ทำไมเราควรตั้งเป้าหมายที่ 800 กิโลเมตร? เนื่องจากค่านี้เป็นค่าที่คาดหวังสูงสุดสำหรับช่วงการล่องเรือของคนส่วนใหญ่หากระยะการล่องเรือของยานพาหนะไฟฟ้าไม่สามารถเข้าถึงได้ 800 กิโลเมตรและค่าใช้จ่ายสามารถยอมรับได้โดยคนส่วนใหญ่ยานพาหนะไฟฟ้าจะได้รับความนิยมน้อยลง ดังนั้นเราจึงตั้งค่านี้ให้เป็นเป้าหมายของโครงการแบตเตอรี่ 500 ของเรา โครงการเริ่มต้นขึ้นในปี 2009 และถูกครอบงำโดยศูนย์วิจัยอัลมาเดน ตั้งแต่นั้นมา IBM ได้ทำการวิจัยนี้กับพันธมิตรทางธุรกิจและสถาบันวิจัยจำนวนมากจากยุโรปเอเชียและสหรัฐอเมริกา Battery 500 Project ใช้เทคโนโลยีโลหะและอากาศ เมื่อเปรียบเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียมแบตเตอรี่โลหะอากาศมีพลังงานมากขึ้นต่อหน่วยมวล การวิจัยโครงการยังคงใช้เวลาหลายปีกว่าจะทำการค้า แต่จากการทดลองเจ็ดปีเหล่านี้เราสามารถคิดได้ว่าแบตเตอรี่โลหะโลหะในอนาคตมีประโยชน์อย่างแท้จริงในรถยนต์ไฟฟ้า ทำไมจึงเป็นแบตเตอรี่กลางอากาศ? การใช้แบตเตอรี่ลิเธียม-แอร์เป็นตัวอย่างเพื่อทำความเข้าใจปัญหานี้มาก่อนที่จะดูความแตกต่างระหว่างแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนก่อน (ปัจจุบันเป็นแบตเตอรี่ลิเธียมทั่วไป) และแบตเตอรี่ลิเธียม-แอร์ รูปด้านล่างแสดงสถานะภายในของแบตเตอรี่ในระหว่างการชาร์จและปล่อยแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั่วไปอิเล็กโทรดบวกคือคาร์บอนและอิเล็กโทรดเชิงลบประกอบด้วยออกไซด์โลหะทรานซิชันที่แตกต่างกันเช่นโคบอลต์, นิกเกิล, แมงกานีสและอื่น ๆ อิเล็กโทรดทั้งสองถูกแช่ในอิเล็กโทรไลต์ซึ่งเกลือลิเธียมถูกละลาย ในระหว่างการชาร์จและการปล่อยลิเธียมไอออนจะย้ายจากอิเล็กโทรดหนึ่งไปอีกอันหนึ่ง ทิศทางของการเคลื่อนไหวแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับว่าแบตเตอรี่ถูกชาร์จหรือปล่อยออกมาขึ้นอยู่กับสถานะของแบตเตอรี่ ในช่วงเวลาของการชาร์จและการปลดปล่อยลิเธียมไอออนจะถูกฝังอยู่ในชั้นอะตอมของวัสดุอิเล็กโทรดและความจุของแบตเตอรี่สุดท้ายขึ้นอยู่กับจำนวนวัสดุที่สามารถรองรับลิเธียมไอออนได้ ขั้วไฟฟ้า 
△การชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนและกระบวนการปลดปล่อย
แบตเตอรี่ลิเธียม-อากาศแตกต่างกันไป ในแบตเตอรี่โลหะอากาศจะเกิดปฏิกิริยาทางเคมีไฟฟ้า ในระหว่างกระบวนการจำหน่ายอิเล็กโทรดบวกที่มีลิเธียมจะปล่อยไอออนลิเธียมและลิเธียมไอออนจะเคลื่อนไปทางขั้วลบและทำปฏิกิริยากับออกซิเจนบนพื้นผิวของอิเล็กโทรดเชิงลบเพื่อสร้างลิเธียมเปอร์ออกไซด์ (Li 2 O 2) ลิเธียมไอออนอิเล็กตรอนและออกซิเจนทำปฏิกิริยาบนพื้นผิวของอิเล็กโทรดเชิงลบที่เกิดจากคาร์บอนที่มีรูพรุนเนื่องจากปฏิกิริยาทางเคมีไม่ได้เกิดขึ้นบนอิเล็กโทรดเชิงลบและลิเธียมไอออนไม่ใช่วัสดุอิเล็กโทรดเชิงลบ ดังนั้นความจุของแบตเตอรี่และปริมาตรหรือมวลของวัสดุอิเล็กโทรดเชิงลบจึงไม่สูงเกินไป ความสัมพันธ์ครั้งใหญ่ตราบใดที่มีพื้นที่ผิวเพียงพอ กล่าวคือความจุของแบตเตอรี่ลิเธียม-อากาศไม่ได้ถูกกำหนดโดยปริมาตรและคุณภาพของอิเล็กโทรด แต่พื้นที่ผิวของอิเล็กโทรด นี่คือเหตุผลว่าทำไมในแบตเตอรี่ลิเธียม-อากาศอิเล็กโทรดมวลขนาดเล็กยังสามารถเก็บพลังงานจำนวนมากส่งผลให้ความหนาแน่นของพลังงานสูงขึ้น 
△การชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียม-อากาศและกระบวนการปลดปล่อย
แน่นอนว่านอกเหนือจากความหนาแน่นของพลังงานแล้วต้นทุนก็เป็นสิ่งสำคัญเช่นกัน ราคาของแบตเตอรี่อยู่ในช่วง 200-300 ดอลลาร์สหรัฐ / kWh หากคุณสามารถวิ่งได้ 5-6 กม. ต่อกิโลวัตต์ชั่วโมง 800 กม. ต้องใช้แบตเตอรี่ 150 kWh คุณต้องใช้ 30,000-4.5 ล้านแบตเตอรี่ รถ BMW 2 ซีรี่ส์ต้องการเพียง $ 33,000 ดังนั้นหากคุณต้องการผลิตจำนวนมากราคาต่อ kWh จะต้องลดลงต่ำกว่า $ 100 ฉันควรแก้ปัญหาอะไรสำหรับการค้าแบตเตอรี่ลิเธียม-อากาศ? เมื่อลิเธียมและออกซิเจนอยู่ภายใต้ปฏิกิริยารีดอกซ์ความหนาแน่นของพลังงานสูงสุดทางทฤษฎีที่สามารถผลิตได้คือ 3,460 wh/kg นอกเหนือจากส่วนของเซลล์ที่ไม่ได้รับปฏิกิริยาเคมีแล้วค่าของความหนาแน่นของพลังงานที่สามารถทำได้ในที่สุดก็เป็นที่ต้องการเช่นกัน แน่นอนคุณจะพบปัญหา กระบวนการชาร์จของแบตเตอรี่ลิเธียมแอร์นั้นคล้ายกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั่วไปตราบใดที่มีแรงดันจากภายนอก ความแตกต่างคือในแบตเตอรี่ลิเธียม-อากาศเมื่อมีแรงดันไฟฟ้าภายนอกโครงสร้างของลิเธียมเปอร์ออกไซด์จะถูกทำลายและลดลงเป็นออกซิเจนและลิเธียมไอออนและลิเธียมไอออนจะถูกส่งกลับไปยังอิเล็กโทรดบวก แบตเตอรี่ลิเธียม-แอร์เช่นแบตเตอรี่ลิเธียมแบบดั้งเดิมมีการชาร์จและคายประจุมากขึ้นและมีผลข้างเคียงมากขึ้นภายในแบตเตอรี่ ผลข้างเคียงเหล่านี้เป็นพื้นฐานของการผลิตจำนวนมากและแม้แต่การค้า