Die dringende behoefte om koolstofvrystellings te verminder, dryf 'n vinnige skuif na die elektrifisering van vervoer en die uitbreiding van die ontplooiing van son- en windkrag op die netwerk.As hierdie neigings eskaleer soos verwag word, sal die behoefte aan beter metodes om elektriese energie te berg, toeneem.
Ons het al die strategieë nodig wat ons kan kry om die bedreiging van klimaatsverandering aan te spreek, sê dr Elsa Olivetti, 'n medeprofessor in materiaalwetenskap en ingenieurswese by Esther en Harold E. Edgerton.Dit is duidelik dat die ontwikkeling van roostergebaseerde massabergingstegnologieë van kardinale belang is.Maar vir mobiele toepassings - veral vervoer - is baie navorsing gefokus op die aanpassing van vandag s'nlitium-ioon batteryeom veiliger, kleiner te wees en meer energie vir hul grootte en gewig te stoor.
Konvensionele litium-ioonbatterye verbeter steeds, maar hul beperkings bly, deels as gevolg van hul struktuur.Litium-ioonbatterye bestaan uit twee elektrodes, een positief en een negatief, wat in 'n organiese (koolstofbevattende) vloeistof vasgebind is.Wanneer die battery gelaai en ontlaai word, word gelaaide litiumdeeltjies (of -ione) van een elektrode na die ander deur die vloeibare elektroliet gevoer.
Een probleem met hierdie ontwerp is dat die vloeibare elektroliet by sekere spannings en temperature vlugtig kan raak en vlam vat.Die batterye is oor die algemeen veilig onder normale gebruik, maar die risiko bly, sê dr Kevin Huang Ph.D.'15, 'n navorsingswetenskaplike in Olivetti se groep.
Nog ’n probleem is dat litiumioonbatterye nie geskik is vir gebruik in motors nie.Groot, swaar batterypakke neem ruimte op, verhoog die algehele gewig van die voertuig en verminder brandstofdoeltreffendheid.Maar dit blyk moeilik te wees om vandag se litiumioonbatterye kleiner en ligter te maak terwyl hul energiedigtheid behou word – die hoeveelheid energie wat per gram gewig gestoor word.
Om hierdie probleme op te los, verander navorsers die sleutelkenmerke van litium-ioonbatterye om 'n heeltemal vaste, of vaste toestand, weergawe te skep.Hulle vervang die vloeibare elektroliet in die middel met 'n dun soliede elektroliet wat stabiel is oor 'n wye reeks spannings en temperature.Met hierdie soliede elektroliet het hulle 'n hoë-kapasiteit positiewe elektrode en 'n hoë-kapasiteit litiummetaal negatiewe elektrode gebruik wat baie minder dik was as die gewone poreuse koolstoflaag.Hierdie veranderinge maak voorsiening vir 'n baie kleiner algehele sel terwyl sy energiebergingskapasiteit behou word, wat 'n hoër energiedigtheid tot gevolg het.
Hierdie kenmerke - verbeterde veiligheid en groter energiedigtheid- is waarskynlik die twee mees algemene voordele van potensiële vastestofbatterye, maar al hierdie dinge is vooruitskouend en gehoop, en nie noodwendig haalbaar nie.Nietemin laat hierdie moontlikheid baie navorsers skarrel om die materiale en ontwerpe te vind wat hierdie belofte sal nakom.
Dink verder as die laboratorium
Navorsers het met 'n aantal interessante scenario's vorendag gekom wat in die laboratorium belowend lyk.Maar Olivetti en Huang glo dat, gegewe die dringendheid van die uitdaging van klimaatsverandering, bykomende praktiese oorwegings belangrik kan wees.Ons navorsers het altyd metrieke in die laboratorium om moontlike materiale en prosesse te evalueer, sê Olivetti.Voorbeelde kan energiebergingskapasiteit en laai-/ontladingstempo insluit.Maar as die doel implementering is, stel ons voor dat statistieke bygevoeg word wat spesifiek die potensiaal vir vinnige skaal aanspreek.
