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康奈尔大学正在用AI技术制造更高效的燃料电池材料,UCSD发现锂金属电池失效的主要原因在于非活性锂

By admin in 澳门新美高梅官方网址 on 2019年11月3日

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据外媒报道,加州大学圣地亚哥分校领导的研究小组发现,锂金属电池失效的根本原因在于:在电池放电过程中,少量的金属锂沉积物在从负极表面脱落并被困住,变成无法再使用的“死”或非活性锂。

目前国内充电服务市场各方势力正积极参与充电设施运营服务,其中包括互联网、新能源、汽车领域内的企业,且从2018年末我国15大规模化运营商的充电桩保有量情况来看,头部运营商占比高,前5大运营商市占率达到88.3%。市场竞争方面,国内主要厂商大部分免费提供私人充电桩,但也有少部分运营商开始积极探索私人充电桩共享模式。根据《电动汽车充电基础设施发展指南》,到2020年我国要新增集中式充换电站超过1.2万座,分散式充电桩超过480万个,以满足全国500万辆电动汽车充电需求。根据相关机构的测算数据,到2020年我国充电服务市场空间将在100亿元左右。

前线士兵无法快速充电,因此更依赖电池来为他们的夜视、无线电、小型传感器、操控无人机的便携式笔记本电脑和其他作战必需品供电。如果没有前进所需的电池动力,士兵们可能被迫撤退,甚至受到敌人火力的攻击。

这一发现挑战传统观点,即锂金属电池失效是因为锂负极和电解质之间形成的固态电解质界面膜。研究人员开发一种技术,测量负极上非活性锂的数量,并研究其微纳米结构,从而得出这一结论。这在电池研究领域尚属首次。这些发现或将为实现可充电锂金属电池商业化铺平道路。

公共充电模式:头部运营商积极参与公共充电设施建设与运营服务

美国陆军研究实验室正在更广泛的背景下资助康奈尔大学设计小型、便携式、轻量级和更持久的燃料电池,来为士兵的上述作战设备发电。

锂金属电池是下一代电池技术的重要组成部分,其能量密度是目前锂离子电池的两倍。因此,使用寿命更长,重量更轻,可能使电动汽车的续航里程增加一倍。但是,锂金属电池存在一个重要问题,那就是库仑效率低,电池可循环次数有限。这是因为在循环过程中,电池中存储的活性锂和电解质被消耗殆尽。

目前,北汽、上汽、比亚迪等汽车企业正在大力投资充电设施建设,造车新势力也试图切入充电桩市场,例如小鹏汽车、蔚来汽车。但从现阶段发展情况来看,车企自建充电桩数量相对较少,短期内不以盈利为目的,二是为了完善和优化汽车售后服务体系,提升服务质量。出车企之外,互联网企业也有介入,采用轻资产运营模式,通过与充电运营商合作,接入后者已建好的部分充电桩。

新实验专注研发全新燃料电池

长期以来,电池研究人员一直怀疑,这是由于负极和电解质之间形成的固体电解质界面膜造成的。但是,加州大学圣地亚哥分校的纳米工程学教授、主要研究人员Y.
Shirley
Meng表示,尽管研究人员已经开发出各种控制和稳定SEI层的方法,仍然无法彻底解决这一问题。“这些电池仍然会失效,因为电池中正在形成大量非活性锂。所以,应该还有一个重要的方面被忽视了。”

截至2018年底,全国规模化运营商企业共有15家。其中特来电充电设施保有量为12.1万台、国网有8.8万台、星星充电有5.5万台、上汽安悦有1.5万台、中国普天有1.4万台,为全国前5大运营商,这5家企业平台所运营的充电桩市场份额占比达88.3%。由此可以看出,我国公共充电基础设施运营商集中度高,第一梯队企业通过快速布局形成规模优势。

当陆军步兵下车攻击敌人的防御工事时;当他们冒着敌人的火力快速移动,寻找继续进攻的最佳位置时,士兵使用的电池的“寿命”可以决定任务的成败,甚至决定生死。

研究人员发现,锂金属电池失效的罪魁祸首是锂金属沉积。当电池放电时,锂金属沉积从负极脱落,然后被困在SEI层,失去与负极的电连接,变成不能参与电池循环的非活性锂。这些被困住的锂大大降低了电池的库仑效率。研究人员发明一种方法,测量有多少未反应的金属锂作为非活性锂被困,从而确定电池失效原因。他们往密封的烧瓶中加水,瓶中含有在半电池循环中形成的非活性锂样品。所有未反应的金属锂都会与水发生化学反应产生氢气。通过测量产生了多少气体,研究人员可以计算出被困金属锂的数量。非活性锂还包括另一种成分:锂离子,这也是SEI层的组成部分。可从非活性锂总量中减去未反应的锂金属量,来计算它们的数量。

