Laborator cheie de ceramică avansată și tehnologie de prelucrare (Ministerul Educației), Școala de Știința și Ingineria Materialelor, Universitatea Tianjin, Tianjin, China

Laborator cheie de ceramică avansată și tehnologie de prelucrare (Ministerul Educației), Școala de Știința și Ingineria Materialelor, Universitatea Tianjin, Tianjin, China

Laborator cheie de ceramică avansată și tehnologie de prelucrare (Ministerul Educației), Școala de Știința și Ingineria Materialelor, Universitatea Tianjin, Tianjin, China

Școala comună a Universității Naționale din Singapore și Universitatea Tianjin, Campusul internațional al Universității Tianjin, Binhai New City, Fuzhou, China

Laboratorul cheie Tianjin de materiale compozite și funcționale, Școala de știință și inginerie a materialelor, Universitatea Tianjin, Tianjin, China

Laborator cheie de ceramică avansată și tehnologie de prelucrare (Ministerul Educației), Școala de Știința și Ingineria Materialelor, Universitatea Tianjin, Tianjin, China

Școala comună a Universității Naționale din Singapore și Universitatea Tianjin, Campusul Internațional al Universității Tianjin, Binhai New City, Fuzhou, China

Laboratorul cheie Tianjin de materiale compozite și funcționale, Școala de știință și inginerie a materialelor, Universitatea Tianjin, Tianjin, China

Corespondenţă

Cheng Zhong, Laborator cheie de ceramică avansată și tehnologie de prelucrare (Ministerul Educației), Școala de Știința și Ingineria Materialelor, Universitatea Tianjin, Tianjin 300072, China.

Jun Lu, Divizia de Științe Chimice și Inginerie, Laboratorul Național Argonne, 9700 Cass Ave, Lemont, IL 60439.

Divizia de Științe Chimice și Inginerie, Laboratorul Național Argonne, Lemont, Illinois

Corespondenţă

Cheng Zhong, Laborator cheie de ceramică avansată și tehnologie de prelucrare (Ministerul Educației), Școala de Știința și Ingineria Materialelor, Universitatea Tianjin, Tianjin 300072, China.

Jun Lu, Divizia de Științe Chimice și Inginerie, Laboratorul Național Argonne, 9700 Cass Ave, Lemont, IL 60439.

Laborator cheie de ceramică avansată și tehnologie de prelucrare (Ministerul Educației), Școala de Știința și Ingineria Materialelor, Universitatea Tianjin, Tianjin, China

Laborator cheie de ceramică avansată și tehnologie de prelucrare (Ministerul Educației), Școala de Știința și Ingineria Materialelor, Universitatea Tianjin, Tianjin, China

Laborator cheie de ceramică avansată și tehnologie de prelucrare (Ministerul Educației), Școala de Știința și Ingineria Materialelor, Universitatea Tianjin, Tianjin, China

Școala comună a Universității Naționale din Singapore și Universitatea Tianjin, Campusul internațional al Universității Tianjin, Binhai New City, Fuzhou, China

Laboratorul cheie Tianjin de materiale compozite și funcționale, Școala de știință și inginerie a materialelor, Universitatea Tianjin, Tianjin, China

Laborator cheie de ceramică avansată și tehnologie de prelucrare (Ministerul Educației), Școala de Știința și Ingineria Materialelor, Universitatea Tianjin, Tianjin, China

Școala comună a Universității Naționale din Singapore și Universitatea Tianjin, Campusul Internațional al Universității Tianjin, Binhai New City, Fuzhou, China

Laboratorul cheie Tianjin de materiale compozite și funcționale, Școala de știință și inginerie a materialelor, Universitatea Tianjin, Tianjin, China

Corespondenţă

Cheng Zhong, Laborator cheie de ceramică avansată și tehnologie de prelucrare (Ministerul Educației), Școala de Știința și Ingineria Materialelor, Universitatea Tianjin, Tianjin 300072, China.

Jun Lu, Divizia de Științe Chimice și Inginerie, Laboratorul Național Argonne, 9700 Cass Ave, Lemont, IL 60439.

