Steidzamā nepieciešamība samazināt oglekļa emisijas veicina strauju virzību uz transporta elektrizēšanu un saules un vēja enerģijas izvēršanas paplašināšanu tīklā. Ja šīs tendences pieaugs, kā paredzēts, vajadzība pēc labākām elektroenerģijas uzglabāšanas metodēm pastiprināsies.
Mums ir vajadzīgas visas stratēģijas, ko mēs varam iegūt, lai novērstu klimata pārmaiņu draudus, saka Dr Elsa Olivetti, Esteres un Harolda E. Edgertona materiālu zinātnes un inženierzinātņu asociētais profesors. Skaidrs, ka uz tīklu balstītu lielapjoma uzglabāšanas tehnoloģiju attīstība ir ļoti svarīga. Taču attiecībā uz mobilajām lietojumprogrammām, īpaši transportam, daudzi pētījumi ir vērsti uz mūsdienu pielāgošanulitija jonu akumulatorilai būtu drošāki, mazāki un spētu uzkrāt vairāk enerģijas atbilstoši savam izmēram un svaram.
Tradicionālie litija jonu akumulatori turpina uzlaboties, taču to ierobežojumi joprojām pastāv, daļēji to struktūras dēļ.Litija jonu akumulatori sastāv no diviem elektrodiem, viens pozitīvs un viens negatīvs, iestiprināti organiskā (oglekli saturošā) šķidrumā. Kad akumulators ir uzlādēts un izlādējies, uzlādētas litija daļiņas (vai joni) caur šķidro elektrolītu tiek nodotas no viena elektroda uz otru.
Viena no šīs konstrukcijas problēmām ir tāda, ka pie noteiktiem spriegumiem un temperatūrām šķidrais elektrolīts var kļūt gaistošs un aizdegties. Baterijas parasti ir drošas parastā lietošanā, taču risks saglabājas, saka Dr Kevin Huang Ph.D.'15, pētnieks Olivetti grupā.
Vēl viena problēma ir tā, ka litija jonu akumulatori nav piemēroti lietošanai automašīnās. Lielie, smagie akumulatoru bloki aizņem vietu, palielina transportlīdzekļa kopējo svaru un samazina degvielas patēriņa efektivitāti. Taču ir grūti padarīt mūsdienu litija jonu akumulatorus mazākus un vieglākus, vienlaikus saglabājot to enerģijas blīvumu – enerģijas daudzumu, kas uzkrāts uz svara gramu.
Lai atrisinātu šīs problēmas, pētnieki maina litija jonu akumulatoru galvenās funkcijas, lai izveidotu visu cietvielu vai cietvielu versiju. Tie aizstāj šķidro elektrolītu vidū ar plānu cietu elektrolītu, kas ir stabils plašā sprieguma un temperatūras diapazonā. Izmantojot šo cieto elektrolītu, viņi izmantoja lielas ietilpības pozitīvo elektrodu un lielas ietilpības litija metāla negatīvo elektrodu, kas bija daudz mazāk biezs nekā parastais porainais oglekļa slānis. Šīs izmaiņas ļauj izveidot daudz mazāku kopējo šūnu, vienlaikus saglabājot tās enerģijas uzglabāšanas jaudu, kā rezultātā palielinās enerģijas blīvums.
Šīs īpašības - paaugstināta drošība un lielāks enerģijas blīvums-, iespējams, ir divi potenciālo cietvielu bateriju visizplatītākie ieguvumi, tomēr visas šīs lietas ir tālredzīgas un cerētas, un tās ne vienmēr ir sasniedzamas. Tomēr šī iespēja daudziem pētniekiem liek atrast materiālus un dizainus, kas pildīs šo solījumu.
Domāšana ārpus laboratorijas
Pētnieki ir nākuši klajā ar vairākiem intriģējošiem scenārijiem, kas laboratorijā izskatās daudzsološi. Taču Olivetti un Huangs uzskata, ka, ņemot vērā klimata pārmaiņu problēmas steidzamību, var būt svarīgi papildu praktiski apsvērumi. Mums, pētniekiem, laboratorijā vienmēr ir metrika, lai novērtētu iespējamos materiālus un procesus, saka Olivetti. Kā piemērus var minēt enerģijas uzglabāšanas jaudu un uzlādes/izlādes ātrumu. Bet, ja mērķis ir ieviešana, mēs iesakām pievienot metriku, kas īpaši attiecas uz ātras mērogošanas potenciālu.
