Bau eines kohlenstoffarmen Stromversorgungssystems geplant

2024-07-21 | Jerry Huang

Am 15. Juli 2024 veröffentlichten Chinas Nationale Entwicklungs- und Reformkommission (NDRC) und die Nationale Energieverwaltung (NEA) das „Programm zur CO2-armen Umstellung und zum Bau von Kohlekraftwerken (2024–2027)“. Darin heißt es: Bis 2025 werden alle Projekte zur CO2-armen Umstellung der ersten Kohlekraftwerke begonnen und eine Reihe von CO2-armen Energietechnologien in die Praxis umgesetzt. Die CO2-Emissionen der entsprechenden Projekte werden im Vergleich zum Jahr 2023 um etwa 20 % pro Kilowattstunde reduziert und liegen damit deutlich unter den CO2-Emissionen der bestehenden modernen Kohlekraftwerke. Auf diese Weise werden wertvolle Erfahrungen für die saubere und CO2-arme Umstellung von Kohlekraftwerken gesammelt. Durch die koordinierte Umstellung der bestehenden Kohlekraftwerke auf ein CO2-armes System und den Bau neuer CO2-armer Kohlekraftwerke wollen wir den Aufbau eines neuen Energiesystems beschleunigen, das sauber, CO2-arm, sicher und hocheffizient ist.

Laut einschlägigen Prognosen werden die CO2-Emissionen von Kohlekraftwerken bis 2030 etwa 4 Milliarden Tonnen betragen. Daher sind die kohlenstoffarmen Technologien der Kohleindustrie die wichtigste Unterstützung, um Chinas Ziel „2030 – 2060 CO2-Spitzenwert und CO2-Neutralität“ zu erreichen. Wie kann die Kohleindustrie also eine Dekarbonisierung erreichen?

01 Transformation und Baumethoden zur Dekarbonisierung der Kohlekraft

Laut dem Programm zur kohlenstoffarmen Umstellung und zum Bau von Kohlekraftwerken (2024–2027) gibt es drei konkrete Möglichkeiten, Kohlekraft in eine kohlenstoffarme Energie umzuwandeln:

1. Beimischung von Biomasse. Durch die Nutzung von Biomasseressourcen wie land- und forstwirtschaftlichen Abfällen, Pflanzenresten und erneuerbaren Energiepflanzen und unter Berücksichtigung einer nachhaltigen Versorgung mit Biomasseressourcen, Sicherheit, Flexibilität, Betriebseffizienz und Wirtschaftlichkeit sollten Kohlekraftwerke mit Biomassekraftwerken gekoppelt werden. Nach der Umwandlung und dem Bau sollten die Kohlekraftwerke in der Lage sein, mehr als 10 % Biomassebrennstoffe beizumischen, wodurch der Kohleverbrauch und die Kohlenstoffemissionen erheblich gesenkt werden.

2. Grüne Ammoniakmischung. Durch die Verwendung von grüner Ammoniakmischung mit Kohlekraftwerken wird Strom erzeugt und ein Teil der Kohle ersetzt. Kohlekraftwerke sollten nach der Umrüstung und dem Bau in der Lage sein, mehr als 10 % grünes Ammoniak zu verbrennen, mit dem Ziel, den Kohleverbrauch und die Kohlenstoffemissionen deutlich zu senken.

3. Kohlenstoffabscheidung, -nutzung und -speicherung. Verwenden Sie chemische Methoden, Adsorption, Membran- und andere Technologien, um Kohlendioxid im Rauchgas von Kohlekesseln abzuscheiden und abzuscheiden. Kohlendioxid wird durch Druck- und Temperaturanpassung abgeschieden, gereinigt und komprimiert. Fördern Sie die Anwendung geologischer Technologien wie die effiziente Ölförderung durch Kohlendioxid. Verwenden Sie chemische Technologien wie Kohlendioxid plus Wasserstoff, um Methanol zu erhalten. Implementieren Sie die geologische Speicherung von Kohlendioxid entsprechend den örtlichen Bedingungen.

02 Übergangspfade für kohlenstoffarme Kohlekraft

Der Ausbau sauberer Energien, darunter Wasserkraft, Windkraft und Solarenergie, ist der Schlüssel zur Umsetzung der Pläne für eine kohlenstoffarme Stromversorgung. Nachdem der steigende Strombedarf gedeckt ist, muss für die Energiewende die bestehende Kohlekraft weiter ersetzt werden. Nach 2030 wird nichtfossile Energie die bestehende Kohlekraft ersetzen und den größten Teil der Stromversorgung ausmachen; und nach 2050 wird der Anteil der Kohleverstromung an der gesamten Stromversorgung Chinas weniger als 5 % betragen.

