Новый прорыв в японских батареях? Разработали новую батарею емкостью выше 8 раз!

Машинный перевод, весьма любопытной статьи. Кому интересно и не знает японский, можно почитать ниже.

«Массовая плотность энергии может быть почти в два раза выше, чем у существующих литиевых батарей, а емкость — в восемь раз больше, чем у традиционных литиевых батарей».

В ноябре 2021 года китайская версия «Nihon Keizai Shimbun» «Nikkei Chinese Network» анонсировала миру новую батарею, разработанную японской компанией Yuasa и университетом Кансай, — «легкую литий-серную батарею».

По сравнению с традиционными батареями «легкие литий-серные батареи» обладают огромной емкостью и лидируют в технологиях.

Например, если транспортные средства на новой энергии, ездящие сегодня по улицам, оснащены «легкими литий-серными батареями», то, возможно, нет необходимости устанавливать зарядные станции на автомагистралях, поскольку мощность, обеспечиваемая «легкими литий-серными батареями», выдержит пробег не менее 1600 километров.

Так что же такого волшебного в «легких литий-серных батареях»? Столкнувшись с такой ситуацией, как должна реагировать наша страна на этот вызов?

1. Литий-серная батарея: прорыв японских технологий и новое направление новой энергетики

Японская компания Yuasa и Университет Кансай с 1950-х годов начали исследовательский проект под названием «Обновление аккумуляторов», и в 2021 году сотрудничество между ними наконец принесло свои плоды.

После десятилетий кропотливых исследований и разработок была официально представлена ​​новая энергетическая батарея под названием «легкая литий-серная батарея».

По мнению японских экспертов, «массовая плотность энергии» этой батареи почти в два раза выше, чем у традиционных батарей, представленных сейчас на рынке.

Так называемую «массовую плотность энергии» можно рассматривать как своего рода грузоподъемность. Точно так же, как некоторые автобусы могут перевозить только одного или двадцать человек, в то время как другие могут перевозить пять или шестьдесят человек. Сколько автобусов они могут перевозить? Люди могут перевозить грубо говоря, можно рассматривать как своего рода «массовую плотность энергии».

Однако «массовая плотность энергии» не полностью эквивалентна «емкости батареи». При поддержке различных научных теорий эти два понятия не являются простой линейной зависимостью.

Возьмем, к примеру, эту «легкую литий-серную батарею». При том же размере она может хранить в 8 раз больше энергии, чем традиционные литиевые батареи.

Можно сказать, что так называемая «литиевая батарея» является незаменимым и важным элементом повседневной жизни всех читателей.

Точно так же, как когда вы читаете эту статью, если вы читаете на мобильном телефоне, то литиевая батарея обеспечивает питание мобильного телефона.Что касается оставшегося заряда, вы можете узнать это, посмотрев в верхний правый угол мобильный телефон.

Если все мобильные телефоны оснащены «легкими литий-серными аккумуляторами», то весьма вероятная ситуация будет – «заряжай 5 минут и играй с телефоном 16 часов».

С этой точки зрения, эта «легкая литий-серная батарея», несомненно, подтолкнет развитие новых энергетических батарей на новую высоту.

Глядя на «историю развития аккумуляторов» человечества, этот продукт японской технологии действительно решает сегодня серьезные проблемы «управления атмосферой».

Со времени второй промышленной революции 1860-х годов человечество усовершенствовало свой контроль над «огнем», и производство тепловой энергии стало волшебным оружием человечества, позволяющим контролировать все.

Однако сжигание большого количества ископаемого топлива изменило первоначальный баланс углеродного цикла — чрезмерные выбросы углекислого газа нанесли серьезный ущерб экологической среде, повлияли на экономическое развитие человечества, сельскохозяйственное производство, физиологические функции человека и способствовали распространению болезней.

«Лондон, город тумана», вспышка астмы в Лос-Анджелесе в США, и Франкфурт, тяжелый промышленный город в Германии, все лето окутанный смогом… Производство тепловой энергии стало «палкой о двух концах».

После середины 20-го века люди усвоили свой горький опыт и обнаружили, что автомобильные выбросы являются важным источником глобальных парниковых газов.

Ученые полагают, что если заменить систему питания автомобиля с двигателя внутреннего сгорания на «привод электроэнергетической системы», это позволит эффективно сократить сжигание ископаемого топлива и выбросы парниковых газов.

Сегодня эта трансформация стала глобальной тенденцией, и автомобили на новых источниках энергии оказались в центре внимания перемен в автомобильной промышленности.

Ключевым компонентом транспортных средств на новой энергии является «аккумуляторная система хранения энергии», поэтому разработка новых экологически чистых и экологически чистых аккумуляторов стала главным приоритетом.

