La necessitat urgent de reduir les emissions de carboni està impulsant un ràpid moviment cap a l'electrificació del transport i l'ampliació del desplegament de l'energia solar i eòlica a la xarxa.Si aquestes tendències augmenten com s'esperava, s'intensificarà la necessitat de millors mètodes d'emmagatzematge d'energia elèctrica.
Necessitem totes les estratègies que puguem aconseguir per fer front a l'amenaça del canvi climàtic, diu la doctora Elsa Olivetti, professora associada de ciència i enginyeria de materials a Esther i Harold E. Edgerton.És evident que el desenvolupament de tecnologies d'emmagatzematge massiu basades en xarxa és crucial.Però per a les aplicacions mòbils, especialment el transport, molta investigació se centra en l'adaptació de les actualsbateries de ions de litiper ser més segurs, més petits i capaços d'emmagatzemar més energia per la seva mida i pes.
Les bateries d'ions de liti convencionals continuen millorant, però les seves limitacions es mantenen, en part a causa de la seva estructura.Les bateries d'ions de liti consten de dos elèctrodes, un positiu i un negatiu, intercalats en un líquid orgànic (que conté carboni).Quan la bateria es carrega i es descarrega, les partícules de liti carregades (o ions) passen d'un elèctrode a l'altre a través de l'electròlit líquid.
Un dels problemes d'aquest disseny és que a determinats voltatges i temperatures, l'electròlit líquid es pot tornar volàtil i incendiar-se.En general, les bateries són segures amb un ús normal, però el risc continua, diu el doctor Kevin Huang Ph.D.'15, científic investigador del grup d'Olivetti.
Un altre problema és que les bateries d'ions de liti no són aptes per al seu ús en cotxes.Les bateries grans i pesades ocupen espai, augmenten el pes total del vehicle i redueixen l'eficiència del combustible.Però està resultant difícil fer que les bateries d'ió de liti actuals siguin més petites i lleugeres mantenint la seva densitat d'energia: la quantitat d'energia emmagatzemada per gram de pes.
Per resoldre aquests problemes, els investigadors estan canviant les característiques clau de les bateries d'ions de liti per crear una versió totalment sòlida o d'estat sòlid.Estan substituint l'electròlit líquid al mig per un electròlit sòlid prim que és estable en una àmplia gamma de voltatges i temperatures.Amb aquest electròlit sòlid, van utilitzar un elèctrode positiu d'alta capacitat i un elèctrode negatiu de metall de liti de gran capacitat que era molt menys gruixut que la capa de carboni porosa habitual.Aquests canvis permeten una cèl·lula global molt més petita alhora que manté la seva capacitat d'emmagatzematge d'energia, donant lloc a una densitat d'energia més gran.
Aquestes característiques: seguretat millorada i major densitat d'energia- Probablement són els dos avantatges més populars de les possibles bateries d'estat sòlid, però totes aquestes coses són avançades i esperades, i no necessàriament assolibles.No obstant això, aquesta possibilitat fa que molts investigadors estiguin lluitant per trobar els materials i dissenys que compleixin aquesta promesa.
Pensant més enllà del laboratori
Els investigadors han plantejat una sèrie d'escenaris intrigants que semblen prometedors al laboratori.Però Olivetti i Huang creuen que donada la urgència del repte del canvi climàtic, poden ser importants consideracions pràctiques addicionals.Els investigadors sempre tenim mètriques al laboratori per avaluar possibles materials i processos, diu Olivetti.Alguns exemples poden incloure la capacitat d'emmagatzematge d'energia i les taxes de càrrega/descàrrega.Però si l'objectiu és la implementació, suggerim afegir mètriques que abordin específicament el potencial d'escalada ràpida.