Divizia de Științe Chimice și Inginerie, Laboratorul Național Argonne, Lemont, Illinois

Corespondenţă

Cheng Zhong, Laborator cheie de ceramică avansată și tehnologie de prelucrare (Ministerul Educației), Școala de Știința și Ingineria Materialelor, Universitatea Tianjin, Tianjin 300072, China.

Jun Lu, Divizia de Științe Chimice și Inginerie, Laboratorul Național Argonne, 9700 Cass Ave, Lemont, IL 60439.

Informații de finanțare: Programul național de susținere a talentelor pentru tineri; Fundația Națională pentru Științe Naturale din China și provincia Guangdong, Număr de grant/premiu: U1601216; Fundația pentru Științe Naturale Tianjin, Număr de grant/premiu: 18JCJQJC46500; Fundația Națională de Științe Naturale din China, Număr de grant/premiu: 51771134; Fundația Națională pentru Științe pentru un excelent tânăr cărturar, număr de grant/premiu: 51722403

Abstract

Internetul Totului (IoE), care își propune să realizeze schimbul de informații și comunicări pentru orice lucru cu Internetul, a revoluționat lumea noastră modernă. Servind ca forță motrice pentru dispozitivele din rețeaua IoE, sistemele de alimentare cu energie joacă un rol fundamental în dezvoltarea IoE. Cu toate acestea, datorită complexității, multifuncționalității și implementării pe scară largă a diverselor aplicații, sistemele de alimentare cu energie se confruntă cu mari provocări, inclusiv distribuția, conexiunea, tehnologiile de încărcare și gestionarea. În această revizuire, sunt prezentate câteva provocări și progrese în dezvoltarea atât a sistemelor de alimentare cu energie, cât și a unităților acestora. În domeniul general la nivel de sistem, se evidențiază stabilirea unor sisteme de alimentare durabile și fără întreținere prin conexiuni fără fir, gestionarea eficientă a energiei și sisteme integrate de recoltare și stocare a energiei. În plus, sunt discutate principalele indicatori de performanță ai unităților de alimentare cu energie, inclusiv densitatea energiei, durata de viață și capacitatea de auto-alimentare. În plus, sunt prezentate câteva direcții de evaluare a calității energiei, atât pentru sistem, cât și pentru nivelurile de unitate ale sistemelor de alimentare cu energie, cu scopul de a oferi o perspectivă asupra dezvoltării viitoare a sistemelor de alimentare cu energie de înaltă performanță pentru IoE.

1. INTRODUCERE

Fiind o rețea globală de informații dinamice care leagă strâns orice obiecte și oameni de pe Internet, Internetul Totului (IoE) are o creștere extraordinară și ajunge în toate colțurile lumii. 1, 2 IoE, care decurge din convergența tehnologiei informației, a tehnologiei mediului și a biotehnologiei, este identificat ca unul dintre factorii viitori de creștere a pieței. 3, 4 Având în vedere creșterea interesului pentru IoE, milioane de dispozitive conectate la internet pot câștiga o conștientizare contextuală, o putere de procesare sporită și capacități de detectare mai bune. Fructificarea IoE a fost o forță motrice cheie pentru facilitarea dezvoltării industriei și a tehnologiei informației și modificarea modului în care interacționăm cu mediul nostru fizic. 5 În mod remarcabil, o gamă largă de domenii de aplicații au suferit schimbări revoluționare și au produs o explozie de oportunități pentru IoE în plină dezvoltare, cum ar fi asistența medicală, dispozitivele digitale, automatizarea casei, conservarea energiei, securitatea, schimbul și comunicarea informațiilor și monitorizarea mediului. 6-10

