Нагальна потреба скоротити викиди вуглецю спонукає до швидкого переходу до електрифікації транспорту та розширення використання сонячної та вітрової енергії в мережі.Якщо ці тенденції загострюватимуться, як очікується, потреба в кращих методах зберігання електроенергії посилиться.
Нам потрібні всі стратегії, які ми можемо отримати, щоб подолати загрозу зміни клімату, каже доктор Ельза Оліветті, доцент кафедри матеріалознавства та інженерії Естер і Гарольда Е. Еджертона.Очевидно, що розробка мережевих технологій зберігання даних має вирішальне значення.Але для мобільних додатків - особливо транспорту - багато досліджень зосереджено на адаптації сьогоденнялітій-іонні акумуляторибути безпечнішими, меншими та здатними накопичувати більше енергії для свого розміру та ваги.
Звичайні літій-іонні акумулятори продовжують удосконалюватися, але їх обмеження залишаються, частково через їх структуру.Літій-іонні акумулятори складаються з двох електродів, одного позитивного та одного негативного, поміщених в органічну (вуглецевмісну) рідину.Коли акумулятор заряджається та розряджається, заряджені частинки (або іони) літію переходять від одного електрода до іншого через рідкий електроліт.
Однією з проблем цієї конструкції є те, що за певних напруг і температур рідкий електроліт може стати летючим і загорітися.Батареї загалом безпечні за нормального використання, але ризик залишається, каже доктор Кевін Хуанг Ph.D.'15, науковий співробітник групи Оліветті.
Ще одна проблема полягає в тому, що літій-іонні акумулятори не підходять для використання в автомобілях.Великі важкі акумуляторні батареї займають простір, збільшують загальну вагу автомобіля та знижують економію палива.Але виявляється важко зробити сучасні літій-іонні батареї меншими та легшими, зберігаючи їх щільність енергії – кількість енергії, що зберігається на грам ваги.
Щоб вирішити ці проблеми, дослідники змінюють ключові характеристики літій-іонних батарей, щоб створити повністю твердотільну або твердотільну версію.Вони замінюють рідкий електроліт у середині тонким твердим електролітом, стабільним у широкому діапазоні напруг і температур.З цим твердим електролітом вони використовували високоємний позитивний електрод і високоємний літієвий негативний електрод, який був набагато меншим за товщину звичайного пористого вуглецевого шару.Ці зміни дозволяють створити набагато меншу загальну комірку, зберігаючи її здатність накопичувати енергію, що призводить до вищої щільності енергії.
Ці особливості - підвищена безпека і більша щільність енергії– це, мабуть, дві найбільш рекламовані переваги потенційних твердотільних акумуляторів, але всі ці речі спрямовані в майбутнє та сподіваються, і не обов’язково досяжні.Тим не менш, ця можливість спонукає багатьох дослідників намагатися знайти матеріали та конструкції, які виправдають цю обіцянку.
Мислення за межами лабораторії
Дослідники придумали низку інтригуючих сценаріїв, які виглядають багатообіцяючими в лабораторії.Але Оліветті та Хуанг вважають, що враховуючи актуальність проблеми зміни клімату, додаткові практичні міркування можуть бути важливими.Ми, дослідники, завжди маємо в лабораторії показники, щоб оцінити можливі матеріали та процеси, — каже Оліветті.Приклади можуть включати ємність накопичувача енергії та швидкість заряду/розряду.Але якщо метою є впровадження, ми пропонуємо додати показники, які конкретно стосуються потенціалу швидкого масштабування.
Матеріали та наявність
У світі твердих неорганічних електролітів існує два основних типи матеріалів - оксиди, що містять кисень, і сульфіди, що містять сірку.Тантал виробляється як побічний продукт видобутку олова та ніобію.Історичні дані показують, що виробництво танталу ближче до потенційного максимуму, ніж виробництво германію під час видобутку олова та ніобію.Тому доступність танталу викликає більше занепокоєння щодо можливого збільшення клітин на основі LLZO.
Однак знання про наявність елемента в землі не вирішує кроків, необхідних для того, щоб отримати його в руки виробників.Тому дослідники досліджували наступне питання про ланцюжок постачання ключових елементів – видобуток, переробка, переробка, транспортування тощо. Якщо припустити, що існує велика пропозиція, чи можна ланцюг постачання для доставки цих матеріалів розширити досить швидко, щоб відповідати зростаючим потребам. попит на акумулятори?
Під час аналізу вибірки вони розглянули, наскільки ланцюжок постачання германію та танталу повинен буде зростати з року в рік, щоб забезпечити акумуляторами для запланованого на 2030 рік парку електромобілів.Наприклад, парк електромобілів, який часто називають цільовим показником до 2030 року, повинен буде виробляти достатню кількість акумуляторів, щоб забезпечити загалом 100 гігават годин енергії.Щоб досягти цієї мети, використовуючи лише батареї LGPS, ланцюжок постачання германію повинен був би зрости на 50% щорічно – це дуже довго, оскільки максимальний темп зростання становив близько 7% у минулому.Використовуючи лише клітини LLZO, ланцюжок постачання танталу повинен був би зрости приблизно на 30% - темпи зростання значно перевищують історичний максимум приблизно на 10%.
Ці приклади показують важливість врахування доступності матеріалу та ланцюга постачання під час оцінки потенціалу збільшення різних твердих електролітів, каже Хуан: Навіть якщо кількість матеріалу не є проблемою, як у випадку з германієм, масштабування всіх кроки в ланцюжку постачання, щоб відповідати виробництву майбутніх електромобілів, можуть вимагати темпів зростання, які є фактично безпрецедентними.
Матеріали та обробка
Іншим фактором, який слід враховувати при оцінці потенціалу масштабованості конструкції батареї, є складність виробничого процесу та вплив, який він може мати на вартість.Виробництво твердотільної батареї неминуче включає багато етапів, і невдача будь-якого етапу збільшує вартість кожного успішно виготовленого елемента.
Оліветті, Седер і Хуанг дослідили вплив частоти відмов на загальну вартість вибраних конструкцій твердотільних акумуляторів у своїй базі даних як проксі для складності виробництва.В одному прикладі вони зосередилися на оксиді LLZO.LLZO є дуже крихким, і великі листи, достатньо тонкі для використання у високопродуктивних твердотільних батареях, можуть тріснути або деформуватися під час високих температур, пов’язаних із виробничим процесом.
Щоб визначити вартість таких несправностей, вони змоделювали чотири ключові етапи обробки, пов’язані зі складанням клітин LLZO.На кожному кроці вони розраховували вартість на основі передбачуваного виходу, тобто частки всіх клітин, які були успішно оброблені без збоїв.Для LLZO вихід був набагато нижчим, ніж для інших конструкцій, які вони вивчали;крім того, у міру зниження продуктивності вартість кіловат-години (кВт-год) енергії клітини значно зросла.Наприклад, коли на останньому етапі нагрівання катода було додано на 5% більше елементів, вартість зросла приблизно на 30 доларів США/кВт-год – незначна зміна, враховуючи, що загальноприйнятою цільовою ціною для таких елементів є 100 доларів США/кВт-год.Очевидно, що виробничі труднощі можуть серйозно вплинути на доцільність широкомасштабного впровадження дизайну.
Час публікації: 09 вересня 2022 р