Det presserende behovet for å redusere karbonutslipp driver et raskt trekk mot å elektrifisere transport og utvide bruken av sol- og vindkraft på nettet.Hvis disse trendene eskalerer som forventet, vil behovet for bedre metoder for lagring av elektrisk energi øke.
Vi trenger alle strategiene vi kan få for å møte trusselen om klimaendringer, sier Dr Elsa Olivetti, førsteamanuensis i materialvitenskap og ingeniørfag ved Esther og Harold E. Edgerton.Det er klart at utviklingen av nettbaserte masselagringsteknologier er avgjørende.Men for mobile applikasjoner - spesielt transport - er mye forskning fokusert på å tilpasse dagenslitium-ion-batterierå være tryggere, mindre og i stand til å lagre mer energi for størrelse og vekt.
Konvensjonelle litium-ion-batterier fortsetter å forbedre seg, men deres begrensninger gjenstår, delvis på grunn av deres struktur.Litium-ion-batterier består av to elektroder, en positiv og en negativ, plassert i en organisk (karbonholdig) væske.Når batteriet lades og utlades, føres ladede litiumpartikler (eller ioner) fra den ene elektrode til den andre gjennom den flytende elektrolytten.
Et problem med denne utformingen er at ved visse spenninger og temperaturer kan den flytende elektrolytten bli flyktig og ta fyr.Batteriene er generelt trygge ved normal bruk, men risikoen består, sier Dr. Kevin Huang Ph.D.'15, en forsker i Olivettis gruppe.
Et annet problem er at litium-ion-batterier ikke egner seg for bruk i biler.Store, tunge batteripakker tar opp plass, øker kjøretøyets totalvekt og reduserer drivstoffeffektiviteten.Men det har vist seg vanskelig å gjøre dagens litium-ion-batterier mindre og lettere samtidig som energitettheten opprettholdes – mengden energi som lagres per gram vekt.
For å løse disse problemene endrer forskere nøkkelfunksjonene til litium-ion-batterier for å lage en helsolid- eller solid-state-versjon.De erstatter den flytende elektrolytten i midten med en tynn fast elektrolytt som er stabil over et bredt spekter av spenninger og temperaturer.Med denne solide elektrolytten brukte de en positiv elektrode med høy kapasitet og en negativ litiummetallelektrode med høy kapasitet som var langt mindre tykk enn det vanlige porøse karbonlaget.Disse endringene tillater en mye mindre total celle samtidig som den opprettholder sin energilagringskapasitet, noe som resulterer i en høyere energitetthet.
Disse funksjonene - økt sikkerhet og større energitetthet- er sannsynligvis de to mest omtalte fordelene med potensielle solid-state-batterier, men alle disse tingene er fremtidsrettede og håpet på, og ikke nødvendigvis oppnåelige.Ikke desto mindre har denne muligheten mange forskere som strever med å finne materialene og designene som vil innfri dette løftet.
Tenker utover laboratoriet
Forskere har kommet opp med en rekke spennende scenarier som ser lovende ut i laboratoriet.Men Olivetti og Huang mener at gitt hvor presserende klimautfordringen er, kan ytterligere praktiske hensyn være viktige.Vi forskere har alltid metrikk i laboratoriet for å vurdere mulige materialer og prosesser, sier Olivetti.Eksempler kan omfatte energilagringskapasitet og lade-/utladningshastigheter.Men hvis målet er implementering, foreslår vi å legge til beregninger som spesifikt adresserer potensialet for rask skalering.
Materialer og tilgjengelighet
I en verden av faste uorganiske elektrolytter er det to hovedtyper av materialer - oksyderholdige oksygenholdige oksider og svovelholdige sulfider.Tantal produseres som et biprodukt fra utvinning av tinn og niob.Historiske data viser at produksjonen av tantal er nærmere det potensielle maksimum enn for germanium under utvinning av tinn og niob.Tilgjengeligheten av tantal er derfor en større bekymring for mulig oppskalering av LLZO-baserte celler.
Men å vite tilgjengeligheten av et element i bakken løser ikke trinnene som kreves for å få det i hendene på produsentene.Forskerne undersøkte derfor et oppfølgingsspørsmål om forsyningskjeden av nøkkelelementer - gruvedrift, prosessering, raffinering, transport osv. Forutsatt at det er rikelig forsyning, kan forsyningskjeden for levering av disse materialene utvides raskt nok til å møte den voksende forsyningen. etterspørsel etter batterier?
I en prøveanalyse så de på hvor mye forsyningskjeden for germanium og tantal ville trenge å vokse år for år for å skaffe batterier til den anslåtte 2030-flåten av elektriske kjøretøy.Som et eksempel vil en flåte av elektriske kjøretøy, ofte nevnt som et mål for 2030, måtte produsere nok batterier til å gi totalt 100 gigawattimer med energi.For å nå dette målet, ved å bruke bare LGPS-batterier, må germaniumforsyningskjeden vokse med 50 % fra år til år – en strekning, siden den maksimale vekstraten har vært rundt 7 % tidligere.Ved å bruke bare LLZO-celler, vil forsyningskjeden for tantal måtte vokse med rundt 30 % – en vekstrate godt over det historiske maksimumet på rundt 10 %.
Disse eksemplene viser viktigheten av å vurdere materialtilgjengelighet og forsyningskjeden når man vurderer oppskaleringspotensialet til forskjellige faste elektrolytter, sier Huang: Selv om mengden av et materiale ikke er et problem, som i tilfellet med germanium, skalerer man opp alle trinnene i forsyningskjeden for å matche produksjonen av fremtidige elbiler kan kreve en vekstrate som er praktisk talt enestående.
Materialer og bearbeiding
En annen faktor å vurdere når man vurderer skalerbarhetspotensialet til et batteridesign, er vanskeligheten med produksjonsprosessen og innvirkningen den kan ha på kostnadene.Det er uunngåelig mange trinn involvert i produksjonen av et solid-state-batteri, og svikt i ethvert trinn øker kostnadene for hver vellykket produsert celle.
Som en proxy for produksjonsvansker undersøkte Olivetti, Ceder og Huang virkningen av feilfrekvensen på de totale kostnadene for utvalgte solid-state batteridesign i databasen deres.I ett eksempel fokuserte de på oksidet LLZO.LLZO er svært sprø og store ark som er tynne nok til å brukes i solid state-batterier med høy ytelse vil sannsynligvis sprekke eller deformeres ved de høye temperaturene som er involvert i produksjonsprosessen.
For å bestemme kostnadsimplikasjonene av slike feil, simulerte de de fire viktige behandlingstrinnene som er involvert i å sette sammen LLZO-celler.Ved hvert trinn beregnet de kostnaden basert på antatt utbytte, dvs. andelen av totale celler som ble behandlet uten feil.For LLZO var utbyttet mye lavere enn for de andre designene de studerte;dessuten, ettersom utbyttet gikk ned, økte kostnaden per kilowatt-time (kWh) av celleenergi betydelig.For eksempel, når 5 % flere celler ble lagt til det siste katodeoppvarmingstrinnet, økte kostnaden med ca. $30/kWh - en ubetydelig endring tatt i betraktning at den generelt aksepterte målkostnaden for slike celler er $100/kWh.Det er klart at produksjonsvansker kan ha en dyp innvirkning på gjennomførbarheten av storskala bruk av designet.
Innleggstid: 09-09-2022