ระหว่างวันที่ 24 ถึง 26 สิงหาคม ฟอรั่ม Carbon Neutral Energy Summit และการประชุม China International New Energy Storage Technology and Engineering Application ครั้งที่ 3 และฟอรั่ม New Energy Storage Technology Young Scientist Forum จัดขึ้นที่เซินเจิ้นภายใต้คำแนะนำของ Shenzhen Development and Reform Commission จัดขึ้นร่วมกันโดย China Chemical and Physical Power Industry Association และ Southern University of Science and Technology Carbon Neutral Energy Research Institute และได้รับการสนับสนุนจากสถาบันมากกว่า 100 แห่ง หัวข้อของการประชุมคือ "การพัฒนาผลิตภาพใหม่และส่งเสริมการพัฒนาคุณภาพสูงของอุตสาหกรรมการจัดเก็บพลังงาน"
ผู้จัดงานประชุมได้เชิญนักวิชาการ 6 คนและผู้เชี่ยวชาญในอุตสาหกรรม 100 คน เพื่อร่วมกันหารือและแลกเปลี่ยนความคิดเห็นอย่างเจาะลึกในหัวข้อพิเศษ 12 หัวข้อ รวมถึงโซลูชันการรวมระบบกักเก็บพลังงานใหม่ เทคโนโลยีและการใช้งานการกักเก็บพลังงานระยะยาว โรงไฟฟ้าเสมือน การกักเก็บพลังงานในอุตสาหกรรมและเชิงพาณิชย์ แบตเตอรี่กักเก็บพลังงานใหม่ ตลาดการกักเก็บพลังงานและไฟฟ้าใหม่ ไมโครกริดอัจฉริยะ การส่งเสริมมาตรฐานการกักเก็บพลังงาน และฟอรัมนักวิทยาศาสตร์รุ่นเยาว์ด้านเทคโนโลยีการกักเก็บพลังงานใหม่
เช้าวันที่ 25 สิงหาคม ศาสตราจารย์ Ning Xiaohui จากคณะวิทยาศาสตร์วัสดุและวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัย Xi'an Jiaotong ได้รับเชิญให้กล่าวปาฐกถาในงาน "New Energy Storage Battery Special Session" โดยมีหัวข้อรายงานคือ "ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีแบตเตอรี่กักเก็บพลังงานโลหะเหลวใหม่"
สวัสดีตอนเช้าทุกคน ฉันชื่อ Ning Xiaohui จากมหาวิทยาลัย Xi'an Jiaotong เมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่โซเดียมไอออนที่ศาสตราจารย์ Cao พูดถึงและแบตเตอรี่แบบไหลที่ศาสตราจารย์ Yan แนะนำ เทคโนโลยีของเรามีความเฉพาะทางมาก เรียกว่าแบตเตอรี่เก็บพลังงานโลหะเหลวชนิดใหม่ สิ่งของของเราถูกนิยามอย่างแม่นยำว่าเป็นโลหะเหลว แบตเตอรี่นี้แตกต่างจากแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน แบตเตอรี่แบบไหล และแบตเตอรี่โซเดียมไอออนที่ใช้ในโทรศัพท์มือถือของคุณ มันเป็นแบตเตอรี่ที่ทนอุณหภูมิสูง ขอบคุณมากสำหรับโอกาสในการแนะนำความก้าวหน้าของกลุ่มวิจัยของเราในพื้นที่นี้
ครูทุกคนเพิ่งจะแนะนำพื้นหลังและความสำคัญ ประเด็นหลักคือเป้าหมายการปล่อยคาร์บอนสูงสุดและความเป็นกลางในปัจจุบันต้องการให้เราเปลี่ยนโครงสร้างพลังงานของเรา จากโครงสร้างพลังงานปัจจุบันที่ควบคุมโดยพลังงานฟอสซิลไปสู่โครงสร้างในอนาคตที่ควบคุมโดยพลังงานใหม่ การเปลี่ยนแปลงนี้เรียกร้องมากขึ้นสำหรับระบบโครงข่ายไฟฟ้า เนื่องจากโครงข่ายไฟฟ้าปัจจุบันของเราใช้พลังงานความร้อน รวมถึงพลังงานน้ำและพลังงานนิวเคลียร์ แหล่งพลังงานทั้งสามนี้มีเสถียรภาพมากและสามารถควบคุมเพื่อผลิตไฟฟ้าได้ ในด้านการใช้พลังงาน กฎการใช้พลังงานในโรงงานและครัวเรือนของเรานั้นสามารถจัดการได้ ตอนนี้ เราสามารถตอบสนองความสมดุลแบบไดนามิกระหว่างด้านการผลิตไฟฟ้าและด้านการใช้พลังงานได้อย่างเต็มที่ผ่านโครงข่ายไฟฟ้าของรัฐและโครงข่ายไฟฟ้าภาคใต้ ความสามารถในการส่งและจำหน่ายขนาดใหญ่และการจัดส่งขนาดใหญ่ แต่ในอนาคต เราจะต้องเปลี่ยนโครงสร้างพลังงานของเรา พลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์จะต้องเพิ่มเข้าไปในด้านการผลิตไฟฟ้า ทุกคนรู้ดีว่าพลังงานเหล่านี้มีความผันผวนและสุ่มมาก ดังนั้นเมื่อเพิ่มเข้าไปในด้านการผลิตพลังงานแล้ว ด้านนี้ก็จะผันผวนอย่างมากเช่นกัน และด้วยการเปลี่ยนแปลงที่เพิ่มมากขึ้นในด้านผู้ใช้ของด้านการใช้พลังงานไมโครกริด เช่น ยานยนต์ไฟฟ้าและพลังงานใหม่ ความสุ่มและการควบคุมไม่ได้ของด้านผู้ใช้ก็จะยากขึ้นเรื่อยๆ ในกรณีนี้ เทคโนโลยีการกักเก็บพลังงานขนาดใหญ่มีความสำคัญมากสำหรับเรา
ดังที่คุณจะเห็น ในแผนปฏิบัติการการพัฒนาระบบกักเก็บพลังงานใหม่ "แผนพัฒนาเศรษฐกิจและสังคมแห่งชาติฉบับที่ 14" คณะกรรมการปฏิรูปและการพัฒนาแห่งชาติของเราและสำนักงานพลังงานยังระบุอย่างชัดเจนว่าพวกเขาหวังที่จะสร้างระบบนวัตกรรมใหม่สำหรับระบบกักเก็บพลังงานใหม่และเพิ่มการพัฒนาเทคโนโลยีที่หลากหลาย ในบริบทนี้ เทคโนโลยีกักเก็บพลังงานเฉพาะของเรายังมีช่องว่างให้อยู่รอดอีกเล็กน้อย
หากเราต้องการผลิตแบตเตอรี่สำรองพลังงาน เราจำเป็นต้องสร้างระบบที่สร้างสรรค์มากขึ้น และละทิ้งแนวคิดการออกแบบเดิมบางส่วน เราจำเป็นต้องค้นหาวัสดุอิเล็กโทรดใหม่ๆ และออกแบบโครงสร้างแบตเตอรี่ใหม่เสียก่อน จึงจะสามารถคิดค้นเทคโนโลยีแบตเตอรี่สำรองพลังงานใหม่ๆ ได้
อดีตอาจารย์ที่ปรึกษาของฉันที่ MIT ศาสตราจารย์ซาโดเวย์ เคยทำงานด้านโลหะวิทยา และเขาสนใจเซลล์อิเล็กโทรไลซิสของอะลูมิเนียม โลหะบนมงกุฎของนโปเลียนทำจากอะลูมิเนียม เช่นเดียวกับโลหะบนปลายอนุสาวรีย์วอชิงตัน อะลูมิเนียมมีราคาแพงมากในสมัยนั้น แต่หลังจากผ่านกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสแล้ว อะลูมิเนียมก็ราคาถูกลงมากและมีขายในครัวเรือนหลายพันแห่ง ดังนั้นเขาจึงสนใจเทคโนโลยีอิเล็กโทรไลซิสของอะลูมิเนียม
กระบวนการอิเล็กโทรไลซิสเป็นกระบวนการย้อนกลับของแบตเตอรี่ที่เราใช้ในปัจจุบัน กระบวนการอิเล็กโทรไลซิสของเราแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานเคมีเป็นหลัก ในขณะที่แบตเตอรี่แปลงพลังงานเคมีเป็นพลังงานไฟฟ้า หลักการของอิเล็กโทรไลซิสใช้เมื่อชาร์จแบตเตอรี่ เซลล์อิเล็กโทรไลซิสของอลูมิเนียมมีขนาดใหญ่มาก ยาวหลายร้อยเมตร และกินไฟฟ้ามาก เป็นระบบ 4 โวลต์ 500,000 แอมแปร์ ซึ่งกินไฟฟ้ามากทุกวัน ในเวลานั้น แนวคิดพื้นฐานที่สุดอย่างหนึ่งของเราคือการย้อนกลับกระบวนการอิเล็กโทรไลซิสและเปลี่ยนสิ่งที่กินไฟฟ้าเป็นสิ่งกักเก็บไฟฟ้า เปลี่ยนสิ่งเหล่านั้นเป็นแบตเตอรี่ขนาดใหญ่เพื่อกักเก็บพลังงาน ทำอย่างไร? เราคิดถึงกระบวนการกลั่นอิเล็กโทรไลซิสของอลูมิเนียม