El arroz híbrido resuelve el problema de la alimentación, ¿qué pasa con la hibridación de supercondensadores y baterías?

Escrito por?/?Ma Xiaolei

Editor?/?Wen Sha

Diseñado por?/?Du Kai

Fuente? / ?Economista, autor: Anónimo

El arroz súper híbrido del académico Yuan Longping ha resuelto el problema de alimentar a la gente en todo el país. La descendencia híbrida de supercondensadores y baterías brindará mayor autonomía y potencia a los vehículos eléctricos y curará la ansiedad de la gente sobre los vehículos eléctricos.

Además de las baterías que se utilizan habitualmente en la actualidad, los supercondensadores también pueden proporcionar fuerza motriz para los vehículos eléctricos. Si se compara la batería con la de un corredor de maratón, proporciona una descarga estable en una larga distancia. Un supercondensador es un velocista que libera grandes cantidades de energía rápidamente.

La descarga rápida no es la única ventaja de los supercondensadores, también se pueden cargar rápidamente. Por lo tanto, son capaces de absorber más electricidad generada cuando el vehículo desacelera, lo que los hace particularmente útiles en los sistemas de recuperación de energía de frenado. Sin embargo, la energía que pueden almacenar es solo una pequeña parte de la energía que pueden almacenar las baterías. Por lo tanto, en términos de resistencia y resistencia, son muy inferiores a las baterías y dejarán de funcionar durante mucho tiempo.

Los ingenieros han intentado combinar las mejores ventajas de los supercondensadores y las baterías para crear un dispositivo de almacenamiento con velocidad y resistencia, y se han logrado algunos resultados.

Condensadores tradicionales (izquierda) y supercondensadores (derecha)

Nawa? Technologies, una empresa cerca de Aix-en-Provence, Francia, afirma que ha desarrollado una batería similar a los supercondensadores. Puede duplicar con creces la autonomía de los vehículos eléctricos, permitiéndoles viajar 1.000 kilómetros con una sola carga. Nawa dijo que el nuevo dispositivo también se puede cargar hasta una capacidad del 80% en sólo 5 minutos.

¿Densidad de potencia VS? ¿Densidad de energía?

¿Los condensadores y las baterías funcionan de diferentes maneras, por lo que combinarlos puede ser complicado? Los condensadores almacenan físicamente energía como una carga estática que se puede descargar fácilmente y rápidamente. Por tanto, los condensadores tienen una buena densidad de potencia (tasa de transferencia de energía por unidad de peso) y un supercondensador tiene una densidad de potencia de varios kilovatios por kilogramo.

La batería almacena energía químicamente, en forma de sustancias activas, en dos electrodos. Los electrodos están físicamente separados pero conectados por un material llamado electrolito, que permite que los iones pasen de un electrodo a otro, permitiendo que se desarrollen las reacciones. Sin embargo, esta reacción sólo ocurre cuando el flujo de iones se equilibra con el flujo de electrones en un circuito externo entre los electrodos. Este flujo de electrones es corriente eléctrica, que es como funcionan las baterías.

Debido a que el proceso de reacción química lleva tiempo, la densidad de potencia de la batería es muy baja. Las baterías de iones de litio utilizadas en los vehículos eléctricos tienen una densidad de potencia de sólo 0,1 kilovatios por kilogramo. Pero debido a que los químicos pueden retener grandes cantidades de energía, las baterías tienen baja densidad de potencia pero alta densidad de energía (la cantidad de energía que pueden retener por unidad de peso). Una batería de iones de litio puede almacenar entre 200 y 300 vatios hora por kilogramo (wh/kg). Los supercondensadores generalmente pueden alcanzar casi 10wh/kg.

¿Condensador tradicional? ¿VS? Supercondensador

Tanto los condensadores tradicionales como los supercondensadores están compuestos por un par de placas conductoras de metal (los electrodos son ánodo y cátodo) separadas por un aislante llamado dieléctrico. Encendido

Cuando se aplica voltaje a las placas metálicas de un capacitor, se desarrolla una carga positiva en la superficie de una placa y una carga negativa correspondiente en la superficie de la otra placa. El medio aislante crea resistencia al flujo de electrones, almacenando así energía en forma de campo electrostático. Cuando las dos placas de metal se conectan a través de un circuito externo, como una batería, la electricidad fluye.

