Pramonės naujienos

Geresnių akumuliatorių kūrimas elektromobiliams

2021-10-22

Tyrėjai svarsto medžiagas kietojo kūno baterijoms, todėl jie taip pat gali norėti apsvarstyti, kaip šios medžiagos galėtų paveikti didelio masto gamybą.

 

Nancy W. Stauffer | MIT energetikos iniciatyva


 

 

Neatidėliotinas poreikis sumažinti anglies dvideginio išmetimą skatina sparčiai pereiti prie elektrifikuoto mobilumo ir išplėsti saulės ir vėjo energijos naudojimą elektros tinkle. Jei šios tendencijos padidės, kaip tikėtasi, geresnių elektros energijos kaupimo būdų poreikis sustiprės.

 

„Mums reikia visų strategijų, kurias galime gauti, kad pašalintume klimato kaitos grėsmę“, – sako Elsa Olivetti, PhD â07, Esther ir Harold E. Edgerton medžiagų mokslo ir inžinerijos docentė. âAkivaizdu, kad labai svarbu kurti didelio masto tinklelio saugojimo technologijas. Tačiau mobiliosioms programoms, ypač transportui, daugelis tyrimų sutelkia dėmesį į šiandieninės ličio jonų baterijos pritaikymą, kad būtų sukurtos saugesnės, mažesnės ir galinčios sukaupti daugiau energijos pagal savo dydį ir svorį. ½

 

Tradicinės ličio jonų baterijos ir toliau tobulėja, tačiau jos turi trūkumų, kurie išlieka, iš dalies dėl jų struktūros. Ličio jonų akumuliatorių sudaro du elektrodai – vienas teigiamas ir vienas neigiamas – aplink organinį (anglies turintį) skystį. Įkraunant ir išsikraunant akumuliatorių, elektra įkrautos ličio dalelės (arba jonai) pereina iš vieno elektrodo į kitą per skystą elektrolitą.

 

Viena iš šio dizaino problemų yra ta, kad esant tam tikrai įtampai ir temperatūrai skystas elektrolitas gali tapti lakus ir užsidegti. „Akumuliatoriai paprastai yra saugūs normaliai naudojant, tačiau rizika vis tiek išlieka“, – sako Kevin Huang PhD â15, Olivetti grupės mokslininkas.

 

Kita problema yra ta, kad ličio jonų akumuliatoriai nėra tinkami naudoti transporto priemonėse. Dideli, sunkūs akumuliatorių blokai užima vietos ir padidina bendrą transporto priemonės svorį, sumažindami degalų naudojimo efektyvumą. Tačiau sunku padaryti šiandieninius ličio jonų akumuliatorius mažesnius ir lengvesnius išlaikant jų energijos tankį, ty energijos kiekį, kurį jie sukaupia vienam svorio gramui.

 

Kad išspręstų šias problemas, mokslininkai keičia pagrindines ličio jonų baterijos ypatybes, kad sukurtų visiškai kietą arba „kietojo kūno“ versiją. Jie pakeičia viduryje esantį skystą elektrolitą plonu, kietu elektrolitu, kuris yra stabilus esant įvairiai įtampai ir temperatūrai. Su šiuo kietu elektrolitu jie naudoja didelės talpos teigiamą elektrodą ir didelės talpos ličio metalo neigiamą elektrodą, kuris yra daug plonesnis nei įprastas porėtos anglies sluoksnis. Dėl šių pakeitimų galima gerokai sumažinti bendrą baterijos talpą, išlaikant jos energijos kaupimo talpą ir taip pasiekti didesnį energijos tankį.

 

„Tos funkcijos – didesnis saugumas ir didesnis energijos tankis – tikriausiai yra du dažniausiai skelbiami potencialaus kietojo kūno akumuliatoriaus pranašumai“, – sako Huangas. Tada jis greitai paaiškina, kad „visi šie dalykai yra perspektyvūs, tikėtini ir nebūtinai realizuoti“. Vis dėlto daugelis tyrinėtojų stengiasi rasti medžiagų ir dizainų, kurie galėtų įgyvendinti šį pažadą.

 

Mąstymas už laboratorijos ribų

Tyrėjai sugalvojo daug intriguojančių variantų, kurie laboratorijoje atrodo daug žadantys. Tačiau Olivetti ir Huangas mano, kad, atsižvelgiant į klimato kaitos iššūkio skubumą, gali būti svarbūs papildomi praktiniai sumetimai. „Visuomet yra metrikų, kurias mes, mokslininkai, naudojame laboratorijoje, kad įvertintume galimas medžiagas ir procesus“, – sako Olivetti. Pavyzdžiai gali būti energijos kaupimo talpa ir įkrovimo / iškrovimo greitis. Atliekant pagrindinius tyrimus, kuriuos ji laiko ir būtinais, ir svarbiais, šie rodikliai yra tinkami. „Tačiau jei tikslas yra diegimas, siūlome pridėti keletą metrikų, kurios konkrečiai skirtų greito mastelio keitimo potencialui“, – sako ji.

