Итната потреба за намалување на емисиите на јаглерод предизвикува брз чекор кон електрифицирање на транспортот и проширување на распоредувањето на соларната и ветерната енергија на мрежата. Доколку овие трендови ескалираат како што се очекува, потребата за подобри методи за складирање на електрична енергија ќе се интензивира.
Ни требаат сите стратегии што можеме да ги добиеме за да се справиме со заканата од климатските промени, вели д-р Елса Оливети, вонреден професор по наука и инженерство за материјали во Естер и Харолд Е. Еџертон. Јасно е дека развојот на технологии за масовно складирање базирани на мрежа е од клучно значење. Но, за мобилните апликации - особено транспортот - многу истражувања се фокусирани на прилагодување на денешнителитиум-јонски батериида бидат побезбедни, помали и способни да складираат повеќе енергија за нивната големина и тежина.
Конвенционалните литиум-јонски батерии продолжуваат да се подобруваат, но нивните ограничувања остануваат, делумно поради нивната структура.Литиум-јонските батерии се состојат од две електроди, една позитивна и една негативна, сместени во органска течност (која содржи јаглерод). Кога батеријата се полни и испразнува, наполнетите литиумски честички (или јони) се пренесуваат од едната до другата електрода преку течниот електролит.
Еден проблем со овој дизајн е што при одредени напони и температури, течниот електролит може да стане испарлив и да се запали. Батериите се генерално безбедни при нормална употреба, но ризикот останува, вели д-р Кевин Хуанг Ph.D.'15, истражувачки научник во групата на Оливети.
Друг проблем е што литиум-јонските батерии не се погодни за употреба во автомобили. Големите, тешки батерии зафаќаат простор, ја зголемуваат вкупната тежина на возилото и ја намалуваат ефикасноста на горивото. Но, се покажува тешко да се направат денешните литиум-јонски батерии помали и полесни додека се одржува нивната енергетска густина - количината на енергија складирана по грам тежина.
За да ги решат овие проблеми, истражувачите ги менуваат клучните карактеристики на литиум-јонските батерии за да создадат целосно цврста или цврста верзија. Тие го заменуваат течниот електролит во средината со тенок цврст електролит кој е стабилен на широк опсег на напони и температури. Со овој цврст електролит, тие користеле позитивна електрода со висок капацитет и негативна електрода со метален литиум со висок капацитет, која била далеку помалку дебела од вообичаениот порозен јаглероден слој. Овие промени овозможуваат многу помала вкупна ќелија додека го одржуваат нејзиниот капацитет за складирање енергија, што резултира со поголема густина на енергија.
Овие карактеристики - зголемена безбедност и поголема густина на енергија- се веројатно двете најчесто рекламирани придобивки од потенцијалните батерии со цврста состојба, но сепак сите овие работи се напредни и на кои се надеваме, и не мора да се остварат. Сепак, оваа можност има многу истражувачи кои се обидуваат да ги најдат материјалите и дизајните што ќе го исполнат ова ветување.
Размислување надвор од лабораторијата
Истражувачите дошле до голем број интригантни сценарија кои изгледаат ветувачки во лабораторија. Но, Оливети и Хуанг веруваат дека со оглед на итноста на предизвикот со климатските промени, дополнителни практични размислувања може да бидат важни. Ние истражувачите секогаш имаме метрика во лабораторијата за да ги процениме можните материјали и процеси, вели Оливети. Примерите може да вклучуваат капацитет за складирање енергија и стапки на полнење/празнење. Но, ако целта е имплементација, предлагаме да додадете метрика што конкретно се однесуваат на потенцијалот за брзо скалирање.
Материјали и достапност
Во светот на цврстите неоргански електролити, постојат два главни типа на материјал - оксиди кои содржат кислород и сулфиди кои содржат сулфур. Танталот се произведува како нуспроизвод од ископувањето на калај и ниобиум. Историските податоци покажуваат дека производството на тантал е поблиску до потенцијалниот максимум од она на германиум за време на ископувањето на калај и ниобиум. Затоа, достапноста на тантал е поголема грижа за можното зголемување на клетките базирани на LLZO.
Сепак, познавањето на достапноста на елементот во земјата не ги решава чекорите потребни за да се добие во рацете на производителите. Затоа, истражувачите истражуваа следно прашање за синџирот на снабдување на клучните елементи - рударство, преработка, рафинирање, транспорт итн. Ако се претпостави дека има изобилство, дали синџирот на снабдување за испорака на овие материјали може да се прошири доволно брзо за да одговори на растечката побарувачка за батерии?
Во анализата на примерокот, тие разгледаа колку синџирот на снабдување за германиум и тантал ќе треба да расте од година во година за да обезбеди батерии за проектираната флота на електрични возила во 2030 година. Како пример, флота од електрични возила, кои често се наведуваат како цел за 2030 година, ќе треба да произведе доволно батерии за да обезбеди вкупно 100 гигават часови енергија. За да се постигне оваа цел, користејќи само LGPS батерии, синџирот на снабдување со германиум ќе треба да расте за 50% од година во година - што е можно повеќе, бидејќи максималната стапка на раст беше околу 7% во минатото. Користејќи само LLZO ќелии, синџирот на снабдување за тантал ќе треба да порасне за околу 30% - стапка на раст многу над историскиот максимум од околу 10%.
Овие примери ја покажуваат важноста да се земе предвид достапноста на материјалот и синџирот на снабдување кога се проценува потенцијалот за зголемување на скалирањето на различни цврсти електролити, вели Хуанг: Дури и ако количината на материјалот не е проблем, како во случајот со германиумот, зголемувањето на сите чекорите во синџирот на снабдување за да одговараат на производството на идните електрични возила може да бараат стапка на раст што е практично без преседан.
Материјали и обработка
Друг фактор што треба да се земе предвид при проценка на потенцијалот за приспособливост на дизајнот на батеријата е тешкотијата на процесот на производство и влијанието што може да го има врз цената. Неизбежно има многу чекори вклучени во производството на батерија со цврста состојба, а неуспехот на кој било чекор ја зголемува цената на секоја успешно произведена ќелија.
Како посредник за тешкотиите во производството, Оливети, Седер и Хуанг го истражуваа влијанието на стапката на неуспех врз вкупните трошоци на избраните дизајни на батерии во цврста состојба во нивната база на податоци. Во еден пример, тие се фокусираа на оксидот LLZO. LLZO е многу кршлив и големите листови доволно тенки за да се користат во цврсти батерии со високи перформанси, најверојатно ќе пукнат или искриват на високите температури вклучени во процесот на производство.
За да ги утврдат импликациите на трошоците од таквите неуспеси, тие ги симулираа четирите клучни чекори за обработка вклучени во составувањето на LLZO ќелиите. На секој чекор, тие го пресметуваа трошокот врз основа на претпоставениот принос, односно процентот на вкупните клетки кои беа успешно обработени без неуспех. За LLZO, приносот беше многу помал отколку за другите дизајни што ги проучуваа; згора на тоа, како што приносот се намалуваше, цената по киловат-час (kWh) енергија на ќелијата значително се зголеми. На пример, кога се додадени 5% повеќе ќелии на последниот чекор за загревање на катодата, цената се зголеми за околу 30 $/kWh - незначителна промена имајќи предвид дека општо прифатената целна цена за такви ќелии е 100 $/kWh. Јасно е дека тешкотиите во производството може да имаат големо влијание врз изводливоста на усвојувањето на дизајнот во големи размери.
Време на објавување: 09-09-2022 година