique
Afin de réduire la survenue de dendrites, nous avons utilisé une membrane d'isolement spéciale. Ce séparateur se compose d'une couche de matériau contenant de nombreux pores à l'échelle nanométrique suffisamment petits et uniformément répartis à travers la membrane pour permettre le passage des ions lithium et supprimer la production dendritique. En raison de la présence de ce séparateur, l'anode reste lisse après plusieurs centaines de cycles de charge. Si un séparateur traditionnel est utilisé, des dendrites se produiront après plusieurs cycles. Si vous utilisez un polymère en verre avec des ions conducteurs, l'effet sera meilleur. 
△ Electrode positive de batterie lithium-air, après avoir utilisé un film de nano-isolation, la surface reste lisse
2. L'électrolyte actuellement utilisé dans l'électrolyte réagit toujours avec l'oxygène ou d'autres composés produits dans le cycle de charge et de décharge et est donc consommé. Jusqu'à présent, nous n'avons trouvé aucun solvant suffisamment stable pour permettre à la batterie lithium-air d'entrer dans le stade commercial. 3. Pendant le processus de charge, les ions lithium peuvent réagir avec l'électrode négative pour produire du nitrate de lithium. Le nitrate de lithium réagit également avec l'électrolyte, consommant l'électrolyte et produisant du dioxyde de carbone. Dans le test, nous avons également suivi la quantité de nitrate de lithium produit et pris certaines mesures pour réduire sa production. Cependant, car la tension de charge requise doit être supérieure à la tension de fonctionnement de la batterie d'au moins 700 mV. La surtension réduira l'efficacité de charge de la batterie. Nous avons essayé de convertir le carbone en d'autres oxydes métalliques, et les résultats n'ont pas beaucoup changé. 4. Catalyseurs concernant l'utilisation ou non des catalyseurs dans les batteries métal-air, il y a eu de nombreux débats entre les pros et les adversaires. L'utilisation d'un catalyseur peut réduire considérablement la survenue de conditions de surpression, mais le même catalyseur accélérera généralement également la consommation d'électrolyte. Dans nos études théoriques, l'énergie d'activation est très faible dans l'oxydation et la réduction du lithium. Par conséquent, dans les batteries lithium-air, le catalyseur n'est pas nécessaire. 5. Préparation de l'air Bien que la batterie soit appelée une batterie d'air au lithium, en fait, nous utilisons l'oxygène sec. L'accent est mis sur le "séchage" car il est seulement nécessaire de retirer les composants de la vapeur d'eau et du dioxyde de carbone dans l'air. Pour produire en masse un tel air dans les batteries commerciales, un système de purification d'air léger, efficace et stable est nécessaire. De ce point de vue, l'application pratique des batteries au lithium-air peut être dans des bus, des camions et d'autres grands véhicules. Seuls ces gros véhicules peuvent accueillir des équipements de purification de l'air. L'unité de batterie actuellement utilisée pour les tests est encore de petite taille, de 76 mm de diamètre et de 13 mm de longueur, ce qui est loin d'être suffisant pour la norme des véhicules électriques. Ainsi, l'une des tâches les plus importantes qui doivent être effectuées est de faire des cellules de batterie plus grandes, d'emballer et d'emballer de nombreuses cellules de batterie dans une seule batterie, puis d'avoir un système de gestion de la batterie. Nous testons également différentes tailles, telles que 100 x 100 mm (100 mm de diamètre, 100 mm de longueur). À l'heure actuelle, ce projet est toujours au stade scientifique fondamental initial sur les matériaux et les réactions chimiques, mais les résultats obtenus sont positifs. Dans notre étude, la densité d'énergie qui peut désormais être obtenue est une réaction oxydoréductive au lithium de 15 kWh / kg (en utilisant une cathode de carbone brute, 5700 mAh x 2,7 v / g), et la densité d'énergie dans la cellule est d'environ 800 wh / kg . Batterie de sodium-air: densité à faible énergie, mais dans les batteries stables à air métallique, il existe de nombreux métaux qui peuvent être utilisés, en plus du lithium, du sodium et du potassium. La réaction inverse de ces métaux est plus facile, et des métaux relativement plus lourds tels que le magnésium, l'aluminium, le zinc, le fer, etc. se sont révélés difficiles à recharger, donc le projet Battery 500 a choisi d'étudier à la fois le lithium et le sodium. métal. Les batteries sodium-air sont une autre combinaison intéressante, bien que la densité d'énergie qui peut être réalisée soit plus faible par rapport aux batteries au lithium-air, mais ses avantages sont plus stables. La raison pour laquelle la densité d'énergie est faible est que la réaction chimique générée est différente. Comme mentionné ci-dessus, dans les batteries lithium-air, le lithium réagit avec l'oxygène pour produire du peroxyde de lithium (Li2O2), mais dans les batteries de sodium-air, le sodium réagit avec l'oxygène en utilisant un seul électron, entraînant un superoxyde de sodium NaO2. Au lieu de peroxyde de sodium, Na2O2. En comparaison, la densité d'énergie qu'une batterie de sodium peut produire est théoriquement réduite de moitié, et la limite supérieure théorique de la densité d'énergie est de 1100 wh / kg. D'un autre côté, les batteries sodium-air sont plus efficaces que les batteries au lithium-air, et la surtension est assez faible, moins de 20 mV (700 mV pour le lithium). Compte tenu de cela, la tension de fonctionnement de l'unité de batterie peut être réduite à 3V, de sorte que l'auto-cohésion des autres composants à l'intérieur de la batterie peut être beaucoup réduite, comme l'électrolyte. Nous l'avons mesuré par expérience et l'avons vérifié. Cela a l'avantage que la stabilité de la batterie est assez élevée et que la capacité de la batterie change à peine après 50 cycles de charge et de décharge. Il existe également des défis dans l'utilisation commerciale des batteries sodium-air. Par exemple, une batterie de sodium-air consomme deux fois plus d'oxygène qu'une batterie lithium-air en réponse à une réaction, équivalente à la quantité d'air requise pour produire un moteur de piston de la même puissance. De plus, l'activité chimique du sodium métallique est assez élevée, et de nombreuses personnes se souviendront de la démonstration faite par le professeur de chimie dans la classe du lycée. Un petit morceau de sodium est jeté dans l'eau et une violente réaction chimique se produira. Cependant, le lithium est un métal rare et il n'est pas bon marché. Mais le sodium est un métal commun et le coût est extrêmement faible. Le coût des matériaux dans la même taille de la batterie de sodium-air est inférieur à un dixième de celui dans les batteries lithium-air. Bien qu'à long terme, les batteries au lithium-air auront de meilleures performances, mais compte tenu de la stabilité et du coût, la batterie de sodium-air qui n'est pas aussi faible que l'énergie sera un meilleur choix de la batterie actuelle vers le futur. 0 fois
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