Острая необходимость сокращения выбросов углекислого газа приводит к быстрому переходу к электрификации транспорта и расширению использования солнечной и ветровой энергии в энергосистеме.Если эти тенденции будут обостряться, как и ожидалось, потребность в более эффективных методах хранения электрической энергии усилится.
«Нам нужны все возможные стратегии для борьбы с угрозой изменения климата», — говорит доктор Эльза Оливетти, доцент кафедры материаловедения и инженерии в Университете Эстер и Гарольда Эджертонов.Очевидно, что развитие сетевых технологий хранения данных имеет решающее значение.Но что касается мобильных приложений, особенно транспортных, многие исследования сосредоточены на адаптации сегодняшних условий.литий-ионные аккумуляторыбыть более безопасными, меньшими по размерам и способными хранить больше энергии для своего размера и веса.
Обычные литий-ионные батареи продолжают совершенствоваться, но их ограничения остаются, отчасти из-за их структуры.Литий-ионные аккумуляторы состоят из двух электродов, положительного и отрицательного, заключенных в органическую (углеродсодержащую) жидкость.Когда аккумулятор заряжается и разряжается, заряженные частицы (или ионы) лития передаются от одного электрода к другому через жидкий электролит.
Одна из проблем этой конструкции заключается в том, что при определенных напряжениях и температурах жидкий электролит может стать летучим и загореться.«Батареи в целом безопасны при нормальном использовании, но риск остается», — говорит доктор философии Кевин Хуанг, научный сотрудник группы Оливетти.
Другая проблема заключается в том, что литий-ионные аккумуляторы не подходят для использования в автомобилях.Большие и тяжелые аккумуляторные батареи занимают место, увеличивают общий вес автомобиля и снижают эффективность использования топлива.Но сделать сегодняшние литий-ионные батареи меньше и легче, сохранив при этом их плотность энергии (количество энергии, запасаемой на грамм веса), оказывается сложно.
Чтобы решить эти проблемы, исследователи меняют ключевые характеристики литий-ионных батарей, создавая полностью твердотельную или твердотельную версию.Они заменяют жидкий электролит посередине тонким твердым электролитом, стабильным в широком диапазоне напряжений и температур.В этом твердом электролите они использовали положительный электрод большой емкости и отрицательный электрод из металлического лития большой емкости, который был гораздо менее толстым, чем обычный слой пористого углерода.Эти изменения позволяют уменьшить общий размер ячейки, сохраняя при этом ее емкость хранения энергии, что приводит к более высокой плотности энергии.
Эти особенности – повышенная безопасность и большая плотность энергии.— это, вероятно, два наиболее часто рекламируемых преимущества потенциальных твердотельных батарей, однако все эти вещи являются перспективными и ожидаемыми, но не обязательно достижимыми.Тем не менее, эта возможность заставляет многих исследователей изо всех сил пытаться найти материалы и конструкции, которые выполнят это обещание.
Мышление за пределами лаборатории
Исследователи придумали ряд интригующих сценариев, которые выглядят многообещающими в лабораторных условиях.Но Оливетти и Хуанг полагают, что, учитывая безотлагательность проблемы изменения климата, могут быть важны дополнительные практические соображения.«У нас, исследователей, в лаборатории всегда есть показатели для оценки возможных материалов и процессов», — говорит Оливетти.Примеры могут включать емкость хранения энергии и скорость зарядки/разрядки.Но если целью является реализация, мы предлагаем добавить метрики, которые конкретно учитывают потенциал быстрого масштабирования.
Материалы и доступность
В мире твердых неорганических электролитов существует два основных типа материалов – оксиды, содержащие кислород, и сульфиды, содержащие серу.Тантал производится как побочный продукт добычи олова и ниобия.Исторические данные показывают, что производство тантала ближе к потенциальному максимуму, чем производство германия при добыче олова и ниобия.Поэтому доступность тантала вызывает большую озабоченность при возможном расширении масштабов производства элементов на основе LLZO.
Однако знание наличия элемента в земле не решает, какие шаги необходимо предпринять, чтобы передать его в руки производителей.Поэтому исследователи исследовали дополнительный вопрос о цепочке поставок ключевых элементов - добыча, переработка, очистка, транспортировка и т. д. Если предположить, что запасы в изобилии, можно ли расширить цепочку поставок этих материалов достаточно быстро, чтобы удовлетворить растущие потребности спрос на батарейки?
В ходе выборочного анализа они рассмотрели, насколько цепочка поставок германия и тантала должна будет расти из года в год, чтобы обеспечить аккумуляторами прогнозируемый парк электромобилей к 2030 году.Например, парк электромобилей, который часто называют целью к 2030 году, должен будет произвести достаточно батарей, чтобы обеспечить в общей сложности 100 гигаватт-часов энергии.Чтобы достичь этой цели, используя только батареи LGPS, цепочка поставок германия должна будет расти на 50% в годовом исчислении – это преувеличение, поскольку в прошлом максимальный темп роста составлял около 7%.При использовании только элементов LLZO цепочка поставок тантала должна будет вырасти примерно на 30%, что значительно превышает исторический максимум примерно в 10%.
«Эти примеры показывают, насколько важно учитывать доступность материалов и цепочку поставок при оценке потенциала расширения масштабов использования различных твердых электролитов», — говорит Хуанг: «Даже если количество материала не является проблемой, как в случае с германием, масштабирование всех шаги в цепочке поставок, необходимые для производства будущих электромобилей, могут потребовать практически беспрецедентных темпов роста.
Материалы и обработка
Еще одним фактором, который следует учитывать при оценке потенциала масштабируемости конструкции батареи, является сложность производственного процесса и его влияние на стоимость.Производство твердотельной батареи неизбежно включает в себя множество этапов, и неудача на любом этапе увеличивает стоимость каждого успешно изготовленного элемента.
В качестве показателя сложности производства Оливетти, Седер и Хуанг исследовали влияние частоты отказов на общую стоимость выбранных конструкций твердотельных батарей из своей базы данных.В одном примере они сосредоточились на оксиде LLZO.LLZO очень хрупкий, а большие листы, достаточно тонкие, чтобы их можно было использовать в высокопроизводительных твердотельных батареях, могут треснуть или деформироваться при высоких температурах, возникающих в процессе производства.
Чтобы определить финансовые последствия таких сбоев, они смоделировали четыре ключевых этапа сборки элементов LLZO.На каждом этапе они рассчитывали стоимость на основе предполагаемого выхода, то есть доли всех ячеек, которые были успешно обработаны без сбоев.Для LLZO доходность была намного ниже, чем для других изученных ими конструкций;более того, по мере снижения урожайности стоимость киловатт-часа (кВтч) энергии ячеек значительно возрастала.Например, когда на последнем этапе нагрева катода было добавлено на 5% больше элементов, стоимость увеличилась примерно на 30 долларов США/кВтч – незначительное изменение, учитывая, что общепринятая целевая стоимость для таких элементов составляет 100 долларов США/кВтч.Очевидно, что производственные трудности могут оказать глубокое влияние на возможность широкомасштабного внедрения этой конструкции.
Время публикации: 9 сентября 2022 г.