กระบวนการกลั่นไฟฟ้าเคมีจากอลูมิเนียมดิบเป็นอลูมิเนียมกลั่น โดยใช้โครงสร้างของเหลวสามชั้น ด้านล่างเป็นอลูมิเนียมดิบ และอิเล็กโทรไลต์ตรงกลางเป็นระบบเกลือหลอมเหลว คล้ายกับเกลือแกงที่เราเห็นในชีวิตประจำวัน สิ่งนี้จะละลายที่อุณหภูมิสูงและกลายเป็นของเหลวคล้ายกับน้ำ ซึ่งสามารถนำไอออนได้ ดังนั้นอิเล็กโทรไลต์จึงเป็นเกลือหลอมเหลว และด้านบนสามารถเป็นวัสดุอลูมิเนียมบริสุทธิ์ได้ เหตุใดจึงสามารถสร้างวัสดุเหลวได้สามชั้น เนื่องจากความหนาแน่นของวัสดุทั้งสามนี้แตกต่างกัน จึงแบ่งออกเป็นสามชั้นตามธรรมชาติ ได้แก่ ชั้นบน ชั้นกลาง และชั้นล่าง นอกจากนี้ กระบวนการอิเล็กโทรไลซิสยังทำงานที่อุณหภูมิสูงและสามารถส่งผ่านกระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่ได้
ด้วยความคิดเหล่านี้ เราสงสัยว่าเราสามารถใช้หลักการของการกลั่นอลูมิเนียมด้วยไฟฟ้าเพื่อออกแบบแบตเตอรี่ของเหลวสามชั้นหรือแบตเตอรี่โลหะเหลวได้หรือไม่ วัสดุทั้งสามของแบตเตอรี่โลหะเหลว ได้แก่ อิเล็กโทรดบวก วัสดุอิเล็กโทรดลบ และวัสดุอิเล็กโทรไลต์ มีความหนาแน่นต่างกัน ดังนั้นจึงสามารถแบ่งออกเป็นสามชั้นตามธรรมชาติ ได้แก่ ชั้นบน กลาง และล่าง โลหะที่เบาที่สุดอยู่ด้านบน ซึ่งเป็นอิเล็กโทรดลบของแบตเตอรี่ และโลหะที่มีความหนาแน่นสูงสุดอยู่ด้านล่าง ซึ่งเป็นอิเล็กโทรดบวกของแบตเตอรี่ ตรงกลางคือระบบเกลือหลอมเหลว เมื่อแบตเตอรี่ถูกปล่อยประจุ อิเล็กโทรดลบจะกลายเป็นไอออน แพร่กระจายไปยังพื้นผิวของอิเล็กโทรดบวกผ่านเกลือหลอมเหลวของอิเล็กโทรไลต์ และสร้างโลหะผสม การชาร์จเป็นกระบวนการย้อนกลับ ในระหว่างกระบวนการชาร์จและปล่อยประจุ เป็นเพียงการเปลี่ยนแปลงปริมาตรของวัสดุอิเล็กโทรดเหลวเท่านั้น และไม่มีปัญหาเกี่ยวกับโครงสร้างของวัสดุแข็งหรือการยุบตัวของโครงสร้างวัสดุ ดังนั้น ในทางทฤษฎี อายุการใช้งานของวงจรอาจยาวนานมาก โลหะเหลวใช้โลหะราคาถูกที่มีปริมาณสำรองค่อนข้างมาก จึงมีต้นทุนค่อนข้างต่ำ ในขณะเดียวกัน อิเล็กโทรไลต์ตรงกลางทำจากเกลือหลอมเหลวอนินทรีย์ ซึ่งไม่ต้องการไดอะแฟรมและมีต้นทุนค่อนข้างต่ำ นอกจากนี้ยังมีสภาพนำไอออนิกสูงมากที่อุณหภูมิสูง นอกจากนี้ โครงสร้างของเหลวสามชั้นนั้นเรียบง่ายมากเมื่อแบตเตอรี่มีขนาดใหญ่ขึ้น จึงง่ายมากที่จะสร้างเซลล์เดียวที่มีแอมแปร์ชั่วโมงหลายร้อยแอมแปร์ ห้องปฏิบัติการของเราสามารถผลิตเซลล์แบตเตอรี่ที่มีความจุมากกว่า 200 แอมแปร์ชั่วโมงได้ ปัญหาเดียวคือเป็นระบบอุณหภูมิสูง ดังนั้นจึงจำเป็นต้องให้ความร้อนเมื่อใช้งานครั้งแรก อย่างไรก็ตาม หลังจากที่เราซ้อนแบตเตอรี่และทำหน้าที่ฉนวนที่ดีขึ้น ความร้อนจำนวนมากจะถูกสร้างขึ้นในระหว่างกระบวนการชาร์จและการปล่อย ซึ่งสามารถบรรลุสมดุลแบบไดนามิกกับการสูญเสียความร้อน เพียงพอที่จะรักษาแบตเตอรี่โลหะเหลวให้ทำงานที่อุณหภูมิสูงเช่นนี้ จึงสามารถทำเป็นระบบทำความร้อนด้วยตนเองได้