С тех пор разработка новых энергетических батарей стала «пирогом», за который страны соревнуются.

До того, как Япония разработала «легкую литий-серную батарею», на рынке существовало множество типов батарей, но все они имели различные недостатки:

Топливные элементы не могут быть применены в автомобилях из-за технических проблем транспортировки и хранения, их собственной безопасности и дорогих катализаторов;

Свинцово-кислотные и никель-металлогидридные аккумуляторы недостаточны для использования в качестве «источника питания» из-за их небольшой емкости.

Для сравнения, литий-ионные аккумуляторы, как самые эффективные аккумуляторы на сегодняшний день, обладают преимуществами экологичности, длительного срока службы и хороших показателей безопасности. В последние годы они доминировали в области транспортных средств на новой энергии и стали предпочтительными. выбор для аккумуляторов для мобильных телефонов и аккумуляторов для ноутбуков. «Основная сила».

Однако из-за материальных ограничений емкость литий-ионных аккумуляторов была значительно улучшена.

Поэтому поиск более идеальной батареи стал горячей точкой исследования устройств хранения энергии. В настоящее время японская «легкая литий-серная батарея», похоже, завоевывает «жемчужину» «мира батарей».

Если Япония действительно перенесет «легкие литий-серные батареи» из лаборатории в промышленное применение, это, несомненно, станет еще одним «застрявшим» проектом для Китая.

Как должен реагировать Китай, столкнувшись с такой проблемой?

2. Литий-серные батареи: готова ли моя страна?

То, что я сказал выше, не является ни паникерством, ни преувеличением.

Однако, как уже говорилось выше, «легкие литий-серные батареи» до сих пор находятся в рассадниках лабораторий. Если они хотят найти действительное применение, то появятся в транспортных средствах на новой энергии и в мобильных телефонах читателей и друзей, хотя бы одного, Twenty годы.

Вообще говоря, только после десяти лет теоретической демонстрации и десяти лет экспериментальной демонстрации продукт может действительно выйти на рынок.

Поэтому времени для Китая еще достаточно.

Конечно, правильный способ «не лежать ровно» — это предотвращать малейшие изменения и реагировать соответствующим образом. И Китай тоже готов их догнать.

По данным Государственного совета, в настоящее время в моей стране действуют 52 новые компании по производству энергетических аккумуляторов с «огромным потенциалом и многообещающим будущим». Среди них наиболее ожидаемыми являются BYD и CATL, две новые инновационные компании по производству энергетических аккумуляторов.

За пять лет с 2016 по 2020 год комплексная эффективность производства обеих компаний составила 1. Эта так называемая «комплексная эффективность производства» относится к инновационным возможностям компании. «1» представляет собой полный балл, а эффективность является полной. .

Подобно японской компании Yuasa, BYD и CATL, две новые инновационные компании в области энергетических батарей, раньше начали внедрять технологии в области энергетических батарей и имеют большие преимущества в технологиях, капитале и рынке.

Кроме того, BYD и CATL придают большое значение технологическим инновациям. Их технологические прорывы и инновации никогда не прекращались. Они входят в число лидеров по количеству патентных заявок и хорошо зарекомендовали себя в области инноваций в области аккумуляторных технологий.

На самом деле эти две компании уже давно проводят исследования по «легким литий-серным батареям», но не публикуют слишком подробных экспериментальных данных и результатов исследований с учетом различных факторов.

В то же время нельзя игнорировать одну вещь: сера не является таким драгоценным и дефицитным материалом, как литий. Сера является элементом с огромными запасами природных ресурсов и чрезвычайно географически распространена в моей стране. История ее добычи составляет четыре года. тысяча лет.

Самое главное, что цена элементарной серы относительно невысока: цена за тонну составляет всего 3000 юаней, а цена электродного материала «LiCoO2» для литий-ионных аккумуляторов составляет 250 000 юаней за тонну, что в 85 раз больше. цена элементарной серы.

Кроме того, элементарная сера не загрязняет окружающую среду, легко сублимируется и растворяется, а также способствует очистке и вторичной переработке.

Таким образом, «литий-серная батарея» чрезвычайно привлекательна в качестве потенциальной системы хранения энергии следующего поколения, и она уже давно включена в список ключевых исследовательских проектов правительства Китая.

Не только BYD и CATL, при поддержке местных органов власти и субсидиях Государственного совета такие компании, как Tongling Nonferrous Metals и Tianqi Lithium, все чаще становятся ведущими компаниями по производству сырья для аккумуляторов.

Например, мощность производства медной фольги Tongling Nonferrous Metal занимает первое место в стране;

Tianqi Lithium — компания, владеющая литиевыми рудниками и занимающаяся разработкой литиевой продукции. Имея мощность по производству литиевой соли в 44 800 тонн в 2020 году, она, несомненно, входит в тройку крупнейших литиевых батарей в Китае.

