Η επείγουσα ανάγκη μείωσης των εκπομπών άνθρακα οδηγεί σε μια ταχεία κίνηση προς την ηλεκτροδότηση των μεταφορών και την επέκταση της ανάπτυξης ηλιακής και αιολικής ενέργειας στο δίκτυο.Εάν αυτές οι τάσεις κλιμακωθούν όπως αναμένεται, θα ενταθεί η ανάγκη για καλύτερες μεθόδους αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας.
Χρειαζόμαστε όλες τις στρατηγικές που μπορούμε να πάρουμε για να αντιμετωπίσουμε την απειλή της κλιματικής αλλαγής, λέει η Dr Elsa Olivetti, αναπληρώτρια καθηγήτρια επιστήμης και μηχανικής υλικών στο Esther and Harold E. Edgerton.Σαφώς, η ανάπτυξη τεχνολογιών μαζικής αποθήκευσης με βάση το δίκτυο είναι ζωτικής σημασίας.Αλλά για τις εφαρμογές για κινητές συσκευές - ειδικά τις μεταφορές - μεγάλη έρευνα επικεντρώνεται στην προσαρμογή των σημερινώνμπαταρίες ιόντων λιθίουνα είναι ασφαλέστερα, μικρότερα και ικανά να αποθηκεύουν περισσότερη ενέργεια για το μέγεθος και το βάρος τους.
Οι συμβατικές μπαταρίες ιόντων λιθίου συνεχίζουν να βελτιώνονται, αλλά οι περιορισμοί τους παραμένουν, εν μέρει λόγω της δομής τους.Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου αποτελούνται από δύο ηλεκτρόδια, ένα θετικό και ένα αρνητικό, τοποθετημένα σε ένα οργανικό υγρό (που περιέχει άνθρακα).Όταν η μπαταρία φορτίζεται και αποφορτίζεται, φορτισμένα σωματίδια λιθίου (ή ιόντα) περνούν από το ένα ηλεκτρόδιο στο άλλο μέσω του υγρού ηλεκτρολύτη.
Ένα πρόβλημα με αυτόν τον σχεδιασμό είναι ότι σε ορισμένες τάσεις και θερμοκρασίες, ο υγρός ηλεκτρολύτης μπορεί να γίνει πτητικός και να πάρει φωτιά.Οι μπαταρίες είναι γενικά ασφαλείς υπό κανονική χρήση, αλλά ο κίνδυνος παραμένει, λέει ο Δρ Kevin Huang Ph.D.'15, ερευνητής στην ομάδα του Olivetti.
Ένα άλλο πρόβλημα είναι ότι οι μπαταρίες ιόντων λιθίου δεν είναι κατάλληλες για χρήση σε αυτοκίνητα.Μεγάλες, βαριές μπαταρίες καταλαμβάνουν χώρο, αυξάνουν το συνολικό βάρος του οχήματος και μειώνουν την απόδοση καυσίμου.Αλλά αποδεικνύεται δύσκολο να γίνουν οι σημερινές μπαταρίες ιόντων λιθίου μικρότερες και ελαφρύτερες, διατηρώντας παράλληλα την ενεργειακή τους πυκνότητα - την ποσότητα ενέργειας που αποθηκεύεται ανά γραμμάριο βάρους.
Για να λύσουν αυτά τα προβλήματα, οι ερευνητές αλλάζουν τα βασικά χαρακτηριστικά των μπαταριών ιόντων λιθίου για να δημιουργήσουν μια έκδοση εντελώς στερεάς ή στερεάς κατάστασης.Αντικαθιστούν τον υγρό ηλεκτρολύτη στη μέση με έναν λεπτό στερεό ηλεκτρολύτη που είναι σταθερός σε ένα ευρύ φάσμα τάσεων και θερμοκρασιών.Με αυτόν τον στερεό ηλεκτρολύτη, χρησιμοποίησαν ένα θετικό ηλεκτρόδιο υψηλής χωρητικότητας και ένα αρνητικό ηλεκτρόδιο μετάλλου λιθίου υψηλής χωρητικότητας που ήταν πολύ λιγότερο παχύ από το συνηθισμένο στρώμα πορώδους άνθρακα.Αυτές οι αλλαγές επιτρέπουν μια πολύ μικρότερη συνολική κυψέλη, διατηρώντας παράλληλα την ικανότητα αποθήκευσης ενέργειας, με αποτέλεσμα υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα.