จากภาพจะเห็นได้ว่า เพื่อให้ทุกคนเข้าใจแนวคิดของแบตเตอรี่โลหะเหลวได้ชัดเจนยิ่งขึ้น เราจึงได้สร้างแบตเตอรี่โลหะเหลวแบบอุณหภูมิห้องขึ้นมาในห้องทดลอง แน่นอนว่าไม่สามารถใช้งานได้จริง เนื่องจากขั้วบวกของแบตเตอรี่ใช้โลหะปรอทที่เป็นพิษ เราสร้างแบตเตอรี่นี้ขึ้นมาเพื่อให้ทุกคนเห็นโครงสร้างของเหลวสามชั้นได้ชัดเจนยิ่งขึ้น แบตเตอรี่นี้มีแรงดันไฟและสามารถชาร์จและคายประจุได้ง่าย แต่ประสิทธิภาพไม่ดีกว่าแบตเตอรี่ที่ใช้งานในอุณหภูมิสูงจริงของเรา เป็นเพียงเพื่อให้ทุกคนเข้าใจแนวคิดของแบตเตอรี่โลหะเหลวสามชั้นเท่านั้น
และการเติบโตของเดนไดรต์ในระหว่างรอบการทำงานของแบตเตอรี่ เนื่องจากเป็นของเหลว จึงไม่มีความเครียดในระหว่างกระบวนการชาร์จและการปล่อยประจุ ดังนั้นจึงไม่มีการบดเป็นผงหากไม่มีความเครียด ในเวลาเดียวกัน อินเทอร์เฟซระหว่างโลหะเหลวและอิเล็กโทรไลต์ของเหลวเป็นอินเทอร์เฟซของเหลว-ของเหลวที่มีการสัมผัสที่ดีมาก จึงแก้ปัญหาของอินเทอร์เฟซการสัมผัสระหว่างอิเล็กโทรดแข็งและอิเล็กโทรไลต์ได้
แบตเตอรี่โลหะเหลวก็มีข้อดีเช่นกัน เนื่องจากโครงสร้างของเหลวสามชั้นจะเรียงชั้นโดยอัตโนมัติตามความหนาแน่นของวัสดุที่แตกต่างกัน โครงสร้างแบตเตอรี่ทั้งหมดจึงเรียบง่ายมากและทำได้ง่ายมาก ห้องปฏิบัติการของเราสามารถผลิตแบตเตอรี่ที่มีความจุ 200 แอมแปร์ชั่วโมง 300 แอมแปร์ชั่วโมง หรือแม้แต่ 500 หรือ 600 แอมแปร์ชั่วโมง ประการที่สองคืออิเล็กโทรดของเหลวไม่มีการเปลี่ยนแปลงบางอย่างในโครงสร้างอิเล็กโทรดแบบแข็งที่ทำให้ความจุของแบตเตอรี่เสื่อมลง เมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่โซลิดสเตตของเรา หลังจากรอบการทำงานที่ยาวนาน โครงสร้างวัสดุอิเล็กโทรดจะยุบตัวและทำให้ความจุเสื่อมลง ปัญหานี้ไม่มีอยู่ในระบบของเรา ดังนั้นแบตเตอรี่ของเราจึงมีอายุการใช้งานค่อนข้างนาน นอกจากนี้ เกลือหลอมเหลวของอิเล็กโทรไลต์ที่อยู่ตรงกลางยังมีเทคโนโลยีการกักเก็บความร้อนในเทคโนโลยีการกักเก็บพลังงาน เกลือหลอมเหลวนั้นใช้เป็นวัสดุกักเก็บความร้อน หลังจากสร้างความร้อน หากแบตเตอรี่เกิดไฟฟ้าลัดวงจรและสร้างความร้อน เกลือหลอมเหลวจะถูกดูดซับโดยเกลือหลอมเหลว และจะไม่มีความเสี่ยงต่อการเกิดไฟไหม้และการระเบิด ในเวลาเดียวกันไม่จำเป็นต้องใช้ไดอะแฟรม ดังนั้นต้นทุนจึงค่อนข้างต่ำ
“แผนพัฒนาระบบกักเก็บพลังงานใหม่ระยะ 5 ปี ฉบับที่ 14” ยังเสนอให้ใช้แบตเตอรี่โลหะเหลวเป็นเทคโนโลยีใหม่และเป็นแนวทางที่ต้องดำเนินการในอนาคต และหวังว่าจะสามารถนำไปประยุกต์ใช้ในสาขาการกักเก็บพลังงานในอนาคตได้
ต่อไปนี้เป็นบทนำเกี่ยวกับความก้าวหน้าของกลุ่มวิจัยของเราในระบบวัสดุแบตเตอรี่ รวมถึงเซลล์เดี่ยวและระบบกักเก็บพลังงาน เหล่านี้คือผลลัพธ์บางส่วนของการวิจัยของเราเกี่ยวกับการออกแบบระบบวัสดุแบตเตอรี่โลหะเหลว