Этот «малый бизнес» может сыграть свою роль в игре между великими державами и, естественно, не может обойтись без поддержки страны.

В последние годы моя страна энергично развивала автомобильную промышленность на новых источниках энергии и инвестировала все больше и больше в силовые аккумуляторы. Продукция этих компаний занимает значительную долю рынка, поэтому их результаты сильно трансформируются, а их комплексная эффективность технологических инноваций также высока.

Однако надо признать и недостатки в процессе разработки «легких литий-серных батарей».

В настоящее время некоторые компании, которым поручено исследование и разработка «легких литий-серных батарей», имеют низкую эффективность технологических инноваций и даже подвергаются сомнению со стороны университетов-партнеров.

Причину нетрудно догадаться: некоторые из ведущих мировых компаний в области систем управления аккумуляторами имеют прочную основу производственных цепочек, что приводит к высоким техническим барьерам.Китайские компании сталкиваются с проблемой «опоздавших».

Таким образом, эти новые компании практически неспособны изменить общую структуру мирового производства аккумуляторов, что приводит к низкой эффективности инноваций.

Глядя на меняющуюся тенденцию инноваций в области новых энергетических аккумуляторных технологий в моей стране, можно увидеть, что общая эффективность технологических инноваций компаний, производящих новые энергетические аккумуляторные батареи, демонстрирует перевернутую букву U, характерную для сначала роста, а затем незначительного снижения. С 2016 по 2019 год комплексная эффективность компаний, производящих новые энергетические аккумуляторы, Инновационная эффективность продемонстрировала тенденцию к росту, начала снижаться с 2019 по 2020 год и восстановилась за последние два года.

Это связано с тем, что до 2019 года индустрия новых энергетических аккумуляторов в моей стране быстро развивалась, при этом общий масштаб продолжал расширяться, а общая эффективность продолжала улучшаться;

Причина снижения эффективности инноваций в 2020 году связана, главным образом, с воздействием эпидемии COVID-19, в основном из-за приостановки поставок части сырья добывающими компаниями, значительным краткосрочным ростом издержек производства, а также Резкое снижение спроса на аккумуляторы.Мировой рынок аккумуляторов новой энергии, включая рынок Китая, пострадал от этого в разной степени, эффективность инноваций в отрасли аккумуляторов новой энергии в моей стране также несколько снизилась.

Сейчас, когда воздействие эпидемии постепенно ослабевает, инновационные возможности моей страны естественным образом снова возросли.

Однако по мере того, как страны инвестируют все больше и больше энергии в литий-серные батареи, возникают и некоторые проблемы.

3. Литий-серные батареи: действительно ли они единственный путь в будущее?

На самом деле так называемая «проблема» уже возникла.

Еще в 1962 году ученые Хербет и Улам предложили концепцию литий-серных батарей. серные батареи.

Однако в то время двое ученых обнаружили, что батарея имеет чрезвычайно плохую циклическую стабильность, плохую безопасность и плохую проводимость.

Поэтому исследования литий-серных батарей на начальном этапе разработки шли медленно. Особенно после успешной коммерциализации литий-ионных батарей в конце 20-го века исследования и разработки литий-серных батарей практически остановились.

Лишь в 2009 году исследовательская группа профессора Назара в Университете Ватерлоо в Канаде применила «метод диффузии расплава» для равномерного соединения материала «СМК-3» с серой и использования его в качестве катодного материала для аккумуляторов, что позволило добиться огромного успеха. шаг вперед в качестве литий-серных батарей, а также положила начало новой волне исследований литий-серных батарей.

Поэтому, будь то «легкая литий-серная батарея», только что разработанная Японией, или литий-серная батарея, изучаемая китайскими компаниями, все они являются «модными игроками» в этом увлечении.

Однако проблема плохой проводимости литий-серных аккумуляторов так и не решена.

Проще говоря, химические вещества в аккумуляторе не могут быть утилизированы на 100% в процессе преобразования. Часть их не утилизируется в каждом цикле. Со временем химические вещества в литий-серном аккумуляторе полностью накапливаются и могут больше не будет завершена химическая реакция, не будет электропитания.

Технически говоря, изоляция «серы» приводит к снижению активности «лития», в результате чего часть «серы» не может участвовать в электрохимической реакции и обеспечивать емкость. Это приводит к тому, что фактическая емкость батареи снижается. значительно снижается, часто не достигая теоретической мощности (80%).

В то же время процесс разряда литий-серных аккумуляторов также сопровождается проблемой увеличения объема положительного электрода.

Когда элементарная сера подвергается реакции выделения с образованием определенного продукта, это сопровождается объемным расширением. А когда процесс зарядки закончится, объем положительного электрода аккумулятора уменьшится на 80 процентов, что приведет к резкому падению емкости.

