Hitna potreba za smanjenjem emisija ugljika pokreće brzi korak ka elektrificiranju transporta i širenju primjene solarne i vjetroelektrane na mreži.Ako ovi trendovi budu eskalirali prema očekivanjima, potreba za boljim metodama skladištenja električne energije će se pojačati.
Potrebne su nam sve strategije koje možemo dobiti da bismo se suočili s prijetnjom klimatskih promjena, kaže dr. Elsa Olivetti, vanredni profesor nauke o materijalima i inženjerstva na Esther i Harold E. Edgertonu.Jasno je da je razvoj tehnologija masovnog skladištenja podataka zasnovanih na mreži ključan.Ali za mobilne aplikacije - posebno transport - mnoga istraživanja su usmjerena na prilagođavanje današnjihlitijum-jonske baterijeda budu sigurniji, manji i sposobni da skladište više energije za svoju veličinu i težinu.
Konvencionalne litijum-jonske baterije nastavljaju da se poboljšavaju, ali njihova ograničenja ostaju, delom zbog njihove strukture.Litijum-jonske baterije se sastoje od dvije elektrode, jedne pozitivne i jedne negativne, u sendviču u organskoj tekućini (koja sadrži ugljik).Kada se baterija puni i prazni, nabijene čestice litija (ili ioni) prolaze s jedne elektrode na drugu kroz tekući elektrolit.
Jedan od problema s ovim dizajnom je da pri određenim naponima i temperaturama tekući elektrolit može postati isparljiv i zapaliti se.Baterije su generalno sigurne pod normalnom upotrebom, ali rizik ostaje, kaže dr Kevin Huang Ph.D.'15, naučnik u Olivettijevoj grupi.
Drugi problem je što litijum-jonske baterije nisu pogodne za upotrebu u automobilima.Veliki, teški akumulatori zauzimaju prostor, povećavaju ukupnu težinu vozila i smanjuju potrošnju goriva.Ali pokazalo se da je teško učiniti današnje litijum-jonske baterije manjim i lakšim, a da pritom zadržimo njihovu energetsku gustinu – količinu energije pohranjene po gramu težine.
Kako bi riješili ove probleme, istraživači mijenjaju ključne karakteristike litijum-jonskih baterija kako bi stvorili potpuno čvrstu ili poluprovodnu verziju.Oni zamjenjuju tekući elektrolit u sredini tankim čvrstim elektrolitom koji je stabilan u širokom rasponu napona i temperatura.S ovim čvrstim elektrolitom koristili su pozitivnu elektrodu velikog kapaciteta i negativnu elektrodu od litij metala velikog kapaciteta koja je bila daleko manje debela od uobičajenog poroznog sloja ugljika.Ove promjene omogućavaju mnogo manju ukupnu ćeliju uz zadržavanje njenog kapaciteta skladištenja energije, što rezultira većom gustinom energije.
Ove karakteristike - povećana sigurnost i veća gustoća energije- su vjerovatno dvije najčešće hvaljene prednosti potencijalnih solid-state baterija, ali sve ove stvari su okrenute budućnosti i kojima se nadamo, a ne nužno i ostvarive.Ipak, ova mogućnost nagoni mnoge istraživače koji se trude da pronađu materijale i dizajn koji će ispuniti ovo obećanje.
Razmišljanje izvan laboratorija
Istraživači su došli do brojnih intrigantnih scenarija koji izgledaju obećavajuće u laboratoriji.Ali Olivetti i Huang vjeruju da s obzirom na hitnost izazova klimatskih promjena, dodatna praktična razmatranja mogu biti važna.Mi istraživači uvijek imamo metriku u laboratoriji za procjenu mogućih materijala i procesa, kaže Olivetti.Primjeri mogu uključivati kapacitet skladištenja energije i stope punjenja/pražnjenja.Ali ako je cilj implementacija, predlažemo dodavanje metrike koja se posebno bavi potencijalom za brzo skaliranje.