Einer Studie der Renmin University of China zufolge lassen sich die Entwicklungsaussichten der chinesischen Umstellung auf eine kohlenstoffarme Kohlekraft in drei Schritte unterteilen:

1. Von jetzt an bis 2030, der Vorbereitungsphase für den Übergang zu einer kohlenstoffarmen Wirtschaft, wird die Kohlekraftwerkskapazität bis 2030 noch moderat wachsen. Gleichzeitig wird die erneuerbare Energie den größten Teil des Anstiegs der Stromversorgung ausmachen und der Anteil der installierten Kapazität von Wind- und Solarenergie wird bis 2030 mehr als 40 % betragen.

2. Die Jahre 2030-2045 sind die Übergangsphase. Nach 2030 wird der Anteil der Wind- und Solarenergie den der Kohleenergie schnell übersteigen und zur Hauptenergiequelle des Energiesystems werden. Kohlekraftwerke müssen mit Biomassetechnologie, CCUS und anderen sauberen kohlenstoffarmen Technologien gekoppelt werden, um die Kohlenstoffemissionen zu reduzieren.

3. Die Jahre 2045 bis 2060 gelten als Zeitraum der Stärkung und Verbesserung der Stromversorgung. Bis 2050 wird der Bedarf an Elektrizität gesättigt sein und die Kohlekraft wird vollständig in eine angepasste Stromversorgung umgewandelt, die der Verarbeitung und Aufnahme der Hauptleistung der Wind- und Sonnenenergie dient und Not- und Reservestrom bereitstellt.

Hier ist ein Beispiel für ein Kraftwerk in der Wüste Kubuqi. Die geplante Gesamtkapazität des Kraftwerks Kubuqi beträgt 16 Millionen Kilowatt, davon 8 Millionen Kilowatt Photovoltaik, 4 Millionen Kilowatt Windkraft und 4 Millionen Kilowatt moderne, hocheffiziente Kohlekraftwerke. Die bereits errichteten Solarkraftwerke sind spektakulär, 2 Millionen Kilowatt installierte Photovoltaikkapazität sind bereits in Betrieb. Wenn alle Projekte vollständig abgeschlossen sind, können Schätzungen zufolge jährlich etwa 40 Milliarden Kilowattstunden Strom an Millionen von Familien geliefert werden, wobei saubere Energie mehr als 50 % der Gesamtmenge ausmacht. Dies entspricht einer Einsparung von etwa 6 Millionen Tonnen herkömmlicher Kohle und einer Reduzierung der Kohlendioxidemissionen um etwa 16 Millionen Tonnen pro Jahr. Ganz zu schweigen davon, dass weitere saubere Energiebasen entstehen werden. Erste Solarmodule gebaut Solarmodule ein Jahr später Solarkraftwerk fünf Jahre später

Was Elektrofahrzeuge und ihre Ladeinfrastruktur betrifft, so belief sich die Gesamtzahl der Ladeinfrastrukturen für Elektrofahrzeuge laut Statistik bis Ende Mai 2024 in ganz China auf 9,92 Millionen Einheiten, was einem Anstieg von 56 % gegenüber dem Vorjahr entspricht. Darunter stiegen die öffentlichen Ladeeinrichtungen und die privaten Ladestationen auf 3,05 Millionen bzw. 6,87 Millionen Einheiten, mit Wachstumsraten von 46 % bzw. 61 % gegenüber dem Vorjahr. Dies bedeutet, dass China das größte Ladeinfrastrukturnetz der Welt aufgebaut hat, das das größte Servicegebiet und die größte Bandbreite an Ladearten abdeckt.

Grüne, hocheffiziente und wirtschaftliche Methode für das Recycling von LCO und ternären LIBs veröffentlicht

