Nujna potreba po zmanjšanju emisij ogljika spodbuja hiter premik k elektrifikaciji prometa in razširitvi uporabe sončne in vetrne energije v omrežju.Če se bodo ti trendi stopnjevali, kot je pričakovano, se bo potreba po boljših načinih shranjevanja električne energije povečala.
Potrebujemo vse strategije, ki jih lahko dobimo, da bi obravnavali grožnjo podnebnih sprememb, pravi dr. Elsa Olivetti, izredna profesorica znanosti o materialih in inženiringa pri Esther and Harold E. Edgerton.Jasno je, da je razvoj omrežnih tehnologij za množično shranjevanje ključnega pomena.Toda pri mobilnih aplikacijah - zlasti transportu - je veliko raziskav osredotočenih na prilagajanje današnjemulitij-ionske baterijeda so varnejši, manjši in sposobni shraniti več energije za svojo velikost in težo.
Običajne litij-ionske baterije se še naprej izboljšujejo, vendar ostajajo njihove omejitve, deloma zaradi njihove strukture.Litij-ionske baterije so sestavljene iz dveh elektrod, ene pozitivne in ene negativne, stisnjenih v organsko tekočino (ki vsebuje ogljik).Ko se baterija polni in prazni, se nabiti litijevi delci (ali ioni) prenašajo od ene elektrode do druge skozi tekoči elektrolit.
Ena težava pri tej zasnovi je, da lahko pri določenih napetostih in temperaturah tekoči elektrolit postane hlapen in se vname.Baterije so na splošno varne ob običajni uporabi, vendar tveganje ostaja, pravi dr. Kevin Huang Ph.D.'15, raziskovalec v Olivettijevi skupini.
Druga težava je, da litij-ionske baterije niso primerne za uporabo v avtomobilih.Veliki, težki paketi baterij zavzamejo prostor, povečajo skupno težo vozila in zmanjšajo učinkovitost goriva.Toda izkazalo se je, da je današnje litij-ionske baterije težko narediti manjše in lažje, hkrati pa ohraniti njihovo energijsko gostoto – količino shranjene energije na gram teže.
Da bi rešili te težave, raziskovalci spreminjajo ključne lastnosti litij-ionskih baterij, da bi ustvarili popolnoma trdno ali polprevodniško različico.Tekoči elektrolit v sredini zamenjajo s tankim trdnim elektrolitom, ki je stabilen v širokem razponu napetosti in temperatur.Pri tem trdnem elektrolitu so uporabili visoko zmogljivo pozitivno elektrodo in visoko zmogljivo litijevo kovinsko negativno elektrodo, ki je bila veliko manj debela od običajne porozne ogljikove plasti.Te spremembe omogočajo veliko manjšo skupno celico, hkrati pa ohranjajo njeno zmogljivost shranjevanja energije, kar ima za posledico višjo energijsko gostoto.
Te značilnosti - povečana varnost in večja gostota energije- sta verjetno dve najpogosteje omenjani prednosti potencialnih polprevodniških baterij, vendar so vse te stvari usmerjene v prihodnost in upajo ter niso nujno dosegljive.Kljub temu se zaradi te možnosti številni raziskovalci trudijo najti materiale in oblike, ki bodo izpolnili to obljubo.
Razmišljanje izven laboratorija
Raziskovalci so prišli do številnih zanimivih scenarijev, ki so v laboratoriju videti obetavni.Toda Olivetti in Huang verjameta, da so lahko glede na nujnost izziva podnebnih sprememb pomembni dodatni praktični premisleki.Raziskovalci imamo vedno v laboratoriju meritve za oceno možnih materialov in procesov, pravi Olivetti.Primeri lahko vključujejo zmogljivost shranjevanja energije in stopnje polnjenja/praznjenja.Če pa je cilj implementacija, predlagamo dodajanje meritev, ki posebej obravnavajo možnost hitrega skaliranja.