อย่างที่เราทราบกันดีอยู่แล้วว่า วิธีการพื้นฐานที่สุดในการเลือกวัสดุคือการย้อนกลับไปที่ตารางธาตุ เนื่องจากแบตเตอรี่ของเราต้องมีแรงดันไฟฟ้าในระดับหนึ่ง อิเล็กโทรดลบควรทำจากโลหะที่เบากว่า เรากำลังมองหาโลหะอัลคาไลและโลหะอัลคาไลน์เอิร์ธในตารางธาตุ ซึ่งค่อนข้างเบาและมีกิจกรรมในระดับหนึ่ง อิเล็กโทรดบวกต้องทำจากสิ่งที่มีความหนาแน่นหนักกว่าและจุดหลอมเหลวต่ำกว่า ดังนั้นช่วงของเราจึงอยู่ที่ธาตุโลหะที่มีคุณสมบัติที่ไม่ใช่โลหะที่แข็งแกร่งกว่า ซึ่งเป็นขั้นตอนระหว่างธาตุโลหะและธาตุที่ไม่ใช่โลหะ
โดยทั่วไปการออกแบบระบบวัสดุอิเล็กโทรดจะเริ่มต้นจากแบบเรียบง่ายไปจนถึงแบบซับซ้อน ดังนั้นในตอนแรกเราจึงสร้างระบบที่ค่อนข้างเรียบง่าย ธาตุโลหะที่ใช้สำหรับอิเล็กโทรดลบคือลิเธียมซึ่งมีจุดหลอมเหลวประมาณ 180 องศาเซลเซียส อิเล็กโทรดบวกคือบิสมัทซึ่งมีจุดหลอมเหลวมากกว่า 270 องศา เกลือหลอมเหลวตรงกลางเป็นลิเธียมซึ่งมีจุดหลอมเหลวประมาณ 400 องศาเซลเซียส ดังนั้นหากแบตเตอรี่ของเราทำงานที่อุณหภูมิ 500 องศาเซลเซียสก็จะเป็นโครงสร้างของเหลวสามชั้น
เราค้นพบกลไกที่น่าสนใจในระบบแบตเตอรี่ลิเธียม/บิสมัทโลหะเหลวนี้ ในตอนแรกเราคิดว่าอิเล็กโทรดจะอยู่ในสถานะของเหลวเสมอในระหว่างกระบวนการชาร์จและคายประจุ แต่ในความเป็นจริงแล้วอิเล็กโทรดบวกไม่ได้เป็นแบบนั้น อิเล็กโทรดลบจะอยู่ในสถานะของเหลวเสมอ แต่ในระหว่างกระบวนการคายประจุที่ด้านอิเล็กโทรดบวก สารประกอบอินเตอร์เมทัลลิกเฟสแข็งบางส่วนจะถูกสร้างขึ้นในช่วงกลางของกระบวนการคายประจุ แต่เฟสแข็งนี้มีอยู่เฉพาะในระหว่างกระบวนการคายประจุเท่านั้น และจะกลับไปสู่เฟสของเหลวเมื่อชาร์จ กล่าวอีกนัยหนึ่ง อิเล็กโทรดบวกนั้นสามารถรักษาได้จริง เฟสแข็งจะถูกสร้างขึ้นในระหว่างการคายประจุ แต่เฟสแข็งจะหายไปในระหว่างการชาร์จ และจะกลับไปสู่โครงสร้างของเหลวสามชั้นในระหว่างการชาร์จ
แบตเตอรี่ของเรามีลักษณะอย่างไร? เป็นภาพที่มุมขวาล่าง (ดู PPT) ซึ่งแตกต่างจากแบตเตอรี่ที่คุณเห็นตอนนี้ มีขนาดใหญ่และหนักกว่า และใช้เปลือกสแตนเลส ในระบบนี้ เราตรวจสอบความเสถียรของแบตเตอรี่ที่ความจุต่างกัน แบตเตอรี่ที่เล็กที่สุดมีขนาดเล็กมาก โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1.3 ซม. ที่ด้านขวาสุด และมีความจุประมาณสองสามร้อย mAh แบตเตอรี่ที่ใหญ่ที่สุดมีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 15 ซม. และเราสามารถบรรลุความจุ 143 แอมแปร์ชั่วโมง เราใช้งานไปแล้ว 300 รอบโดยไม่เห็นการลดลงของความจุเลย
แม้ว่าระบบนี้จะทำงานได้ดี แต่ความต้านทานภายในค่อนข้างใหญ่ และอินเทอร์เฟซระหว่างอิเล็กโทรดและอิเล็กโทรไลต์ก็ไม่สมดุลเล็กน้อย ในภายหลังเราได้ค้นพบว่าเนื่องจากตัวเรือนแบตเตอรี่ทำจากสเตนเลสสตีล โลหะเหลว Bi จึงไม่ทำให้สเตนเลสสตีลเปียกอย่างสมบูรณ์ ดังนั้นความต้านทานภายในจึงค่อนข้างใหญ่ เพื่อปรับปรุงความสามารถในการเปียก เราจึงเติมธาตุ Se ลงใน Bi ในปริมาณเล็กน้อย หลังจากเติมธาตุ Se แล้ว อิเล็กโทรดบวกและสเตนเลสสตีลจะเปียกอย่างสมบูรณ์ ซึ่งจะช่วยลดความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ ดังนั้น เราจึงสร้างแบตเตอรี่ที่มีความจุ 20 แอมแปร์ชั่วโมง ใช้งานไป 1,200 รอบ และอัตราการคงความจุได้ถึง 98.4%