2023-09-16 | Jerry Huang

Anmerkung des Herausgebers: Lithium-Ionen-Batterien werden mittlerweile häufig in einer Vielzahl von elektronischen Geräten, Elektrofahrzeugen und Energiespeichern im Netzmaßstab verwendet. Die weltweite Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien wächst weiterhin deutlich. Es wird geschätzt, dass bis 2030 die weltweite Menge an verbrauchten Lithium-Ionen-Batterien 11 Millionen Tonnen übersteigen wird, was zu einer enormen Verschmutzungsquelle werden wird, die die Umwelt und die öffentliche Gesundheit ernsthaft gefährden könnte. Gleichzeitig führt die wachsende Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien zu einer wachsenden Nachfrage nach Lithium und Kobalt. Andererseits beträgt der Lithium- und Kobaltgehalt in LIB-Kathoden bis zu 15 bzw. 7 Gew.-% und ist damit viel höher als in Erzen und Solen. Daher ist die Rückgewinnung von Metallelementen in verbrauchten LIB-Kathoden von großer ökologischer, sozialer und wirtschaftlicher Bedeutung. Derzeit gliedert sich die Rückgewinnung von Lithium-Ionen-Batterien hauptsächlich in drei Schritte: Vorbehandlung, Metallextraktion und Metalltrennung. Bei der Erforschung und Entwicklung des Metallextraktionsschritts des Recyclingprozesses ist der hydrometallurgische Prozess aufgrund seiner hohen Metallauslaugungsrate und der zufriedenstellenden Reinheit der gewonnenen Produkte eine der praktikabelsten Optionen. Allerdings ist das Verfahren weder besonders umweltfreundlich noch sehr wirtschaftlich, da der Einsatz anorganischer Säuren gefährliche Nebenprodukte mit sich bringt; während organische Säuren zusätzliche Reduktionsmittel oder längere Reaktionszeiten und höhere Temperaturen für die Metallrückgewinnung erfordern.

Forscher des Zhong Lin Wang-Teams stellen uns eine mögliche Methode vor, die umweltfreundlich, hocheffizient und wirtschaftlich für das Recycling von LIBs ist, einschließlich Lithium-Kobaltoxid-Batterien (LCO) und ternären Lithiumbatterien.

Abstrakt

Mit dem globalen Trend zur CO2-Neutralität steigt die Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) kontinuierlich. Die derzeitigen Recyclingmethoden für verbrauchte LIBs müssen jedoch im Hinblick auf Umweltfreundlichkeit, Kosten und Effizienz dringend verbessert werden. Hier schlagen wir eine mechanokatalytische Methode vor, die als Kontaktelektrokatalyse bezeichnet wird und bei der durch Kontaktelektrisierung erzeugte Radikale genutzt werden, um die Metallauslaugung unter der Ultraschallwelle zu fördern. Wir nutzen dabei auch SiO2 als recycelbaren Katalysator. Bei Lithium-Kobalt(III)-Oxid-Batterien erreichte die Auslaugungseffizienz bei 90 °C innerhalb von 6 Stunden 100 % für Lithium und 92,19 % für Kobalt. Bei ternären Lithiumbatterien erreichten die Auslaugungseffizienzen von Lithium, Nickel, Mangan und Kobalt innerhalb von 6 Stunden 94,56 %, 96,62 %, 96,54 % bzw. 98,39 % bei 70 °C. Wir gehen davon aus, dass diese Methode einen umweltfreundlichen, hocheffizienten und wirtschaftlichen Ansatz für das LIB-Recycling bieten und so der exponentiell wachsenden Nachfrage nach LIB-Produktionen gerecht werden kann.

Referenz

https://doi.org/10.1038/s41560-023-01348-y

Eine effiziente, umweltfreundliche und wirtschaftliche Methode zum Recycling von LFP-Batterien

2023-09-16 | Jerry Huang

Anmerkung des Herausgebers: Lithium-Ionen-Batterien werden mittlerweile häufig in einer Vielzahl von elektronischen Geräten, Elektrofahrzeugen und Energiespeichern im Netzmaßstab verwendet. Die weltweite Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien wächst weiterhin deutlich. Es wird geschätzt, dass bis 2030 die weltweite Menge an verbrauchten Lithium-Ionen-Batterien 11 Millionen Tonnen übersteigen wird, was zu einer enormen Verschmutzungsquelle werden wird, die die Umwelt und die öffentliche Gesundheit ernsthaft gefährden könnte. Gleichzeitig führt die wachsende Nachfrage nach Lithium-Ionen-Batterien zu einer wachsenden Nachfrage nach Lithium und Kobalt. Andererseits beträgt der Lithium- und Kobaltgehalt in LIB-Kathoden bis zu 15 bzw. 7 Gew.-% und ist damit viel höher als in Erzen und Solen. Daher ist die Rückgewinnung von Metallelementen in verbrauchten LIB-Kathoden von großer ökologischer, sozialer und wirtschaftlicher Bedeutung. Derzeit gliedert sich die Rückgewinnung von Lithium-Ionen-Batterien hauptsächlich in drei Schritte: Vorbehandlung, Metallextraktion und Metalltrennung. Bei der Erforschung und Entwicklung des Metallextraktionsschritts des Recyclingprozesses ist der hydrometallurgische Prozess aufgrund seiner hohen Metallauslaugungsrate und der zufriedenstellenden Reinheit der gewonnenen Produkte eine der praktikabelsten Optionen. Allerdings ist das Verfahren weder besonders umweltfreundlich noch sehr wirtschaftlich, da der Einsatz anorganischer Säuren gefährliche Nebenprodukte mit sich bringt; während organische Säuren zusätzliche Reduktionsmittel oder längere Reaktionszeiten und höhere Temperaturen für die Metallrückgewinnung erfordern.

