Avrupa 2030 Pil Planı
Power Battery | Avrupa makale kaynağı: Deepwater Technology Consulting
2020-03-1008:54:59 Okuma: 45
Bölüm I: "Battery 2030+ (BATTERY 2030+)" arka planı
"Batarya 2030+ (BATTERY2030 +)" büyük ölçekli bir Avrupa uzun vadeli araştırma planıdır. Avrupa Komisyonu tarafından önerilen Stratejik Enerji Teknolojisi Planının (SET-planı) fikirlerinden biridir. Gelecekteki batarya araştırma ve geliştirme sürecindeki sorunları çözmek için Avrupa'yı bir bütün olarak birleştirmeyi amaçlamaktadır. Çeşitli zorluklarla karşılaştığınızda, iddialı ve yerleşik pil performansı hedeflerine ulaşmak için sayısız engeli aşın.
Araştırma içeriği, gerçek yeteneklere ulaşmak için tam potansiyeline ulaşmak için aralarındaki boşluğu daraltarak, şu anda veya gelecekte çeşitli farklı pil kimyası türlerine dayanan "kimyasal nötr yaklaşım" tarafından yönlendirilir Teorik sınır.
Konsept, Avrupa pil şirketlerinin ve hatta küresel pil şirketlerinin değer zincirine, örneğin hammaddelerin gelişmiş malzemelere geliştirilmesi, pillerin ve pil paketlerinin tasarımı ve üretimi, pillerin geri dönüşümü ve pil ömrü sona erdikten sonra pratik uygulaması gibi yeni geliştirme ve destek sağlamaya dayanmaktadır Sahne vs.
Ayrıca, "Batarya 2030+" nin uzun vadeli geliştirme yol haritası, Avrupa pilleri - Avrupa Teknoloji ve Yenilik Platformu (ETIP) dahilindeki orta vadeli araştırma ve inovasyon çalışmalarını tam olarak tamamlar.
Bu nedenle, Avrupa Birliği, batarya alanının dönüştürücü gelişimini desteklemek için Avrupa'da 10 yıllık büyük ölçekli bir çabayı teşvik etmek için "Batarya 2030+" uygulamasını kullanmayı umuyor. Güvenli ultra yüksek performanslı pillerin gelişimini gerçekleştirmek için sürekli olarak yeni araştırma yöntemleri önermek ve yeni yenilikçi alanlar açmak ve nihayet Avrupa toplumunun 2050 yılına kadar fosil enerjisini artık kullanmayacağını anlamak (Şekil 1'de gösterildiği gibi).
Mart 2019'da Avrupa Birliği, planlanan Ar-Ge yol haritasını belirlemek için "Batarya 2030+" koordinasyonunu ve destek eylemini başlattı. Bu kez yayınlanan "Batarya 2030+" Ar-Ge yol haritasının ikinci versiyonu, tartışma ve revizyondan sonra 2020 Şubat sonunda Avrupa Komisyonu'na sunulacak.
Şekil 1. "Pil 2030+" nin uzun vadeli vizyonu ve misyonu
Bölüm II: "Pil 2030+" planı hedefi
"Pil 2030+" nin genel amacı, her uygulama senaryosuna uygun ultra yüksek performans ve akıllı sürdürülebilir pil işlevlerine ulaşmaktır. Sözde ultra yüksek performans, rekabetçi bir maliyetle büyük ölçekli pil üretimi elde etmek için enerji ve güç yoğunluğunun teorik sınıra yakın olması, mükemmel hizmet ömrü ve güvenilirlik, gelişmiş güvenlik, çevresel sürdürülebilirlik ve ölçeklenebilirlik anlamına gelir.
İlk önemli zorluk, en iyi pil performansını elde etmektir, bu nedenle yeni malzemelerin ve yeni kimyasal sistemlerin keşif süreci hızlandırılmalıdır. "Battery 2030+", pil malzemelerinin geliştirme döngüsünü önemli ölçüde azaltmak için yapay zeka (AI) kullanacak Pil Arayüzü Genomu (BIG) -Material Acceleration Platform (MAP) planını önermektedir.
İkinci önemli zorluk, tek hücrelerin ve batarya sistemlerinin hizmet ömrünü ve güvenliğini uzatmaktır. Hem kullanım ömrü hem de güvenlik, gelecekteki pillerin boyutu, maliyeti ve kabulü üzerinde kritik bir etkiye sahiptir.
İkinci zorluğa ulaşmak için, "Battery 2030+" iki farklı ve tamamlayıcı öneri önermektedir: kimyasal ve elektrokimyasal reaksiyonlarda doğrudan algılayabilen sensörler geliştirmek ve "sağlıklarını" sürekli olarak izlemek için pillere yeni sensörler yerleştirmek ve "Güvenli durum". Öte yandan, kendi kendini iyileştirme işlevi pil kapasitesini artırmak ve pil performansını iyileştirmek için kullanılır.
Şu anki en gelişmiş pil teknolojisi ile karşılaştırıldığında, "Battery 2030+" pil teknolojisinin gelecekteki gelişimini önermeyi ve etkilemeyi amaçlamaktadır (Şekil 2):
İlk olarak, gerçek pil performansı (enerji yoğunluğu ve güç yoğunluğu) ile teorik performans arasındaki boşluğu en az 1/2 oranında azaltın.