 

Remdamiesi pramonės patirtimi su dabartinėmis ličio jonų baterijomis, MIT mokslininkai ir jų kolega Gerbrand Ceder, Daniel M. Tellep inžinerijos profesorius iš Kalifornijos universiteto Berklyje, siūlo tris plačius klausimus, kurie gali padėti nustatyti galimus apribojimus. ateityje dėl medžiagų pasirinkimo. Pirma, ar naudojant tokį akumuliatoriaus dizainą, medžiagų prieinamumas, tiekimo grandinės ar kainų nepastovumas gali tapti problema didėjant gamybai? (Atkreipkite dėmesį, kad aplinkosaugos ir kitos problemos, kurias kelia išplėsta kasyba, nepatenka į šio tyrimo sritį.) Antra, ar gaminant baterijas iš šių medžiagų reikės sudėtingų gamybos etapų, kurių metu dalys gali sugesti? Ir trečia, ar gamybos priemonės, reikalingos norint užtikrinti aukštos kokybės gaminį, pagamintą iš šių medžiagų, galiausiai sumažina arba padidina pagamintų baterijų kainą?

 

Norėdami parodyti savo požiūrį, Olivetti, Ceder ir Huang ištyrė kai kurias elektrolitų chemines medžiagas ir akumuliatorių struktūras, kurias dabar tiria mokslininkai. Norėdami pasirinkti pavyzdžius, jie kreipėsi į ankstesnį darbą, kuriame jie ir jų bendradarbiai naudojo teksto ir duomenų gavybos metodus, kad surinktų informaciją apie literatūroje aprašytas medžiagas ir apdorojimo detales. Iš šios duomenų bazės jie pasirinko keletą dažnai pateikiamų variantų, kurie atspindi daugybę galimybių.

 

Medžiagos ir prieinamumas

Kietųjų neorganinių elektrolitų pasaulyje yra dvi pagrindinės medžiagų klasės – oksidai, kuriuose yra deguonies, ir sulfidai, kuriuose yra sieros. Olivetti, Ceder ir Huang sutelkė dėmesį į vieną perspektyvų elektrolito variantą kiekvienoje klasėje ir išnagrinėjo pagrindinius susirūpinimą keliančius elementus.

 

Jų manymu, sulfidas buvo LGPS, jungiantis litį, germanį, fosforą ir sierą. Atsižvelgiant į prieinamumą, jie daugiausia dėmesio skyrė germaniui – elementui, kuris iš dalies kelia susirūpinimą, nes jis paprastai nėra kasamas vienas. Vietoj to, tai šalutinis produktas, gaunamas kasant anglį ir cinką.

 

Norėdami ištirti jo prieinamumą, tyrėjai ištyrė, kiek germanio buvo pagaminta per pastaruosius šešis dešimtmečius kasmet anglies ir cinko gavybos metu, o vėliau – kiek buvo galima pagaminti. Rezultatas rodo, kad net pastaraisiais metais buvo galima pagaminti 100 kartų daugiau germanio. Atsižvelgiant į šį tiekimo potencialą, tikėtina, kad germanio prieinamumas neapribos kietojo kūno akumuliatoriaus, pagrįsto LGPS elektrolitu, masto.

 

Padėtis atrodė mažiau perspektyvi, kai mokslininkai pasirinko oksidą LLZO, kurį sudaro ličio, lantano, cirkonio ir deguonies. Lantano gavyba ir apdorojimas daugiausia sutelktas Kinijoje, o duomenų yra nedaug, todėl mokslininkai nebandė analizuoti jo prieinamumo. Kiti trys elementai yra gausiai prieinami. Tačiau praktiškai reikia pridėti nedidelį kiekį kito elemento, vadinamo priedais, kad LLZO būtų lengva apdoroti. Taigi komanda sutelkė dėmesį į tantalą, dažniausiai naudojamą priedą, kaip pagrindinį LLZO susirūpinimą keliantį elementą.

 

Tantalas gaminamas kaip alavo ir niobio kasybos šalutinis produktas. Istoriniai duomenys rodo, kad alavo ir niobio kasybos metu susidaręs tantalo kiekis buvo daug artimesnis potencialiam maksimumui nei germanio atveju. Taigi tantalo prieinamumas kelia didesnį susirūpinimą dėl galimo LLZO baterijos masto.

