Hitna potreba za smanjenjem emisija ugljičnog dioksida potiče brzi pomak prema elektrifikaciji prometa i širenju primjene solarne energije i energije vjetra u mreži. Ako ovi trendovi eskaliraju kako se očekuje, potreba za boljim metodama skladištenja električne energije će se intenzivirati.
Potrebne su nam sve moguće strategije za rješavanje prijetnje klimatskih promjena, kaže dr. Elsa Olivetti, izvanredna profesorica znanosti o materijalima i inženjerstva na Esther and Harold E. Edgerton. Jasno je da je razvoj tehnologija masovne pohrane temeljene na mreži ključan. Ali za mobilne aplikacije - posebno prijevoz - mnoga su istraživanja usmjerena na prilagodbu današnjicilitij-ionske baterijebiti sigurniji, manji i sposobni pohraniti više energije za svoju veličinu i težinu.
Konvencionalne litij-ionske baterije nastavljaju se poboljšavati, ali njihova ograničenja ostaju, dijelom zbog njihove strukture.Litij-ionske baterije sastoje se od dvije elektrode, jedne pozitivne i jedne negativne, u sendviču u organskoj tekućini (koja sadrži ugljik). Kada se baterija puni i prazni, nabijene čestice litija (ili ioni) prolaze s jedne elektrode na drugu kroz tekući elektrolit.
Jedan problem s ovim dizajnom je taj što pri određenim naponima i temperaturama tekući elektrolit može postati isparljiv i zapaliti se. Baterije su općenito sigurne pri normalnoj uporabi, ali rizik ostaje, kaže dr. Kevin Huang Ph.D.'15, istraživač u Olivettijevoj grupi.
Drugi problem je što litij-ionske baterije nisu prikladne za korištenje u automobilima. Velike, teške baterije zauzimaju prostor, povećavaju ukupnu težinu vozila i smanjuju učinkovitost goriva. No pokazalo se da je teško današnje litij-ionske baterije učiniti manjim i lakšim, a pritom zadržati njihovu energetsku gustoću - količinu pohranjene energije po gramu težine.
Kako bi riješili te probleme, istraživači mijenjaju ključne značajke litij-ionskih baterija kako bi stvorili potpuno solidnu ili solid-state verziju. Oni zamjenjuju tekući elektrolit u sredini tankim čvrstim elektrolitom koji je stabilan u širokom rasponu napona i temperatura. S ovim krutim elektrolitom koristili su pozitivnu elektrodu velikog kapaciteta i metalnu negativnu elektrodu velikog kapaciteta koja je bila daleko manje debela od uobičajenog poroznog sloja ugljika. Ove promjene omogućuju mnogo manju ukupnu ćeliju uz zadržavanje njenog kapaciteta za skladištenje energije, što rezultira većom gustoćom energije.
Ove značajke - poboljšana sigurnost i veća gustoća energije- vjerojatno su dvije najčešće hvaljene prednosti potencijalnih solid-state baterija, no sve su te stvari usmjerene prema budućnosti i kojima se nadamo, a nisu nužno i ostvarive. Ipak, ova mogućnost tjera mnoge istraživače da traže materijale i dizajn koji će ispuniti ovo obećanje.
Razmišljanje izvan laboratorija
Istraživači su došli do niza intrigantnih scenarija koji izgledaju obećavajuće u laboratoriju. Ali Olivetti i Huang vjeruju da s obzirom na hitnost izazova klimatskih promjena, dodatna praktična razmatranja mogu biti važna. Mi istraživači uvijek imamo metriku u laboratoriju za procjenu mogućih materijala i procesa, kaže Olivetti. Primjeri mogu uključivati kapacitet pohrane energije i stope punjenja/pražnjenja. Ali ako je cilj implementacija, predlažemo dodavanje metrike koja se posebno bavi potencijalom brzog skaliranja.
