Naliehavá potreba znížiť emisie uhlíka vedie k rýchlemu posunu smerom k elektrifikácii dopravy a rozšíreniu nasadenia solárnej a veternej energie do siete.Ak budú tieto trendy eskalovať podľa očakávania, potreba lepších spôsobov skladovania elektrickej energie sa zintenzívni.
Potrebujeme všetky stratégie, ktoré môžeme získať na riešenie hrozby zmeny klímy, hovorí Dr. Elsa Olivetti, docentka materiálovej vedy a inžinierstva na Esther a Harold E. Edgerton.Je zrejmé, že rozvoj technológií veľkokapacitného ukladania na báze siete je kľúčový.V prípade mobilných aplikácií – najmä dopravy – sa však veľa výskumov zameriava na prispôsobenie sa dnešnýmlítium-iónové batérieaby boli bezpečnejšie, menšie a schopné uchovať viac energie na svoju veľkosť a hmotnosť.
Bežné lítium-iónové batérie sa neustále zlepšujú, ale ich obmedzenia zostávajú, čiastočne kvôli ich štruktúre.Lítium-iónové batérie pozostávajú z dvoch elektród, jednej pozitívnej a jednej negatívnej, vložených do organickej kvapaliny (obsahujúcej uhlík).Keď je batéria nabitá a vybitá, nabité lítiové častice (alebo ióny) prechádzajú z jednej elektródy na druhú cez kvapalný elektrolyt.
Jedným z problémov tohto dizajnu je, že pri určitých napätiach a teplotách sa tekutý elektrolyt môže stať prchavým a vznietiť sa.Batérie sú pri bežnom používaní vo všeobecnosti bezpečné, ale riziko zostáva, hovorí Dr Kevin Huang Ph.D.'15, vedecký pracovník v Olivettiho skupine.
Ďalším problémom je, že lítium-iónové batérie nie sú vhodné na použitie v automobiloch.Veľké a ťažké akumulátory zaberajú miesto, zvyšujú celkovú hmotnosť vozidla a znižujú spotrebu paliva.Ukazuje sa však, že je ťažké urobiť dnešné lítium-iónové batérie menšie a ľahšie pri zachovaní ich energetickej hustoty – množstva energie uloženej na gram hmotnosti.
Na vyriešenie týchto problémov výskumníci menia kľúčové vlastnosti lítium-iónových batérií, aby vytvorili úplne pevnú alebo polovodičovú verziu.Nahrádzajú tekutý elektrolyt v strede tenkým pevným elektrolytom, ktorý je stabilný v širokom rozsahu napätí a teplôt.S týmto pevným elektrolytom použili vysokokapacitnú pozitívnu elektródu a vysokokapacitnú lítiovú kovovú negatívnu elektródu, ktorá bola oveľa menej hrubá ako bežná porézna uhlíková vrstva.Tieto zmeny umožňujú oveľa menšiu celkovú bunku pri zachovaní jej kapacity na uchovávanie energie, čo vedie k vyššej hustote energie.
Tieto vlastnosti - zvýšená bezpečnosť a väčšia hustota energie- sú pravdepodobne dve najčastejšie uvádzané výhody potenciálnych polovodičových batérií, ale všetky tieto veci sú perspektívne a očakávané, a nie sú nevyhnutne dosiahnuteľné.Napriek tomu sa pri tejto možnosti veľa výskumníkov snaží nájsť materiály a návrhy, ktoré splnia tento sľub.
Myslenie mimo laboratória
Výskumníci prišli s množstvom zaujímavých scenárov, ktoré v laboratóriu vyzerajú sľubne.Olivetti a Huang sa však domnievajú, že vzhľadom na naliehavosť problému zmeny klímy môžu byť dôležité ďalšie praktické úvahy.My výskumníci máme v laboratóriu vždy metriky na vyhodnotenie možných materiálov a procesov, hovorí Olivetti.Príklady môžu zahŕňať kapacitu skladovania energie a rýchlosť nabíjania/vybíjania.Ak je však cieľom implementácia, odporúčame pridať metriky, ktoré špecificky riešia potenciál rýchleho škálovania.