Materiali in razpoložljivost
V svetu trdnih anorganskih elektrolitov obstajata dve glavni vrsti materiala - oksidi, ki vsebujejo kisik, in sulfidi, ki vsebujejo žveplo.Tantal se proizvaja kot stranski produkt pri pridobivanju kositra in niobija.Zgodovinski podatki kažejo, da je proizvodnja tantala bližje potencialnemu maksimumu kot proizvodnja germanija med rudarjenjem kositra in niobija.Razpoložljivost tantala je zato večja skrb za morebitno povečanje celic na osnovi LLZO.
Vendar poznavanje razpoložljivosti elementa v zemlji ne reši korakov, ki so potrebni, da pride v roke proizvajalcem.Raziskovalci so zato raziskali nadaljnje vprašanje o dobavni verigi ključnih elementov – rudarjenje, predelava, rafiniranje, transport itd. Ob predpostavki, da je ponudba obilna, ali je mogoče dobavno verigo za dostavo teh materialov dovolj hitro razširiti, da bo zadostila naraščajočemu povpraševanje po baterijah?
V analizi vzorca so preučili, koliko bi morala dobavna veriga za germanij in tantal rasti iz leta v leto, da bi zagotovila baterije za predvideno floto električnih vozil leta 2030.Na primer, flota električnih vozil, ki se pogosto navaja kot cilj za leto 2030, bi morala proizvesti dovolj baterij, da bi zagotovila skupno 100 gigavatnih ur energije.Da bi dosegli ta cilj z uporabo samo baterij LGPS, bi morala dobavna veriga germanija zrasti za 50 % iz leta v leto – kar je res, saj je bila najvišja stopnja rasti v preteklosti okoli 7 %.Z uporabo samo celic LLZO bi morala dobavna veriga za tantal zrasti za približno 30 % – stopnja rasti je precej nad zgodovinsko najvišjo vrednostjo okoli 10 %.
Ti primeri kažejo, kako pomembno je upoštevati razpoložljivost materiala in dobavno verigo pri ocenjevanju potenciala povečanja različnih trdnih elektrolitov, pravi Huang: Tudi če količina materiala ni problem, kot je v primeru germanija, povečanje vsega koraki v dobavni verigi, da se uskladijo s proizvodnjo prihodnjih električnih vozil, bodo morda zahtevali stopnjo rasti, ki je praktično brez primere.
Materiali in obdelava
Drug dejavnik, ki ga je treba upoštevati pri ocenjevanju potenciala razširljivosti zasnove baterije, je težavnost proizvodnega procesa in njegov vpliv na stroške.Pri izdelavi polprevodniške baterije je neizogibno veliko korakov in neuspeh katerega koli koraka poveča stroške vsake uspešno izdelane celice.
Kot približek za težave pri izdelavi so Olivetti, Ceder in Huang raziskali vpliv stopnje napak na skupne stroške izbranih zasnov polprevodniških baterij v njihovi bazi podatkov.V enem primeru so se osredotočili na oksid LLZO.LLZO je zelo krhek in velike plošče, ki so dovolj tanke za uporabo v visokozmogljivih polprevodniških baterijah, bodo verjetno počene ali deformirane pri visokih temperaturah, ki so vključene v proizvodni proces.
Za določitev stroškovnih posledic takšnih okvar so simulirali štiri ključne korake obdelave, vključene v sestavljanje celic LLZO.Pri vsakem koraku so izračunali stroške na podlagi predvidenega donosa, tj. deleža vseh celic, ki so bile uspešno obdelane brez napak.Za LLZO je bil izkoristek veliko nižji kot za druge modele, ki so jih preučevali;poleg tega, ko se je izkoristek zmanjšal, se je cena na kilovatno uro (kWh) celične energije znatno povečala.Na primer, ko je bilo dodanih 5 % več celic v končni korak ogrevanja katode, se je strošek povečal za približno 30 $/kWh – zanemarljiva sprememba, če upoštevamo, da je splošno sprejeti ciljni strošek za takšne celice 100 $/kWh.Jasno je, da lahko proizvodne težave močno vplivajo na izvedljivost obsežne uporabe zasnove.
Čas objave: 9. september 2022