Materijali i dostupnost
U svijetu čvrstih anorganskih elektrolita postoje dvije glavne vrste materijala - oksidi koji sadrže kisik i sulfidi koji sadrže sumpor. Tantal se proizvodi kao nusproizvod rudarenja kositra i niobija. Povijesni podaci pokazuju da je proizvodnja tantala bliža potencijalnom maksimumu od one germanija tijekom rudarenja kositra i niobija. Dostupnost tantala je stoga veća briga za moguće povećanje ćelija temeljenih na LLZO.
Međutim, poznavanje dostupnosti elementa u tlu ne rješava korake potrebne da se on stavi u ruke proizvođača. Istraživači su stoga istražili dodatno pitanje o opskrbnom lancu ključnih elemenata - rudarenje, obrada, rafiniranje, transport itd. Pod pretpostavkom da postoji obilna ponuda, može li se opskrbni lanac za isporuku ovih materijala dovoljno brzo proširiti da zadovolji rastuće potražnja za baterijama?
U analizi uzorka promatrali su koliko bi lanac opskrbe germanijem i tantalom trebao rasti iz godine u godinu kako bi osigurao baterije za predviđenu flotu električnih vozila 2030. godine. Kao primjer, flota električnih vozila, koja se često navodi kao cilj za 2030., trebala bi proizvesti dovoljno baterija da osiguraju ukupno 100 gigavat sati energije. Da bi se postigao ovaj cilj, korištenjem samo LGPS baterija, lanac opskrbe germanijem trebao bi rasti za 50% iz godine u godinu – što je razvučeno, budući da je maksimalna stopa rasta u prošlosti bila oko 7%. Koristeći samo LLZO ćelije, opskrbni lanac za tantal trebao bi narasti za oko 30% - stopa rasta znatno iznad povijesnog maksimuma od oko 10%.
Ovi primjeri pokazuju važnost razmatranja dostupnosti materijala i opskrbnog lanca pri procjeni potencijala povećanja različitih čvrstih elektrolita, kaže Huang: Čak i ako količina materijala nije problem, kao u slučaju germanija, povećanje svih koraci u opskrbnom lancu koji odgovaraju proizvodnji budućih električnih vozila mogu zahtijevati stopu rasta koja je gotovo bez presedana.
Materijali i obrada
Još jedan čimbenik koji treba uzeti u obzir pri procjeni potencijala skalabilnosti dizajna baterije je težina proizvodnog procesa i utjecaj koji on može imati na troškove. Neizbježno je mnogo koraka uključenih u proizvodnju poluprovodničke baterije, a neuspjeh bilo kojeg koraka povećava cijenu svake uspješno proizvedene ćelije.
Kao proxy za poteškoće u proizvodnji, Olivetti, Ceder i Huang istražili su utjecaj stope kvarova na ukupnu cijenu odabranih dizajna poluprovodničkih baterija u svojoj bazi podataka. U jednom primjeru usredotočili su se na oksid LLZO. LLZO je vrlo krhak i veliki listovi dovoljno tanki da se mogu koristiti u čvrstim baterijama visokih performansi vjerojatno će puknuti ili se iskriviti na visokim temperaturama uključenim u proizvodni proces.
Kako bi odredili troškovne implikacije takvih kvarova, simulirali su četiri ključna koraka obrade uključenih u sastavljanje LLZO ćelija. U svakom su koraku izračunali trošak na temelju pretpostavljenog prinosa, tj. udjela ukupnih stanica koje su uspješno obrađene bez greške. Za LLZO, prinos je bio puno niži nego za druge dizajne koje su proučavali; štoviše, kako se prinos smanjivao, cijena po kilovatsatu (kWh) stanične energije značajno je porasla. Na primjer, kada je dodano 5% više ćelija u završni korak zagrijavanja katode, trošak je porastao za oko 30 USD/kWh - zanemariva promjena s obzirom na to da je opće prihvaćen ciljni trošak za takve ćelije 100 USD/kWh. Jasno je da poteškoće u proizvodnji mogu imati dubok utjecaj na izvedivost masovnog usvajanja dizajna.
Vrijeme objave: 9. rujna 2022