dezvoltarea

Deși cercetările recente au înregistrat progrese remarcabile în stabilirea rețelelor eficiente de alimentare cu energie și a sistemelor de alimentare de înaltă performanță, această cercetare se confruntă în continuare cu câteva provocări cheie care rămân mult în urma aplicațiilor IoE. Până în prezent, au existat multe articole de revizuire excelente referitoare la fundamentele și dezvoltarea bateriilor reîncărcabile, supercondensatorilor, a celulelor solare și a altor surse de alimentare, care nu sunt discutate în detaliu în prezenta revizuire. 16-19 Această revizuire intenționează să evidențieze unele provocări și progrese atât pentru sistemele de alimentare cu energie, cât și pentru unitățile lor, pentru a îndeplini cerințele pentru dezvoltarea IoE. În plus, sunt oferite câteva direcții promițătoare pentru facilitarea dezvoltării sistemelor de alimentare cu energie în aplicațiile IoE. Prezentăm discuțiile noastre după cum urmează: (a) proiectarea sistemelor inteligente de alimentare cu energie pentru rețeaua IoE în ceea ce privește interconectarea fără fir, integrarea de recoltare/stocare a energiei și gestionarea energiei; (b) dezvoltarea unităților de alimentare cu energie în ceea ce privește densitatea energiei, durata de viață și capacitatea de auto-alimentare; și (c) evaluarea generală a sistemelor de alimentare cu energie atât la nivel de sistem, cât și de unitate din rețeaua IoE.

2 SISTEME DE ALIMENTARE PENTRU IoE

Odată cu apariția IoE, care își propune să realizeze o societate hiperconectată prin colectarea și schimbul de informații bilaterale între milioane de dispozitive conectate la Internet, este foarte necesară dezvoltarea unui sistem de alimentare cu energie electrică care să servească drept motor principal. 20 Diferite de sistemele actuale de energie și energie, sistemele de alimentare cu energie pentru IoE se confruntă cu o revoluție pentru a satisface cerințele globale de energie, care trebuie să fie mai sigure, mai fiabile, mai rezistente și mai durabile. Pentru a îndeplini aceste cerințe, conexiunea wireless inovatoare, integrarea bine concepută a recoltării și stocării energiei și gestionarea eficientă a energiei la sistemele de alimentare cu energie sunt esențiale pentru dezvoltarea IoE.

2.1 Conexiune wireless

2.2 Integrarea colectării și stocării energiei

2.3 Managementul energiei

3 UNITĂȚI DE ALIMENTARE PENTRU IoE

Așa cum s-a menționat anterior, IoE oferă conectivitate în rețea pentru a realiza schimbul de informații și comunicări de orice cu Internet, inclusiv bunuri, clădiri, aparate, mașini, vehicule, plante, animale și ființe umane. 14 IoE devine o forță motrice cheie pentru dezvoltarea rapidă a industriei și a tehnologiei informației. 34 Ca componentă a inimii, fiecare unitate de alimentare din sistemele de alimentare cu energie joacă un rol semnificativ în motivarea dispozitivelor IoE, cum ar fi vehicule electrice/vehicule electrice hibride (HEV), calculatoare personale (PC-uri), instrumente medicale, surse de alimentare neîntreruptibile (UPS-uri) și telefoane mobile (Figura 3A). Unitățile de alimentare, cum ar fi bateriile reîncărcabile, supercondensatoarele, celulele solare și alte surse de alimentare, au fost revizuite și discutate în multe recenzii excelente, iar cititorii interesați se pot referi la literatura raportată anterior pentru detalii suplimentare. 16, 19, 39, 40 Prezenta revizuire se concentrează în principal pe provocările și progresul unităților de alimentare cu energie în ceea ce privește densitatea energiei, durata de viață și capacitatea de auto-putere de a îndeplini cerințele aplicațiilor IoE.

3.1 Densitatea energiei

3.2 Durata de viață

Designator/denumire comună Anod (electrod negativ) Catod (electrod pozitiv) Reîncărcabil Tensiune nominală (V) Durată de valabilitate/funcționare în ani (temperatura camerei) Cicluri de reîncărcare
CR Lee MnO2 Nu 3 10 -
BR Lee CFx Nu 3 10 -
ML Li - Al MnxOy da 3 10 1000
AA alcalin (LR6) Zn MnO2 Nu 1.5 7-10 -
AA litiu (FR6) Lee FeS2 Nu 1.5 20 -
Li ion (18650) C LiCoO2 da 3.6 5 500
Clorură de li tionil Lee SOCl2 Nu 3.6 20+ -
Film subțire în stare solidă Lee LiCoO2 da 3.8 20+ -
  • Abrevieri: BR, baterie de monede din carbon fluorurat cu litiu; CR, baterie monedă cu dioxid de litiu - mangan; ML, litiu de mangan.