เพื่อให้เข้าใจถึงผลกระทบของผลข้างเคียงเหล่านี้ต่อแบตเตอรี่เราใช้สเปกโตรมิเตอร์มวลไฟฟ้าเคมีที่ศูนย์วิจัยเพื่อวัดปริมาณก๊าซที่บริโภคและผลิตในแต่ละรอบการชาร์จและรอบการปล่อยอย่างแม่นยำ เป็นผลให้มีการค้นพบปัญหา: แบตเตอรี่ลิเธียมแอร์ปล่อยออกซิเจนน้อยกว่าในระหว่างการชาร์จมากกว่าออกซิเจนที่บริโภคในระหว่างการคายประจุ (ในการทดสอบใช้ออกซิเจนแห้งแทนอากาศ) 
△สเปกโตรมิเตอร์มวลสารเคมีไฟฟ้าของ IBM Research Center (: IBM)
ในเซลล์แบตเตอรี่ในอุดมคติออกซิเจนที่บริโภคในระหว่างการคายประจุเท่ากับมวลของออกซิเจนที่ปล่อยออกมาระหว่างการชาร์จ แต่จากการศึกษาพบว่าปริมาณออกซิเจนที่ปล่อยออกมานั้นน้อยกว่าซึ่งหมายความว่าออกซิเจนที่ไม่ได้ปล่อยออกมามีแนวโน้มที่จะทำปฏิกิริยากับส่วนประกอบในชุดแบตเตอรี่เช่นการละลายเข้าไปในอิเล็กโทรไลต์แบตเตอรี่อยู่ภายใน การบริโภค. ในห้องปฏิบัติการ IBM อีกแห่งหนึ่งในซูริคเราได้ทำการทดลองใหม่เพื่อติดตามและใช้คอมพิวเตอร์ปฏิกิริยาเคมีทำลายตนเองนี้ ในที่สุดเหตุผลก็พบได้ในอิเล็กโทรไลต์อินทรีย์ จากนั้นเราศึกษาปัญหานี้ ในชุดแบตเตอรี่ล่าสุดหลังจากใช้อิเล็กโทรไลต์ใหม่แล้วมันสามารถปล่อยออกซิเจนส่วนใหญ่ที่ดูดซึมได้ในระหว่างการคายประจุ นอกจากนี้เรายังติดตามการบริโภคและการผลิตไฮโดรเจนและน้ำในระหว่างการชาร์จและการปล่อยเนื่องจากการมีสารทั้งสองนี้หมายความว่ามีแนวโน้มที่จะมีปฏิกิริยาทางเคมีของการบริโภคตนเองอย่างน้อยหนึ่งครั้งภายในแบตเตอรี่ หน่วยแบตเตอรี่ในปัจจุบันของเราสามารถได้รับการชาร์จและการคายประจุ 200 รอบแม้ว่าจะทำให้กระบวนการชาร์จจริงน้อยกว่าค่าสูงสุดทางทฤษฎี นอกเหนือจากปัญหานี้เรายังมีการค้นพบที่สำคัญบางประการเกี่ยวกับส่วนประกอบต่าง ๆ ของแบตเตอรี่ลิเธียม-แอร์: 1. อิเล็กโทรดบวก นั้นแตกต่างจากอิเล็กโทรดบวกที่ทำจากกราไฟท์ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบดั้งเดิม ในแบตเตอรี่ลิเธียม-อากาศอิเล็กโทรดบวกที่มีลิเธียมจะเปลี่ยนพื้นผิวบางส่วนในระหว่างกระบวนการชาร์จและโครงสร้างคล้ายมอสหรือต้นไม้บางส่วนจะเติบโตขึ้น มันเป็น dendrite dendrites เหล่านี้เป็นอันตรายมากเพราะสามารถสร้างห่วงนำไฟฟ้าระหว่างขั้วไฟฟ้าบวกและลบเพื่อสร้างวงจรลัดวงจร 
△อิเล็กโทรดบวกแบตเตอรี่ลิเธียม-แอร์หลังจากหลายสิบรอบพื้นผิวสร้างโครงสร้าง dendritic