İkincisi, en azından pilin dayanıklılığını ve güvenilirliğini 3 kat artırın.
Üçüncüsü, belirli bir güç karışımı için, bir pilin yaşam döngüsü karbon ayak izini en az 1/5 azaltın.
Dördüncü olarak, pil geri dönüşüm oranının en az% 75'e ulaşmasını sağlayın ve% 100'e yakın önemli bir hammadde geri dönüşüm oranına ulaşın.
Şekil 2. Gelecekteki elektrokimyasal depolama sistemleri için "Pil 2030+" nin en son teknoloji görünümü
Bölüm III: "Pil 2030+" Ana Ar-Ge Yönergesi
3.1 Malzeme Hızlandırma Platformu (MAP)
Enerji teknolojisi üretiminden depolamadan son teslimata kadar malzemelerin keşfi ve geliştirilmesi her zaman tüm süreç boyunca devam eder. Özellikle gelişmekte olan pil teknolojileri için, gelişmiş malzemeler neredeyse tüm temiz enerji yeniliklerinin temelini oluşturmaktadır.
Mevcut geleneksel tekrarlayan deneysel geliştirme sürecine güveniyorsanız, yeni yüksek performanslı pil malzemeleri geliştirmek ve bunları pil tasarımında kullanmak çok fazla zaman, insan gücü ve malzeme kaynağı gerektirir.Bu süreç, ilk keşiften tamamen ticarileştirmeye kadar 10 yıla kadar sürebilir. .
Bu nedenle, "Batarya 2030+" projesinde, ultra yüksek performanslı, sürdürülebilir akıllı bataryaların gelişimini hızlandırmak amacıyla Avrupa'da bir batarya "Malzeme Hızlandırma Platformu (MAP)" ve batarya arayüz genomu (Batarya Arayüz) kurulması planlanmaktadır. Genom, BÜYÜK) birlikte entegre edildi.
Aynı zamanda, BIG-MAP altyapısı modüler hale getirilmiştir ve tüm sistem, ortaya çıkan tüm batarya kimyasal sistemlerini, malzeme bileşimlerini, yapılarını ve arayüzlerini barındırabilecek şekilde yüksek derecede çok yönlülüğe sahiptir.
Öte yandan MAP, yeni bir pil geliştirme stratejisi elde etmek için birçok tamamlayıcı yöntem ve teknolojiden gelen verileri entegre etmek ve düzenlemek, hesaplamalı malzeme tasarımını, modülerliği ve robotiklerin otonom entegrasyonunu ve gelişmiş karakterizasyonu entegre etmek için yapay zekayı (AI) kullanacak. Malzemelerin, süreçlerin ve ekipmanların tersine tasarımını ve özelleştirilmesini teşvik edin.
Sonunda, MAP çerçevesi altındaki her bir çekirdek unsurdan kavramsal bir batarya oluşturuldu ve batarya geliştirme hızını ve batarya performansını büyük ölçüde artıran çığır açan batarya malzemeleri geliştirildi.
Şekil 3. Batarya Malzemesi Hızlandırma Platformunun (MAP) temel bileşenleri
(1) MAP anahtar araştırma ve geliştirme teknolojisi
a. Yüksek verimli teknoloji: Batarya malzemelerinin kendilerinin ve kullanım sırasında yerinde otomatikleştirilmiş yüksek verimli karakterizasyonunu oluşturmak için otonom malzeme sentez robotları geliştirin. Elektrot aktif malzemeleri ve bunların kombinasyonlarının hızlı taramasını ve elektrolit formülasyonlarının sistematik karakterizasyonunu anlayın. Yüksek verimli veri modelleme ve veri oluşturma kombinasyonuna dayalı olarak, pil ve aktif malzemeleri analiz edilir ve fiziksel parametrelerle karakterize edilir.
b. Çok boyutlu ara bağlantı ve entegre iş akışına ulaşmak için dağıtılmış erişim modeline dayalı bölgeler arası evrensel bir veri altyapısı oluşturun: Malzemelerin kapalı döngü gelişimi sırasında bölgeler arası deneysel veri entegrasyonunun ve modellemenin gerçek zamanlı olarak gerçekleştirilebilmesini sağlayın. Veri paylaşımı yoluyla bilgi toplama ve büyük ölçekli analiz gerçekleştirin.
Malzeme geliştirme sürecindeki önemli parametreleri ve özellikleri belirlemek, farklı boyutlardaki modelleri birleştirmek ve bağlamak için etkili ve istikrarlı yollar geliştirmek ve malzeme geliştirme sürecini hızlandırmak için makine öğrenimi ve fizik teorisi tarafından yönlendirilen veriye dayalı modeller.
c. Pil sistemlerine dayalı yapay zeka (AI) geliştirin ve birleşik bir veri çerçevesi oluşturun : Yapay zeka teknolojisine dayalı fiziksel parametreleri ve veriye dayalı bir hibrit modelin geliştirilmesi.
