A szén-dioxid-kibocsátás sürgős csökkentésének szükségessége gyors lépést tesz a közlekedés villamosítása és a nap- és szélenergia hálózaton történő kiépítése felé. Ha ezek a tendenciák a vártnak megfelelően fokozódnak, fokozódni fog az igény az elektromos energia tárolásának jobb módszereire.
Minden elérhető stratégiára szükségünk van az éghajlatváltozás fenyegetésének kezelésére – mondja Dr. Elsa Olivetti, az Esther és Harold E. Edgerton anyagtudományi és mérnöki docense. Nyilvánvaló, hogy a grid-alapú tömegtárolási technológiák fejlesztése kulcsfontosságú. A mobilalkalmazások – különösen a közlekedés – esetében azonban sok kutatás a mai kor adaptálására összpontosítlítium-ion akkumulátorokhogy biztonságosabbak, kisebbek és több energiát képesek tárolni méretükhöz és súlyukhoz képest.
A hagyományos lítium-ion akkumulátorok tovább fejlődnek, de korlátaik továbbra is fennállnak, részben szerkezetük miatt.A lítium-ion akkumulátorok két elektródából állnak, egy pozitív és egy negatívból, amelyek szerves (széntartalmú) folyadékban vannak elhelyezve. Amikor az akkumulátort feltöltik és kisütik, a feltöltött lítium részecskék (vagy ionok) a folyékony elektroliton keresztül az egyik elektródáról a másikra jutnak.
Az egyik probléma ezzel a kialakítással az, hogy bizonyos feszültségeken és hőmérsékleteken a folyékony elektrolit illékony lehet és meggyulladhat. Az akkumulátorok normál használat mellett általában biztonságosak, de a kockázat továbbra is fennáll, mondja Dr. Kevin Huang Ph.D.'15, Olivetti csoportjának kutatója.
További probléma, hogy a lítium-ion akkumulátorok nem alkalmasak autókban való használatra. A nagy, nehéz akkumulátorcsomagok helyet foglalnak, növelik a jármű össztömegét és csökkentik az üzemanyag-hatékonyságot. De nehéznek bizonyul a mai lítium-ion akkumulátorok kisebbre és könnyebbé tétele, miközben energiasűrűségüket – a tömeggrammonként tárolt energia mennyiségét – megtartják.
E problémák megoldása érdekében a kutatók megváltoztatják a lítium-ion akkumulátorok legfontosabb jellemzőit, hogy teljesen szilárdtest vagy szilárdtest változatot hozzanak létre. A középen lévő folyékony elektrolitot egy vékony, szilárd elektrolitra cserélik, amely széles feszültség- és hőmérséklet-tartományban stabil. Ezzel a szilárd elektrolittal egy nagy kapacitású pozitív elektródát és egy nagy kapacitású fém lítium negatív elektródát használtak, amelyek vastagsága jóval kisebb volt, mint a szokásos porózus szénréteg. Ezek a változtatások sokkal kisebb teljes cellát tesznek lehetővé, miközben megtartják energiatároló kapacitását, ami nagyobb energiasűrűséget eredményez.
Ezek a jellemzők - fokozott biztonság és nagyobb energiasűrűség- valószínűleg a potenciális szilárdtest-akkumulátorok két leggyakrabban hangoztatott előnye, de mindezek a dolgok előremutatóak és remélhetőek, és nem feltétlenül elérhetők. Ennek ellenére ez a lehetőség sok kutatót késztet arra, hogy megtalálja azokat az anyagokat és terveket, amelyek beváltják ezt az ígéretet.
Laboratóriumon túli gondolkodás
A kutatók számos érdekes forgatókönyvet találtak ki, amelyek ígéretesnek tűnnek a laboratóriumban. Olivetti és Huang azonban úgy véli, hogy az éghajlatváltozással kapcsolatos kihívás sürgőssége miatt további gyakorlati megfontolások is fontosak lehetnek. Nekünk, kutatóknak mindig vannak mérőszámaink a laboratóriumban a lehetséges anyagok és folyamatok értékeléséhez – mondja Olivetti. Ilyen például az energiatároló kapacitás és a töltési/kisütési arány. De ha a cél a megvalósítás, javasoljuk olyan mérőszámok hozzáadását, amelyek kifejezetten a gyors méretezés lehetőségére vonatkoznak.
