Necesitatea urgentă de a reduce emisiile de carbon conduce la o mișcare rapidă către electrificarea transportului și extinderea desfășurării energiei solare și eoliene în rețea. Dacă aceste tendințe escaladează conform așteptărilor, nevoia de metode mai bune de stocare a energiei electrice se va intensifica.
Avem nevoie de toate strategiile pe care le putem obține pentru a aborda amenințarea schimbărilor climatice, spune dr. Elsa Olivetti, profesor asociat de știința materialelor și inginerie la Esther și Harold E. Edgerton. În mod clar, dezvoltarea tehnologiilor de stocare în masă bazate pe rețea este crucială. Dar pentru aplicațiile mobile - în special pentru transport - multe cercetări se concentrează pe adaptarea celor de astăzibaterii litiu-ionpentru a fi mai sigure, mai mici și capabile să stocheze mai multă energie pentru dimensiunea și greutatea lor.
Bateriile convenționale litiu-ion continuă să se îmbunătățească, dar limitările lor rămân, parțial datorită structurii lor.Bateriile litiu-ion constau din doi electrozi, unul pozitiv și unul negativ, introduși într-un lichid organic (conținând carbon). Când bateria este încărcată și descărcată, particulele de litiu încărcate (sau ionii) sunt trecute de la un electrod la altul prin electrolitul lichid.
O problemă cu acest design este că la anumite tensiuni și temperaturi, electrolitul lichid poate deveni volatil și poate lua foc. Bateriile sunt în general sigure în condiții normale de utilizare, dar riscul rămâne, spune dr. Kevin Huang Ph.D.'15, cercetător din grupul lui Olivetti.
O altă problemă este că bateriile litiu-ion nu sunt potrivite pentru utilizare în mașini. Bateriile mari și grele ocupă spațiu, măresc greutatea totală a vehiculului și reduc eficiența consumului de combustibil. Dar se dovedește dificil să faci bateriile litiu-ion de astăzi mai mici și mai ușoare, menținând în același timp densitatea de energie - cantitatea de energie stocată pe gram de greutate.
Pentru a rezolva aceste probleme, cercetătorii schimbă caracteristicile cheie ale bateriilor litiu-ion pentru a crea o versiune complet solidă sau cu stare solidă. Ele înlocuiesc electrolitul lichid din mijloc cu un electrolit solid subțire care este stabil pe o gamă largă de tensiuni și temperaturi. Cu acest electrolit solid, au folosit un electrod pozitiv de mare capacitate și un electrod negativ din metal litiu de mare capacitate, care era mult mai puțin gros decât stratul obișnuit de carbon poros. Aceste modificări permit o celulă generală mult mai mică, menținând în același timp capacitatea de stocare a energiei, rezultând o densitate de energie mai mare.
Aceste caracteristici - siguranță sporită și densitate energetică mai mare- sunt probabil cele două beneficii cel mai des promovate ale potențialelor baterii cu stare solidă, dar toate aceste lucruri sunt anticipate și sperate și nu neapărat realizabile. Cu toate acestea, această posibilitate îi face pe mulți cercetători să găsească materialele și modelele care vor îndeplini această promisiune.
Gândind dincolo de laborator
Cercetătorii au venit cu o serie de scenarii interesante care par promițătoare în laborator. Dar Olivetti și Huang cred că, având în vedere urgența provocării schimbărilor climatice, considerații practice suplimentare pot fi importante. Noi, cercetătorii, avem întotdeauna valori în laborator pentru a evalua posibilele materiale și procese, spune Olivetti. Exemplele ar putea include capacitatea de stocare a energiei și ratele de încărcare/descărcare. Dar dacă scopul este implementarea, vă sugerăm să adăugați valori care abordează în mod specific potențialul de scalare rapidă.