Örneğin, ChemOS ve phoenix gibi bazı AI yazılım paketleri şu anda kendi kendini yöneten laboratuvarların prototip geliştirme aşamasında kullanılıyor. Akademi ile endüstri, malzeme modelleme ve pratik uygulama mühendisliği arasında bağlantı kurmak için Avrupa Malzeme Modelleme Konseyi (EMMC) ve Avrupa Malzeme ve Modelleme Ontolojisi (EMMO) tarafından desteklenen erişim protokolünü kullanın ve pillerin genel değer zincirinin standartlaştırılmış veri aktarımını gerçekleştirin Ve Paylaş.
d. Pil malzemeleri ve arayüzlerinin ters tasarım mühendisliği: Gerekli hedef performans yoluyla pil malzemelerinin ve / veya arayüzlerin bileşimini ve yapısını tanımlayın, böylece geleneksel geliştirme sürecini kırın ve malzemelerin verimli ve yüksek hızlı geliştirilmesini teşvik edin.
(2) MAP araştırma ve geliştirme planı
Kısa vadeli plan: Pil malzemeleri ve pilin kendisi için, pil bulma ve geliştirme döngüsünün tüm alanlarındaki verileri kapsayan paylaşılan ve birlikte çalışabilir bir veri altyapısı arabirimi geliştirin; ilgili özellikleri farklı zaman ölçeklerinde tanımlamak ve aktarmak için otomatik bir iş akışı / Parametreler; belirsizliğe dayalı olarak pil malzemelerinin veriye dayalı ve fiziksel modellerini oluşturur.
Orta vadeli plan: hesaplamalı modellemeyi, robotiklerin otonom sentezini ve malzeme karakterizasyonunu entegre edebilen malzeme hızlandırma platformunda (MAP) pil genomunun (BIG-MAP) yapımını gerçekleştirin; pil malzemelerinin ters tasarım sürecini gösterin; doğrudan keşif ve tahmin sürecinde Aktif kendi kendini iyileştirme gibi yerleşik sensörlerden gelen verileri entegre edin.
Uzun vadeli plan: pil genom platformunda tam bağımsız bir geliştirme süreci oluşturun; pil hücresi montajını ve cihaz düzeyinde testi entegre edin; malzeme keşif sürecine üretilebilirliği ve geri dönüştürülebilirliği dahil edin; malzeme geliştirme döngüsünün 5 kat hızlandığını gösterin; uygulayın ve doğrulayın Pillerin ultra yüksek verim testi için dijital teknoloji.
3.2 Batarya arayüz genomu (BÜYÜK)
Pil sadece elektrot ve elektrolit arasındaki arayüzü değil, aynı zamanda çok sayıda başka önemli arayüzleri, örneğin akım toplayıcı ile elektrot arasında veya aktif malzeme ve iletken karbon ve / veya bağlayıcılar gibi katkı maddeleri arasında da içerir. Bu nedenle, yeni pil kimyasal sistemleri geliştirirken veya mevcut pil teknolojilerine yeni kimyasal maddeler eklerken, arayüz, pil elektrot malzemelerinin etkili kullanımının anahtarıdır.
MAP, malzemelerin keşfini hızlandırmak için altyapı sağlamaktır ve "Batarya 2030+", BÜYÜK'ün, batarya performansını etkileyen anahtar arayüzlerin dinamik değişikliklerini tahmin etmek ve kontrol etmek için malzeme geliştirme süreci için gerekli anlayış ve modelleri sağlayacağını önermektedir (Şekil 4'te gösterildiği gibi) .
BIG, malzemelerden tasarıma, çok miktarda veriye sahip modeller oluşturmaya ve mevcut lityum-iyon pil teknolojisini aşmak için yeni bir malzeme geliştirme yolu oluşturmaya kadar farklı kimyalara büyük ölçüde uyarlanabilir.
Şekil 4. Batarya Arayüzü Genomu (BÜYÜK) işlem süreci
(1) BÜYÜK anahtar araştırma ve geliştirme teknolojisi
a. Daha yüksek uzaysal ve zamansal çözünürlük ve hesaplama hızı ile yeni hesaplama yöntemleri ve deneysel teknikler geliştirin: Ultra yüksek performanslı pil sisteminin yapısı ve malzeme kombinasyonu hakkında yeni bir anlayış kazanmak için. Fizik tabanlı veriye dayalı hibrit modeller ve simülasyon teknikleri aracılığıyla en gelişmiş deneyleri ve teknik yöntemleri açıklayın.
b. Yüksek indirgeme derecesine sahip pil arabirimi karakterizasyon teknolojisini geliştirin: Pil arayüzünün doğru karakterizasyonu ve dinamik özellikleri sayesinde, büyük bir paylaşılan pil arayüzü özellikleri veritabanı oluşturulur ve karakterizasyon teknolojisi, test sapmalarını sürekli olarak düzeltmek, arayüz çalışma sürecini gerçekten geri yüklemek ve doğruluğu artırmak için büyük veriler kullanılarak optimize edilir ve ayarlanır.
c. Piller ve malzemeleri için standartlaştırılmış bir test protokolü oluşturun: Pil performansını malzeme kimyasal özellikleriyle tek tek karşılaştırarak pil arayüzü hakkında önemli bilgiler elde etmek için ayrıntılı bir malzeme karakterizasyonu kontrol listesi yayınlayın.
d. Daha doğru bir malzeme yapısı ve pil performans modeli oluşturun: Sürekli bir faz modeli oluşturmak için elektron, atom ve mezoskopik malzeme ölçekli modellerin eşleştirilmesi, normal çalışma sırasında pilin arayüz durumunu, yaşlanma ve zayıflama mekanizmasını gerçekten yansıtır.