Materiaal en beskikbaarheid
In die wêreld van soliede anorganiese elektroliete is daar twee hooftipes materiaal - oksiede wat suurstof bevat en sulfiede wat swael bevat.Tantaal word geproduseer as 'n neweproduk van die ontginning van tin en niobium.Historiese data toon dat die produksie van tantaal nader aan die potensiële maksimum is as dié van germanium tydens die ontginning van tin en niobium.Die beskikbaarheid van tantaal is dus 'n groter bekommernis vir die moontlike opskaling van LLZO-gebaseerde selle.
Om die beskikbaarheid van 'n element in die grond te ken, los egter nie die stappe op wat nodig is om dit in die hande van vervaardigers te kry nie.Die navorsers het dus 'n opvolgvraag oor die verskaffingsketting van sleutelelemente ondersoek - mynbou, verwerking, raffinering, vervoer, ens. As daar 'n oorvloedige aanbod is, kan die voorsieningsketting vir die lewering van hierdie materiale vinnig genoeg uitgebrei word om die groeiende vraag na batterye?
In 'n steekproefontleding het hulle gekyk hoeveel die voorsieningsketting vir germanium en tantaal jaar op jaar sal moet groei om batterye vir die geprojekteerde 2030-vloot van elektriese voertuie te voorsien.As 'n voorbeeld, 'n vloot elektriese voertuie, wat dikwels as 'n teiken vir 2030 genoem word, sal genoeg batterye moet produseer om 'n totaal van 100 gigawatt-ure se energie te verskaf.Om hierdie doel te bereik, deur slegs LGPS-batterye te gebruik, sal die germanium-voorsieningsketting jaar op jaar met 50% moet groei - 'n rukkie, aangesien die maksimum groeikoers in die verlede ongeveer 7% was.Deur slegs LLZO-selle te gebruik, sal die voorsieningsketting vir tantaal met ongeveer 30% moet groei - 'n groeikoers ver bo die historiese maksimum van ongeveer 10%.
Hierdie voorbeelde toon die belangrikheid daarvan om materiaalbeskikbaarheid en die voorsieningsketting in ag te neem wanneer die opskaalpotensiaal van verskillende vaste elektroliete beoordeel word, sê Huang: Selfs al is die hoeveelheid van 'n materiaal nie 'n probleem nie, soos in die geval van germanium, moet alle die stappe in die voorsieningsketting om by die produksie van toekomstige elektriese voertuie te pas, kan 'n groeikoers vereis wat feitlik ongekend is.
Materiale en verwerking
Nog 'n faktor wat in ag geneem moet word wanneer die skaalbaarheidspotensiaal van 'n batteryontwerp beoordeel word, is die moeilikheid van die vervaardigingsproses en die impak wat dit op koste kan hê.Daar is onvermydelik baie stappe betrokke by die vervaardiging van 'n vastestofbattery, en die mislukking van enige stap verhoog die koste van elke suksesvol vervaardigde sel.
As 'n volmag vir vervaardigingsprobleme, het Olivetti, Ceder en Huang die impak van die mislukkingsyfer op die totale koste van geselekteerde vaste-toestand battery-ontwerpe in hul databasis ondersoek.In een voorbeeld het hulle gefokus op die oksied LLZO.LLZO is baie bros en groot velle wat dun genoeg is om in hoëwerkverrigting vaste toestand batterye te gebruik sal waarskynlik kraak of kromtrek by die hoë temperature betrokke by die vervaardigingsproses.
Om die koste-implikasies van sulke mislukkings te bepaal, het hulle die vier sleutelverwerkingstappe gesimuleer wat betrokke is by die samestelling van LLZO-selle.By elke stap het hulle die koste bereken op grond van 'n veronderstelde opbrengs, dit wil sê die verhouding van die totale selle wat suksesvol verwerk is sonder om te misluk.Vir LLZO was die opbrengs baie laer as vir die ander ontwerpe wat hulle bestudeer het;boonop, namate die opbrengs afgeneem het, het die koste per kilowatt-uur (kWh) van selenergie aansienlik toegeneem.Byvoorbeeld, toe 5% meer selle by die finale katodeverhittingstap gevoeg is, het die koste met sowat $30/kWh toegeneem – 'n weglaatbare verandering as in ag geneem word dat die algemeen aanvaarde teikenkoste vir sulke selle $100/kWh is.Dit is duidelik dat vervaardigingsprobleme 'n groot impak kan hê op die haalbaarheid van grootskaalse aanvaarding van die ontwerp.
Postyd: Sep-09-2022