จากนั้นเราพบว่าแรงดันไฟของแบตเตอรี่ Li|Bi ค่อนข้างต่ำ ดังนั้นเราจึงคิดว่าเราจะสามารถเพิ่มธาตุโลหะผสม Sb ลงในขั้วบวกได้หรือไม่ แรงดันไฟฟ้าของ Sb สูงกว่า Bi แต่จุดหลอมเหลวก็สูงกว่าเช่นกัน โดยสูงถึงมากกว่า 600 องศา ดังนั้นเราจึงผสม Bi และ Sb เข้าด้วยกันเพื่อให้จุดหลอมเหลวลดลงและแรงดันไฟฟ้าสามารถสูงขึ้นได้ หลังจากเพิ่ม Sb แล้ว เราจะเห็นได้ว่าแพลตฟอร์มแรงดันไฟฟ้าในการคายประจุได้รับการปรับปรุง ด้วยวิธีนี้ เราจึงสร้างแบตเตอรี่ความจุ 5 แอมแปร์ชั่วโมงและใช้งานมากกว่า 160 รอบโดยที่ความจุไม่ลดลงเลย
แต่ปัญหาของขั้วบวก BiSb นี้คือประสิทธิภาพอัตราเร็วสูงของมันไม่ดี เราอยากทราบว่าเราสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพอัตราเร็วสูงของมันได้หรือไม่ มาดูองค์ประกอบ Te ในตารางธาตุกัน Te มีราคาค่อนข้างแพง ดังนั้นเราจึงใช้เป็นองค์ประกอบเสริมด้วย หลังจากเติมลงไปเล็กน้อย แรงดันไฟฟ้าในการคายประจุของ Te จะแตกต่างจากของ Bi และ Sb มาก ดังนั้นก่อนอื่นเราจึงปล่อยให้ Te สร้างเฟสแข็งบางส่วนบนพื้นผิว ในระหว่างการคายประจุ เนื่องจากความเครียดที่เกิดขึ้นระหว่างการก่อตัวของโลหะผสมหลายส่วนประกอบของขั้วบวก รอยแตกร้าวจำนวนมากสามารถกดออกได้ในชั้นเฟสแข็งของ Te ทำให้เราได้เพิ่มช่องสำหรับลิเธียมไอออนจำนวนมากอย่างมองไม่เห็น หลังจากที่เราเติม Te ลงไปเล็กน้อย เราพบว่าประสิทธิภาพอัตราเร็วของแบตเตอรี่ก็ได้รับการปรับปรุงเช่นกัน เมื่อเราเปลี่ยนจาก 100 mAh ต่อตารางเซนติเมตรเป็น 1,000 mAh ต่อตารางเซนติเมตร การสูญเสียความจุแบบกลับคืนได้นั้นมีขนาดเล็กมาก
เราพบว่าการเพิ่มองค์ประกอบของโลหะผสมลงในขั้วบวกสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ได้ในระดับหนึ่ง แต่หากเราอาศัยเพียงประสบการณ์หรือการลองผิดลองถูกในการทดลอง ค่าใช้จ่ายด้านเวลาและเงินจะค่อนข้างสูง ดังนั้นเราจึงสงสัยว่าเราจะสามารถใช้เทคโนโลยี AI ได้หรือไม่ ดังนั้นเราจึงใช้วิธีการเรียนรู้ของเครื่องและสร้างฐานข้อมูลขึ้นมา ด้วยการเรียนรู้ของเครื่อง เราจึงสามารถออกแบบขั้วบวกโลหะผสมหลายองค์ประกอบได้ เราออกแบบขั้วบวกโลหะผสมควอเทอร์นารีผ่านการเรียนรู้ของเครื่องและปรับปรุงประสิทธิภาพได้ ในเวลาเดียวกัน ระบบขั้วลบก่อนหน้านี้ของเราใช้ลิเธียมเป็นขั้วลบ แต่ลิเธียมมีราคาค่อนข้างแพง ดังนั้นเราจึงออกแบบขั้วลบโลหะผสมแคลเซียมที่มีวงจรที่เสถียรเป็นเวลา 500 รอบโดยไม่สูญเสียความจุ เราพบว่าการใช้การเรียนรู้ของเครื่องสามารถช่วยเราออกแบบระบบวัสดุขั้วลบได้จริง ช่วยประหยัดเวลาและต้นทุนได้มาก
นอกจากการวิจัยเกี่ยวกับระบบวัสดุอิเล็กโทรดของแบตเตอรี่โลหะเหลวแล้ว เรายังออกแบบและเพิ่มประสิทธิภาพโมโนเมอร์ของแบตเตอรี่โลหะเหลวอีกด้วย ขั้นแรก เราผลิตแบตเตอรี่ขนาดเล็กบางส่วน เนื่องจากเราทำในห้องปฏิบัติการและไม่สามารถทดสอบได้เป็นเวลาหลายปี ดังนั้น เราจึงผลิตแบตเตอรี่โลหะเหลว 5 แอมแปร์ชั่วโมง ซึ่งทดสอบที่กระแสคายประจุ 15 แอมแปร์ กระแสชาร์จและคายประจุทั้งสองคือ 15 แอมแปร์ ชาร์จลึกและคายประจุลึก 100% และอัตรา 3C แบตเตอรี่นี้ใช้งานได้มากกว่า 4,100 รอบ และความจุในการคายประจุอยู่ที่ประมาณ 4.92 แอมแปร์ชั่วโมง อัตราการใช้วัสดุถึง 98.4% และประสิทธิภาพคูลอมบิกอยู่ที่ 99.52%
