現在、世界の新エネルギー市場では、リチウムイオン電池 vs 水系電池すれば、リチウムイオン電池は新エネルギー電池で広く使われるタイプとして、完全な産業チェーンを持ちます。だらか、リチウム電池材料の供給チェーンの安定と安全を保障する必要があります。
現在、世界トップ10リチウムイオン電池メーカーであるCATLは、独自のリチウム資源鉱山で、合併買収、合弁株式取得、長単協定の協力方式で業界の競争障壁を築いています。中国の新エネルギー電池産業の発展の持続的な調整に伴い、中国の新エネルギー電池産業は動力電池の生産と応用産業を含み、リチウム電池のほか、多くの種類の新エネルギー電池産業が絶えず発展し、その中には水系電池が含まれています。本記事ではリチウムイオン電池 vs 水系電池を基づいて、水系バッテリーの優れを紹介します。
水系電池とは
リチウムイオン電池 vs 水系電池の違いは電解液です。リチウムイオン電池電解液と違い、水系電池は水を電解液とする二次電池のことです。有機物電解液電池に比べて、水系電池は安全性が高く、環境にやさしく、イオン導電率が高いという長所があります。そのため、より信頼性が高く、より安価なエネルギー貯蔵を求める方案の中で、水系電池に対する関心が急増しました。現在の商用水系電池はバス、船舶用バッテリーなどの交通と電力網の蓄電エネルギー分野で応用されますが、必要なエネルギー密度と循環寿命を達成できません。新材料システムの発見とバッテリー設計戦略の発展に伴い、この制約状況は変わる可能があります。
リチウムイオン電池 vs 水系電池 何かメリットがある？
高エネルギー密度、安価な水系リチウムイオン電池の開発は新しい研究開発ブームを引き起こしています。水系電池は安全性が高く、環境に優しく、イオン電気伝導率が高いという長所があります。
水系電池に対して比較的クラシックな研究開発難点があります。選択的なセパレーター、貧水電解質、新型電極反応などの技術が含まれています。電極材料は水系電池に対して電圧窓の幅と化学安定性がよい鍵です。材料の構造とエネルギー貯蔵機構の関連性、電解液の影響は、水系電池の設計が未来の発展と研究に影響を及ぼします。
水系電池の革新点を教えてくれない？
❶ 現代水系電池は以前の水システムに比べてより大きな酸化還元偶スペクトルを持ち、貧水電解質と先進的な表面コーティングの発見、そして非水電池の急速な発展、酸化還元偶の酸化還元電位は現在水の安定限界をはるかに超えています。
❷ より多くの可逆反応過程で、安定性が十分高く、長期的に使用できます。
❸ 電池の中で、選択性膜は様々な電解質と統合して応用できます。酸性、アルカリ性、さらには非水性です。
以上の新しい進展は水系バッテリーのモジュール化設計を可能にし、その中でどの2つの酸化還元人形もペアリングでき、必要な性能指標を実現できます。
水系電池のデータについて解説する
写真1は水系電池の発展と材料の近代化応用に対応するタイムライン図です。商用充電可能な水性電池です。色表示は電池が使用する電解質のpH値と、水電池を革新させる新しい材料です。HRPSOCは、高速レート部分充電状態を表します。
写真2は密封水電池の中の酸素循環です。高充電電位は水を陰極表面に酸化させ、拡散した酸素を隔板を通過し、陽極に達して還元されます。この過程は陰極のpHを上げ、同時に陽極のpHを下げました。局所pH値の変化は中性電解質に設計された電極材料の化学安定性に新たな要求を提起し、酸性とアルカリ性電解質に設計された電極材料にはほとんど影響がありません。
写真3は水溶液電解質の電気化学安定窓です。pHに関係なく、水溶液電解質の熱力学電気化学安定窓(ESW)の幅は1.229Vです。
(1).析酸素と析水素反応の過電位はESWを2V以上に拡大します。
(2)商用水溶液電池はこの窓口で作業します。
(3).通常、pH値が中性に近い場合、これらの電解質の一部成分は電極表面で分解され、不溶性固体電解質間相を形成します。
(4).一部の人工保護層は水溶液電解質からの陽極を完全に密封し、非水溶液システムと同じ負電位をアンロックします。
(5).イオン選択膜は異なるpH条件で働く陰極と陽極を連結し、いかなる単一水電解質の安定性を破ります。
(6).これらの方法の合理的な組み合わせは、リチウムイオン電池 vs 水系電池システムでも、水電池の作業能力を最大限広げました。
写真4は水電池の電極化学タイプです。
A.挿入反応: 活性電極材料は電極反応過程でイオンを収容し放出し、同時にそのミクロ構造をある程度保持します。
B.変換反応: 活性物質は構造を再構築し、ほとんどの場合、荷電状態と放電状態の構造は関係ありません。
C.堆積反応: 活性物質が溶解状態(液相)から堆積状態(固相)に変化します。
D.流動反応: 活性物質は全ての帯電状態で流れます。それらは外部に貯蔵され(例えば、水槽で)、電極がポンプされてから反応します。
E.空気反応: 帯電状態の活性物質は空気の構成要素なので、物理的に保存する必要がありません。放電状態は電解液(頂上)に溶けたり、多孔質炭素(底)に堆積します。
写真5は水溶液中の電極反応のエネルギー計算です。酸性、中性、アルカリ性、非水電解質で反応できます。
写真6は水電池の配置です。
A、ロッキングチェア式電池: 一つの公共イオンは2つの電極が反応するイオン電荷キャリアとして、公共イオンの濃度は全ての帯電状態で変わりません。
B、二重イオン電池: 異なるイオンが異なる電極で電極反応に参加します。各イオンの濃度は電荷の状態によって変化します。
C、多電解質電池: 複数の電解質が一つの電池ユニットに集積され、単一電解質が同時に支持できない陰極と陽極化学反応を実現し、通常は選択膜を使用し、広い電圧範囲を獲得します。
D、多相電池: 移動相のない電極化学物質(例えば挿入、変換、堆積)と各種移動相の化学物質(例えば、流動と空気)が単一電池に結合され、場合によっては様々な電解質が使われます。模式図は空気反応を含む流動電池(左)と流動設計の堆積と挿層反応を採用した双イオン電池(右)を示しています。
まとめ
現代の道具と電池設計は伝統的な水質電池の限界をなくすことができるが、ほとんどの希水電解質と選択膜は依然として高価で、水電池のコスト優位を弱化させます。希水電解質中のイオン伝導とクロスオーバー面のイオン伝導は非水電解質中のイオン伝導と同等ですが、伝統的な水系の予想よりはるかに低いです。一部のバッテリー構成では、酸素循環の実現に問題があります。不燃性は伝統的な水電池の唯一の長所であり、大部分は保存されています。
電解液、隔膜、電極材料は絶えず改善してこそ、商業的影響力のある現代水電池を生産することができます。電解液に関する問題は、溶液中のイオン導電性とイオン親和性の問題、新しい電解質溶液中の酸素循環の問題に特に注意を払う必要があります。隔膜は水電池が選択した電解液に対応し、必要な時にカスタマイズして、電池の性能最適化と電池統合を実現する必要があります。実用的なダブルイオン電池です。ダブルイオン構造の優位性は電極化学選択にありますが、エネルギー密度の低下と低寿命で実際の応用が不可能です。このレビューは以前に発表された設計案を紹介するほか、革新的だが未開発の研究方向を強調した。現代水電池を発展させ、その特性を伝統的な水電池と大きく区別し、研究テーマと方法も異なるはずです。
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