Forscher des Zhong Lin Wang-Teams stellen uns eine mögliche Methode vor, die umweltfreundlich, hocheffizient und wirtschaftlich für das Recycling von LIBs, insbesondere LFP-Batterien, ist.

Abstrakt

Das Recycling von Lithium-Eisenphosphat-Batterien (LFPs), die mehr als 32 % des weltweiten Marktanteils von Lithium-Ionen-Batterien (LIB) ausmachen, hat aufgrund der wertvollen Elementressourcen und Umweltbedenken große Aufmerksamkeit erregt. Moderne Recyclingtechnologien, die in der Regel auf elektrochemischen oder chemischen Auslaugungsmethoden basieren, weisen jedoch kritische Probleme wie langwierige Verfahren, enormen Chemikalien-/Stromverbrauch und Sekundärverschmutzung auf. Hier berichten wir über ein innovatives, autarkes System, das aus einem elektrochemischen LIB-Recyclingreaktor und einem triboelektrischen Nanogenerator (TENG) zum Recycling verbrauchter LFP besteht. Im elektrochemischen LIB-Recyclingreaktor wird das elektrochemisch in NaCl-Lösung erzeugte Cl-/ClO-Paar als Redoxmediator verwendet, um LFP über die Redox-Targeting-Reaktion ohne zusätzliche Chemikalien in FePO4 und Li+ aufzuspalten. Darüber hinaus soll ein TENG, das ausrangierte Komponenten von LIBs verwendet, darunter Gehäuse, Aluminium-Kunststoff-Folien und Stromabnehmer, Sekundärschadstoffe drastisch minimieren. Darüber hinaus nutzt der TENG Windenergie und liefert eine Leistung von 0,21 W für den Betrieb des elektrochemischen Recyclingsystems und das Laden von Batterien. Daher weist das vorgeschlagene System zum Recycling verbrauchter LFP eine hohe Reinheit (Li2CO3, 99,70 % und FePO4, 99,75 %), autarke Funktionen, ein vereinfachtes Behandlungsverfahren und einen hohen Gewinn auf, was die Nachhaltigkeit von LIB-Technologien fördern kann.

Referenz

http://dx.doi.org/10.1039/D3EE01156A

50C-Schnelllade-Li-Ion-Batterien mit einer Graphitanode

2022-11-01 |

Abstrakt

Lithium-Ionen-Batterien haben mit hohen Energiedichten Einzug in den Markt für Elektrofahrzeuge gehalten, leiden jedoch immer noch unter einer langsamen Kinetik, die durch die Graphitanode begrenzt ist. Hier werden Elektrolyte entwickelt, die ein extrem schnelles Laden (XFC) einer Graphitanode in Mikrogröße ohne Li-Beschichtung ermöglichen. Umfassende Charakterisierung und Simulationen zur Diffusion von Li+ im Volumenelektrolyten, zum Ladungstransferprozess und zur Festelektrolyt-Interphase (SEI) zeigen, dass eine hohe Ionenleitfähigkeit, eine niedrige Desolvatationsenergie von Li+ und eine schützende SEI für XFC unerlässlich sind. Basierend auf dem Kriterium werden zwei Schnellladeelektrolyte ausgelegt: Niedervolt 1,8 m LiFSI in 1,3-Dioxolan (für LiFePO4||Graphitzellen) und Hochvolt 1,0 m LiPF6 in einer Mischung aus 4-Fluorethylencarbonat und Acetonitril (7:3 Vol.) (für LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2||Graphitzellen). Mit dem erstgenannten Elektrolyt erreicht die Graphitelektrode 180 mAh g−1 bei 50 °C (1C = 370 mAh g−1), was zehnmal höher ist als bei einem herkömmlichen Elektrolyten. Letzterer Elektrolyt ermöglicht LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2||Graphitzellen (2 mAh cm−2, N/P-Verhältnis = 1) eine rekordverdächtige reversible Kapazität von 170 mAh g−1 bei 4C Ladung und 0.3C Entladung bereitzustellen . Diese Arbeit enthüllt die Schlüsselmechanismen für XFC und stellt instruktive Designprinzipien für Elektrolyte für praktische Schnelllade-LIBs mit Graphitanoden bereit.