El supercondensador, también conocido como condensador de doble capa, utiliza electrolito en lugar de dieléctrico y utiliza carbón activado en el electrodo para ampliar el área.

Las dos placas metálicas (electrodos) están separadas por un separador. El separador generalmente está hecho de grafeno (utilizado en los supercondensadores modernos).

Los supercondensadores se encuentran entre los condensadores y las baterías. También llamado condensador de doble capa. Los supercondensadores tienen una capacitancia muy alta y voltajes nominales más bajos que los capacitores comunes. La adición de electrolitos a los supercondensadores también brinda la posibilidad de aumentar reacciones químicas similares a las de las baterías.

¿Almacenamiento de energía física VS? Almacenamiento de energía química

Así planea hacerlo la empresa estonia de supercondensadores Skeleton Technologies.

Skeleton ha desarrollado láminas de metal compuestas de lo que llama grafeno doblado para usar en una nueva gama de supercondensadores. El grafeno común es una sola capa de átomos de carbono dispuestos en una rejilla hexagonal y es altamente conductor. El grafeno curvo de Skeleton está hecho de láminas arrugadas. La empresa espera que el aumento de la superficie proporcione a su nuevo producto una densidad energética de 10-15wh/kg, aunque esto todavía está lejos del máximo teórico del supercondensador de 20-30wh/kg.

Sin embargo, esto es sólo el comienzo del plan de Skeleton. Los ingenieros de la compañía están trabajando ahora con el Instituto de Tecnología de Karlsruhe de Alemania para utilizar grafeno curvo en lo que llaman "superbaterías". Si bien sigue siendo esencialmente un supercondensador, que almacena la mayor parte de la carga en forma de un campo electrostático, el jefe de innovación de Skeleton, Sebastian Pohlmann, dijo que el electrolito también proporcionará algo de almacenamiento de energía química. La empresa no reveló el electrolito que utiliza ni los ingredientes químicos involucrados. El Dr. Perlman se limitó a decir que "es muy diferente de la química tradicional de iones de litio".

Pero afirmó que el efecto general será estar completamente cargado en 15 segundos y proporcionar una densidad de energía de 60wh/kg. Skeleton tiene como objetivo comenzar la producción comercial del producto en 2023.

Cómo funcionan los supercondensadores

Otras empresas también están estudiando cómo añadir almacenamiento de energía química a los supercondensadores. Por ejemplo, investigadores de la Universidad Tecnológica de Graz en Austria han desarrollado uno que recubre los contactos eléctricos de un condensador con carbono poroso. Uno de los contactos eléctricos funciona como una placa de condensador y el otro actúa como un electrodo de batería.

A diferencia de Skeleton, el equipo de Graz utilizó una solución acuosa de yoduro de sodio (es decir, una solución de iones de sodio e iones de yoduro) como electrolito. En el electrodo, el yoduro se convierte en yodo, que cristaliza en los poros del carbón poroso durante el proceso de descarga. Este proceso se invierte cuando el dispositivo se está cargando. Los poros de la placa también sirven para alojar iones de sodio.

La batería de Graz supera a las baterías de iones de litio, según un artículo reciente publicado por sus inventores en Nature Communications. Por ejemplo, se puede cargar y descargar más de un millón de veces, afirmó Qamar Abbas, miembro del equipo. Una batería de iones de litio de la misma capacidad puede que sólo resista unos pocos miles de ciclos.

Así que tanto Skeleton como el grupo de Graz utilizaron arquitecturas de supercondensadores modificadas y añadieron algo de electroquímica específica. Por el contrario, si bien el producto de Nawa utiliza placas de supercondensador modificadas como electrodos, utiliza el probado y confiable componente de iones de litio para llevar a cabo el proceso de reacción química.

Al igual que Skeleton, Nawa ya produce supercondensadores. Las placas de metal se fabrican mediante un proceso que la empresa llama VACNT (nanotubos de carbono verticalmente alineados). Esto organiza los tubos en una pequeña matriz similar a las cerdas de un cepillo, extremadamente miniaturizada. Hay alrededor de 100 mil millones de ellos en un centímetro cuadrado, todos en posición vertical, lo que aumenta considerablemente la superficie que puede contener una carga eléctrica.