(2) BÜYÜK AR-GE planı
Kısa vadeli plan: belirli bir aralıktaki karakterizasyon / test protokolleri ve verileri için bir pil arayüz standardı oluşturmak; dinamik özellik analizi ve veri testi için yapay zeka ve simülasyon teknolojisini kullanabilen otonom modüller geliştirmek; birlikte çalışabilir yüksek verimli ve yüksek kaliteli arayüzler geliştirmek Karakterizasyon yöntemi.
Orta vadeli plan: Zaman ve uzay ölçeklerinde pil arabirimlerini çıkarmak için öngörücü bir hibrit model geliştirin; modelin pilleri arasında ters sentez tasarımını gösterin; MAP platformunda (BIG-MAP) pil arabirimi genom hesaplamalı modellemesini uygulayabilir ve robotikleri otonom olarak entegre edebilir Ve malzemelerin entegre karakterizasyonu.
Uzun vadeli plan: BIG-MAP platformunda tam bağımsız bir geliştirme süreci oluşturun; arayüz performansının 5 kat geliştirildiğini kanıtlayın; pil arayüzü genomunun yeni pil kimyasına taşınabilirliğini gösterin.
3.3 Akıllı sensör (Akıllı işlev algılama entegrasyonu)
Batarya uygulamalarına olan mevcut bağımlılık artmaya devam ederken, kalitesini, güvenilirliğini ve hizmet ömrünü iyileştirmek için bataryanın durumunu doğru bir şekilde izlemek gerekir. Geçtiğimiz birkaç on yılda, birçok elektrokimyasal empedans cihazı (EIS) ve gelişmiş pil yönetim sistemi (BMS) geliştirilmiş olmasına rağmen, sonuçlar sınırlı olmuştur. Batarya teknolojisinin gelişiminden bağımsız olarak, performans hala batarya hücresi içindeki arayüzün doğasına ve sıcaklıkla yönlendirilen reaksiyona ve öngörülemeyen kinetiklere bağlıdır.
Döngü ömrünün uzatılması ve pil ömrünün uzatılması için sıcaklığın izlenmesi şart olsa da, mevcut elektrikli araç uygulamalarında tek bir pilin sıcaklığını doğrudan ölçmek mümkün değildir. Pil çalışma sürecindeki fiziksel parametrelerin elektrokimyasal reaksiyon süreci üzerindeki etkisini daha iyi anlamak / izlemek için kara kutu sorununu etkin bir şekilde çözün.
"Batarya 2030+" bataryaya akıllı sensörler yerleştirmeyi önerir, bu da bataryanın uzay ve zamanda ayırt edici izlenmesini gerçekleştirebilir (Şekil 5'te gösterildiği gibi). Bu şekilde, bataryada gerçek zamanlı bilgi iletmek için çeşitli algılama teknolojileri entegre edilebilir ve geliştirilebilir (sıcaklık, basınç, gerinim, elektrolit bileşimi, elektrot genişlemesi, ısı akışı değişiklikleri vb.).
En önemli şey, büyük miktarda yerinde gerçek zamanlı izleme verisine dayanarak, BIG-MAP ile pil çalışma durumu işlevlerini ve modellerini oluşturmak ve akıllı, duyarlı bir pil yönetim sistemi geliştirmek için işbirliği yapabilmesidir. Hiyerarşik yönetim, tek pil düzeyinde ve tüm sistem düzeyinde gerçekleştirilecektir.
Şekil 5. Yerinde algılama ve çıktı analiz cihazlarına sahip gelecekteki piller
(1) Akıllı sensörler için temel Ar-Ge teknolojileri
a. Piller için uygun çeşitli sensörleri entegre edin ve geliştirin ve pillere akıllı işlevleri yerleştirin: Katı elektrolit (SEI) mezofaz dinamik izleme fonksiyonlarının tasarımı / geliştirilmesi için optik, elektriksel, termal, akustik ve elektrokimyasal sensörler kullanılır. Örneğin, pilin içindeki ve dışındaki yerel ve genel sıcaklık değişikliklerini izlemek için direnç sıcaklık dedektörlerini (RTD), termistörleri, termokuplları ve diğer sıcaklık sensörlerini kullanın.
Elektrokimyasal sensörler temel olarak pil arayüzündeki SEI büyümesini, redoks mekik maddelerini ve ağır metal çözünmesini izlemek için kullanılır. Basınç sensörü elektrot gerginliğini ve basınç değişikliklerini algılayabilir, böylece pilin SoC ve SoH durumunu yansıtır.
Optik sensörler, optik sinyaller aracılığıyla pilin yerel sıcaklığını, basıncını ve gerginliğini aynı anda algılayabilir. Bunların arasında, fotonik kristal fiber sensörler aynı anda birden fazla algılama sinyalini toplayabilir ancak bunları ayırıp analiz edebilir. Bu, gelecekte yeni çok parametreli izleme sensörleri geliştirme trendi.
b. Yenilikçi kimyasal kaplamalara sahip sensörler geliştirin: Özel bir kaplamaya sahip sensör, elektrolitin ve elektrokimyasal reaksiyonun yan ürünlerinin sensöre olan korozyonunu yavaşlatabilir, cihazın kararlılığını, iletim hassasiyetini ve hizmet ömrünü iyileştirebilir. Sensör boyutu, pil izolasyon filminin kalınlığına uyması için birkaç mikrona düşürülür ve karmaşık bağlantı ve kablolama sorunlarını önlemek için kablosuz algılama teknolojisi kullanılır.