Verweise

1. https://doi.org/10.1002/adma.202206020

Hochspannungs-Lithium-Ionen-Akku mit hoher Energiedichte soll billig und metallfrei sein

2022-07-10 | Jerry Huang

Anmerkung des Herausgebers: Forscher berichten über eine bahnbrechende Hochspannungs-Elektrochemie mit hoher Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien, die wirtschaftlich und metallfrei (umweltfreundlich) ist. Diese organische Lithium-Ionen-Batterie der 4-V-Klasse zeichnet sich durch eine hohe theoretische Kapazität und eine hohe Spannung aus, während ihre praktischen Kathodenmaterialien und Elektrolyte noch unerforscht sind.

Sind redoxaktive organische kleine Moleküle für Lithium-Ionen-Batteriekathoden mit hoher Spannung (>4 V) geeignet?

Von: Yuto Katsuyama, Hiroaki Kobayashi, Kazuyuki Iwase, Yoshiyuki Gambe, Itaru Honma | Erstveröffentlichung: 10. März 2022 auf Advanced Science

4 Organische Lithium-Ionen-Batterien der V-Klasse

Während organische Lithium-Ionen-Batterien aufgrund ihrer hohen theoretischen Kapazitäten große Aufmerksamkeit auf sich gezogen haben, bleiben organische Hochvolt-Kathodenmaterialien unerforscht. In Artikel Nr. 2200187 berichten Yuto Katsuyama, Hiroaki Kobayashi, Itaru Honma und Mitarbeiter über die Elektrochemie von Croconsäure bei Hochspannung. Theoretische und experimentelle Untersuchungen bestätigen, dass die beiden Enolate in Croconsäure etwa 4 V Redox aufweisen, was zur Energiespeicherung genutzt werden kann.

Abstrakt

Während organische Batterien aufgrund ihrer hohen theoretischen Kapazitäten große Aufmerksamkeit auf sich gezogen haben, bleiben organische Hochvolt-Aktivmaterialien (> 4 V vs. Li/Li+) unerforscht. Hier werden Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie mit zyklischen Voltammetriemessungen kombiniert, um die Elektrochemie von Croconsäure (CA) für die Verwendung als Kathodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien sowohl in Dimethylsulfoxid- als auch in γ-Butyrolacton (GBL)-Elektrolyten zu untersuchen. DFT-Rechnungen zeigen, dass CA-Dilitiumsalz (CA-Li2) zwei Enolatgruppen aufweist, die Redoxreaktionen über 4,0 V eingehen, und eine theoretische Energiedichte auf Materialebene von 1949 Wh kg–1 für die Speicherung von vier Lithiumionen in GBL – was den Wert von beiden übersteigt herkömmliche anorganische und bekannte organische Kathodenmaterialien. Cyclovoltammetrische Messungen zeigen eine hochgradig reversible Redoxreaktion der Enolatgruppe bei ≈4 V in beiden Elektrolyten. Batterieleistungstests von CA als Lithium-Ionen-Batteriekathode in GBL zeigen zwei Entladespannungsplateaus bei 3,9 und 3,1 V und eine Entladekapazität von 102,2 mAh g–1 ohne Kapazitätsverlust nach fünf Zyklen. Mit den höheren Entladungsspannungen im Vergleich zu den bekannten, hochmodernen organischen kleinen Molekülen verspricht CA, ein erstklassiger Kathodenmaterialkandidat für zukünftige organische Lithium-Ionen-Batterien mit hoher Energiedichte zu sein.

Verweise:

1. https://doi.org/10.1002/advs.202200187

Eine bahnbrechende Technologie von Niedertemperatur-LFP enthüllt

2022-04-19 | Jerry Huang

Am 15. April gab ein Forschungs- und Entwicklungsteam von Changzhou Liyuan New Energy Co in Nanjing bekannt, dass das Unternehmen einen technologischen Durchbruch beim LFP-Kathodenmaterial erzielt habe, der die Leistung von LFP sowie die Laderate bei niedrigen Temperaturen erheblich verbessert habe.

Ein EV, das mit einer herkömmlichen LFP-Batterie betrieben wird, hat seinen eigenen offensichtlichen Nachteil der Reichweitenangst, das heißt, seine Reichweite beträgt bei niedrigen Temperaturen wie -20 ° C oft etwa 50 % der angegebenen NEFZ / WLTP / EPA-Reichweite.

Das neue LFP-Material „LFP-1“ soll angeblich von mehr als 20 F&E-Experten des Shenzhen Research Center nach mehr als 2.000 wiederholten Experimenten in acht Jahren entwickelt worden sein, und das F&E-Team hat damit 5 Patente erhalten.

