Ang kagyat na pangangailangan na bawasan ang mga carbon emissions ay nagtutulak ng mabilis na hakbang tungo sa electrifying transport at pagpapalawak ng deployment ng solar at wind power sa grid.Kung ang mga usong ito ay tataas tulad ng inaasahan, ang pangangailangan para sa mas mahusay na mga paraan ng pag-iimbak ng elektrikal na enerhiya ay tindi.
Kailangan namin ang lahat ng mga diskarte na maaari naming makuha upang matugunan ang banta ng pagbabago ng klima, sabi ni Dr Elsa Olivetti, isang associate professor ng mga materyales sa science at engineering sa Esther at Harold E. Edgerton.Maliwanag, ang pagbuo ng mga teknolohiyang mass storage na nakabatay sa grid ay napakahalaga.Ngunit para sa mga mobile application - lalo na sa transportasyon - maraming pananaliksik ang nakatuon sa pag-angkop sa ngayonmga baterya ng lithium-ionupang maging mas ligtas, mas maliit at makapag-imbak ng mas maraming enerhiya para sa kanilang laki at timbang.
Ang mga maginoo na baterya ng lithium-ion ay patuloy na bumubuti, ngunit ang kanilang mga limitasyon ay nananatili, bahagyang dahil sa kanilang istraktura.Ang mga bateryang Lithium-ion ay binubuo ng dalawang electrodes, isang positibo at isang negatibo, na naka-sandwich sa isang organic (na naglalaman ng carbon) na likido.Kapag na-charge at na-discharge ang baterya, ang mga naka-charge na particle ng lithium (o mga ion) ay ipinapasa mula sa isang electrode patungo sa isa pa sa pamamagitan ng liquid electrolyte.
Ang isang problema sa disenyo na ito ay na sa ilang mga boltahe at temperatura, ang likidong electrolyte ay maaaring maging pabagu-bago ng isip at masunog.Ang mga baterya ay karaniwang ligtas sa ilalim ng normal na paggamit, ngunit ang panganib ay nananatili, sabi ni Dr Kevin Huang Ph.D.'15, isang research scientist sa grupo ni Olivetti.
Ang isa pang problema ay ang mga baterya ng lithium-ion ay hindi angkop para sa paggamit sa mga kotse.Ang malalaki at mabibigat na pack ng baterya ay kumukuha ng espasyo, pinapataas ang kabuuang bigat ng sasakyan at binabawasan ang kahusayan ng gasolina.Ngunit ito ay nagpapatunay na mahirap gawing mas maliit at mas magaan ang mga baterya ng lithium-ion ngayon habang pinapanatili ang kanilang density ng enerhiya - ang dami ng enerhiya na nakaimbak sa bawat gramo ng timbang.
Upang malutas ang mga problemang ito, binabago ng mga mananaliksik ang mga pangunahing tampok ng mga baterya ng lithium-ion upang lumikha ng isang all-solid, o solid-state, na bersyon.Pinapalitan nila ang likidong electrolyte sa gitna ng isang manipis na solidong electrolyte na matatag sa malawak na hanay ng mga boltahe at temperatura.Gamit ang solid electrolyte na ito, gumamit sila ng high-capacity positive electrode at high-capacity lithium metal negative electrode na hindi gaanong makapal kaysa sa karaniwang porous na carbon layer.Ang mga pagbabagong ito ay nagbibigay-daan para sa isang mas maliit na pangkalahatang cell habang pinapanatili ang kapasidad ng pag-imbak ng enerhiya, na nagreresulta sa isang mas mataas na density ng enerhiya.
Ang mga tampok na ito - pinahusay na kaligtasan at mas malaking density ng enerhiya- ay marahil ang dalawang pinakakaraniwang sinasabing benepisyo ng mga potensyal na solid-state na baterya, ngunit ang lahat ng mga bagay na ito ay inaasam-asam at inaasahan, at hindi kinakailangang matamo.Gayunpaman, ang posibilidad na ito ay maraming mga mananaliksik na nag-aagawan upang mahanap ang mga materyales at disenyo na maghahatid sa pangakong ito.
Pag-iisip sa kabila ng laboratoryo
Ang mga mananaliksik ay nakabuo ng maraming nakakaintriga na mga senaryo na mukhang promising sa laboratoryo.Ngunit naniniwala sina Olivetti at Huang na dahil sa pagkaapurahan ng hamon sa pagbabago ng klima, maaaring mahalaga ang mga karagdagang praktikal na pagsasaalang-alang.Kaming mga mananaliksik ay palaging may mga sukatan sa lab upang suriin ang mga posibleng materyales at proseso, sabi ni Olivetti.Maaaring kabilang sa mga halimbawa ang kapasidad ng pag-iimbak ng enerhiya at mga rate ng pag-charge/discharge.Ngunit kung ang layunin ay pagpapatupad, iminumungkahi namin ang pagdaragdag ng mga sukatan na partikular na tumutugon sa potensyal para sa mabilis na pag-scale.
Mga materyales at kakayahang magamit
Sa mundo ng solid inorganic electrolytes, mayroong dalawang pangunahing uri ng materyal - mga oxide na naglalaman ng oxygen at sulphides na naglalaman ng sulfur.Ang Tantalum ay ginawa bilang isang by-product ng pagmimina ng lata at niobium.Ang makasaysayang data ay nagpapakita na ang produksyon ng tantalum ay mas malapit sa potensyal na maximum kaysa sa germanium sa panahon ng pagmimina ng lata at niobium.Ang pagkakaroon ng tantalum ay samakatuwid ay isang mas malaking pag-aalala para sa posibleng pag-scale ng mga cell na nakabatay sa LLZO.
Gayunpaman, ang pag-alam sa pagkakaroon ng isang elemento sa lupa ay hindi malulutas ang mga hakbang na kinakailangan upang makuha ito sa mga kamay ng mga tagagawa.Ang mga mananaliksik samakatuwid ay nag-imbestiga ng isang follow-on na tanong tungkol sa supply chain ng mga pangunahing elemento - pagmimina, pagproseso, pagpino, transportasyon, atbp. Sa pag-aakalang may masaganang supply, maaari bang mabilis na mapalawak ang supply chain para sa paghahatid ng mga materyales na ito upang matugunan ang lumalaking demand para sa mga baterya?
Sa isang sample analysis, tiningnan nila kung gaano kalaki ang supply chain para sa germanium at tantalum na kailangang lumaki taon-taon para makapagbigay ng mga baterya para sa inaasahang 2030 fleet ng mga electric vehicle.Bilang halimbawa, ang isang fleet ng mga de-kuryenteng sasakyan, na kadalasang binabanggit bilang target para sa 2030, ay kailangang gumawa ng sapat na baterya upang magbigay ng kabuuang 100 gigawatt na oras ng enerhiya.Upang makamit ang layuning ito, gamit lamang ang mga LGPS na baterya, ang germanium supply chain ay kailangang lumago ng 50% taon-taon - isang kahabaan, dahil ang pinakamataas na rate ng paglago ay nasa paligid ng 7% sa nakaraan.Gamit lamang ang mga cell ng LLZO, ang supply chain para sa tantalum ay kailangang lumaki nang humigit-kumulang 30% - isang rate ng paglago na mas mataas sa makasaysayang maximum na humigit-kumulang 10%.
Ang mga halimbawang ito ay nagpapakita ng kahalagahan ng pagsasaalang-alang sa pagkakaroon ng materyal at sa supply chain kapag tinatasa ang scaling-up na potensyal ng iba't ibang solid electrolytes, sabi ni Huang: Kahit na ang dami ng isang materyal ay hindi isang isyu, tulad ng sa kaso ng germanium, pinapataas ang lahat ang mga hakbang sa supply chain upang tumugma sa produksyon ng hinaharap na mga de-koryenteng sasakyan ay maaaring mangailangan ng isang rate ng paglago na halos hindi pa nagagawa.
Mga materyales at pagproseso
Ang isa pang salik na dapat isaalang-alang kapag tinatasa ang potensyal ng scalability ng isang disenyo ng baterya ay ang kahirapan ng proseso ng pagmamanupaktura at ang epekto nito sa gastos.Hindi maiiwasang maraming mga hakbang ang kasangkot sa paggawa ng isang solid-state na baterya, at ang pagkabigo ng anumang hakbang ay nagpapataas sa gastos ng bawat matagumpay na ginawang cell.
Bilang proxy para sa kahirapan sa pagmamanupaktura, sinaliksik nina Olivetti, Ceder at Huang ang epekto ng rate ng pagkabigo sa kabuuang halaga ng mga napiling solid-state na disenyo ng baterya sa kanilang database.Sa isang halimbawa, nakatuon sila sa oxide LLZO.Ang LLZO ay napakarupok at ang malalaking sheet ay sapat na manipis upang magamit sa mataas na pagganap na solid state na mga baterya ay malamang na mag-crack o mag-warp sa mataas na temperatura na kasama sa proseso ng pagmamanupaktura.
Upang matukoy ang mga implikasyon ng gastos ng naturang mga pagkabigo, ginaya nila ang apat na pangunahing hakbang sa pagproseso na kasangkot sa pag-assemble ng mga cell ng LLZO.Sa bawat hakbang, kinakalkula nila ang gastos batay sa isang ipinapalagay na ani, ibig sabihin, ang proporsyon ng kabuuang mga cell na matagumpay na naproseso nang walang pagkabigo.Para sa LLZO, ang ani ay mas mababa kaysa sa iba pang mga disenyo na kanilang pinag-aralan;bukod pa rito, habang bumababa ang ani, tumaas nang malaki ang gastos kada kilowatt-hour (kWh) ng cell energy.Halimbawa, nang 5% pang mga cell ang idinagdag sa huling hakbang sa pag-init ng cathode, tumaas ang gastos ng humigit-kumulang $30/kWh - isang hindi gaanong pagbabago kung isasaalang-alang na ang karaniwang tinatanggap na target na gastos para sa mga naturang cell ay $100/kWh.Maliwanag, ang mga paghihirap sa pagmamanupaktura ay maaaring magkaroon ng malalim na epekto sa pagiging posible ng malakihang pag-aampon ng disenyo.
Oras ng post: Set-09-2022