Materiály a dostupnosť
Vo svete pevných anorganických elektrolytov existujú dva hlavné typy materiálov - oxidy obsahujúce kyslík a sulfidy obsahujúce síru.Tantal sa vyrába ako vedľajší produkt pri ťažbe cínu a nióbu.Historické údaje ukazujú, že produkcia tantalu je pri ťažbe cínu a nióbu bližšie k potenciálnemu maximu ako produkcia germánia.Dostupnosť tantalu je preto väčším problémom pre možné rozšírenie buniek na báze LLZO.
Poznanie dostupnosti prvku v zemi však nerieši kroky potrebné na to, aby sa dostal do rúk výrobcov.Výskumníci preto skúmali nasledujúcu otázku o dodávateľskom reťazci kľúčových prvkov – ťažby, spracovania, rafinácie, prepravy atď. dopyt po batériách?
Vo vzorovej analýze sa zamerali na to, o koľko by dodávateľský reťazec pre germánium a tantal musel z roka na rok rásť, aby dodal batérie pre plánovaný vozový park elektrických vozidiel do roku 2030.Napríklad flotila elektrických vozidiel, často uvádzaná ako cieľ do roku 2030, by potrebovala vyrobiť dostatok batérií, aby poskytla celkovo 100 gigawatthodín energie.Na dosiahnutie tohto cieľa, s použitím iba LGPS batérií, by dodávateľský reťazec germánia musel medziročne narásť o 50 % – čo je úsek, keďže maximálna miera rastu bola v minulosti okolo 7 %.Ak by sa použili iba články LLZO, dodávateľský reťazec pre tantal by musel rásť o približne 30 % – čo je miera rastu výrazne nad historickým maximom okolo 10 %.
Tieto príklady ukazujú, aké dôležité je zvážiť dostupnosť materiálu a dodávateľský reťazec pri posudzovaní potenciálu zväčšovania rôznych pevných elektrolytov, hovorí Huang: Aj keď množstvo materiálu nie je problém, ako v prípade germánia, zväčšiť kroky v dodávateľskom reťazci, aby sa prispôsobili výrobe budúcich elektrických vozidiel, si môžu vyžadovať tempo rastu, ktoré je prakticky bezprecedentné.
Materiály a spracovanie
Ďalším faktorom, ktorý treba zvážiť pri hodnotení potenciálu škálovateľnosti konštrukcie batérie, je náročnosť výrobného procesu a vplyv, ktorý môže mať na náklady.Pri výrobe polovodičovej batérie je nevyhnutne veľa krokov a zlyhanie ktoréhokoľvek kroku zvyšuje náklady na každý úspešne vyrobený článok.
Olivetti, Ceder a Huang ako zástupný znak výrobných ťažkostí skúmali vplyv chybovosti na celkové náklady vybraných návrhov polovodičových batérií v ich databáze.V jednom príklade sa zamerali na oxid LLZO.LLZO je veľmi krehký a veľké listy dostatočne tenké na to, aby sa dali použiť vo vysokovýkonných batériách v tuhom stave, pravdepodobne prasknú alebo sa zdeformujú pri vysokých teplotách, ktoré sú súčasťou výrobného procesu.
Na určenie nákladových dôsledkov takýchto porúch simulovali štyri kľúčové kroky spracovania, ktoré sa podieľajú na montáži článkov LLZO.V každom kroku vypočítali náklady na základe predpokladaného výnosu, tj podielu celkových buniek, ktoré boli úspešne spracované bez zlyhania.V prípade LLZO bol výnos oveľa nižší ako v prípade iných návrhov, ktoré skúmali;okrem toho, keď sa výnos znížil, náklady na kilowatthodinu (kWh) energie článku sa výrazne zvýšili.Napríklad, keď sa do konečného kroku zahrievania katódy pridalo o 5 % viac článkov, náklady sa zvýšili o približne 30 USD/kWh – zanedbateľná zmena vzhľadom na to, že všeobecne akceptované cieľové náklady na takéto články sú 100 USD/kWh.Je zrejmé, že výrobné ťažkosti môžu mať hlboký vplyv na uskutočniteľnosť rozsiahleho prijatia dizajnu.
Čas odoslania: september 09-2022