Naléhavá potřeba snížit emise uhlíku vede k rychlému posunu směrem k elektrifikaci dopravy a rozšíření využívání solární a větrné energie v síti. Pokud budou tyto trendy podle očekávání eskalovat, bude potřeba lepších metod skladování elektrické energie zesílit.
Potřebujeme všechny strategie, které můžeme získat, abychom čelili hrozbě změny klimatu, říká Dr. Elsa Olivetti, docentka materiálové vědy a inženýrství na Esther a Harold E. Edgertonovi. Je zřejmé, že zásadní význam má rozvoj technologií velkokapacitních paměťových zařízení založených na síti. Ale u mobilních aplikací – zejména v dopravě – se mnoho výzkumů zaměřuje na přizpůsobení dnešnímlithium-iontové baterieaby byly bezpečnější, menší a schopné uchovat více energie na svou velikost a váhu.
Konvenční lithium-iontové baterie se stále zlepšují, ale jejich omezení přetrvávají, částečně kvůli jejich struktuře.Lithium-iontové baterie se skládají ze dvou elektrod, jedné pozitivní a jedné negativní, vložených do organické kapaliny (obsahující uhlík). Když je baterie nabitá a vybitá, nabité lithiové částice (nebo ionty) procházejí z jedné elektrody na druhou skrz kapalný elektrolyt.
Jedním z problémů této konstrukce je, že při určitých napětích a teplotách se kapalný elektrolyt může stát těkavým a vzplanout. Baterie jsou obecně bezpečné při běžném používání, ale riziko zůstává, říká Dr. Kevin Huang Ph.D.'15, vědecký pracovník Olivettiho skupiny.
Dalším problémem je, že lithium-iontové baterie nejsou vhodné pro použití v automobilech. Velké a těžké akumulátory zabírají místo, zvyšují celkovou hmotnost vozidla a snižují spotřebu paliva. Ukazuje se však, že je obtížné vyrobit dnešní lithium-iontové baterie menší a lehčí a zároveň zachovat jejich energetickou hustotu – množství energie uložené na gram hmotnosti.
Aby se tyto problémy vyřešily, výzkumníci mění klíčové vlastnosti lithium-iontových baterií, aby vytvořili plně pevnou nebo polovodičovou verzi. Nahrazují kapalný elektrolyt uprostřed tenkým pevným elektrolytem, který je stabilní v širokém rozsahu napětí a teplot. S tímto pevným elektrolytem použili vysokokapacitní kladnou elektrodu a vysokokapacitní lithiovou kovovou zápornou elektrodu, která byla mnohem méně tlustá než obvyklá porézní uhlíková vrstva. Tyto změny umožňují mnohem menší celkový článek při zachování jeho kapacity akumulace energie, což má za následek vyšší hustotu energie.
Tyto vlastnosti - zvýšená bezpečnost a větší hustota energie- jsou pravděpodobně dvě nejčastěji nabízené výhody potenciálních polovodičových baterií, ale všechny tyto věci jsou perspektivní a doufané, a ne nutně dosažitelné. Nicméně tato možnost má mnoho výzkumníků, kteří se snaží najít materiály a návrhy, které splní tento slib.
Myšlení mimo laboratoř
Vědci přišli s řadou zajímavých scénářů, které v laboratoři vypadají slibně. Olivetti a Huang se však domnívají, že vzhledem k naléhavosti problému změny klimatu mohou být důležité další praktické úvahy. My výzkumníci máme v laboratoři vždy metriky, abychom mohli vyhodnotit možné materiály a procesy, říká Olivetti. Příklady mohou zahrnovat kapacitu akumulace energie a rychlost nabíjení/vybíjení. Pokud je však cílem implementace, doporučujeme přidat metriky, které konkrétně řeší potenciál pro rychlé škálování.