 

Tačiau žinant apie elemento prieinamumą žemėje, nereikia atlikti veiksmų, kurių reikia norint jį pristatyti gamintojui. Taigi mokslininkai ištyrė tolesnį klausimą, susijusį su svarbiausių elementų – kasybos, perdirbimo, rafinavimo, gabenimo ir pan. – tiekimo grandinėmis. Darant prielaidą, kad yra daug atsargų, ar tiekimo grandinės, tiekiančios šias medžiagas, gali plėstis pakankamai greitai, kad patenkintų augančią baterijų paklausą?

 

Atliekant pavyzdinę analizę, jie ištyrė, kiek germanio ir tantalo tiekimo grandinės turėtų augti kiekvienais metais, kad 2030 m. būtų galima aprūpinti baterijas numatomam elektromobilių parkui. Pavyzdžiui, elektromobilių parkas dažnai minimas kaip tikslas iki 2030 m. reikės pagaminti pakankamai baterijų, kad iš viso būtų galima tiekti 100 gigavatvalandžių energijos. Kad šis tikslas būtų pasiektas naudojant tik LGPS baterijas, germanio tiekimo grandinė kasmet turėtų augti 50 proc., t. Naudojant tik LLZO baterijas, tantalo tiekimo grandinė turėtų augti maždaug 30 procentų – augimo tempas gerokai viršija istorinį rekordą – apie 10 procentų.

 

Šie pavyzdžiai parodo, kaip svarbu atsižvelgti į medžiagų prieinamumą ir tiekimo grandines, kai vertinami skirtingi kietieji elektrolitai, siekiant padidinti jų potencialą. „Net kai turimos medžiagos kiekis nekelia susirūpinimo, kaip tai daroma germanio atveju, norint suderinti visus tiekimo grandinės etapus, kad jie atitiktų būsimą elektrinių transporto priemonių gamybą, gali prireikti augimo tempo, kuris yra tiesiogine prasme. precedento neturintis“, – sako Huangas.

 

Medžiagos ir apdorojimas

Vertinant baterijos konstrukcijos padidinimo galimybę, kitas veiksnys, į kurį reikia atsižvelgti, yra gamybos proceso sudėtingumas ir tai, kaip tai gali paveikti išlaidas. Kietojo kūno akumuliatoriaus gamyba neišvengiamai apima daugybę žingsnių, o gedimas bet kuriame etape padidina kiekvienos sėkmingai pagamintos baterijos kainą. Kaip paaiškina Huangas, „Jūs nesiunčiate tų sugedusių baterijų; išmesite juos. Bet jūs vis tiek išleidote pinigus medžiagoms, laikui ir apdorojimui

 

Kaip gamybos sunkumų pavyzdį, Olivetti, Ceder ir Huang ištyrė gedimo dažnio įtaką bendroms pasirinktų kietojo kūno baterijų konstrukcijų sąnaudoms savo duomenų bazėje. Viename pavyzdyje jie sutelkė dėmesį į oksidą LLZO. LLZO yra labai trapus, todėl esant aukštai gamyboje temperatūrai, didelis lakštas, kuris yra pakankamai plonas, kad jį būtų galima naudoti didelio našumo kietojo kūno akumuliatoriuje, gali įtrūkti arba deformuotis.

 

Norėdami nustatyti tokių gedimų įtaką sąnaudoms, jie sumodeliavo keturis pagrindinius apdorojimo etapus surenkant LLZO pagrindu veikiančias baterijas. Kiekviename etape jie apskaičiavo išlaidas, remdamiesi numanomu pajamingumu, ty visų vienetų, kurie buvo sėkmingai apdoroti be gedimų, dalimi. Naudojant LLZO, išeiga buvo daug mažesnė nei kitų nagrinėtų dizainų; ir, mažėjant derliui, kiekvienos baterijos energijos kilovatvalandės (kWh) savikaina ženkliai išaugo. Pavyzdžiui, kai per paskutinį katodo šildymo etapą sugedo 5 procentai daugiau įrenginių, kaina padidėjo maždaug 30 USD/kWh – tai nereikšmingas pokytis, atsižvelgiant į tai, kad bendrai priimta tikslinė tokių baterijų kaina yra 100 USD/kWh. Akivaizdu, kad gamybos sunkumai gali turėti didelės įtakos didelio masto pritaikymo dizaino gyvybingumui.

 

Medžiagos ir našumas

Vienas iš pagrindinių iššūkių kuriant visiškai vientisą akumuliatorių kyla dėl „sąsajos“ – tai yra, kai vienas komponentas susitinka su kitu. Gamybos ar eksploatacijos metu medžiagos tose sąsajose gali tapti nestabilios. „Atomai pradeda judėti ten, kur neturėtų būti, o akumuliatoriaus našumas mažėja“, – sako Huangas.