เพื่อลดการเกิดขึ้นของ dendrites เราใช้เมมเบรนแยกพิเศษ ตัวคั่นนี้ประกอบด้วยชั้นของวัสดุที่มีรูขุมขนระดับนาโนจำนวนมากที่มีขนาดเล็กพอและกระจายอย่างสม่ำเสมอทั่วเมมเบรนเพื่อให้ผ่านลิเธียมไอออนและยับยั้งการผลิต dendritic เนื่องจากการปรากฏตัวของตัวคั่นนี้ขั้วบวกยังคงราบรื่นหลังจากมีการชาร์จหลายร้อยรอบ หากมีการใช้ตัวคั่นแบบดั้งเดิม dendrites จะเกิดขึ้นหลังจากหลายรอบ หากคุณใช้พอลิเมอร์แก้วที่มีไอออนนำไฟฟ้าเอฟเฟกต์จะดีกว่า 
△อิเล็กโทรดบวกแบตเตอรี่ลิเธียม-แอร์หลังจากใช้ฟิล์มนาโน-ไอโซเลชั่นพื้นผิวยังคงราบรื่น
2. อิเล็กโทรไลต์ ที่ใช้ในอิเล็กโทรไลต์ยังคงทำปฏิกิริยากับออกซิเจนหรือสารประกอบอื่น ๆ ที่ผลิตในวงจรประจุและการคายประจุและถูกใช้ไป จนถึงตอนนี้เรายังไม่พบตัวทำละลายใด ๆ ที่มีความเสถียรพอที่จะอนุญาตให้แบตเตอรี่ลิเธียมแอร์เข้าสู่ขั้นตอนการค้า 3. ในระหว่างกระบวนการชาร์จลิเธียมไอออนอาจทำปฏิกิริยากับอิเล็กโทรดเชิงลบเพื่อผลิตลิเธียมไนเตรต ลิเธียมไนเตรตยังทำปฏิกิริยากับอิเล็กโทรไลต์ใช้อิเล็กโทรไลต์และผลิตก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ ในการทดสอบเรายังติดตามปริมาณลิเธียมไนเตรตที่ผลิตและใช้มาตรการบางอย่างเพื่อลดการผลิต อย่างไรก็ตามเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าชาร์จที่ต้องการจะต้องสูงกว่าแรงดันไฟฟ้าในการทำงานของแบตเตอรี่อย่างน้อย 700mV แรงดันไฟฟ้าเกินจะลดประสิทธิภาพการชาร์จของแบตเตอรี่ เราพยายามแปลงคาร์บอนเป็นออกไซด์โลหะอื่น ๆ และผลลัพธ์ไม่ได้เปลี่ยนแปลงมากนัก 4. ตัวเร่งปฏิกิริยา เกี่ยวกับการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาในแบตเตอรี่โลหะอากาศมีการถกเถียงกันมากมายระหว่างข้อดีและคู่ต่อสู้ การใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาสามารถลดการเกิดขึ้นของสภาวะความดันเกินได้อย่างมีนัยสำคัญ แต่ตัวเร่งปฏิกิริยาเดียวกันโดยทั่วไปจะเร่งการใช้อิเล็กโทรไลต์ ในการศึกษาเชิงทฤษฎีของเราพลังงานการเปิดใช้งานต่ำมากในการออกซิเดชั่นและการลดลงของลิเธียม ดังนั้นในแบตเตอรี่ลิเธียม-อากาศตัวเร่งปฏิกิริยาจึงไม่จำเป็น 5. การเตรียมอากาศ แม้ว่าแบตเตอรี่จะเรียกว่าแบตเตอรี่ลิเธียมอากาศ แต่ในความเป็นจริงเราใช้ออกซิเจนแห้ง การเน้นจะถูกวางไว้บน "การอบแห้ง" เพราะจำเป็นต้องลบส่วนประกอบของไอน้ำและคาร์บอนไดออกไซด์ในอากาศเท่านั้น ในการผลิตอากาศจำนวนมากในแบตเตอรี่เชิงพาณิชย์จำเป็นต้องใช้ระบบการฟอกอากาศที่มีประสิทธิภาพและมีเสถียรภาพ จากมุมมองนี้การประยุกต์ใช้แบตเตอรี่ลิเธียมแอร์อาจอยู่ในรถโดยสารรถบรรทุกและยานพาหนะขนาดใหญ่อื่น ๆ เฉพาะยานพาหนะขนาดใหญ่เหล่านี้เท่านั้นที่สามารถรองรับอุปกรณ์การฟอกอากาศ หน่วยแบตเตอรี่ที่ใช้สำหรับการทดสอบในปัจจุบันยังมีขนาดเล็กขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 76 มม. และความยาว 13 มม. ซึ่งอยู่ไกลจากมาตรฐานของยานพาหนะไฟฟ้า ดังนั้นหนึ่งในงานที่สำคัญที่สุดที่ต้องทำคือวิธีการสร้างเซลล์แบตเตอรี่ขนาดใหญ่แพ็คเกจและบรรจุเซลล์แบตเตอรี่จำนวนมากไว้ในชุดแบตเตอรี่เดียวจากนั้นมีระบบการจัดการแบตเตอรี่ นอกจากนี้เรายังทดสอบขนาดที่แตกต่างกันเช่น 100 x 100 มม. (เส้นผ่านศูนย์กลาง 100 มม. ความยาว 100 มม.) ในปัจจุบันโครงการนี้ยังคงอยู่ในขั้นตอนพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์ขั้นต้นเกี่ยวกับวัสดุและปฏิกิริยาทางเคมี แต่ผลลัพธ์ที่ได้รับนั้นเป็นบวก ในการศึกษาของเราความหนาแน่นของพลังงานที่สามารถทำได้คือปฏิกิริยาลิเธียมออกซิเดชั่นที่ 15 kWh/kg (ใช้แคโทดคาร์บอนดิบ, 5700 mAh x 2.7 v/g) และความหนาแน่นของพลังงานในเซลล์ประมาณ 800 wh/kg/kg . แบตเตอรี่โซเดียม-อากาศ: ความหนาแน่นของพลังงานต่ำ แต่ใน แบตเตอรี่โลหะและอากาศที่เสถียรมีโลหะจำนวนมากที่สามารถใช้งานได้นอกเหนือจากลิเธียมโซเดียมและโพแทสเซียม ปฏิกิริยาย้อนกลับของโลหะเหล่านี้ง่ายกว่าและโลหะที่ค่อนข้างหนักเช่นแมกนีเซียมอลูมิเนียมสังกะสีเหล็ก ฯลฯ ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นเรื่องยากที่จะชาร์จดังนั้นแบตเตอรี่ 500 โครงการเลือกที่จะศึกษาทั้งลิเธียมและโซเดียม โลหะ. แบตเตอรี่โซเดียม-แอร์เป็นส่วนผสมที่น่าสนใจอีกอย่างหนึ่งแม้ว่าความหนาแน่นของพลังงานที่สามารถทำได้นั้นต่ำกว่าเมื่อเทียบกับแบตเตอรี่ลิเธียม-แอร์ แต่ประโยชน์ของมันมีความเสถียรมากขึ้น เหตุผลที่ความหนาแน่นของพลังงานต่ำคือปฏิกิริยาทางเคมีที่เกิดขึ้นแตกต่างกัน ดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้นในแบตเตอรี่ลิเธียม-แอร์ลิเธียมทำปฏิกิริยากับออกซิเจนเพื่อผลิตลิเธียมเปอร์ออกไซด์ (LI2O2) แต่ในแบตเตอรี่โซเดียม-แอร์โซเดียมทำปฏิกิริยากับออกซิเจนโดยใช้อิเล็กตรอนเพียงตัวเดียวส่งผลให้โซเดียมซูเปอร์ออกไซด์ NaO2 แทนที่จะเป็นโซเดียมเปอร์ออกไซด์ Na2O2 ในการเปรียบเทียบความหนาแน่นของพลังงานที่แบตเตอรี่โซเดียม-อากาศสามารถผลิตได้ลดลงในทางทฤษฎีครึ่งหนึ่งและขีด