Det akuta behovet av att minska koldioxidutsläppen driver en snabb utveckling mot att elektrifiera transporter och utöka utbyggnaden av sol- och vindkraft på nätet. Om dessa trender eskalerar som förväntat kommer behovet av bättre metoder för att lagra elektrisk energi att intensifieras.
Vi behöver alla strategier vi kan få för att ta itu med hotet om klimatförändringar, säger Dr Elsa Olivetti, docent i materialvetenskap och teknik vid Esther och Harold E. Edgerton. Det är uppenbart att utvecklingen av nätbaserad masslagringsteknik är avgörande. Men för mobila applikationer - särskilt transport - fokuseras mycket forskning på att anpassa dagenslitiumjonbatterieratt vara säkrare, mindre och kunna lagra mer energi för sin storlek och vikt.
Konventionella litiumjonbatterier fortsätter att förbättras, men deras begränsningar kvarstår, delvis på grund av deras struktur.Litiumjonbatterier består av två elektroder, en positiv och en negativ, inklämda i en organisk (kolhaltig) vätska. När batteriet laddas och laddas ur passerar laddade litiumpartiklar (eller joner) från en elektrod till den andra genom den flytande elektrolyten.
Ett problem med denna design är att vid vissa spänningar och temperaturer kan den flytande elektrolyten bli flyktig och fatta eld. Batterierna är i allmänhet säkra vid normal användning, men risken kvarstår, säger Dr Kevin Huang Ph.D.'15, en forskare i Olivettis grupp.
Ett annat problem är att litiumjonbatterier inte är lämpliga för användning i bilar. Stora, tunga batteripaket tar plats, ökar fordonets totalvikt och minskar bränsleeffektiviteten. Men det har visat sig svårt att göra dagens litiumjonbatterier mindre och lättare samtidigt som de behåller sin energitäthet – mängden energi som lagras per gram vikt.
För att lösa dessa problem ändrar forskare nyckelfunktionerna hos litiumjonbatterier för att skapa en helsolid- eller solid state-version. De ersätter den flytande elektrolyten i mitten med en tunn fast elektrolyt som är stabil över ett brett spektrum av spänningar och temperaturer. Med denna fasta elektrolyt använde de en positiv elektrod med hög kapacitet och en negativ elektrod med hög kapacitet av litiummetall som var mycket mindre tjock än det vanliga porösa kolskiktet. Dessa förändringar möjliggör en mycket mindre total cell samtidigt som dess energilagringskapacitet bibehålls, vilket resulterar i en högre energitäthet.
Dessa funktioner - ökad säkerhet och större energitäthet- är förmodligen de två vanligaste fördelarna med potentiella solid-state-batterier, men alla dessa saker är framåtblickande och hoppas på, och inte nödvändigtvis möjliga. Ändå har denna möjlighet många forskare att försöka hitta de material och design som kommer att uppfylla detta löfte.
Tänker bortom laboratoriet
Forskare har kommit fram till ett antal spännande scenarier som ser lovande ut i laboratoriet. Men Olivetti och Huang tror att med tanke på hur brådskande klimatförändringsutmaningen är, kan ytterligare praktiska överväganden vara viktiga. Vi forskare har alltid mått i labbet för att utvärdera möjliga material och processer, säger Olivetti. Exempel kan vara energilagringskapacitet och laddnings-/urladdningshastigheter. Men om syftet är implementering föreslår vi att du lägger till mätvärden som specifikt adresserar potentialen för snabb skalning.
Material och tillgänglighet
I en värld av fasta oorganiska elektrolyter finns det två huvudtyper av material - oxider som innehåller syre och sulfider som innehåller svavel. Tantal produceras som en biprodukt vid brytning av tenn och niob. Historiska data visar att produktionen av tantal är närmare det potentiella maximum än germanium vid brytning av tenn och niob. Tillgängligheten av tantal är därför ett större problem för eventuell uppskalning av LLZO-baserade celler.
Att veta tillgängligheten av ett element i marken löser dock inte de steg som krävs för att få det i händerna på tillverkarna. Forskarna undersökte därför en följdfråga om försörjningskedjan av nyckelelement - gruvdrift, bearbetning, raffinering, transport, etc. Förutsatt att det finns ett rikligt utbud, kan försörjningskedjan för att leverera dessa material utvidgas tillräckligt snabbt för att möta den växande efterfrågan på batterier?
I en provanalys tittade de på hur mycket leveranskedjan för germanium och tantal skulle behöva växa år för år för att tillhandahålla batterier till den beräknade 2030-flottan av elfordon. Som ett exempel skulle en flotta av elfordon, som ofta nämns som ett mål för 2030, behöva producera tillräckligt med batterier för att ge totalt 100 gigawattimmar energi. För att uppnå detta mål, med enbart LGPS-batterier, skulle germaniumförsörjningskedjan behöva växa med 50 % från år till år – en bit, eftersom den maximala tillväxttakten har varit omkring 7 % tidigare. Med enbart LLZO-celler skulle leveranskedjan för tantal behöva växa med cirka 30 % - en tillväxttakt långt över det historiska maximum på cirka 10 %.
Dessa exempel visar vikten av att ta hänsyn till materialtillgänglighet och försörjningskedjan när man bedömer uppskalningspotentialen för olika fasta elektrolyter, säger Huang: Även om mängden av ett material inte är ett problem, som i fallet med germanium, skalar man upp alla stegen i leveranskedjan för att matcha produktionen av framtida elfordon kan kräva en tillväxttakt som är praktiskt taget aldrig tidigare skådad.
Material och bearbetning
En annan faktor att tänka på när man bedömer skalbarhetspotentialen för en batteridesign är svårigheten i tillverkningsprocessen och den inverkan den kan ha på kostnaden. Det finns oundvikligen många steg inblandade i tillverkningen av ett solid-state-batteri, och fel i något steg ökar kostnaden för varje framgångsrikt producerad cell.
Som en proxy för tillverkningssvårigheter undersökte Olivetti, Ceder och Huang effekten av felfrekvensen på den totala kostnaden för utvalda solid-state batterier i deras databas. I ett exempel fokuserade de på oxiden LLZO. LLZO är mycket spröd och stora ark som är tillräckligt tunna för att användas i högpresterande solid state-batterier kommer sannolikt att spricka eller skeva vid de höga temperaturer som är involverade i tillverkningsprocessen.
För att fastställa kostnadskonsekvenserna av sådana misslyckanden, simulerade de de fyra viktiga bearbetningsstegen som är involverade i montering av LLZO-celler. Vid varje steg beräknade de kostnaden baserat på en antagen avkastning, dvs andelen totala celler som framgångsrikt bearbetades utan misslyckande. För LLZO var utbytet mycket lägre än för de andra konstruktionerna de studerade; Dessutom, eftersom utbytet minskade, ökade kostnaden per kilowattimme (kWh) för cellenergi avsevärt. Till exempel, när 5 % fler celler lades till det sista katoduppvärmningssteget, ökade kostnaden med cirka 30 USD/kWh - en försumbar förändring med tanke på att den allmänt accepterade målkostnaden för sådana celler är 100 USD/kWh. Det är uppenbart att tillverkningssvårigheter kan ha en djupgående inverkan på genomförbarheten av storskalig användning av designen.
Posttid: 2022-09-09