นอกจากนี้ เรายังผลิตแบตเตอรี่ที่มีความจุขนาดใหญ่ขึ้นด้วยความจุ 200 แอมแปร์ต่อชั่วโมง เนื่องจากข้อจำกัดของอุปกรณ์ชาร์จและปล่อยกระแสไฟในห้องปฏิบัติการ เราจึงสามารถชาร์จและปล่อยกระแสไฟได้เพียง 50 แอมแปร์ 0.25C และเรายังสามารถชาร์จและปล่อยกระแสไฟได้ 100% อีกด้วย ความจุในการปล่อยกระแสไฟสามารถเข้าถึง 199.4 แอมแปร์ต่อชั่วโมง และอัตราการใช้สารสามารถไปถึง 96.79% แบตเตอรี่ทำงานได้อย่างเสถียรมาเป็นเวลา 9 เดือนแล้วกว่า 700 รอบ และไม่พบการเสื่อมของความจุที่ชัดเจน ซึ่งพิสูจน์ได้ว่าแบตเตอรี่โลหะเหลวของเรามีเสถียรภาพของรอบการทำงานที่ดี
อีกประเด็นหนึ่งที่ผู้คนกังวลมากขึ้นเกี่ยวกับแบตเตอรี่โลหะเหลวคือจะเกิดอะไรขึ้นหากของเหลวสามชั้นผสมกันหรือแบตเตอรี่ถูกพลิกคว่ำ ดังนั้นเราจึงนำแบตเตอรี่ 200 แอมแปร์ชั่วโมงมาทดสอบและวางบนโต๊ะทำความร้อนแบบหมุน เนื่องจากแบตเตอรี่ของเราทำงานในอุณหภูมิสูงหากเราต้องการทดสอบเราจำเป็นต้องเก็บไว้ในระบบอุณหภูมิสูงที่สามารถหมุนได้ เมื่อเราเอียงไปที่ 31.9 องศาโครงสร้างของเหลวสามชั้นของแบตเตอรี่จะยังคงรักษาไว้ดังนั้นแบตเตอรี่จึงยังคงชาร์จและปล่อยประจุได้ตามปกติ แต่หากคว่ำลงอย่างสมบูรณ์และหมุนไปที่ 90 องศาขั้วบวกและลบจะลัดวงจรและผสมกันและจะเกิดความร้อนขึ้นในครั้งนี้ นอกจากนี้เรายังวัดเส้นโค้งสีม่วงและสีเหลืองที่มุมขวาล่าง เทอร์โมคัปเปิลทั้งสองนี้ติดอยู่กับผนังแบตเตอรี่และเราสามารถวัดอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นของแบตเตอรี่หลังจากส่วนหนึ่งของวงจรจาก 550 องศาเซลเซียสถึง 590 องศาเซลเซียสซึ่งอยู่ที่ประมาณ 45 องศาเซลเซียส นั่นคือความร้อนจำนวนมากที่เกิดขึ้นจะถูกดูดซับโดยระบบเกลือหลอมเหลว ดังนั้นจึงไม่มีความเป็นไปได้โดยธรรมชาติที่จะเกิดการเปลี่ยนเป็นก๊าซหรือระเบิด
ในขณะเดียวกัน หากแบตเตอรี่ของเราถูกนำไปใช้ในสถานการณ์การจัดเก็บพลังงานจริงในอนาคต แบตเตอรี่อาจเผชิญกับสถานการณ์ที่รุนแรง เช่น แผ่นดินไหว ดังนั้นเราจึงได้ทำการทดสอบความปลอดภัยด้วยความถี่แผ่นดินไหว 20 เฮิรตซ์ ซึ่งรวมถึงการสั่นสะเทือนในแนวตั้งและแนวนอน ในกรณีนี้ รอยหยักบนเส้นโค้งของแบตเตอรี่เกิดจากการสั่นสะเทือนของตำแหน่งสายไฟ แต่แบตเตอรี่สามารถทำงานได้ตามปกติในระหว่างการสั่นสะเทือนในแนวตั้ง มีไฟฟ้าลัดวงจรเกิดขึ้นระหว่างการสั่นสะเทือนในแนวนอน แต่เมื่อการสั่นสะเทือนของแบตเตอรี่หยุดลง แบตเตอรี่จะหยุดทำงานและหยุดนิ่งเป็นระยะเวลาหนึ่ง จากนั้นจึงสามารถชาร์จและปล่อยประจุแบตเตอรี่ได้ตามปกติอีกครั้ง ซึ่งพิสูจน์ได้ว่าในระดับนี้ ความถี่แผ่นดินไหวที่ 20 เฮิรตซ์10 เฮิรตซ์ไม่มีผลกระทบมากนักต่อแบตเตอรี่