私桩共享模式:B端充电业务有上限,充电消费大市场还是在C端

据陆军研究办公室网络科学分部主任艾耶博士介绍,目前,更大的形状因子燃料电池已经存在。例如,燃料电池现在被集成到美军艾布拉姆斯坦克的“辅助动力单元”中,用以增强和扩展坦克传感器、武器、机载电子和计算机系统的性能。在装甲战斗车辆的现代化功能快速发展的同时,它们对电力的需求也日益增加。

在对金属锂半电池的测试中,研究人员发现未反应的金属锂是非活性锂的主要成分。随着它的形成,库仑效率逐渐降低。与此同时,SEI层的锂离子含量始终保持在较低水平。在八种不同的电解质中,可以观察到这些结果。“这一发现很重要。从中可以看出,锂金属电池的主要失效产物是未反应的金属锂,而不是SEI,”研究人员Fang说,“通过这种方法来量化活性锂的两种成分,能达到超高精度,得出值得信赖的结果。这是其他表征工具无法做到的。”

我国电动汽车市场的主流消费群体已逐渐由公交、出租等公共用户为主转变为以私人用户为主。以长期发展角度来看,B端充电业务迟早会遭遇天花板,真正的额充电消费大市场还是在C端,因此解决私人电动汽车用户的充电问题至关重要。私家电动车碍于行车径相对固定,充电价格私、公差异大等因素,大部分还是依赖私人充电桩,对于公共充电设施的需求提留在临时补电需求。

然而,与目前正在进行的开发适合大型战斗车辆燃料电池的工作截然不同,新的实验专注于研发全新的燃料电池——当前大多数燃料电池都是通过“氧化”氢来发电的,新方法希望用甲醇取代氢。

“从化学性质的角度,金属锂具有侵略性,因此,这项任务极具挑战性。金属锂会同时发生许多不同类型的寄生反应,几乎无法将各种非活性锂区分开来。”美国陆军研究实验室的研究员Kang
Xu表示,“这项研究带来的先进方法,可提供非常强大的工具,以精确可靠的方式做到这一点。”Xu所在实验室的团队为此项研究提供先进的电解液配方。

所有厂家均免费赠送随车充,大部分主机厂随车配送私人充电桩。随车充为可直接连接家用220V插座的充电设备,保证车主在任意时间、任意地点均可充电。根据各个车型各自的技术参数,随车充的参数各不相同,通常是1.5KW-3.5KW的交流慢充,成本为几百元。大多数厂商对随车充提供1-2年的质保。大部分主机厂随车配送的私人充电桩为3.5KW-7KW交流慢充桩,成本在2000元左右。功率在10KW-20KW的私人快充桩,则一般收费。

据报道,康奈尔大学研究团队开发了一个人工智能系统,该系统发现一种有望制造更高效燃料电池的材料。该系统依赖于一组算法机器人,其中的每个机器人都执行不同的任务,通过筛选数百到数千种元素的组合,创建一个相位图——原子之间的排列关系,然后研究人员可以用它来确定哪一种组合可能作为新材料。

研究人员希望他们的方法能够成为评估锂金属电池效率的新标准。

对于私家车主来说,无论家门外建了多少公共电桩,都比不得家门口能够竖起一根桩来的踏实,利用夜间闲余时段和谷时电价进行充电更符合人们的日常使用习惯。在居民区停车位和电容有限的情况下,“一车一桩”很难实现,另一方面,现有私人电桩普遍有着75%以上的闲置率,有着巨大的利用空间,因此,越来越多的桩企开始了私桩共享的尝试。同时,人们也在期待着私桩共享能够与公共电桩一起,解决车主充电难的问题,探索最终适合人们的主流充电模式。

研究人员表示,这项研究是材料科学和机器学习领域的一个潜在突破。“基础科学研究最令人兴奋的部分是,你不能总是预测研究结果的走向。”艾耶博士称,“尽管材料科学的应用,如新型合金的设计,一直都是有可能实现的,但因为实验的偶然性,我们发现催化剂有助于设计更好的燃料电池,这有助于解决一个对军队极其重要的问题——战场上的电池动力。”

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