Materiāli un pieejamība
Cieto neorganisko elektrolītu pasaulē ir divi galvenie materiālu veidi - skābekli saturoši oksīdi un sēru saturoši sulfīdi. Tantalu ražo kā alvas un niobija ieguves blakusproduktu. Vēsturiskie dati liecina, ka alvas un niobija ieguves laikā tantala ražošana ir tuvāk potenciālajam maksimumam nekā germānija. Tāpēc tantala pieejamība rada lielākas bažas par iespējamo LLZO bāzes šūnu palielināšanu.
Tomēr, zinot elementa pieejamību zemē, tas neatrisina darbības, kas jāveic, lai tas nonāktu ražotāju rokās. Tāpēc pētnieki pētīja papildu jautājumu par galveno elementu piegādes ķēdi — ieguvi, apstrādi, rafinēšanu, transportēšanu utt. Pieņemot, ka piedāvājums ir bagātīgs, vai šo materiālu piegādes ķēdi var paplašināt pietiekami ātri, lai apmierinātu pieaugošos pieprasījumus. pieprasījums pēc baterijām?
Izlases analīzē viņi aplūkoja, cik daudz germānija un tantala piegādes ķēdei katru gadu būtu jāpalielinās, lai nodrošinātu akumulatorus 2030. gadam plānotajam elektrisko transportlīdzekļu parkam. Piemēram, elektrisko transportlīdzekļu parkam, kas bieži tiek minēts kā mērķis 2030. gadam, būtu jāsaražo pietiekami daudz akumulatoru, lai kopumā nodrošinātu 100 gigavatstundu enerģijas. Lai sasniegtu šo mērķi, izmantojot tikai LGPS akumulatorus, germānija piegādes ķēdei katru gadu būtu jāpalielinās par 50% — tas ir neliels posms, jo iepriekš maksimālais pieauguma temps ir bijis aptuveni 7%. Izmantojot tikai LLZO šūnas, tantala piegādes ķēdei būtu jāpalielina par aptuveni 30% — pieauguma temps krietni pārsniedz vēsturisko maksimumu, kas ir aptuveni 10%.
Šie piemēri parāda, cik svarīgi ir ņemt vērā materiālu pieejamību un piegādes ķēdi, novērtējot dažādu cieto elektrolītu palielināšanas potenciālu, saka Huangs: Pat ja materiāla daudzums nav problēma, piemēram, germānija gadījumā, palielināt visu apjomu. piegādes ķēdes posmiem, lai tie atbilstu nākotnes elektrisko transportlīdzekļu ražošanai, var būt nepieciešams pieauguma temps, kas ir praktiski nepieredzēts.
Materiāli un apstrāde
Vēl viens faktors, kas jāņem vērā, novērtējot akumulatora konstrukcijas mērogojamības potenciālu, ir ražošanas procesa sarežģītība un tā iespējamā ietekme uz izmaksām. Cietvielu akumulatora ražošanā neizbēgami ir daudz darbību, un jebkura soļa neveiksme palielina katras veiksmīgi saražotās šūnas izmaksas.
Kā ražošanas grūtību aizstājējs Olivetti, Ceder un Huang pētīja atteices līmeņa ietekmi uz izvēlēto cietvielu akumulatoru dizainu savā datubāzē kopējām izmaksām. Vienā piemērā viņi koncentrējās uz oksīdu LLZO. LLZO ir ļoti trausls, un lielas loksnes, kas ir pietiekami plānas, lai tās varētu izmantot augstas veiktspējas cietvielu akumulatoros, var saplaisāt vai deformēties augstās temperatūrās, kas saistītas ar ražošanas procesu.
Lai noteiktu šādu kļūmju izmaksas, viņi simulēja četrus galvenos apstrādes posmus, kas saistīti ar LLZO šūnu montāžu. Katrā posmā viņi aprēķināja izmaksas, pamatojoties uz pieņemto ienesīgumu, ti, kopējo šūnu daļu, kas tika veiksmīgi apstrādātas bez kļūmēm. LLZO ienesīgums bija daudz zemāks nekā citiem pētītajiem dizainparaugiem; turklāt, samazinoties ražībai, būtiski pieauga šūnas enerģijas kilovatstundas (kWh) izmaksas. Piemēram, kad pēdējā katoda sildīšanas posmā tika pievienots par 5% vairāk elementu, izmaksas palielinājās par aptuveni 30 USD/kWh — tas ir niecīgas izmaiņas, ņemot vērā, ka vispārpieņemtā šādu elementu mērķa cena ir USD 100/kWh. Skaidrs, ka ražošanas grūtībām var būt liela ietekme uz dizaina plaša mēroga pieņemšanas iespējamību.
Publicēšanas laiks: 09.09.2022