Dėl neatidėliotinos būtinybės mažinti anglies dvideginio išmetimą sparčiai pereinama prie transporto elektrifikavimo ir saulės bei vėjo energijos panaudojimo tinkle.Jei šios tendencijos padidės, kaip tikėtasi, geresnių elektros energijos kaupimo būdų poreikis sustiprės.
Mums reikia visų strategijų, kurias galime gauti, kad pašalintume klimato kaitos grėsmę, sako dr. Elsa Olivetti, Esther ir Harold E. Edgerton medžiagų mokslo ir inžinerijos docentė.Akivaizdu, kad tinkle pagrįstų masinės saugojimo technologijų plėtra yra labai svarbi.Tačiau mobiliųjų programų, ypač transporto, srityje daugelis tyrimų yra sutelkti į šių dienų pritaikymąličio jonų baterijoskad būtų saugesni, mažesni ir galėtų sukaupti daugiau energijos pagal savo dydį ir svorį.
Įprastos ličio jonų baterijos ir toliau tobulėja, tačiau jų apribojimai išlieka, iš dalies dėl jų struktūros.Ličio jonų baterijas sudaro du elektrodai, vienas teigiamas ir vienas neigiamas, įterpti į organinį (anglies turintį) skystį.Kai akumuliatorius įkraunamas ir iškraunamas, įkrautos ličio dalelės (arba jonai) per skystą elektrolitą perduodamos iš vieno elektrodo į kitą.
Viena iš šio dizaino problemų yra ta, kad esant tam tikrai įtampai ir temperatūrai skystas elektrolitas gali tapti lakus ir užsidegti.Baterijos paprastai yra saugios normaliai naudojant, tačiau rizika išlieka, sako daktaras Kevinas Huangas, Ph.D.'15, Olivetti grupės mokslininkas.
Kita bėda – ličio jonų akumuliatoriai netinka naudoti automobiliuose.Dideli, sunkūs akumuliatorių blokai užima vietą, padidina bendrą transporto priemonės svorį ir sumažina degalų efektyvumą.Tačiau sunku padaryti šiandienines ličio jonų baterijas mažesnes ir lengvesnes išlaikant jų energijos tankį – energijos kiekį, sukauptą vienam svorio gramui.
Norėdami išspręsti šias problemas, mokslininkai keičia pagrindines ličio jonų baterijų savybes, kad sukurtų visiškai kietą arba kietojo kūno versiją.Jie pakeičia viduryje esantį skystą elektrolitą plonu kietu elektrolitu, kuris yra stabilus įvairiuose įtampos ir temperatūrų diapazonuose.Su šiuo kietu elektrolitu jie naudojo didelės talpos teigiamą elektrodą ir didelės talpos ličio metalo neigiamą elektrodą, kuris buvo daug mažesnis nei įprastas akytas anglies sluoksnis.Šie pokyčiai leidžia sukurti daug mažesnę bendrą ląstelę, išlaikant energijos kaupimo pajėgumus, todėl energijos tankis yra didesnis.
Šios savybės – padidintas saugumas ir didesnis energijos tankis- tikriausiai yra du dažniausiai reklamuojami potencialių kietojo kūno baterijų pranašumai, tačiau visi šie dalykai yra į ateitį orientuoti ir tikimasi, ir nebūtinai pasiekiami.Nepaisant to, dėl šios galimybės daugelis tyrinėtojų ieško medžiagų ir dizaino, kurie ištesės šį pažadą.
Mąstymas už laboratorijos ribų
Tyrėjai sugalvojo daugybę intriguojančių scenarijų, kurie laboratorijoje atrodo daug žadantys.Tačiau Olivetti ir Huangas mano, kad atsižvelgiant į klimato kaitos iššūkio skubumą, gali būti svarbūs papildomi praktiniai sumetimai.Mes, mokslininkai, laboratorijoje visada turime metriką, kad įvertintume galimas medžiagas ir procesus, sako Olivetti.Pavyzdžiai gali būti energijos kaupimo talpa ir įkrovimo / iškrovimo rodikliai.Tačiau jei tikslas yra įgyvendinti, siūlome pridėti metriką, kuri konkrečiai atsižvelgia į greito mastelio keitimo galimybę.