(2) Akıllı sensör araştırma ve geliştirme planı
Kısa vadeli plan: Pil hücresi düzeyinde, çeşitli algılama teknolojilerine ve pil arayüz dinamikleri, elektrolit bozulması, dendritik büyüme, metal çözünmesi ve malzeme yapısı değişiklikleri arasındaki ilişkiyi değerlendirmek için invazif olmayan çoklu algılama yöntemleri geliştirmek için basit entegrasyona güvenerek fizibilite.
Pil çalışması sırasında temel parametrelerin normal veya anormal davranışını izleyin ve sensörden BMS'ye aktarım işlevini tanımlayın ve gerçek zamanlı algılamayı çalıştırarak sıcaklık penceresini artırın > % 10.
Orta vadeli plan: Pil seviyesinde ve gerçek pil modülünde birden fazla işlevi olan ve endüstriyel üretim süreçleriyle uygun maliyetli bir şekilde uyumlu olan (elektriksel olarak) kimyasal olarak kararlı algılama teknolojisinin minyatürleştirilmesini ve entegrasyonunu gerçekleştirin; gelişmiş BMS elde etmek ve yenilerini oluşturmak için sensör verilerini kullanır Uyarlanabilir ve öngörücü kontrol algoritması; BIG-MAP'de entegre indüksiyon ve kendini iyileştirme; çok değerlikli elektrot sisteminin aşırı geriliminin azaltılması > % 20; lityum iyon piller için mevcut voltaj aralığını artırın > % 10.
Uzun vadeli plan: Sensörlerin iletişimini kontrol etmek için gelişmiş BMS'ye dayanan yeni AI protokolü, tamamen çalıştırılabilir bir akıllı pil paketini kablosuz olarak gerçekleştiriyor. Gelecekteki pil tasarımında, algılama / izleme stimülasyonun neden olduğu yerel kendi kendini iyileştirme mekanizması ile birleştirilecek, böylece akıllı piller entegre algılama-BMS-kendi kendini iyileştirme sistemi aracılığıyla elde edilebilecek.
3.4 Kendi kendini iyileştirme kavramı (akıllı işlevlerin entegrasyonu - kendi kendini iyileştirme)
Batarya teknolojisinin sürdürülebilir gelişimi ve bataryaların yaygınlaşması ve uygulanmasına olan artan bağımlılığımız, yüksek güvenilirlik ve güvenlik gerektiriyor. Bunlar arasında, geri döndürülemez değişiklikleri tespit etmek veya algılamak, daha iyi güvenilirlik elde etmenin ilk adımıdır.
Bununla birlikte, güvenilirliği gerçekten sağlamak için, pilin hasarı otomatik olarak algılaması ve orijinal yapılandırmayı ve genel işlevlerini geri yükleyebilmesi gerekir. Akıllı, uzun ömürlü piller yapmak için doğal iyileşme mekanizmalarını (yara iyileşmesi gibi) taklit etmeye çalışabilir miyiz?
"Batarya 2030+", tıbbi alanda "rejenerasyon mühendisliği" kavramından yararlanıyor ve elektrotun dahili kusurlarını eski haline getirmek için bataryaya karşılık gelen kendi kendini iyileştirme işlevlerine sahip malzemelerin geliştirilebileceğini öneriyor.
Öte yandan, durum algılama ve kendi kendini iyileştirme işlevlerini yakından ilişkilendirmek önerilmektedir (Şekil 6'da gösterildiği gibi). Sensörden tespit edilen sinyal batarya yönetim sistemine gönderilecek ve analiz edilecektir.Bir problem varsa, BMS, kendi kendini iyileştirme sürecinin uyarılmasını tetiklemek için aktüatöre bir sinyal gönderecektir. Bu kendini algılama ve kendi kendini onarımı tetikleme kombinasyonu, pillere daha yüksek güvenlik ve tüketici güvenilirliği sağlayacaktır.
Şekil 6. BMS aracılı pil çalışması-indüksiyon-kendi kendine onarım işbirliğine dayalı birleştirme işlemi
(1) Kendi kendini iyileştirme kavramı anahtar araştırma ve geliştirme teknolojisi
a. Kendi kendini onaran pil malzemeleri ve elektrot arayüzleri geliştirin: CNT'leri içine alan kendi kendini iyileştiren mikrokapsüller, iletken elektrot ağını onarmak için kullanılır. Şarj etme ve boşaltma sırasında elektrot malzemesinin arayüz yapısının tahrip olmasını onarmak için kullanılan yapay SEI yapısına sahip kendi kendini iyileştiren aktif bir malzeme.
b. Pil bileşenleri ve arayüzler için uygun kendi kendini onaran polimer stratejileri geliştirin: Supramoleküler polimerlerin kendi kendini iyileştiren çok fazlı katı polimer elektrolitlerine uygulanması. İnce ve gözenekli kontrol edilebilir diyaframlar tasarlamak, özellikle kendi kendini iyileştirme özelliklerine sahip olacak şekilde tasarlanmış fonksiyonel biyo-bazlı elektrolit izolasyon membranları geliştirmek ve elektroliti kontrol etmek için toksik olmayan biyo-bazlı malzemeler (polisakkarit malzemeler, protein malzemeleri gibi) kullanın. Pilin eskimesini iyileştirmek için ayrıştırın.
