使用最新的功能和世界级的实验室设施,NREL储能电池研究人员继续推动边界的材料开发、热管理、诊断和建模。gydF4y2Ba
推动未来:NREL研究发现机会突破电池设计gydF4y2Ba
丽贝卡·马提瑙|gydF4y2BaNRELgydF4y2Ba
在200年发明后,非凡的电池经历了显著的演进,以满足现代应用程序。这些独立的能源是我们越来越关键连接社会,为我们的交通运输网络。gydF4y2Ba
转向可再生能源,电气化的新时代是在地平线上,支持在很大程度上突破的电池设计,国家可再生能源实验室(NREL)研究人员相信在我们的指尖。gydF4y2Ba
NREL的电池的研究小组汇集了各种各样的experts-physicists,化学家,在能源储存和工程师满足复杂的挑战,”马特NREL高级能源存储工程师说大。“我们的研究跨越技术准备和电池研究的规模,从atom-scale材料科学全面的系统。”gydF4y2Ba
从左,史密斯Kandler,马特大尺度和安德鲁Colclasure领导国家可再生能源实验室的电化学储能研究,提供一个整体的建模方法和诊断,材料开发和电池安全。图片由沃纳斯洛克姆,NRELgydF4y2Ba
能量储存的进步,今天的主要选择锂离子电池(锂)流行更轻和更强大的替代铅酸、镍氢电池的设计。这些电池允许用户控制能量流重复,高速收费和discharging-powering从手机、笔记本电脑、电动车(电动车),和大规模的固定存储。gydF4y2Ba正在进行的国家可再生能源实验室的研究gydF4y2Ba继续完善锂离子电池,以满足不同的应用程序的独特需求。gydF4y2Ba
电池存储的未来持有什么?过渡到一个更大的社会,电池将发挥至关重要的作用,帮助储存能量来自可再生能源为建筑提供电力,交通,和网格应用程序。新兴的电池技术必须专注于降低成本,同时保持一生和密度性能。使用最新的功能和世界级的实验室设施,NREL储能电池研究人员继续推动边界的材料开发、热管理、诊断和建模。gydF4y2Ba
材料研究锂离子和超越gydF4y2Ba
第一级获奖的创新发生在电池材料阶段,为新电池设计开发或精炼材料发生。在高级别上,所有的电池都有一个正电极(阴极)和负电极(阳极)分别悬浮在电解质。当电子从阳极向阴极移动,他们产生电流和供应电力。突破材料升级整个电池体系结构可以解锁更好的电池性能、稳定性和可持续性的改进。然而,引进新材料,例如硅和硫、也可以带来新的化学反应和机械压力。NREL人员接受挑战的解决这些不断变化的反应通过仔细评估先进材料,重机会以满足各种应用和需求。gydF4y2Ba
硅纳米颗粒可能有助于消除障碍改善锂离子电池的能量密度。图片由沃纳斯洛克姆,NRELgydF4y2Ba
硅阳极释放能量密度的增加gydF4y2Ba
硅之一可能是下一个大电池材料升级。EVs继续也开始流行起来,研究人员已经确定了硅作为一个有前途的机会gydF4y2Ba增加汽车电池的能量密度gydF4y2Ba。从NREL-led最近的研究gydF4y2Ba硅财团项目gydF4y2Ba(SCP)发现,取代石墨通常用于锂离子电池阳极与硅可能铺平道路电池组的大小减少25% -30%,练习场提高30% -40%。gydF4y2Ba
然而,硅阳极存在独特的挑战,锂离子电池的稳定性和持久性。Lithiation-which发生在电池charging-leads肿胀和硅的压缩,导致电池粒子的裂缝和骨折。此外,硅和液体电解质之间的反应会导致电解质界面”“硅材料的形成,导致电池内电解液的分解。gydF4y2Ba
“这涉及到确保细胞内的不同组件一起表现良好,“NREL高级材料科学家托尼·伯勒尔说。“我们的SCP研究旨在使硅阳极保护膜延长日历寿命的硅电池,本质上他们可以多长时间函数。电极涂层常用来改善电池的耐用性,但它是我们确定合适的材料和厚度与硅使用。”gydF4y2Ba
研究员安德鲁Colclasure使用手套箱组装和拆卸电池组件进行材料分析。图片由沃纳斯洛克姆,NRELgydF4y2Ba
未来可持续性设计目标,材料的可用性gydF4y2Ba
可持续发展是另一个担忧NREL最前沿的研究人员。因此,研究团队优先考虑材料和产品设计,减少使用罕见的关键材料,如钴,目前用于锂离子电池。虽然锂离子继续成为电动汽车的标准,独特的固定优先级的能量存储,寿命通常是更重要的比电池大小是开放材料研究的新门。gydF4y2Ba
“有很多价值优化设计电池应用程序超出运输“NREL储能研究员安德鲁Colclasure说。“我们专注于增加固定电池是具有挑战性的研究人员创造性与材料开发,包括地球上充足的或现成的材料。”gydF4y2Ba
最近NREL研究已经确定了gydF4y2Ba锂锰氧化物阴极和阳极钛酸锂gydF4y2Ba电池是有前途的critical-material-free选项。实验室的研究人员还超越锂新的或新兴技术的想法,如氧化还原流体、水、钠、镁。一个令人鼓舞的研究领域旨在取代液态电解质和固态电池的设计。固态电池可以提供改进的稳定性和能量比传统电池技术能力;然而,还需要更多的研究来优化这些电池广泛使用汽车或静止的应用程序。gydF4y2Ba
