De driuwende needsaak om koalstofútstjit te ferminderjen driuwt in rappe beweging nei it elektrifisearjen fan ferfier en it útwreidzjen fan de ynset fan sinne- en wynenerzjy op it net. As dizze trends eskalearje lykas ferwachte, sil de needsaak foar bettere metoaden foar it opslaan fan elektryske enerzjy yntinsiver wurde.
Wy hawwe alle strategyen nedich dy't wy kinne krije om de bedriging fan klimaatferoaring oan te pakken, seit Dr Elsa Olivetti, in associate professor fan materiaalwittenskip en engineering by Esther en Harold E. Edgerton. Dúdlik is de ûntwikkeling fan rasterbasearre technologyen foar massa opslach krúsjaal. Mar foar mobile applikaasjes - benammen ferfier - is in protte ûndersyk rjochte op it oanpassen fan hjoedlithium-ion batterijenom feiliger, lytser te wêzen en mear enerzjy op te slaan foar har grutte en gewicht.
Konvinsjonele lithium-ion-batterijen bliuwe te ferbetterjen, mar har beheiningen bliuwe, foar in part troch har struktuer.Lithium-ion batterijen besteane út twa elektroden, ien posityf en ien negatyf, sandwiched yn in organyske (koalstof-befette) floeistof. As de batterij opladen en ûntslein wurdt, wurde opladen lithiumdieltsjes (as ioanen) fan de iene elektrode nei de oare troch de floeibere elektrolyt trochjûn.
Ien probleem mei dit ûntwerp is dat by bepaalde spanningen en temperatueren de floeibere elektrolyt flechtich wurde kin en fjoer fange. De batterijen binne oer it generaal feilich ûnder normaal gebrûk, mar it risiko bliuwt, seit Dr Kevin Huang Ph.D.'15, in ûndersykswittenskipper yn 'e groep fan Olivetti.
In oar probleem is dat lithium-ion-batterijen net geskikt binne foar gebrûk yn auto's. Grutte, swiere batterijpakketten nimme romte yn, ferheegje it totale gewicht fan 'e auto en ferminderje brânstofeffektiviteit. Mar it docht bliken lestich om de hjoeddeiske lithium-ion-batterijen lytser en lichter te meitsjen, wylst se har enerzjytichtens behâlde - de hoemannichte enerzjy opslein per gram gewicht.
Om dizze problemen op te lossen, feroarje ûndersikers de kaaifunksjes fan lithium-ion-batterijen om in all-solid, of solid-state, ferzje te meitsjen. Se ferfange de floeibere elektrolyt yn 'e midden mei in tinne fêste elektrolyt dy't stabyl is oer in breed oanbod fan spanningen en temperatueren. Mei dizze bêst elektrolyt, se brûkten in hege-kapasiteit positive elektrodes en in hege kapasiteit lithium metalen negative elektrodes dat wie folle minder dik as de gewoane poreuze koalstof laach. Dizze wizigingen meitsje in folle lytsere totale sel mooglik by it behâld fan syn enerzjyopslachkapasiteit, wat resulteart yn in hegere enerzjytichtens.
Dizze funksjes - ferbettere feiligens en gruttere enerzjytichtens- binne wierskynlik de twa meast foarkommende foardielen fan potinsjele solid-state-batterijen, dochs binne al dizze dingen foarútstribjend en op hope, en net needsaaklik te berikken. Dochs hat dizze mooglikheid in protte ûndersikers dy't besykje de materialen en ûntwerpen te finen dy't dizze belofte sille leverje.
It tinken bûten it laboratoarium
Undersikers hawwe in oantal yntrigearjende senario's betocht dy't yn it laboratoarium kânsryk sjogge. Mar Olivetti en Huang leauwe dat, sjoen de urginsje fan 'e útdaging foar klimaatferoaring, ekstra praktyske oerwagings wichtich kinne wêze. Wy ûndersikers hawwe altyd metriken yn it laboratoarium om mooglike materialen en prosessen te evaluearjen, seit Olivetti. Foarbylden kinne omfetsje enerzjy opslachkapasiteit en lading / ûntlading tariven. Mar as it doel ymplemintaasje is, stelle wy foar om metriken ta te foegjen dy't spesifyk it potensjeel foar rappe skaalfergrutting oanpakke.
