Хитна потреба за смањењем емисије угљеника покреће брзи корак ка електрификацији транспорта и проширењу примене соларне енергије и енергије ветра на мрежи. Ако ови трендови буду ескалирали према очекивањима, потреба за бољим методама складиштења електричне енергије ће се интензивирати.
Потребне су нам све стратегије које можемо да добијемо да бисмо се суочили са претњом климатских промена, каже др Елса Оливети, ванредни професор науке о материјалима и инжењеринга у Естер и Харолду Еџертону. Јасно је да је развој технологија масовног складиштења заснованих на мрежи од кључног значаја. Али за мобилне апликације – посебно транспорт – многа истраживања су усмерена на прилагођавање данашњихлитијум-јонске батериједа буду сигурнији, мањи и способни да складиште више енергије за своју величину и тежину.
Конвенционалне литијум-јонске батерије настављају да се побољшавају, али њихова ограничења остају, делом због њихове структуре.Литијум-јонске батерије се састоје од две електроде, једне позитивне и једне негативне, у сендвичу у органској течности (која садржи угљеник). Када се батерија пуни и празни, напуњене честице литијума (или јони) пролазе са једне електроде на другу кроз течни електролит.
Један проблем са овим дизајном је тај што при одређеним напонима и температурама течни електролит може постати испарљив и запалити се. Батерије су генерално безбедне под нормалном употребом, али ризик остаје, каже др Кевин Хуанг Пх.Д.'15, научник у Оливетијевој групи.
Други проблем је што литијум-јонске батерије нису погодне за употребу у аутомобилима. Велики, тешки акумулатори заузимају простор, повећавају укупну тежину возила и смањују потрошњу горива. Али показало се да је тешко учинити данашње литијум-јонске батерије мањим и лакшим, а да притом задржимо њихову енергетску густину – количину енергије ускладиштене по граму тежине.
Да би решили ове проблеме, истраживачи мењају кључне карактеристике литијум-јонских батерија како би створили потпуно чврсту верзију или верзију у чврстом стању. Они замењују течни електролит у средини танким чврстим електролитом који је стабилан у широком опсегу напона и температура. Са овим чврстим електролитом, користили су позитивну електроду високог капацитета и негативну електроду од литијум метала великог капацитета која је била далеко мање дебела од уобичајеног порозног слоја угљеника. Ове промене омогућавају много мању укупну ћелију уз задржавање њеног капацитета складиштења енергије, што резултира већом густином енергије.
Ове карактеристике - повећана сигурност и већа густина енергије- су вероватно две најчешће навођене предности потенцијалних солид-стате батерија, али све ове ствари су окренуте будућности и којима се надамо, а не нужно и оствариве. Ипак, ова могућност натера многе истраживаче да се труде да пронађу материјале и дизајн који ће испунити ово обећање.
Размишљање изван лабораторије
Истраживачи су дошли до бројних интригантних сценарија који изгледају обећавајуће у лабораторији. Али Оливети и Хуанг верују да с обзиром на хитност изазова климатских промена, додатна практична разматрања могу бити важна. Ми истраживачи увек имамо метрику у лабораторији за процену могућих материјала и процеса, каже Оливетти. Примери могу укључивати капацитет складиштења енергије и стопе пуњења/пражњења. Али ако је циљ имплементација, предлажемо да додате метрику која се посебно бави потенцијалом за брзо скалирање.
Материјали и доступност
У свету чврстих неорганских електролита постоје две главне врсте материјала – оксиди који садрже кисеоник и сулфиди који садрже сумпор. Тантал се производи као нуспроизвод ископавања калаја и ниобијума. Историјски подаци показују да је производња тантала ближа потенцијалном максимуму од германијума током експлоатације калаја и ниобијума. Доступност тантала је стога већа брига за могуће повећање ћелија заснованих на ЛЛЗО.
Међутим, познавање доступности елемента у земљи не решава кораке потребне да би се он доспео у руке произвођача. Истраживачи су стога истражили накнадно питање о ланцу снабдевања кључних елемената – рударство, прерада, рафинација, транспорт, итд. Под претпоставком да постоји обилна понуда, може ли се ланац снабдевања за испоруку ових материјала довољно брзо проширити да задовољи растуће потражња за батеријама?
У анализи узорка, испитали су колико би ланац снабдевања германијумом и танталом требало да расте из године у годину да би се обезбедиле батерије за предвиђену флоту електричних возила за 2030. Као пример, флота електричних возила, која се често наводи као циљ за 2030. годину, морала би да произведе довољно батерија да обезбеди укупно 100 гигават сати енергије. Да би се постигао овај циљ, користећи само ЛГПС батерије, ланац снабдевања германијумом би морао да порасте за 50% из године у годину - што је корак, пошто је максимална стопа раста у прошлости била око 7%. Коришћењем само ЛЛЗО ћелија, ланац снабдевања танталом би морао да порасте за око 30% - стопа раста знатно изнад историјског максимума од око 10%.
Ови примери показују важност разматрања доступности материјала и ланца снабдевања приликом процене потенцијала повећања различитих чврстих електролита, каже Хуанг: Чак и ако количина материјала није проблем, као у случају германијума, повећање свих кораци у ланцу снабдевања који ће одговарати производњи будућих електричних возила могу захтевати стопу раста која је практично без преседана.
Материјали и обрада
Још један фактор који треба узети у обзир приликом процене потенцијала скалабилности дизајна батерије је тешкоћа производног процеса и утицај који може имати на цену. Постоји неизбежно много корака укључених у производњу солид-стате батерије, а неуспех било ког корака повећава цену сваке успешно произведене ћелије.
Као проки за потешкоће у производњи, Оливетти, Цедер и Хуанг истраживали су утицај стопе кварова на укупне трошкове одабраних дизајна солид-стате батерија у њиховој бази података. У једном примеру, фокусирали су се на оксид ЛЛЗО. ЛЛЗО је веома крхак и велики листови довољно танки да се користе у чврстим батеријама високих перформанси вероватно ће попуцати или искривити се на високим температурама укљученим у производни процес.
Да би одредили импликације на трошкове таквих кварова, симулирали су четири кључна корака обраде укључених у састављање ЛЛЗО ћелија. У сваком кораку израчунавали су трошак на основу претпостављеног приноса, односно пропорције укупних ћелија које су успешно обрађене без грешке. За ЛЛЗО, принос је био много мањи него за друге дизајне које су проучавали; штавише, како се принос смањивао, цена по киловат-часу (кВх) ћелијске енергије је значајно порасла. На пример, када је 5% више ћелија додато у завршни корак загревања катоде, цена је порасла за око 30 УСД/кВх – занемарљива промена с обзиром на то да је општеприхваћени циљни трошак за такве ћелије 100 УСД/кВх. Јасно је да потешкоће у производњи могу имати дубок утицај на изводљивост широког усвајања дизајна.
Време поста: Сеп-09-2022