 

Dėl to daug tyrimų skirta skirtingų baterijų konstrukcijų sąsajų stabilizavimo metodams. Daugelis siūlomų metodų padidina našumą; ir dėl to akumuliatoriaus kaina doleriais už kWh mažėja. Tačiau įgyvendinant tokius sprendimus paprastai reikia papildomų medžiagų ir laiko, todėl didelės apimties gamybos metu padidėja kWh kaina.

 

Norėdami iliustruoti šį kompromisą, mokslininkai pirmiausia ištyrė savo oksidą LLZO. Čia tikslas yra stabilizuoti sąsają tarp LLZO elektrolito ir neigiamo elektrodo, įterpiant ploną alavo sluoksnį tarp jų. Jie išanalizavo poveikį – ir teigiamą, ir neigiamą – šio sprendimo įgyvendinimo sąnaudoms. Jie nustatė, kad alavo separatoriaus pridėjimas padidina energijos kaupimo pajėgumus ir pagerina našumą, o tai sumažina vieneto kainą doleriais / kWh. Tačiau skardos sluoksnio įtraukimo kaina viršija santaupas, todėl galutinė kaina yra didesnė už pradinę kainą.

 

Kitoje analizėje jie pažvelgė į sulfido elektrolitą, vadinamą LPSCl, kuris susideda iš ličio, fosforo ir sieros su šiek tiek chloro. Šiuo atveju teigiamas elektrodas apima elektrolito medžiagos daleles – tai būdas užtikrinti, kad ličio jonai galėtų rasti kelią per elektrolitą į kitą elektrodą. Tačiau pridėtos elektrolito dalelės nesuderinamos su kitomis dalelėmis teigiamame elektrode – tai dar viena sąsajos problema. Šiuo atveju standartinis sprendimas yra pridėti „rišiklio“, kitos medžiagos, dėl kurios dalelės suliptų.

 

Jų analizė patvirtino, kad be rišiklio našumas yra prastas, o LPSCl pagrindu pagamintos baterijos kaina yra daugiau nei 500 USD/kWh. Pridėjus rišiklio žymiai pagerėja našumas, o kaina sumažėja beveik 300 USD/kWh. Šiuo atveju rišiklio pridėjimo gamybos metu kaštai yra tokie maži, kad iš esmės yra realizuojamas visas sąnaudų sumažėjimas dėl rišiklio pridėjimo. Čia įdiegtas metodas sąsajos problemai išspręsti atsiperka mažesnėmis sąnaudomis.

 

Tyrėjai atliko panašius tyrimus su kitomis literatūroje aprašytomis perspektyviomis kietojo kūno baterijomis, o jų rezultatai buvo nuoseklūs: baterijų medžiagų ir procesų pasirinkimas gali turėti įtakos ne tik artimiausiems rezultatams laboratorijoje, bet ir jų gamybos galimybėms bei sąnaudoms. pasiūlyta kietojo kūno baterija tokiu mastu, kurio reikia būsimai paklausai patenkinti. Rezultatai taip pat parodė, kad svarbu atsižvelgti į visus tris veiksnius (prieinamumą, apdorojimo poreikius ir akumuliatoriaus našumą), nes gali atsirasti kolektyvinių efektų ir kompromisų.

 

Olivetti didžiuojasi daugybe problemų, kurias gali ištirti komandos požiūris. Tačiau ji pabrėžia, kad tai nėra skirta pakeisti tradicinę metriką, naudojamą medžiagų ir apdorojimo pasirinkimui laboratorijoje. „Vietoj to, jis skirtas papildyti tuos rodiklius, taip pat plačiai nagrinėjant įvairius dalykus, kurie gali trukdyti keisti mastelį“, – tai svarbus veiksnys, atsižvelgiant į tai, ką Huangas vadina „skubiai tiksinčiu laikrodžiu“. švarios energijos ir klimato kaitos.

 

Šį tyrimą palaikėPradinio fondo programaMIT Energy Initiative (MITEI)Mažai anglies dioksido į aplinką išskiriančios energijos centras energijos kaupimui; Shell, MITEI įkūrėjas; ir JAV Energetikos departamento Energijos efektyvumo ir atsinaujinančios energijos biuro Transporto priemonių technologijų biuras pagal Pažangių baterijų medžiagų tyrimų programą. Teksto gavybos darbus rėmė Nacionalinis mokslo fondas, Karinio jūrų laivyno tyrimų biuras ir MITEI.

 

Šis straipsnis rodomas2021 m. pavasarisMIT Energy Initiative žurnalo Energy Futures numerį.