Более того, такая нестабильная структура электродов может представлять огромную угрозу безопасности.

Кроме того, поскольку реакции заряда и разряда металлического лития продолжают происходить, на поверхности отрицательного электрода растут чрезмерно длинные «дендриты лития».

Он продолжает расти, как ветка дерева, и растущие «дендриты лития», скорее всего, проткнут «защитную пленку» внутри батареи, вызывая короткое замыкание батареи и вызывая ряд проблем безопасности, таких как пожар.

Что касается этого ряда проблем, то у академического сообщества в настоящее время нет решения.

Являются ли литий-серные батареи пустышкой или они действительно могут заменить литиевые батареи и стать «окном» новой энергии, нам остается только подождать и посмотреть.

Заключение:

Япония разработала «легкие литий-серные батареи», и ее мощный технологический инновационный потенциал нельзя игнорировать.

Еще в 1980 году японское правительство обнародовало «Торговую и промышленную политику 1980-х годов» и четко предложило политику «построения нации посредством технологий». активно расширять независимые инновационные возможности отрасли.

Это означает, что эра Японии, импортирующей и имитирующей европейские и американские технологии, закончилась и она вступила в стадию независимых инноваций.

В 1990-е годы Nihon Keizai Shimbun провела опрос 40 крупнейших компаний, инвестировавших внутренние средства в исследования и разработки. Результаты показали, что крупные компании обычно демонстрируют две основные тенденции в исследованиях.

Первый — уделять больше внимания исследованиям и разработкам; второй — активно расширять зарубежные рынки НИОКР.

Благодаря вышеупомянутым событиям международный статус Японии в области прикладных технологий в 1990-е годы был близок к статусу США, занимая второе место в мире в некоторых передовых областях с огромным потенциалом применения, которые создадут огромное богатство в будущем. такие как биотехнология, технология искусственного интеллекта и материаловедение, на какое-то время даже превосходя Соединенные Штаты.

Однако нынешние фонды НИОКР в Японии чрезвычайно трудно получить – только те проекты, которые могут быстро достичь коммерческого применения, с большей вероятностью будут одобрены фондами. и предприятия.внимания. Это делает японские компании уязвимыми перед плохими и проблемными ситуациями.

Фактически, проблема недостаточной выносливости фундаментальных исследований существовала в Японии в течение длительного времени. и даже ограничили независимую инновационную способность Японии.

Китай, с другой стороны, инвестирует значительные средства любой ценой.

С другой стороны, наша страна также активно предоставляет комплексные человеческие и организационные гарантии научным исследователям, занимающимся фундаментальными исследованиями, такие как поощрение и поддержка научно-исследовательской работы университетских талантов фундаментальных исследований в социальной среде;

На уровне школы следует уделять внимание молодым ученым, находящимся на пике своего творческого потенциала, уделять внимание таким ученым при распределении научно-исследовательских ресурсов, увеличивать поддержку молодых авторов научных исследований с точки зрения финансирования научных исследований и научных исследований. исследовательская автономия, чтобы создать идеальные и непринужденные условия для молодых научных исследователей.

Развитие науки и техники Китая подобно восходу солнца.

Использованная литература:

Ань Тунлян, Чжоу Шаодун, Пи Цзяньцай, Стимулирующий эффект субсидий на НИОКР на независимые инновации китайских предприятий [J], Экономические исследования, 2009, 44(10): 87-98.

Бай Цзюньхун, Ли Цзин, Государственное финансирование НИОКР и корпоративные технологические инновации — эмпирический анализ, основанный на перспективе эффективности [J], Financial Research, 2011(06): 181-193.

Чэнь Цзицин, Вен Чубин, Лань Фэнчун, Ли Шичэн, Состояние развития и тенденции индустрии аккумуляторных батарей под влиянием политики [J]. Исследования в области управления наукой и технологиями, 2019, 39 (09): 148-157.

Ду Хун, Анализ текущего состояния и тенденций развития аккумуляторов для электромобилей [J], Times Automobile, 2017(20): 45-46.

Ван П., Чжан З., Ян Х и др. Гранатоподобные микрокластеры, организованные ультрадисперсными углеродными субъединицами, легированными азотом, в качестве хозяев серы для литий-серных батарей с длительным сроком службы [J]. Journal of Materials Chemistry A, 2018, 6 (29): 14178-14187.

Ван С., Ляо Дж., Ян X и др. Разработка высокоэффективного катализатора конверсии полисульфида с парамонтрозеитом для высокопроизводительных и долговечных литий-серных батарей [J]. Nano Energy, 2019, 57: 230-240.

https://www.sohu.com/a/508295857_505795