Materijali i dostupnost
U svijetu čvrstih anorganskih elektrolita postoje dvije glavne vrste materijala - oksidi koji sadrže kisik i sulfidi koji sadrže sumpor.Tantal se proizvodi kao nusproizvod iskopavanja kalaja i niobija.Istorijski podaci pokazuju da je proizvodnja tantala bliža potencijalnom maksimumu od germanijuma tokom iskopavanja kalaja i niobija.Dostupnost tantala je stoga veća briga za moguće povećanje ćelija zasnovanih na LLZO.
Međutim, poznavanje dostupnosti elementa u tlu ne rješava korake potrebne da se dođe u ruke proizvođača.Istraživači su stoga istražili naknadno pitanje o lancu snabdijevanja ključnih elemenata - rudarstvo, prerada, rafinacija, transport, itd. Pod pretpostavkom da postoji obilna ponuda, može li se lanac snabdijevanja za isporuku ovih materijala dovoljno brzo proširiti da zadovolji rastuće potražnja za baterijama?
U analizi uzorka, ispitali su koliko bi lanac snabdijevanja germanijumom i tantalom trebao rasti iz godine u godinu da bi se obezbijedile baterije za predviđenu flotu električnih vozila za 2030.Kao primjer, flota električnih vozila, koja se često navodi kao cilj za 2030. godinu, trebala bi proizvesti dovoljno baterija da osigura ukupno 100 gigavat sati energije.Da bi se postigao ovaj cilj, koristeći samo LGPS baterije, lanac snabdijevanja germanijumom bi trebao rasti za 50% na godišnjoj razini - što je korak, jer je maksimalna stopa rasta u prošlosti bila oko 7%.Koristeći samo LLZO ćelije, lanac snabdijevanja tantalom bi trebao porasti za oko 30% - stopa rasta znatno iznad istorijskog maksimuma od oko 10%.
Ovi primjeri pokazuju važnost razmatranja dostupnosti materijala i lanca opskrbe prilikom procjene potencijala povećanja različitih čvrstih elektrolita, kaže Huang: Čak i ako količina materijala nije problem, kao u slučaju germanija, povećanje svih koraci u lancu nabavke koji će odgovarati proizvodnji budućih električnih vozila mogu zahtijevati stopu rasta koja je gotovo bez presedana.
Materijali i obrada
Još jedan faktor koji treba uzeti u obzir pri procjeni potencijala skalabilnosti dizajna baterije je poteškoća proizvodnog procesa i utjecaj koji može imati na cijenu.Postoji neizbježno mnogo koraka uključenih u proizvodnju solid-state baterije, a neuspjeh bilo kojeg koraka povećava cijenu svake uspješno proizvedene ćelije.
Kao proxy za poteškoće u proizvodnji, Olivetti, Ceder i Huang istraživali su utjecaj stope kvarova na ukupnu cijenu odabranih dizajna solid-state baterija u njihovoj bazi podataka.U jednom primjeru, fokusirali su se na oksid LLZO.LLZO je vrlo krhak i veliki listovi dovoljno tanki da se koriste u čvrstim baterijama visokih performansi vjerovatno će popucati ili iskriviti se na visokim temperaturama uključenim u proizvodni proces.
Da bi odredili troškove takvih kvarova, simulirali su četiri ključna koraka obrade uključenih u sastavljanje LLZO ćelija.U svakom koraku izračunavali su trošak na osnovu pretpostavljenog prinosa, odnosno udjela ukupnih ćelija koje su uspješno obrađene bez greške.Za LLZO, prinos je bio mnogo manji nego za druge dizajne koje su proučavali;štaviše, kako se prinos smanjivao, cijena po kilovat-satu (kWh) ćelijske energije značajno je porasla.Na primjer, kada je 5% više ćelija dodano završnom koraku zagrijavanja katode, trošak se povećao za oko 30 USD/kWh - zanemarljiva promjena s obzirom na to da je općenito prihvaćeni ciljni trošak za takve ćelije 100 USD/kWh.Jasno je da poteškoće u proizvodnji mogu imati dubok uticaj na izvodljivost širokog usvajanja dizajna.
Vrijeme objave: Sep-09-2022