จำกัด สูงสุดทางทฤษฎีของความหนาแน่นพลังงานคือ 1100 wh/kg ในทางกลับกันแบตเตอรี่โซเดียม-แอร์มีประสิทธิภาพมากกว่าแบตเตอรี่ลิเธียม-แอร์และแรงดันไฟฟ้าเกินค่อนข้างต่ำน้อยกว่า 20MV (700mV สำหรับลิเธียม) ในมุมมองของสิ่งนี้แรงดันไฟฟ้าของหน่วยแบตเตอรี่สามารถลดลงเป็น 3V เพื่อให้การบริโภคส่วนประกอบอื่น ๆ ภายในแบตเตอรี่สามารถลดลงได้มากเช่นอิเล็กโทรไลต์ เราวัดโดยการทดลองและได้รับการตรวจสอบแล้ว สิ่งนี้มีข้อได้เปรียบที่ความเสถียรของแบตเตอรี่ค่อนข้างสูงและความจุของแบตเตอรี่แทบจะไม่เปลี่ยนแปลงหลังจากการชาร์จ 50 ครั้งและรอบการปล่อย นอกจากนี้ยังมีความท้าทายในการใช้แบตเตอรี่โซเดียม-แอร์ในเชิงพาณิชย์ ตัวอย่างเช่นแบตเตอรี่โซเดียม-อากาศใช้ออกซิเจนเป็นสองเท่าของแบตเตอรี่ลิเธียม-แอร์เพื่อตอบสนองต่อปฏิกิริยาซึ่งเทียบเท่ากับปริมาณอากาศที่จำเป็นในการผลิตเครื่องยนต์ลูกสูบที่มีกำลังเดียวกัน นอกจากนี้กิจกรรมทางเคมีของโลหะโซเดียมค่อนข้างสูงและหลายคนจะจดจำการสาธิตของครูเคมีในห้องเรียนโรงเรียนมัธยม โซเดียมชิ้นเล็ก ๆ ถูกโยนลงไปในน้ำและปฏิกิริยาทางเคมีที่รุนแรงจะเกิดขึ้น อย่างไรก็ตามลิเธียมเป็นโลหะหายากและไม่ถูก แต่โซเดียมเป็นโลหะทั่วไปและค่าใช้จ่ายต่ำมาก ค่าใช้จ่ายของวัสดุในแบตเตอรี่โซเดียม-อากาศขนาดเดียวกันนั้นน้อยกว่าหนึ่งในสิบของแบตเตอรี่ลิเธียมและอากาศ แม้ว่าในระยะยาวแบตเตอรี่ลิเธียมแอร์จะมีประสิทธิภาพที่ดีขึ้น แต่เมื่อพิจารณาถึงความเสถียรและค่าใช้จ่ายแบตเตอรี่โซเดียม-แอร์ที่ไม่ต่ำเท่าพลังงานจะเป็นตัวเลือกที่ดีกว่าจากแบตเตอรี่ปัจจุบันจนถึงอนาคต 0 เท่า
window._bd_share_config = {"สามัญ": {"bdsnskey": {}, "bdtext": "", "bdmini": "2", "bdminilist": false, "bdpic": "", "bdstyle": " 0 "," bdsize ":" 24 "}," แบ่งปัน ": {}," ภาพ ": {" viewList ": [" qzone "," tsina "," tqq "," renren "," Weixin "], "ViewText": "แบ่งปันไปที่:", "ดู": "16"}, "SelectShare": {"BdContainerclass": NULL, "BDSelectMinilist": ["qzone", "Tsina", "TQQ", "Renren" , "Weixin"]}}; ด้วย (เอกสาร) 0 [(getElementsByTagname ('head') [0] || body) .appendChild (createElement ('สคริปต์')). src = 'http: //bdimg.share baidu.com/static/api/js/share.js?v=89860593.js?cdnversion= ' + ~ (-วันที่ใหม่ ()/36E5)];