c. Bir kompozit elektrot oluşturun: Polimer veya mineral kabuklu mikrokapsüller, harici uyaranlara yanıt olarak salınabilen iyileştirici ajanı içerecek şekilde tasarlanmıştır veya lityum tuzları, sodyum tuzları, vb. Tahriş edilip kırıldığında açığa çıkacaktır. Elektrot genişleme yapısını kontrol etmek ve pil döngüsü verimliliğini optimize etmek için özel polimer yapı tasarımını (PAA-polirotaksan kasnak tipi polimer gibi) kullanın.
(2) Kendi kendini iyileştiren konsept araştırma ve geliştirme planı
Kısa vadeli plan: Çeşitli çapraz alanlarda kendi kendini iyileştirme işlevlerine sahip piller geliştirin. Ayırıcı işlevselleştirildi ve pilin hedef kimyasıyla uyumlu olurken elektrot ayırma membranı yırtılmasını iyileştirmek için tersine çevrilebilir çapraz bağlanma elde etmek için hidrojen bağlarının aynı etkisine dayanan bir supramoleküler yapı geliştirdi.
Orta vadeli plan: Manyetik, termal veya kimyasal eylem yoluyla otomatik iyileşmeyi tetikleyebilen çeşitli fonksiyonel organik-inorganik iyileştirici ajanları tutabilen mikrokapsüllere sahip akıllı bir izolasyon membranı tasarlayın ve iyileşmek için uyarıcıya dayalı kendi kendini iyileştirme işlemi ile ilgili yanıt süresini belirleyin Elektrot kırılması veya SEI ara faz yaşlanması ile ilgili arızalar.
Uzun vadeli plan: Kontrol edilebilir işlevsellik ve gözeneklilik ile düşük maliyetli biyo-bazlı elektrolit membranlar tasarlayın ve üretin. Pil algılama ve BMS arasında etkili bir geri bildirim döngüsü kurulur ve implante pilin kendi kendini iyileştirme işlevi, harici uyarım yoluyla uygun şekilde tetiklenir.
3.5 Geleceğin pil teknolojilerinin üretimi (Gelecekteki pil teknolojilerinin üretilebilirliği)
Yeni nesil çığır açan pil malzemelerinin ortaya çıkışı, yeni pil teknolojisi fırsatlarının önünü açacaktır. Bununla birlikte, genel olarak konuşursak, bu yeni pil teknolojilerinin en az iki ana doğrulama aşamasıyla karşılaşması gerekir.
Birincisi, prototip düzeyinde performans potansiyelini kanıtlayın ve ikinci olarak, üretimi büyütmenin ve sanayileşme sürecine girmenin fizibilitesini değerlendirin.
"Pil 2030+ Yol Haritası", gelecekteki pil üretimi için bir çözüm stratejisi önermektedir: Endüstri 4.0 ve dijitalleşme olasılığı. Üretim sürecinin dinamik yazılım simülasyonunu gerçekleştirmek, üretim biriminin mekansal yapısını kırmak ve klasik deneme yanılma yöntemlerinden kaçınmak veya temelde azaltmak için modelleme ve yapay zeka kullanın. Tam dijital üretim sayesinde, proses parametrelerini ve bunların nihai ürün üzerindeki etkisini anlayın ve optimize edin.
Şekil 7. Pil üretiminin dijital süreci
(1) Gelecekte büyük ölçekli pil üretimi için anahtar teknolojiler
a. Tasarım sürecinin dijitalleşmesi: Kendi kendini iyileştiren malzemeler / arayüzler, çeşitli akıllı sensörler veya diğer aktüatörler, eko-pil tasarımı ve alternatif pil tasarımı gibi yeni işlevleri tanıtın, üretim sürecini daha iyi anlamak için pil üretim sürecinde birden çok fiziksel miktar ve çok ölçekli modeller geliştirin ve doğrulayın Her adım.
b. Üretim sürecinin dijitalleştirilmesi: Süreçleri, koşulları ve makine parametrelerini optimize etmek için esnek üretim süreçleri ve yüksek hassasiyetli modelleme araçları geliştirin ve elektrot macunu, elektrot levha üretimi, pil montajı, pil paketi montajı ve pil performansı (yani pil için) için gerçek zamanlı modeller geliştirin Dijital üretim modeli).
(2) Büyük ölçekli pil üretimi için gelecekteki Ar-Ge planları
Kısa vadeli plan: En gelişmiş bilgilerden başlayarak, odak noktası pil tasarım yöntemleri üzerinedir. Simülasyon araçlarını (çoklu fizik modelleri gibi) iyileştirin, derin öğrenme ve makine öğrenimi yöntemleriyle hesaplama yükünü azaltın ve pil tasarımı için AI teknolojisini uygulayın.