Materials i disponibilitat
Al món dels electròlits inorgànics sòlids, hi ha dos tipus principals de materials: òxids que contenen oxigen i sulfurs que contenen sofre.El tàntal es produeix com a subproducte de la mineria d'estany i niobi.Les dades històriques mostren que la producció de tàntal s'acosta més al màxim potencial que la del germani durant la mineria d'estany i niobi.Per tant, la disponibilitat de tàntal és una preocupació més gran per a la possible ampliació de les cèl·lules basades en LLZO.
Tanmateix, conèixer la disponibilitat d'un element al sòl no resol els passos necessaris per posar-lo en mans dels fabricants.Per tant, els investigadors van investigar una pregunta de seguiment sobre la cadena de subministrament d'elements clau: mineria, processament, refinament, transport, etc. Suposant que hi ha un subministrament abundant, es pot ampliar la cadena de subministrament per lliurar aquests materials amb prou rapidesa per satisfer el creixement creixent? demanda de piles?
En una anàlisi de mostra, van analitzar fins a quin punt la cadena de subministrament de germani i tàntal hauria de créixer any rere any per proporcionar bateries per a la flota de vehicles elèctrics prevista per al 2030.Com a exemple, una flota de vehicles elèctrics, sovint citada com a objectiu per al 2030, hauria de produir suficients bateries per proporcionar un total de 100 gigawatts hora d'energia.Per aconseguir aquest objectiu, utilitzant només bateries LGPS, la cadena de subministrament de germani hauria de créixer un 50% any rere any, un tram, ja que la taxa de creixement màxima ha estat al voltant del 7% en el passat.Utilitzant només cèl·lules LLZO, la cadena de subministrament del tàntal hauria de créixer al voltant d'un 30%, una taxa de creixement molt per sobre del màxim històric d'un 10%.
Aquests exemples mostren la importància de tenir en compte la disponibilitat del material i la cadena de subministrament a l'hora d'avaluar el potencial d'ampliació de diferents electròlits sòlids, diu Huang: Fins i tot si la quantitat d'un material no és un problema, com en el cas del germani, augmentar tots els els passos de la cadena de subministrament per igualar la producció de futurs vehicles elèctrics poden requerir una taxa de creixement pràcticament sense precedents.
Materials i processament
Un altre factor a tenir en compte a l'hora d'avaluar el potencial d'escalabilitat d'un disseny de bateria és la dificultat del procés de fabricació i l'impacte que pot tenir en el cost.Inevitablement, hi ha molts passos implicats en la fabricació d'una bateria d'estat sòlid, i la fallada de qualsevol pas augmenta el cost de cada cèl·lula produïda amb èxit.
Com a indicador de la dificultat de fabricació, Olivetti, Ceder i Huang van explorar l'impacte de la taxa de fallades en el cost total dels dissenys de bateries d'estat sòlid seleccionats a la seva base de dades.En un exemple, es van centrar en l'òxid LLZO.LLZO és molt fràgil i les làmines grans prou fines per ser utilitzades en bateries d'estat sòlid d'alt rendiment és probable que s'esquerdin o es deformin a les altes temperatures implicades en el procés de fabricació.
Per determinar les implicacions de costos d'aquestes fallades, van simular els quatre passos clau de processament implicats en el muntatge de cèl·lules LLZO.A cada pas, van calcular el cost a partir d'un rendiment suposat, és a dir, la proporció de cel·les totals que es van processar amb èxit sense fallar.Per a LLZO, el rendiment va ser molt inferior al dels altres dissenys que van estudiar;a més, a mesura que el rendiment va disminuir, el cost per quilowatt-hora (kWh) d'energia cel·lular va augmentar significativament.Per exemple, quan es van afegir un 5% més de cèl·lules al pas final d'escalfament del càtode, el cost va augmentar uns 30 dòlars/kWh, un canvi insignificant tenint en compte que el cost objectiu generalment acceptat per a aquestes cèl·lules és de 100 dòlars/kWh.És evident que les dificultats de fabricació poden tenir un impacte profund en la viabilitat de l'adopció a gran escala del disseny.
Hora de publicació: Set-09-2022