3.3 Abilitatea de auto-putere

4 EVALUAREA SISTEMELOR DE ALIMENTARE PENTRU IOE

După cum sa menționat mai sus, succesul IoE va depinde în mod critic de progresul în dezvoltarea sistemelor eficiente de alimentare cu energie electrică. Datorită complexității sistemelor de alimentare cu energie și diversității interacțiunilor acestora cu aplicațiile, este imperativ să se furnizeze o evaluare generală a sistemelor de alimentare cu energie pentru a asigura continuitatea și calitatea surselor de alimentare. Mai mult, metodele de evaluare pot servi drept îndrumări ale aplicației pentru a se potrivi funcționării unor standarde specifice în diferite aplicații.

MULȚUMIRI

Această lucrare a fost susținută de Fundația Națională pentru Științe pentru Excelent Tânăr Academic (Nr. 51722403), Fundația Națională pentru Științe Naturale din China (Nr. 51771134). J.L. recunoaște cu recunoștință sprijinul din partea Departamentului Energiei din S.U.A. (DOE), Oficiului pentru Eficiență Energetică și Energie Regenerabilă, Biroul Tehnologiilor Vehiculelor. Laboratorul Național Argonne este operat pentru DOE Office of Science de UChicago Argonne, LLC, sub numărul contractului DE - AC02-06CH11357. Această lucrare a fost susținută și de Fundația pentru Științe Naturale Tianjin (Nr. 18JCJQJC46500), Fundația Națională pentru Științe Naturale din China și provincia Guangdong (Nr. U1601216) și Programul Național de Sprijin pentru Talentele Tinerilor.

CONFLICTUL DE INTERES

Autorii nu declară niciun conflict de interese.

Biografii

W enbin H u este profesor și decan al Școlii de Știința și Ingineria Materialelor de la Universitatea Tianjin. Înainte de a se alătura facultății de la Universitatea Tianjin, a lucrat ca profesor la Departamentul de Știința și Ingineria Materialelor de la Universitatea Shanghai Jiao Tong. A absolvit Universitatea Central - Sud cu o licență în 1988 și a primit MSc la Universitatea Tianjin în 1991. A primit doctoratul la Universitatea Central - Sud în 1994. Hu este membru al grupului de experți în materiale structurale și compozite avansate din noul domeniul materialelor din Programul 863 din China (Programul Național de Cercetare și Dezvoltare High-Tech). El a primit sprijinul de la Fundația Națională pentru Științe pentru Tinerii Savanți Distinși din China în 2011. Interesele de cercetare ale lui Hu se concentrează pe proiectarea, sinteza și caracterizarea micro/nanomaterialelor avansate pentru stocarea și conversia energiei în aplicații.

C heng Z hong este profesor la Școala de Știința și Ingineria Materialelor de la Universitatea Tianjin, membru al comitetului de conducere al Academiei Internaționale de Științe ale Energiei Electrochimice. Înainte de a se alătura Universității din Tianjin, a lucrat ca profesor asociat la Departamentul de Știința și Ingineria Materialelor de la Universitatea Shanghai Jiao Tong. A obținut licența și doctoratul în știința materialelor de la Universitatea Fudan în 2004 și, respectiv, în 2009. El a primit sprijinul de la Fundația Națională pentru Științe pentru tinerii cărturari excelenți și programul național de susținere a talentelor pentru tineri. Interesele sale recente de cercetare se concentrează pe metalurgia electrochimică și electrochimia bateriilor.

J un L u este chimist la Laboratorul Național Argonne. Interesele sale de cercetare se concentrează pe tehnologia de stocare și conversie a energiei electrochimice, cu un accent principal pe tehnologie dincolo de bateriile Li-ion. A obținut diploma de licență în fizică chimie de la Universitatea de Științe și Tehnologie din China (USTC) în 2000. Și-a finalizat doctoratul în Știința Materialelor de la Departamentul de Inginerie Metalurgică de la Universitatea din Utah în 2009. În urma unui postdoctorat DOE - EERE membru în cadrul Programului de tehnologie a vehiculelor, s-a alăturat Diviziei de Științe Chimice și Inginerie la Laboratorul Național Argonne ca chimist în 2015.