Orta vadeli plan: Sürekli olarak BÜYÜK platformu, MAP platformunu, akıllı sensör teknolojisini, kendi kendini iyileştirme teknolojisini, geri dönüşüm stratejisini ve diğer yenilikçi alanları geliştirin ve bunları sürece entegre edin; pil seviyesi tasarımında ilerledikten sonra, AI tabanlı üretim yöntemleri başlatılacak ve uygulanacaktır, yani inşaat kalıp > AI > Üretim (üretim sürecinde yeni teknoloji üretimi ve dijital modeller dahil).
Ölçek aynı zamanda pil üretim sürecindeki teknolojiye genişletilebilir ve çok değerlikli ve organik malzemelerin geliştirilmesi gibi pil kimyasal bileşenlerinin veya akış pilleri gibi diğer pil sistemlerinin geliştirilmesine genişletilebilir.
Uzun vadeli plan: BIG-MAP tabanlı tamamen otonom bir sistem gerçekleştirmek için yapay zeka güdümlü yöntemi pil hücresi tasarımına entegre edin ve entegre edin. Akademide yeniliği ve endüstride ticari olarak mevcut en son pil teknolojisinin geliştirilmesini teşvik etmek için bu yöntemi kullanın.
3.6 Geri dönüştürülebilirlik
"Pil 2030+" yol haritası, döngüsel bir ekonomi toplumunun kurulmasını teşvik edecek, atıkları azaltacak, karbondioksit emisyonlarını azaltacak ve stratejik kaynakları uzun vadeli bir vizyon olarak daha akıllıca kullanacaktır.
Bu nedenle, yüksek verimli pil sökme ve geri dönüşüm teknolojilerinin geliştirilmesi, 2030 yılına kadar AB'de pil ekonomisinin uzun vadeli ve sürdürülebilir gelişimini sağlamak için hayati bir garantidir. Bu, pilin tam yaşam döngüsünün düşük karbon ayak izini ve ekonomik fizibilitesini sağlamak için yeni, yenilikçi, basit, düşük maliyetli ve yüksek verimli geri dönüşüm süreçlerinin hedeflenen geliştirilmesini gerektirir. Örneğin, aktif malzeme, çok adımlı bir yaklaşım yerine doğrudan geri kazanılır. Pil, elektrotları doğrudan tamir ederek veya yeniden ayarlayarak çalışma durumuna geri döndürülebilir.
Buna dayanarak, "Battery 2030+" malzeme seviyesi, arayüz seviyesi ve tek hücre seviyesi için bazı yeni geri dönüşüm konseptleri ve genel süreçler önermektedir:
(1) Yaşam döngüsü boyunca sürdürülebilir tasarım (ekolojik tasarım ve ekonomik tasarım dahil); (2) Pil ve pil paketi sökme tasarımı; (3) Geri dönüşüm tasarım yöntemi. Bu süreç, araştırmacıların, pil üreticilerinin ve malzeme tedarikçilerinin ortak katılımını gerektirir ve geri dönüşüm stratejilerini ve ilgili kısıtlamaları yeni pil tasarımına entegre etmek için geri dönüştürücülerle birlikte çalışır.
Şekil 8. Gelecekteki pil geri dönüşüm süreci: doğrudan geri dönüşüm ve yeniden kullanım süreçlerinin organik entegrasyonu
(1) Temel geri dönüşüm strateji planı
a. Pil bileşenlerinin ve hücrelerinin yeniden kullanılabilirliği : Ürün etiketleri, pil yönetim sistemleri, yerleşik ve harici sensörler, entegre sensörler ve elektrot kendi kendini onarma işlevleri gibi ilgili verilerin toplanması ve analizi yoluyla, hasarlı / eskimiş bileşenleri tanımlamak ve yeniden kullanıma hazırlamak için kullanılır. Aynı zamanda, pil tasarımının ömrünü olabildiğince uzatın ve yeniden kalibrasyon, yenileme ve ikincil kullanım ve çoklu kullanımın uygulanabilirliğini göz önünde bulundurun.
b. Modern düşük karbon ayak izi lojistiği kavramını tanıtın: Merkezi olmayan işleme ve ürün izlenebilirliğini geliştirme, özellikle pil ömrü boyunca temel hammaddelerin izlenebilirliği dahil.
Ve değerli ana malzemeler için verimli, düşük maliyetli ve sürdürülebilir tek adımlı bir geri dönüşüm ve işleme stratejisi geliştirmek ve bunları piller için aktif malzemeler halinde "yenilemek". Tamamen tersine çevrilemiyorsa, bileşimi aktif malzeme öncüllerini veya ilgili malzemeleri sentezleyecek şekilde ayarlayın. İşlenmemiş içerikler.
c. Otomatik ve seçici geri dönüşüm: Yapay zeka destekli teknoloji ve ekipman, otomatik pil ayırma ve değerlendirmeyi gerçekleştirmek, pil paketini otomatik olarak tek pil düzeyine ayırmak ve pili otomatik olarak en büyük tek bileşen seviyesine çıkarmak için kullanılır.
Aynı zamanda, lityum metal katı hal piller ve lityum metal-hava piller gibi yeni pillerin bile büyük ölçüde geri dönüştürülebilmesini sağlamak için büyük veri teknolojisi analizi ve tüm pil ve pil paketlerine uygulanabilen ortak bir sökme işlemi arayışıyla. Anahtar kurucu malzemeler.