指导创新从材料到系统级的设计gydF4y2Ba
从化学成分总体电池结构,电池发展的机会是无限的。指导未来的创新,NREL的尖端功能和设施提供试验、建模和分析工具,以更好地理解物理,化学、机械、能源材料和存储系统和结构属性。gydF4y2Ba
对于新材料,这些评估可以简化进步在电池architecture-including阴极,阳极、电解液。作为细胞使用这些材料的进步,模块,包,和完整的能源系统,特征也在电池研究中继续发挥重要作用。gydF4y2Ba
“我们的多样化和有才华的电化学储能团队正在与实验室的材料科学家评估新的化学制剂和整合优化材料在大型细胞,”大说。“我们的团队执行广泛的特征评估的基本单元和模块特性的关键材料开发、模型构建、和验证工作。”gydF4y2Ba
研究人员住Finegan,从左Chuanbo)杨Kandler史密斯,彼得维德尔,安德鲁•Colclasure Ankit Verma属于电化学能量储存使用先进的x射线诊断能力电池材料的三维图像。图片由沃纳斯洛克姆,NRELgydF4y2Ba
尖端能力揭示新的视角gydF4y2Ba
NREL领先的设施装备研究人员的经验和工具,他们需要提供一个彻底的评估电池体系结构。x射线诊断工具,包括gydF4y2Ba新的x光纳米计算机断层扫描仪gydF4y2Ba捕捉电池材料的组成和体系结构的发展。给x射线无损的本质工具,研究人员可以查看机械、电化学或热变化发生时实时了解反应在一个电池在操作或骑自行车。这些诊断功能跨越不同大小或长度尺度,电池体系结构提供必要的洞察力告知未来电池设计。gydF4y2Ba
与先进的成像,NREL人员申请gydF4y2Ba先进的计算机工程gydF4y2Ba再加上gydF4y2Ba基于物理机器学习gydF4y2Ba和人工智能处理的差距我们如何理解电池性能。举一个例子,这种方法利用计算机算法来模拟现实世界的退化过程,让研究人员了解不同的材料或设计如何影响电池寿命。总的来说,发达国家可再生能源实验室的预测模型可以快速提取复杂的数据集指导各种研究项目,帮助使电池充电更快和持续时间更长。gydF4y2Ba
“其他研究机构依赖包电池模型,NREL开发新模型利用我们的多样化研究经验,复杂的物理、化学、力学、安全方面,与人工智能电池研究提供新的视角,”史密斯NREL储能研究员Kandler说。“我们联合带来更高层次的知识,每个研究和设计项目”。gydF4y2Ba
国家可再生能源实验室的研究人员,包括Kandler史密斯(如图),使用自行车技术来测量性能的连续下一代电池在充电和放电阶段。gydF4y2Ba图片由沃纳斯洛克姆,NRELgydF4y2Ba
解码热信号来提高电池性能gydF4y2Ba
最重要的一个方面的研究在电池性能是热管理。尽管较高的电池温度可以提高细胞的离子电导率和能源产能,平衡是关键。更高的温度可以加速化学反应,导致细胞退化或老化,限制了电池寿命。降低温度可以限制能量密度和电池性能。此外,电池热管理是至关重要的安全。在某些情况下,过热和在通风的细胞会导致热runaway-an极端热释放和偶尔的灾难性的影响。gydF4y2Ba
“电池的热性能是整体能源效率的基础,“大说。“热点在细胞可以表明,在整个细胞能量没有被有效利用。我们的研究优化操作温度的能量存储系统,确保整个电池一致性,并告知热管理系统设计”。gydF4y2Ba
NREL的热管理专家因此,依靠广泛的设备和功能,包括NREL-customized热量计周期计和环境取样评估电池操作的所有热方面找到热。这些评估有助于优化电池的热行为,其寿命和安全的能源存储系统。gydF4y2Ba
NREL的电池回收的研究包括黑人大众净化,由研究员Kae芬克,去除污染物,最大化的减少锂电池可回收的材料浪费。gydF4y2Ba图片由沃纳斯洛克姆,NRELgydF4y2Ba
看见未来的电池存储gydF4y2Ba
国家可再生能源实验室的研究的支持,下一代电池存储看起来有前途。实验室的研究不仅关注改善industry-favored锂离子电池,但同时继续开拓新的机会在电池设计。电池存储的持久的成功的关键,但是,研究者们也认识到需要考虑未来的花费和丢弃电池。gydF4y2Ba
NREL的电池组合,包括小说研究增加电池材料的生命周期价值通过重用和回收。美国能源部的一部分gydF4y2Ba刚中心gydF4y2BaNREL正在帮助改善锂离子电池的直接回收,它使用更少的能量同时最小化环境影响捕捉材料替代回收方法相比更有价值。这项研究支持的发展gydF4y2Ba循环经济gydF4y2Ba基本电池材料和提高电池技术的整体可持续发展。gydF4y2Ba
“能源存储是NREL的使命的核心传播可再生能源技术和优化能源系统在世界各地,”伯勒尔说。“如果我们的电池的研究可以帮助支持整个电网的能源需求,我们可以减少能源消耗,温室气体排放、资源枯竭、和成本完全实现一个清洁能源的未来。”gydF4y2Ba
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