Para permitir que las láminas VACNT sirvan también como electrodos similares a las de una batería, los ingenieros de Nawa adelgazaron los nanotubos para dejar espacio para el recubrimiento químico utilizado en las reacciones de la batería, así como para que los iones de litio entren y salgan. de los tubos. Deje espacio para el espacio intermedio. La compañía cree que esta libertad de movimiento aumentará la densidad de potencia del dispositivo en un factor de 10.

Imagen de microscopio electrónico de barrido de la matriz VACNT

En primer lugar, los nanotubos del cátodo del invento (el electrodo positivo de la batería) se recubrirán con níquel, manganeso y cobalto, una combinación que se ha utilizado ampliamente en la fabricación de dichos cátodos. Los ánodos convencionales (electrodos negativos) también se basan en carbono, por lo que utilizar este elemento en forma de nanotubos no supone una gran innovación. Sin embargo, otras químicas de baterías menos comerciales también deberían poder utilizar electrodos VACNT. Estos incluyen litio, azufre y litio-silicio, los cuales tienen el potencial de aumentar la densidad de energía.

“El silicio era prometedor, pero se expandía cuando absorbía iones, creando el riesgo de romper la batería. Los gruesos nanotubos de los electrodos VACNT funcionan como una jaula para mantener el control del silicio.” Pascal Boulanger, a. El físico que ayudó a fundar Nawa en 2013, dijo que el nuevo material de electrodo también podría usarse con electrolitos sólidos para crear baterías de estado sólido. Estas baterías son potentes y duraderas, pero su comercialización ha sido difícil.

El Dr. Boulanger dijo que en pruebas con algunas compañías de baterías desconocidas, los electrodos VACNT alcanzaron densidades de energía de 500 wh/kg en una batería y 800 wh/kg en otra. Cálculo volumétrico de densidad de energía de hasta 1400 wh/L. Esto es aproximadamente el doble del peso y volumen de las baterías de iones de litio convencionales. "Lo hemos hecho muy fácilmente", añadió, "por lo que creemos que hay más margen de mejora".

Una de las empresas con las que Nawa reveló que está trabajando es Saft, un gran fabricante de baterías de propiedad francesa. El gigante petrolero Total, la compañía está interesada en diversificarse y alejarse de los combustibles fósiles. Entre los clientes de Saft se encuentran varios equipos de carreras de F1 y sus coches también utilizan electricidad. Saft también se ha asociado con el Grupo PSA, un gran fabricante de automóviles europeo, para producir baterías para vehículos eléctricos.

Por supuesto, el éxito del nuevo dispositivo dependerá de cuánto cueste fabricarlo. Nawa ya está construyendo una línea de producción a gran escala para fabricar placas VACNT para sus últimos supercondensadores. El director ejecutivo de Nawa, Ulrik Grape, dijo que el proceso utilizado consiste en desplegar nanotubos en ambos lados de un rollo de papel de aluminio, que pueden transferirse fácilmente a las líneas de producción de baterías existentes e incluso pueden reducir los costos de fabricación de baterías. Se espera que las primeras células "híbridas de supercondensador y batería" entren en producción en 2023.

Aún está por verse si este almacenamiento de energía híbrido puede competir con las baterías tradicionales de iones de litio. Las baterías de iones de litio tienen ventajas ya preparadas y los fabricantes de baterías han invertido miles de millones de dólares en la construcción de enormes "gigafábricas" para producir baterías de iones de litio. Sin embargo, a pesar del revuelo en torno a los vehículos eléctricos, muchos clientes todavía tienen dudas persistentes sobre las baterías de iones de litio, debido a factores como la ansiedad por la autonomía, la velocidad de carga y el costo. Combinar las propiedades de los supercondensadores con la resistencia de las baterías puede superar al menos los dos primeros problemas, marcando realmente el comienzo de una era de vehículos eléctricos sin preocupaciones.

Este artículo proviene del autor de Autohome Chejiahao y no representa los puntos de vista ni las posiciones de Autohome.