(2) Geri dönüşüm stratejisi araştırma ve geliştirme planı
Kısa vadeli plan: Pil sistemlerinin sürdürülebilir gelişimini ve sökülmesini gerçekleştirin, veri toplama ve analiz sistemleri geliştirin, pil paketi / modül ayırma ve yeniden kullanım / yeniden kullanım için teknoloji geliştirin ve pillerin otomatik olarak sökülmesini geliştirmeye başlayın. Ve hızlı pil karakterizasyonu için yeni testler için.
Orta vadeli plan: Pili otomatik olarak ayrı bileşenlere ayırmak için bir yöntem geliştirmenin yanı sıra, tozun ve bileşenlerinin sınıflandırılması ve geri dönüştürülmesi ve onu gelişmiş yeni pil aktif malzemelerine "yenileme" teknolojisi geliştirin. Pillerde geri dönüştürülmüş malzemeleri test edin.
İkincil uygulamalarda malzeme yeniden kullanımı için tahmin ve modelleme araçları geliştirilecektir. Önemli hammaddelerin (grafit, katot malzemeleri gibi) geri kazanım oranını önemli ölçüde iyileştirin ve enerji ve kaynak tüketimini önemli ölçüde iyileştirin.
Uzun vadeli plan: Tam bir doğrudan geri dönüşüm sistemi geliştirin ve doğrulayın; sistem ekonomik olarak uygulanabilir, güvenli ve çevre dostudur ve mevcut işlemlerden daha düşük karbon ayak izine sahiptir.
Avrupa'daki SET-PLAN planı dışında, sadece birkaç ülke net bir yol haritasına sahip ve bunun için uzun süredir çok çalışıyor. Burada kısaca Çin, Hindistan, Japonya ve Amerika Birleşik Devletleri'nden pil yol haritalarını tanıtın ve 2030'dan fazla pil hedefine daha geniş bir perspektiften bakın.
4.1 Çin'in kalkınma planı: Çin şu anda dünyadaki en çok pil araştırma makalesi yayınlayan ülke. Ancak aynı zamanda sektörde iki paralel araştırma ve inovasyon stratejisi tanımlanmıştır:
Evrim stratejisi ve yenilik stratejisi. Evrim stratejisi, batarya performansının iyileştirilmesi (yüksek güvenlik, hızlı şarj, düşük güç tüketimi vb.) Dahil olmak üzere, yeni enerji bataryaları ile donatılmış mevcut araçları ve enerji aktarma organı sistemlerini optimize etmeye odaklanıyor.
Devrim niteliğindeki stratejinin amacı, araç güç aktarma sistemleri için yeni nesil akü kimyası sistemleri geliştirmektir. Şekil 9'da gösterildiği gibi, Çin'in 2015'ten 2035'e kadar pil geliştirme hedeflerini, Japonya'nın Yeni Enerji Sektörü Teknoloji Geliştirme Ajansı (NEDO) ve ABD Enerji Bakanlığı (DOE) Battery 500 planının RISING plan hedefleriyle karşılaştırmak mümkündür.
Şekil 9. Çin'in ulusal yeni enerji projeleri ve 2013'ten 2030'a kadar stratejik hedefleri
4.2 Hindistan'ın kalkınma planı: Hindistan ayrıca kısa süre önce, batarya Ar-Ge ve üretiminin yüksek stratejik öneme sahip olduğu düşünülen otomobil üretim endüstrisi için bir yol haritası yayınladı. Ancak yol haritası, hedefe ulaşmak için hangi temel teknolojilerin gerekli olduğunu göstermiyor, ancak pillerin önemini açıkça ifade ediyor.
4.3 Japonya'nın kalkınma planı: Japonya'nın belirli kilit alanlarda uzun vadeli istikrarlı araştırma planları oluşturma geleneği vardır ve piller bunlardan biridir.
Japonya Yeni Enerji Endüstrisi Teknoloji Geliştirme Ajansı'nın (NEDO) RISING-2 projesi, 2010'da başlayan ve 2022'de bitmesi planlanan uzun vadeli büyük ölçekli bir plandır. İki temel pil performans hedefini tanımlar (Şekil 10'da gösterildiği gibi) Tamamen elektrikli araçlar için, güç pil sisteminin enerji yoğunluğunun 2020'de 250 Wh / kg ve 2030'da 500 Wh / kg'a ulaşması gerekir.
Plug-in hibrit araçlar için, güç bataryası sisteminin enerji yoğunluğunun 2020'de 200 Wh / kg'a ulaşması gerekiyor. Bu, "Batarya 2030+" de belirtilen hedeflerle karşılaştırmaya çalışabilecek tek uluslararası Ar-Ge planıdır.
Şekil 10. NEDO'nun 2020 ve 2030 için pil performans hedefleri
4.4 Amerikan kalkınma planı: ABD Enerji Bakanlığı (DOE), 2016 yılında altı üniversiteyi, dört ulusal laboratuvarı ve IBM'in bilimsel araştırma yeteneklerini birleştiren Battery 500 projesine liderlik etti.
Genel amacı, elektrikli araçlar için 170-200Wh / Kg'lık mevcut pil paketi enerji yoğunluğu ile karşılaştırıldığında lityum metal piller geliştirmektir, böylece pil paketi enerji yoğunluğu 500Wh / Kg'a ulaşabilir. Ve Battery 500, elektrikli araçlar için daha küçük, daha hafif ve daha ucuz piller geliştirmeye odaklanacak.