Anyagok és elérhetőség
A szilárd szervetlen elektrolitok világában két fő anyagtípus létezik - oxigéntartalmú oxidok és ként tartalmazó szulfidok. A tantál az ón és a nióbium bányászatának melléktermékeként keletkezik. Történelmi adatok azt mutatják, hogy az ón és a nióbium bányászata során a tantál termelése közelebb van a potenciális maximumhoz, mint a germániumé. A tantál rendelkezésre állása ezért nagyobb aggodalomra ad okot az LLZO-alapú sejtek lehetséges méretezése miatt.
Egy elem talajban való elérhetőségének ismerete azonban nem oldja meg azokat a lépéseket, amelyek ahhoz szükségesek, hogy az elem a gyártók kezébe kerüljön. A kutatók ezért a kulcselemek – bányászat, feldolgozás, finomítás, szállítás stb. – ellátási láncára vonatkozó további kérdést vizsgáltak. Feltételezve, hogy bőséges a kínálat, elég gyorsan bővíthető-e ezen anyagok szállításának ellátási lánca, hogy megfeleljen a növekvő igényeknek. akkumulátorok iránti igény?
Egy mintaelemzés során azt vizsgálták, hogy a germánium és a tantál ellátási láncának mennyivel kell évről évre növekednie ahhoz, hogy a 2030-ra tervezett elektromos járműflottához akkumulátorokat biztosítson. Példaként említjük, hogy egy elektromos járműflottának, amelyet gyakran 2030-ig célként emlegetnek, elegendő akkumulátort kellene előállítania ahhoz, hogy összesen 100 gigawattóra energiát biztosítson. E cél eléréséhez, kizárólag LGPS akkumulátorok felhasználásával, a germánium ellátási láncnak évről évre 50%-kal kellene növekednie – ez egy szakasz, mivel a maximális növekedési ráta korábban 7% körül volt. Kizárólag LLZO cellák használatával a tantál ellátási láncának körülbelül 30%-kal kellene növekednie – ez a növekedési ráta jóval meghaladja a 10% körüli történelmi maximumot.
Ezek a példák azt mutatják, hogy fontos figyelembe venni az anyagok rendelkezésre állását és az ellátási láncot a különböző szilárd elektrolitok növekedési potenciáljának felmérésekor, mondja Huang: Még ha az anyag mennyisége nem is számít, mint a germánium esetében, az összes Az ellátási lánc lépései ahhoz, hogy megfeleljenek a jövőbeni elektromos járművek gyártásának, gyakorlatilag példátlan növekedési ütemet igényelhetnek.
Anyagok és feldolgozás
Egy másik tényező, amelyet figyelembe kell venni az akkumulátor tervezésének méretezhetőségi potenciáljának felmérésekor, a gyártási folyamat nehézsége és annak a költségekre gyakorolt hatása. A szilárdtest akkumulátor gyártása elkerülhetetlenül sok lépésből áll, és bármelyik lépés meghibásodása megnöveli minden sikeresen előállított cella költségét.
A gyártási nehézségek helyettesítőjeként Olivetti, Ceder és Huang megvizsgálta a meghibásodási arány hatását a kiválasztott szilárdtest-akkumulátorok teljes költségére az adatbázisukban. Az egyik példában az LLZO oxidra összpontosítottak. Az LLZO nagyon törékeny, és a nagy lapok, amelyek elég vékonyak ahhoz, hogy nagy teljesítményű szilárdtest-akkumulátorokban használhatók, valószínűleg megrepednek vagy meghajlanak a gyártási folyamat magas hőmérsékletén.
Az ilyen hibák költségvonzatainak meghatározásához szimulálták az LLZO-cellák összeszerelésének négy kulcsfontosságú feldolgozási lépését. Minden lépésnél egy feltételezett hozam alapján számolták ki a költséget, azaz a teljes cella arányát, amelyet sikertelenül sikerült feldolgozni. Az LLZO esetében a hozam sokkal alacsonyabb volt, mint az általuk vizsgált többi minta esetében; sőt a hozam csökkenésével jelentősen megnőtt a cella energia kilowattóránkénti (kWh) költsége. Például, amikor 5%-kal több cellát adtak a végső katódfűtési lépéshez, a költség körülbelül 30 USD/kWh-val nőtt – ez elhanyagolható változás, tekintve, hogy az ilyen cellák általánosan elfogadott célköltsége 100 USD/kWh. Nyilvánvaló, hogy a gyártási nehézségek nagymértékben befolyásolhatják a tervezés nagyarányú átvételének megvalósíthatóságát.
Feladás időpontja: 2022.09.09