Αυτά τα χαρακτηριστικά - ενισχυμένη ασφάλεια και μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα- είναι πιθανώς τα δύο πιο συχνά διαφημιζόμενα πλεονεκτήματα των πιθανών μπαταριών στερεάς κατάστασης, ωστόσο όλα αυτά τα πράγματα είναι στραμμένα προς το μέλλον και τα ελπίζουμε και δεν είναι απαραίτητα εφικτά.Ωστόσο, αυτή η δυνατότητα έχει πολλούς ερευνητές να προσπαθούν να βρουν τα υλικά και τα σχέδια που θα εκπληρώσουν αυτήν την υπόσχεση.
Σκέψη πέρα από το εργαστήριο
Οι ερευνητές έχουν καταλήξει σε μια σειρά από ενδιαφέροντα σενάρια που φαίνονται πολλά υποσχόμενα στο εργαστήριο.Ωστόσο, οι Olivetti και Huang πιστεύουν ότι δεδομένου του επείγοντος χαρακτήρα της πρόκλησης της κλιματικής αλλαγής, πρόσθετες πρακτικές σκέψεις μπορεί να είναι σημαντικές.Εμείς οι ερευνητές έχουμε πάντα μετρήσεις στο εργαστήριο για να αξιολογήσουμε πιθανά υλικά και διαδικασίες, λέει ο Olivetti.Στα παραδείγματα μπορεί να περιλαμβάνονται η χωρητικότητα αποθήκευσης ενέργειας και οι ρυθμοί φόρτισης/εκφόρτισης.Ωστόσο, εάν ο στόχος είναι η υλοποίηση, προτείνουμε την προσθήκη μετρήσεων που αντιμετωπίζουν ειδικά τις δυνατότητες ταχείας κλιμάκωσης.
Υλικά και διαθεσιμότητα
Στον κόσμο των στερεών ανόργανων ηλεκτρολυτών, υπάρχουν δύο κύριοι τύποι υλικών - τα οξείδια που περιέχουν οξυγόνο και τα σουλφίδια που περιέχουν θείο.Το ταντάλιο παράγεται ως υποπροϊόν της εξόρυξης κασσίτερου και νιοβίου.Τα ιστορικά δεδομένα δείχνουν ότι η παραγωγή τανταλίου είναι πιο κοντά στο δυνητικό μέγιστο από αυτό του γερμανίου κατά την εξόρυξη κασσίτερου και νιοβίου.Η διαθεσιμότητα τανταλίου είναι επομένως μεγαλύτερη ανησυχία για την πιθανή κλιμάκωση των κυττάρων που βασίζονται στο LLZO.
Ωστόσο, η γνώση της διαθεσιμότητας ενός στοιχείου στο έδαφος δεν επιλύει τα βήματα που απαιτούνται για να φτάσει στα χέρια των κατασκευαστών.Ως εκ τούτου, οι ερευνητές διερεύνησαν μια επόμενη ερώτηση σχετικά με την αλυσίδα εφοδιασμού βασικών στοιχείων - εξόρυξη, επεξεργασία, διύλιση, μεταφορά κ.λπ. Υποθέτοντας ότι υπάρχει άφθονη προσφορά, μπορεί η αλυσίδα εφοδιασμού για την παράδοση αυτών των υλικών να επεκταθεί αρκετά γρήγορα ώστε να ανταποκριθεί στην αυξανόμενη ζήτηση για μπαταρίες;
Σε μια ανάλυση δείγματος, εξέτασαν πόσο θα έπρεπε να αυξάνεται η αλυσίδα εφοδιασμού για γερμάνιο και ταντάλιο χρόνο με το χρόνο για να παρέχει μπαταρίες για τον προβλεπόμενο στόλο ηλεκτρικών οχημάτων το 2030.Για παράδειγμα, ένας στόλος ηλεκτρικών οχημάτων, που συχνά αναφέρεται ως στόχος για το 2030, θα πρέπει να παράγει αρκετές μπαταρίες για να παρέχει συνολικά 100 γιγαβατώρες ενέργειας.Για να επιτευχθεί αυτός ο στόχος, χρησιμοποιώντας μόνο μπαταρίες LGPS, η αλυσίδα εφοδιασμού γερμανίου θα πρέπει να αυξάνεται κατά 50% από έτος σε έτος - μια μεγάλη έκταση, καθώς ο μέγιστος ρυθμός ανάπτυξης ήταν περίπου 7% στο παρελθόν.Χρησιμοποιώντας μόνο κύτταρα LLZO, η αλυσίδα εφοδιασμού για ταντάλιο θα πρέπει να αυξηθεί κατά περίπου 30% - ρυθμός ανάπτυξης πολύ πάνω από το ιστορικό μέγιστο περίπου 10%.