Die bahnbrechenden Leistungen von „LFP-1“ sollen durch die Einrichtung von Hochgeschwindigkeits-Lithiumionen-Transportkanälen innerhalb des Kathodenmaterials zusammen mit modernster „Energiesphären“-Technologie erreicht werden; und die Materialeigenschaften:

• Erhöhung der Entladekapazität von LFP-Batterien von 55 % auf 85 % bei -20 °C und von nahezu null auf 57 % bei -40 °C.

• Erreicht eine Reichweite von 500 Kilometern in nur 15 Minuten 4C-Schnellladung. Im Vergleich dazu benötigt ein Elektrofahrzeug, das mit einer herkömmlichen LFP-Batterie betrieben wird, normalerweise 40 Minuten Schnellladung, um eine Reichweite von etwa 550 Kilometern zu erreichen.

Wird Natrium die nächste Lösung sein?

2022-04-08 | Jerry Huang

Im Jahr 2020 spekulierten die Marktbeteiligten von Elektrofahrzeugen aufgeregt darüber, dass die Kostensenkung von Lithiumbatterien zu einem schnellen Wachstum der Verkäufe von Elektrofahrzeugen weltweit führen würde, und das tat es auch.

Wenn es um das erste Quartal 2022 geht, sind die meisten von uns einfach nicht bereit, sich dem „March Madness“ zu stellen, sagte Herr Jow Lowry von Global Lithium LLC, über einen dramatischen Preisanstieg von Lithiumcarbonat und Lithiumhydroxid im Februar und Anfang Februar Marsch. Er ist jedoch der Meinung, dass hohe Lithiumpreise nicht zu einer Zerstörung der Nachfrage auf dem EV-Markt führen werden. „Wir haben hohe Lithiumpreise wegen des Mangels an Investitionen, der das Ungleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage geschaffen hat. Ich glaube nicht, dass dies die Nachfrage zerstören wird. Ich glaube, es ist, genauer gesagt, es wird die Nachfrage weiterleiten. Die EV-Revolution wird in diesem Jahrzehnt durch den Mangel an Lithiumversorgung begrenzt. Das steht jetzt außer Frage“, sagt Mr. Jow Lowry.

Trotz der rekordhohen Lithiumpreise erlebten auch viele andere Batteriematerialien wie Nickel, Kobalt und Aluminium im ersten Quartal dieses Jahres eine historische Preiserhöhungswelle, die zu einem anhaltenden Anstieg der Batteriekosten und der Ankündigung von mehr als 20 OEMs für ihre Elektrofahrzeuge führte Preiserhöhung im März 2022.

Wohin also steuert die Lithium-Batterie? Einige Experten sagen, dass Lithiumbatterien für mittlere und hochwertige Elektrofahrzeuge, Unterhaltungselektronik, elektrische Seefahrzeuge und Luftfahrzeuge usw. verwendet werden.

Was ist mit dem Einstiegsniveau von Elektrofahrzeugen und Energiespeichern? Werden Natriumbatterien eine andere Wahl für sie sein? Es gibt auf der Erde reichlich Natrium und andere Ressourcen für Natriumbatterien, die als wirtschaftlich und umweltfreundlich gelten. Gibt es andere hochskalierbare Batterielösungen? Warten wir ab, welche Forschungsdurchbrüche als nächstes kommen werden.

Zellchemie-Rennen: Lithium-gegen-Natrium-Systeme

2021-12-08 | Jerry Huang

Die Forschung zu Lithium-Schwefel- (Li/S ₈ ) und Lithium-Sauerstoff- (Li/O ₂ )-Batterien bei Raumtemperatur hat in den letzten zehn Jahren deutlich zugenommen. Der Wettlauf um die Entwicklung solcher Zellsysteme wird vor allem durch die sehr hohe theoretische Energiedichte und den Überfluss an Schwefel und Sauerstoff motiviert. Die Zellchemie ist jedoch komplex, und Fortschritte in Richtung praktischer Geräteentwicklung bleiben durch einige grundlegende Schlüsselfragen behindert, die derzeit mit zahlreichen Ansätzen angegangen werden.

Über die analogen natriumbasierten Batteriesysteme ist überraschenderweise nicht viel bekannt, obwohl die bereits kommerzialisierten Hochtemperatur-Na/S _{8 -} und Na/NiCl ₂ -Batterien nahelegen, dass ein Akku auf Natriumbasis großtechnisch machbar ist. Darüber hinaus ist die natürliche Fülle von Natrium ein attraktiver Vorteil für die Entwicklung von Batterien auf Basis kostengünstiger Komponenten.