Materialen en beskikberens
Yn 'e wrâld fan fêste anorganyske elektrolyten binne d'r twa haadtypen fan materiaal - oksides dy't soerstof befetsje en sulfiden mei swevel. Tantalum wurdt produsearre as in byprodukt fan de mynbou fan tin en niobium. Histoaryske gegevens litte sjen dat de produksje fan tantaal tichter by it potinsjele maksimum leit as dat fan germanium by de mining fan tin en niobium. De beskikberens fan tantaal is dêrom in gruttere soarch foar de mooglike skaalfergrutting fan LLZO-basearre sellen.
It witten fan 'e beskikberens fan in elemint yn' e grûn lost de stappen lykwols net op om it yn 'e hannen fan fabrikanten te krijen. De ûndersikers ûndersochten dêrom in folgjende fraach oer de oanbodketen fan wichtige eleminten - mynbou, ferwurking, raffinaazjetechnyk, ferfier, ensfh. Oannommen dat der in oerfloedich oanbod is, kin de oanbodketen foar it leverjen fan dizze materialen fluch genôch útwreide wurde om te foldwaan oan de groeiende fraach nei batterijen?
Yn in stekproefanalyse seagen se hoefolle de oanbodketen foar germanium en tantaal jier op jier soe moatte groeie om batterijen te leverjen foar de projizearre 2030-float fan elektryske auto's. Bygelyks, in float fan elektryske auto's, faak oanhelle as doel foar 2030, soe genôch batterijen moatte produsearje om in totaal fan 100 gigawatt oeren oan enerzjy te leverjen. Om dit doel te berikken, mei allinich LGPS-batterijen, soe de germanium-oanbodketen jier op jier mei 50% moatte groeie - in stikje, om't it maksimale groeitempo yn it ferline sawat 7% west hat. Troch allinich LLZO-sellen te brûken, soe de oanbodketen foar tantaal moatte groeie mei sawat 30% - in groeirate goed boppe it histoaryske maksimum fan sawat 10%.
Dizze foarbylden litte it belang sjen fan it beskôgjen fan materiaalbeskikberens en de oanbodketen by it beoardieljen fan it skaalfergruttingspotensiaal fan ferskate fêste elektrolyten, seit Huang: Sels as de kwantiteit fan in materiaal gjin probleem is, lykas yn it gefal fan germanium, skaalfergrutting fan alles de stappen yn 'e supply chain om oerien te kommen mei de produksje fan takomstige elektryske auto's kinne in groeirate fereaskje dy't praktysk ungewoane is.
Materialen en ferwurking
In oare faktor om te beskôgjen by it beoardieljen fan it skaalberenspotinsjeel fan in batterijûntwerp is de muoite fan it fabrikaazjeproses en de ynfloed dy't it kin hawwe op kosten. D'r binne ûnûntkomber in protte stappen belutsen by it meitsjen fan in solid-state batterij, en it mislearjen fan elke stap fergruttet de kosten fan elke suksesfol produsearre sel.
As proxy foar produksjeproblemen ûndersochten Olivetti, Ceder en Huang de ynfloed fan 'e mislearring op' e totale kosten fan selekteare solid-state batterijûntwerpen yn har databank. Yn ien foarbyld rjochte se har op it okside LLZO. LLZO is heul bros en grutte lekkens tin genôch om te brûken yn bêst steat batterijen mei hege prestaasjes binne wierskynlik te crack of warp by de hege temperatueren belutsen by it produksjeproses.
Om de kosten gefolgen fan sokke mislearrings te bepalen, simulearren se de fjouwer wichtige ferwurkingsstappen belutsen by it gearstallen fan LLZO-sellen. By elke stap hawwe se de kosten berekkene op basis fan in oannommen opbringst, dat wol sizze it oanpart fan totale sellen dy't mei súkses waarden ferwurke sûnder mislearring. Foar LLZO wie de opbringst folle leger as foar de oare ûntwerpen dy't se studearre; boppedat, as de opbringst fermindere, de kosten per kilowatt-oere (kWh) fan sel enerzjy gâns tanommen. Bygelyks, doe't 5% mear sellen waarden tafoege oan de definitive kathode ferwaarming stap, de kosten tanommen mei likernôch $ 30 / kWh - in negligible feroaring yn betinken nommen dat de algemien akseptearre doel kosten foar sokke sellen is $ 100 / kWh. Dúdlik kinne produksjeproblemen in djippe ynfloed hawwe op 'e helberens fan grutskalige oannimmen fan it ûntwerp.
Post tiid: Sep-09-2022