Medžiagos ir prieinamumas
Kietųjų neorganinių elektrolitų pasaulyje yra du pagrindiniai medžiagų tipai – oksidai, kuriuose yra deguonies, ir sulfidai, kuriuose yra sieros.Tantalas gaminamas kaip alavo ir niobio kasybos šalutinis produktas.Istoriniai duomenys rodo, kad alavo ir niobio kasybos metu tantalo gamyba yra arčiau potencialaus maksimumo nei germanio.Todėl tantalo prieinamumas kelia didesnį susirūpinimą dėl galimo LLZO pagrindu veikiančių ląstelių mastelio.
Tačiau žinant, ar elementas yra žemėje, neišsprendžia veiksmų, kurių reikia norint jį patekti į gamintojų rankas.Todėl mokslininkai ištyrė tolesnį klausimą apie pagrindinių elementų tiekimo grandinę – kasybą, perdirbimą, rafinavimą, transportavimą ir kt. Darant prielaidą, kad tiekimas yra gausus, ar šių medžiagų tiekimo grandinę galima pakankamai greitai išplėsti, kad atitiktų augančius poreikius. baterijų paklausa?
Atliekant imties analizę, jie ištyrė, kiek germanio ir tantalo tiekimo grandinė turėtų augti kiekvienais metais, kad būtų galima aprūpinti baterijas numatomam 2030 m. elektromobilių parkui.Pavyzdžiui, elektromobilių parkas, dažnai minimas kaip tikslas iki 2030 m., turėtų pagaminti pakankamai baterijų, kad iš viso suteiktų 100 gigavatvalandžių energijos.Norint pasiekti šį tikslą, naudojant tik LGPS baterijas, germanio tiekimo grandinė kasmet turėtų augti 50 % – tai yra ruožas, nes anksčiau didžiausias augimo tempas buvo apie 7 %.Naudojant tik LLZO elementus, tantalo tiekimo grandinė turėtų augti maždaug 30 % – augimo tempas gerokai viršija istorinį maksimalų maždaug 10 %.
Šie pavyzdžiai rodo, kaip svarbu atsižvelgti į medžiagų prieinamumą ir tiekimo grandinę vertinant skirtingų kietųjų elektrolitų didinimo potencialą, sako Huangas: Net jei medžiagos kiekis nėra problema, kaip germanio atveju, reikia padidinti visą kiekį. tiekimo grandinės žingsniams, kad jie atitiktų būsimų elektromobilių gamybą, gali prireikti augimo tempo, kuris yra beveik precedento neturintis.
Medžiagos ir apdorojimas
Kitas veiksnys, į kurį reikia atsižvelgti vertinant akumuliatoriaus konstrukcijos mastelio keitimo potencialą, yra gamybos proceso sudėtingumas ir jo galimos įtakos sąnaudoms.Kietojo kūno akumuliatoriaus gamyboje neišvengiamai yra daug etapų, o bet kurio žingsnio gedimas padidina kiekvieno sėkmingai pagaminto elemento kainą.
Kaip gamybos sunkumų pavyzdį, Olivetti, Ceder ir Huang ištyrė gedimo dažnio įtaką pasirinktų kietojo kūno baterijų konstrukcijų bendroms išlaidoms savo duomenų bazėje.Viename pavyzdyje jie sutelkė dėmesį į oksidą LLZO.LLZO yra labai trapus, o dideli lakštai, pakankamai ploni, kad juos būtų galima naudoti didelio našumo kietojo kūno akumuliatoriuose, gali įtrūkti arba deformuotis esant aukštai temperatūrai, kuriai būdingas gamybos procesas.
Norėdami nustatyti tokių gedimų sąnaudas, jie modeliavo keturis pagrindinius apdorojimo etapus, susijusius su LLZO elementų surinkimu.Kiekviename etape jie apskaičiavo sąnaudas remdamiesi numanomu išeiga, ty visų ląstelių, kurios buvo sėkmingai apdorotos be gedimų, dalimi.LLZO išeiga buvo daug mažesnė nei kitų tirtų dizainų;be to, mažėjant derliui, elementų energijos kilovatvalandės (kWh) savikaina ženkliai išaugo.Pavyzdžiui, kai prie paskutinio katodo šildymo etapo buvo pridėta 5 % daugiau elementų, kaina padidėjo maždaug 30 USD/kWh – tai nereikšmingas pokytis, atsižvelgiant į tai, kad visuotinai priimta tokių elementų tikslinė kaina yra 100 USD/kWh.Akivaizdu, kad gamybos sunkumai gali turėti didelės įtakos galimybei pritaikyti dizainą plačiu mastu.
Paskelbimo laikas: 2022-09-09