Αυτά τα παραδείγματα δείχνουν τη σημασία της εξέτασης της διαθεσιμότητας υλικού και της εφοδιαστικής αλυσίδας κατά την αξιολόγηση του δυναμικού κλιμάκωσης διαφορετικών στερεών ηλεκτρολυτών, λέει ο Huang: Ακόμα κι αν η ποσότητα ενός υλικού δεν αποτελεί πρόβλημα, όπως στην περίπτωση του γερμανίου, η κλιμάκωση όλων Τα βήματα στην αλυσίδα εφοδιασμού για να ταιριάξουν με την παραγωγή μελλοντικών ηλεκτρικών οχημάτων ενδέχεται να απαιτούν ρυθμό ανάπτυξης που είναι ουσιαστικά άνευ προηγουμένου.
Υλικά και επεξεργασία
Ένας άλλος παράγοντας που πρέπει να ληφθεί υπόψη κατά την αξιολόγηση της δυνατότητας επεκτασιμότητας ενός σχεδιασμού μπαταρίας είναι η δυσκολία της διαδικασίας κατασκευής και ο αντίκτυπος που μπορεί να έχει στο κόστος.Υπάρχουν αναπόφευκτα πολλά βήματα που εμπλέκονται στην κατασκευή μιας μπαταρίας στερεάς κατάστασης και η αποτυχία οποιουδήποτε βήματος αυξάνει το κόστος κάθε κυψέλης που παράγεται με επιτυχία.
Ως αντιπρόσωπος για τη δυσκολία κατασκευής, οι Olivetti, Ceder και Huang διερεύνησαν τον αντίκτυπο του ποσοστού αστοχίας στο συνολικό κόστος επιλεγμένων σχεδίων μπαταριών στερεάς κατάστασης στη βάση δεδομένων τους.Σε ένα παράδειγμα, εστίασαν στο οξείδιο LLZO.Το LLZO είναι πολύ εύθραυστο και τα μεγάλα φύλλα αρκετά λεπτά ώστε να χρησιμοποιηθούν σε μπαταρίες στερεάς κατάστασης υψηλής απόδοσης είναι πιθανό να σπάσουν ή να παραμορφωθούν στις υψηλές θερμοκρασίες που εμπλέκονται στη διαδικασία κατασκευής.
Για να προσδιορίσουν τις επιπτώσεις στο κόστος τέτοιων αστοχιών, προσομοίωσαν τα τέσσερα βασικά βήματα επεξεργασίας που εμπλέκονται στη συναρμολόγηση κυψελών LLZO.Σε κάθε βήμα, υπολόγισαν το κόστος με βάση μια υποτιθέμενη απόδοση, δηλαδή το ποσοστό των συνολικών κυττάρων που υποβλήθηκαν σε επεξεργασία με επιτυχία χωρίς αποτυχία.Για το LLZO, η απόδοση ήταν πολύ χαμηλότερη από ό,τι για τα άλλα σχέδια που μελέτησαν.Επιπλέον, καθώς η απόδοση μειώθηκε, το κόστος ανά κιλοβατώρα (kWh) ενέργειας των κυττάρων αυξήθηκε σημαντικά.Για παράδειγμα, όταν προστέθηκαν 5% περισσότερες κυψέλες στο τελικό στάδιο θέρμανσης καθόδου, το κόστος αυξήθηκε κατά περίπου 30 $/kWh - μια αμελητέα αλλαγή δεδομένου ότι το γενικά αποδεκτό κόστος στόχος για τέτοιες κυψέλες είναι 100 $/kWh.Σαφώς, οι κατασκευαστικές δυσκολίες μπορεί να έχουν βαθύ αντίκτυπο στη σκοπιμότητα της υιοθέτησης του σχεδίου σε μεγάλη κλίμακα.
Ώρα δημοσίευσης: Σεπ-09-2022