Спешната необходимост от намаляване на въглеродните емисии води до бързо преминаване към електрифициране на транспорта и разширяване на използването на слънчева и вятърна енергия в мрежата. Ако тези тенденции ескалират, както се очаква, необходимостта от по-добри методи за съхранение на електрическа енергия ще се засили.
Нуждаем се от всички стратегии, които можем да получим, за да се справим със заплахата от изменението на климата, казва д-р Елза Оливети, доцент по материалознание и инженерство в Esther and Harold E. Edgerton. Ясно е, че развитието на мрежови технологии за масово съхранение е от решаващо значение. Но за мобилни приложения - особено транспорт - много изследвания са насочени към адаптиране на днешнителитиево-йонни батериида бъдат по-безопасни, по-малки и способни да съхраняват повече енергия за техния размер и тегло.
Конвенционалните литиево-йонни батерии продължават да се подобряват, но техните ограничения остават, отчасти поради тяхната структура.Литиево-йонните батерии се състоят от два електрода, един положителен и един отрицателен, поставени в органична (съдържаща въглерод) течност. Когато батерията се зарежда и разрежда, заредените литиеви частици (или йони) преминават от единия електрод към другия през течния електролит.
Един проблем с този дизайн е, че при определени напрежения и температури течният електролит може да стане летлив и да се запали. Батериите като цяло са безопасни при нормална употреба, но рискът остава, казва д-р Kevin Huang Ph.D.'15, учен изследовател в групата на Olivetti.
Друг проблем е, че литиево-йонните батерии не са подходящи за използване в автомобили. Големите, тежки батерии заемат място, увеличават общото тегло на автомобила и намаляват горивната ефективност. Но се оказва трудно да се направят днешните литиево-йонни батерии по-малки и по-леки, като същевременно се запази тяхната енергийна плътност - количеството енергия, съхранявана на грам тегло.
За да решат тези проблеми, изследователите променят ключовите характеристики на литиево-йонните батерии, за да създадат изцяло твърда или твърда версия. Те заменят течния електролит в средата с тънък твърд електролит, който е стабилен в широк диапазон от напрежения и температури. С този твърд електролит те използваха положителен електрод с голям капацитет и отрицателен електрод от литиев метал с голям капацитет, който беше много по-малък от обикновения порест въглероден слой. Тези промени позволяват много по-малка цялостна клетка, като същевременно запазва капацитета си за съхранение на енергия, което води до по-висока енергийна плътност.
Тези функции - повишена безопасност и по-голяма енергийна плътност- са може би двете най-често рекламирани предимства на потенциалните твърдотелни батерии, но всички тези неща са насочени към бъдещето и са очаквани и не е задължително да бъдат постижими. Въпреки това, тази възможност кара много изследователи да се борят да намерят материалите и дизайна, които ще изпълнят това обещание.
Мислене отвъд лабораторията
Изследователите са измислили редица интригуващи сценарии, които изглеждат обещаващи в лабораторията. Но Оливети и Хуанг смятат, че предвид неотложността на предизвикателството, свързано с изменението на климата, допълнителни практически съображения може да са важни. Ние, изследователите, винаги разполагаме с показатели в лабораторията, за да оценим възможните материали и процеси, казва Оливети. Примерите могат да включват капацитет за съхранение на енергия и скорости на зареждане/разреждане. Но ако целта е внедряване, предлагаме добавяне на показатели, които конкретно се отнасят до потенциала за бързо мащабиране.
Материали и наличност
В света на твърдите неорганични електролити има два основни вида материали - оксиди, съдържащи кислород, и сулфиди, съдържащи сяра. Танталът се произвежда като страничен продукт от добива на калай и ниобий. Исторически данни показват, че производството на тантал е по-близо до потенциалния максимум, отколкото това на германий по време на добива на калай и ниобий. Следователно наличието на тантал е по-голямо безпокойство за възможното увеличаване на клетките, базирани на LLZO.
Въпреки това, знанието за наличието на даден елемент в земята не разрешава стъпките, необходими, за да попадне в ръцете на производителите. Следователно изследователите проучиха допълнителен въпрос относно веригата за доставки на ключови елементи - добив, преработка, рафиниране, транспортиране и т.н. Ако приемем, че има изобилие от предлагане, може ли веригата за доставки за доставка на тези материали да бъде разширена достатъчно бързо, за да посрещне нарастващия търсене на батерии?
В извадков анализ те разгледаха колко ще трябва да расте веригата за доставки на германий и тантал всяка година, за да осигури батерии за планирания през 2030 г. парк от електрически превозни средства. Като пример, парк от електрически превозни средства, често цитиран като цел за 2030 г., ще трябва да произведе достатъчно батерии, за да осигури общо 100 гигаватчаса енергия. За постигането на тази цел, използвайки само LGPS батерии, веригата за доставки на германий ще трябва да нарасне с 50% годишно - голямо усилие, тъй като максималният темп на растеж е бил около 7% в миналото. Използвайки само клетки LLZO, веригата за доставки на тантал ще трябва да нарасне с около 30% - темп на растеж доста над историческия максимум от около 10%.
Тези примери показват колко е важно да се вземе предвид наличността на материала и веригата за доставки, когато се оценява потенциалът за увеличаване на мащаба на различни твърди електролити, казва Хуанг: Дори ако количеството на даден материал не е проблем, както в случая с германия, увеличаването на всички стъпките във веригата на доставки, за да съответстват на производството на бъдещи електрически превозни средства, може да изискват темп на растеж, който е практически безпрецедентен.
Материали и обработка
Друг фактор, който трябва да се вземе предвид при оценката на потенциала за мащабируемост на дизайна на батерията, е трудността на производствения процес и въздействието, което може да има върху разходите. Неизбежно има много стъпки, включени в производството на твърда батерия и неуспехът на която и да е стъпка увеличава цената на всяка успешно произведена клетка.
Като заместител на производствените трудности, Olivetti, Ceder и Huang проучиха влиянието на процента на отказ върху общата цена на избрани дизайни на твърдотелни батерии в тяхната база данни. В един пример те се фокусираха върху оксида LLZO. LLZO е много крехък и големите листове, достатъчно тънки, за да се използват във високопроизводителни твърдотелни батерии, вероятно ще се напукат или изкривят при високите температури, включени в производствения процес.
За да определят отражението върху разходите от такива повреди, те симулираха четирите ключови стъпки на обработка, включени в сглобяването на LLZO клетки. На всяка стъпка те изчисляват разходите въз основа на предполагаем добив, т.е. съотношението на общите клетки, които са обработени успешно без неуспех. За LLZO, добивът е много по-нисък, отколкото за другите проекти, които са изучавали; освен това, тъй като добивът намаля, цената на киловатчас (kWh) клетъчна енергия се увеличи значително. Например, когато 5% повече клетки бяха добавени към крайната стъпка на нагряване на катода, цената се увеличи с около $30/kWh - незначителна промяна, като се има предвид, че общоприетата целева цена за такива клетки е $100/kWh. Ясно е, че производствените трудности могат да имат дълбоко въздействие върху осъществимостта на широкомащабното приемане на дизайна.
Време на публикуване: септември 09-2022 г