Diese Übersicht bietet eine Zusammenfassung des aktuellen Wissensstandes zu Lithium-Schwefel- und Lithium-Sauerstoff-Batterien und einen direkten Vergleich mit den analogen Natriumsystemen. Die allgemeinen Eigenschaften, Hauptvorteile und Herausforderungen, aktuelle Strategien zur Leistungsverbesserung und allgemeine Richtlinien für die Weiterentwicklung werden zusammengefasst und kritisch diskutiert. Im Allgemeinen hat die Substitution von Lithium durch Natrium einen starken Einfluss auf die Gesamteigenschaften der Zellreaktion und es sind daher Unterschiede in Ionentransport, Phasenstabilität, Elektrodenpotential, Energiedichte usw. zu erwarten.

Ob diese Unterschiede einer reversibleren Zellchemie zugute kommen, ist noch offen, aber einige der ersten Berichte über Na/S _{8 -} und Na/O ₂ -Zellen bei Raumtemperatur zeigen bereits einige aufregende Unterschiede im Vergleich zu den etablierten Li/S ₈ und Li/O ₂ -Systeme.

Wiederaufladbare Lithium-Ionen-Batterien (LIBs) haben sich seit ihrer Kommerzialisierung Anfang der 1990er Jahre schnell zur wichtigsten Form der Energiespeicherung für alle mobilen Anwendungen entwickelt. Dies liegt vor allem an ihrer konkurrenzlosen Energiedichte, die andere wiederaufladbare Batteriesysteme wie Metall-Hydrid oder Blei-Säure bei weitem übertrifft. Das anhaltende Bedürfnis, Strom noch sicherer, kompakter und kostengünstiger zu speichern, erfordert jedoch kontinuierliche Forschung und Entwicklung.

Der Bedarf an kostengünstigen stationären Energiespeichern ist zu einer zusätzlichen Herausforderung geworden, die auch die Forschung nach alternativen Batterien anstößt. Große Anstrengungen werden auf die kontinuierliche Verbesserung der verschiedenen Li-Ionen-Technologien gerichtet, beispielsweise durch effizientere Verpackung, Verarbeitung, bessere Elektrolyte und optimierte Elektrodenmaterialien. Obwohl in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte hinsichtlich der Leistungsdichte erzielt wurden, war der Anstieg der Energiedichte (volumetrisch und gravimetrisch) relativ gering. Ein Vergleich verschiedener Batterietechnologien hinsichtlich ihrer Energiedichten ist in Abbildung 1 dargestellt.

Abbildung 1: Theoretische und (geschätzte) praktische Energiedichten verschiedener Akkus: Pb – Säure – Bleisäure, NiMH – Nickel-Metallhydrid, Na-Ion – Schätzung abgeleitet aus Daten für Li-Ionen unter Annahme einer etwas niedrigeren Zellspannung, Li- Ionen – Mittelwert über verschiedene Typen, HT-Na/S ₈ – Hochtemperatur-Natrium-Schwefel-Batterie, Li/S ₈ und Na/S ₈ – Lithium-Schwefel- und Natrium-Schwefel-Batterie unter Annahme von Li ₂ S und Na2S als Entladungsprodukte, Li /O ₂ und Na/O ₂ – Lithium-Sauerstoff-Batterie (theoretische Werte beinhalten das Gewicht des Sauerstoffs und hängen von der Stöchiometrie des angenommenen Entladungsprodukts, dh Oxid, Peroxid oder Superoxid ab). Beachten Sie, dass die Werte für praktische Energiedichten je nach Batteriedesign (Größe, hohe Leistung, hohe Energie, Einzelzelle oder Batterie) und dem Entwicklungsstand stark variieren können. Alle Werte für praktische Energiedichten beziehen sich auf Zellniveau (außer Pb-Säure, 12 V). Die Werte für die Li/S ₈ und Li/O ₂ Batterien wurden der Literatur entnommen (im Haupttext zitiert) und dienen zur Abschätzung der Energiedichten für die Na/S ₈ und Na/O ₂ Zellen. Von den oben genannten Technologien wurden bisher nur Bleisäure-, NiMH-, Li-Ionen- und Hochtemperatur-Na/S ₈ -Technologien kommerzialisiert.

Verweise:

1. https://www.beilstein-journals.org/bjnano/articles/6/105

Lithiumtetrafluoroborat (LiBF4) als Lithium-Ionen-Batterie-Elektrolyt-Additiv

2021-12-05 | Jerry Huang

Lithiumtetrafluoroborat (LiBF ₄ ), das als Elektrolytadditiv verwendet wird, um die Zyklenleistung von LiNi _0,5 Co _0,2 Mn _0,3 O ₂ /Graphitzelle (NMC532) bei höherer Betriebsspannung zu verbessern, wird untersucht.