Materiale si disponibilitate
În lumea electroliților anorganici solizi, există două tipuri principale de materiale - oxizi care conțin oxigen și sulfuri care conțin sulf. Tantalul este produs ca produs secundar al exploatării staniului și niobiului. Datele istorice arată că producția de tantal este mai aproape de maximul potențial decât cea de germaniu în timpul exploatării staniului și niobiului. Disponibilitatea tantalului este, prin urmare, o preocupare mai mare pentru posibila extindere a celulelor pe bază de LLZO.
Cu toate acestea, cunoașterea disponibilității unui element în sol nu rezolvă pașii necesari pentru a-l ajunge în mâinile producătorilor. Prin urmare, cercetătorii au investigat o întrebare ulterioară despre lanțul de aprovizionare a elementelor cheie - minerit, procesare, rafinare, transport etc. Presupunând că există o aprovizionare abundentă, lanțul de aprovizionare pentru livrarea acestor materiale poate fi extins suficient de rapid pentru a face față creșterii cererea de baterii?
Într-o analiză eșantion, ei au analizat cât de mult ar avea nevoie pentru a crește an de an lanțul de aprovizionare pentru germaniu și tantal pentru a furniza baterii pentru flota de vehicule electrice proiectată pentru 2030. De exemplu, o flotă de vehicule electrice, adesea citată ca țintă pentru 2030, ar trebui să producă suficiente baterii pentru a furniza un total de 100 de gigawați oră de energie. Pentru a atinge acest obiectiv, folosind doar baterii LGPS, lanțul de aprovizionare cu germaniu ar trebui să crească cu 50% de la an la an - o întindere, deoarece rata maximă de creștere a fost de aproximativ 7% în trecut. Folosind doar celule LLZO, lanțul de aprovizionare pentru tantal ar trebui să crească cu aproximativ 30% - o rată de creștere cu mult peste maximul istoric de aproximativ 10%.
Aceste exemple arată importanța luării în considerare a disponibilității materialelor și a lanțului de aprovizionare atunci când se evaluează potențialul de extindere a diferiților electroliți solizi, spune Huang: Chiar dacă cantitatea unui material nu este o problemă, ca în cazul germaniului, extinderea tuturor pașii din lanțul de aprovizionare pentru a se potrivi cu producția de viitoare vehicule electrice pot necesita o rată de creștere care este practic fără precedent.
Materiale și prelucrare
Un alt factor de luat în considerare atunci când se evaluează potențialul de scalabilitate al unui design de baterie este dificultatea procesului de fabricație și impactul pe care îl poate avea asupra costurilor. Există inevitabil mulți pași implicați în fabricarea unei baterii cu stare solidă, iar eșecul oricărui pas crește costul fiecărei celule produse cu succes.
Ca proxy pentru dificultatea de fabricație, Olivetti, Ceder și Huang au explorat impactul ratei de eșec asupra costului total al modelelor de baterii cu stare solidă selectate în baza lor de date. Într-un exemplu, s-au concentrat pe oxidul LLZO. LLZO este foarte fragil, iar foile mari suficient de subțiri pentru a fi utilizate în bateriile cu stare solidă de înaltă performanță sunt susceptibile să se crape sau să se deformeze la temperaturile ridicate implicate în procesul de fabricație.
Pentru a determina implicațiile de cost ale unor astfel de defecțiuni, au simulat cei patru pași cheie de procesare implicați în asamblarea celulelor LLZO. La fiecare pas, ei au calculat costul pe baza unui randament presupus, adică proporția din totalul celulelor care au fost procesate cu succes fără eșec. Pentru LLZO, randamentul a fost mult mai mic decât pentru celelalte modele studiate; în plus, pe măsură ce randamentul a scăzut, costul pe kilowatt-oră (kWh) de energie celulară a crescut semnificativ. De exemplu, când s-au adăugat cu 5% mai multe celule la etapa finală de încălzire a catodului, costul a crescut cu aproximativ 30 USD/kWh - o schimbare neglijabilă având în vedere că costul țintă general acceptat pentru astfel de celule este de 100 USD/kWh. În mod clar, dificultățile de fabricație pot avea un impact profund asupra fezabilității adoptării pe scară largă a designului.
Ora postării: 09-09-2022