Materiály a dostupnost
Ve světě pevných anorganických elektrolytů existují dva hlavní typy materiálů - oxidy obsahující kyslík a sulfidy obsahující síru. Tantal se vyrábí jako vedlejší produkt těžby cínu a niobu. Historická data ukazují, že produkce tantalu je blíže potenciálnímu maximu než produkce germania při těžbě cínu a niobu. Dostupnost tantalu proto vyvolává větší obavy z možného rozšíření buněk na bázi LLZO.
Znalost dostupnosti prvku v zemi však neřeší kroky nutné k tomu, aby se dostal do rukou výrobců. Výzkumníci proto prozkoumali následnou otázku týkající se dodavatelského řetězce klíčových prvků – těžby, zpracování, rafinace, přepravy atd. Za předpokladu, že existuje bohatá nabídka, lze dodavatelský řetězec pro dodávky těchto materiálů dostatečně rychle rozšířit, aby uspokojil rostoucí poptávka po bateriích?
V analýze vzorku se podívali na to, jak moc by dodavatelský řetězec pro germanium a tantal musel rok od roku růst, aby poskytl baterie pro plánovanou flotilu elektrických vozidel do roku 2030. Například flotila elektrických vozidel, často uváděná jako cíl pro rok 2030, by potřebovala vyrobit dostatek baterií, aby poskytla celkem 100 gigawatthodin energie. K dosažení tohoto cíle, s použitím pouze LGPS baterií, by musel dodavatelský řetězec germania meziročně narůst o 50 % – což je úsek, protože maximální tempo růstu bylo v minulosti kolem 7 %. Při použití pouze článků LLZO by dodavatelský řetězec pro tantal musel narůst o přibližně 30 % – což je rychlost růstu výrazně nad historickým maximem kolem 10 %.
Tyto příklady ukazují, jak je důležité vzít v úvahu dostupnost materiálu a dodavatelský řetězec při posuzování potenciálu zvyšování měřítka různých pevných elektrolytů, říká Huang: I když množství materiálu není problém, jako v případě germania, zvětšit všechny Kroky v dodavatelském řetězci, které by odpovídaly výrobě budoucích elektrických vozidel, mohou vyžadovat tempo růstu, které je prakticky bezprecedentní.
Materiály a zpracování
Dalším faktorem, který je třeba vzít v úvahu při posuzování potenciálu škálovatelnosti návrhu baterie, je obtížnost výrobního procesu a dopad, který může mít na náklady. Při výrobě polovodičové baterie je nevyhnutelně mnoho kroků a selhání kteréhokoli kroku zvyšuje náklady na každý úspěšně vyrobený článek.
Olivetti, Ceder a Huang jako zástupný znak výrobních obtíží zkoumali dopad poruchovosti na celkové náklady vybraných konstrukcí polovodičových baterií v jejich databázi. V jednom příkladu se zaměřili na oxid LLZO. LLZO je velmi křehký a velké listy dostatečně tenké pro použití ve vysoce výkonných polovodičových bateriích pravděpodobně prasknou nebo se zdeformují při vysokých teplotách, které jsou součástí výrobního procesu.
Aby určili dopady takovýchto selhání na náklady, simulovali čtyři klíčové kroky zpracování, které se podílejí na montáži článků LLZO. V každém kroku vypočítali náklady na základě předpokládaného výnosu, tj. podílu celkových buněk, které byly úspěšně zpracovány bez selhání. U LLZO byl výnos mnohem nižší než u ostatních návrhů, které studovali; navíc s poklesem výnosu výrazně vzrostly náklady na kilowatthodinu (kWh) energie článku. Například, když bylo do konečného kroku zahřívání katody přidáno o 5 % více článků, náklady se zvýšily o přibližně 30 USD/kWh – zanedbatelná změna vzhledem k tomu, že obecně přijímané cílové náklady pro takové články jsou 100 USD/kWh. Je zřejmé, že výrobní potíže mohou mít hluboký dopad na proveditelnost rozsáhlého přijetí návrhu.
Čas odeslání: září 09-2022