Durch Zugabe von 1,0 Gew.-% LiBF4 zum Elektrolyten wurde die Kapazitätserhaltung der Lithium-Ionen-Batterie nach 100 Zyklen von 29,2 % auf 90,1 % bei einer Spannung von 3,0 V–4,5 V stark verbessert Spannungsbetrieb werden die Eigenschaften einschließlich der Zellleistung, das Impedanzverhalten sowie die Eigenschaften der Elektrodengrenzflächeneigenschaften untersucht.

Es wurde festgestellt, dass LiBF4 wahrscheinlich an der Bildung von Grenzflächenfilmen auf beiden Elektroden beteiligt war. Die verbesserten Leistungen der Zelle werden der Modifikation der Grenzflächenkomponenten auf der Graphitanode und der LiNi _0,5 Co _0,2 Mn _0,3 O ₂ -Kathode zugeschrieben, was zu einer Verringerung der Grenzflächenimpedanz führt.

Quelle: Zuo, Xiaoxi & Fan, Chengjie & Liu, Jiansheng & Xiao, Xin & Wu, Junhua & Nan, Junmin. (2013). Lithiumtetrafluoroborat als Elektrolytzusatz zur Verbesserung der Hochspannungsleistung von Lithium-Ionen-Batterien. Zeitschrift der Elektrochemischen Gesellschaft. 160. A1199-A1204. 10.1149/2.066308jes. https://iopscience.iop.org/article/10.1149/2.066308jes

Lithiumdifluorphosphat vs. Natriumdifluorphosphat als Li-Ionen-Elektrolyt-Additive

2021-11-24 | Jerry Huang

Lithiumdifluorphosphat (LiDFP, LFO) ist als Elektrolytzusatz sehr hilfreich, um die Zyklenlebensdauer von Li-Ionen-Batterien und die Erhaltung der Entladekapazität bei hohen Temperaturen zu verbessern sowie die Selbstentladung zu reduzieren. Während Natriumdifluorphosphat eine ähnliche Leistung in der NMC532-Batteriezelle aufweist? Werfen wir einen Blick auf ein Papier, das 2020 im Journal of The Electrochemical Society veröffentlicht wurde.

Schlussfolgerung:Drei neue Difluorphosphatsalz-Elektrolytadditive wurden synthetisiert und in NMC532/Graphit-Pouch-Zellen evaluiert. Ammoniumdifluorphosphat (AFO) wird leicht über eine Festkörper-Benchtop-Reaktion von Ammoniumfluorid und Phosphorpentoxid hergestellt, die nur durch leichtes Erhitzen initiiert werden kann. Die beste Ausbeute an Natriumdifluorphosphat (NaFO) in der vorliegenden Studie wurde durch die Reaktion von Difluorphosphorsäure und Natriumcarbonat in 1,2-Diemethoxyethan über 3 -Molekularsieben, einem sehr starken Trocknungsmittel, erhalten. Tetramethylammoniumdifluorphosphat (MAFO) wurde aus NaFO durch Kationenaustausch mit Tetramethylammoniumchlorid hergestellt.

NaFO soll ein sehr gutes Elektrolytadditiv sein, mit ähnlicher Leistung in NMC532/gr-Zellen wie das besser bekannte Lithiumdifluorphosphat (LFO)-Additiv, das jeweils nach mehr als 1.500 Zyklen bei 40 °C eine Beibehaltung der Entladekapazität von ~90% aufweist. Die Langzeitstabilität während der Zyklen zwischen 3,0–4,3 V ist im Vergleich zu den von Harlow et al. berichteten 2%VC 1%DTD Benchmark-Zellen, die nach 1.500 Zyklen eine Kapazitätserhaltung von ∼94% aufweisen, günstig, liegt aber dennoch unter dieser. Die vorteilhafte Natur beider Additive ist dem Difluorphosphat-Anion zuzuschreiben. Im Gegensatz dazu haben sich AFO und MAFO als schlechte Elektrolytadditive erwiesen. Es wird vermutet, dass dies auf die Bildung von Lithiumnitrid für ersteres zurückzuführen ist. Es ist nicht bekannt, warum Tetramethylammonium-Kationen einen negativen Einfluss auf die Zellstabilität haben.

Verweise:

1. Synthesis and Evaluation of Difluorophosphate Salt Electrolyte Additives for Lithium-Ion Batteries, Journal of The Electrochemical Society, 2020 167 100538, David S. Hall, Toren Hynes, Connor P. Aiken und JR Dahn