ในระหว่างแผนพัฒนาเศรษฐกิจและสังคมแห่งชาติฉบับที่ 13 เราได้ดำเนินโครงการวิจัยและพัฒนาที่สำคัญและผลิตชุดแบตเตอรี่ ในกระบวนการนี้ ก่อนอื่นเราต้องเอาชนะปัญหาสำคัญของระบบ เช่น ความสม่ำเสมอของแบตเตอรี่ เราได้ปรับโครงสร้างแบตเตอรี่ ส่วนประกอบ กระบวนการประกอบ พารามิเตอร์โครงสร้าง ฯลฯ ให้เหมาะสม และปรับปรุงความสม่ำเสมอของแบตเตอรี่ ความแตกต่างของความจุของแบตเตอรี่ที่มากกว่า 200 แอมแปร์-ชั่วโมงมีค่าน้อยกว่า 2 แอมแปร์-ชั่วโมง และความแตกต่างของความต้านทานภายในมีค่าน้อยกว่า 2 มิลลิโอห์ม ความสม่ำเสมอของแบตเตอรี่ค่อนข้างสูง เซลล์เดี่ยว 0.2C สามารถบรรลุประสิทธิภาพการใช้พลังงานโดยเฉลี่ยมากกว่า 86%
เนื่องจากแรงดันไฟของแบตเตอรี่โลหะเหลวของเรานั้นค่อนข้างต่ำ ซึ่งแตกต่างจากแบตเตอรี่ลิเธียมและโซเดียมในปัจจุบัน เราจึงต้องออกแบบ BMS ของเราเองด้วย ดังนั้น เราจึงออกแบบระบบปรับสมดุลสองชั้นโดยอิงจากลักษณะของกระแสไฟฟ้าขนาดใหญ่และแรงดันไฟต่ำ หลังจากปรับสมดุลแล้ว ความสม่ำเสมอของแบตเตอรี่ของเรานั้นสูงมาก โดยมีความต่างศักย์ไฟฟ้าอยู่ที่ 40.6mV และกระแสปรับสมดุลอยู่ที่ 1.4 แอมแปร์
บนพื้นฐานนี้เราจำเป็นต้องเชื่อมต่อโมดูลทำความร้อนด้วย เนื่องจากเราเป็นแบตเตอรี่อุณหภูมิสูง เราจึงใช้หลักการพาความร้อนอากาศร้อนในระบบเพื่อออกแบบการทำความร้อน และเรายังใช้มาตรการป้องกันอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว ในภาพมุมขวาล่าง เราจะเห็นว่าหลังจากเชื่อมต่อแบตเตอรี่ประมาณ 12 ก้อนแบบอนุกรมแล้ว แบตเตอรี่จะทำงานด้วยอัตรา 0.5C เส้นโค้งสีน้ำเงินคือกระแสไฟฟ้าภายนอก จะเห็นได้ว่าเมื่อทำงานที่ 0.5C ความร้อนที่สร้างโดยแบตเตอรี่นี้จะเพียงพอสำหรับให้แบตเตอรี่ทำงานด้วยตัวเอง แบตเตอรี่มีอุณหภูมิ 500 องศาเซลเซียส ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องให้ความร้อนจากภายนอก และสามารถทำความร้อนด้วยตัวเองได้ แน่นอนว่าแบตเตอรี่นี้ยังต้องให้ความร้อนกับเราเมื่อทำงานเป็นครั้งแรก แต่จะไม่จำเป็นในระหว่างการทำงานปกติ
บนพื้นฐานนี้ เราร่วมมือกับศาสตราจารย์ Jiang Kai จากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี Huazhong ในการสร้างแบบจำลองการเชื่อมต่อการถ่ายเทความร้อนสามมิติของแบตเตอรี่โลหะเหลว เสนอกลยุทธ์การควบคุมลักษณะบริการการเชื่อมต่อไฟฟ้า-ความร้อน บรรลุระบบการจัดการประสิทธิภาพแบตเตอรี่แบบหลายระดับ และสร้างระบบแบตเตอรี่โลหะเหลวแบบลิเธียม 5 กิโลวัตต์และ 30 กิโลวัตต์ชั่วโมงแห่งแรกของประเทศ ซึ่งผ่านการทดสอบจากบุคคลที่สามอีกด้วย
เราสะสมเทคโนโลยีมาหลายปีบนพื้นฐานนี้ ในเดือนมิถุนายน 2023 บริษัท Henghui Keyuan (Xi'an) New Energy Technology Co., Ltd. ก่อตั้งขึ้นในซีอาน โดยอุทิศตนเพื่อส่งเสริมการนำเทคโนโลยีแบตเตอรี่โลหะเหลวมาใช้ในอุตสาหกรรม รอบ Angel Round ได้รับเงินทุนหลายสิบล้านดอลลาร์จาก Jiangyuan Investment ผู้เชี่ยวชาญและอาจารย์ยินดีต้อนรับให้มาที่ซีอานเพื่อให้คำแนะนำเกี่ยวกับงานของเรา