Det presserende behov for at reducere kulstofemissioner driver et hurtigt skridt hen imod at elektrificere transport og udvide udbredelsen af sol- og vindkraft på nettet. Hvis disse tendenser eskalerer som forventet, vil behovet for bedre metoder til lagring af elektrisk energi intensiveres.
Vi har brug for alle de strategier, vi kan få for at imødegå truslen om klimaændringer, siger Dr. Elsa Olivetti, lektor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab ved Esther og Harold E. Edgerton. Det er klart, at udviklingen af netbaserede masselagringsteknologier er afgørende. Men for mobile applikationer - især transport - er meget forskning fokuseret på at tilpasse nutidenslithium-ion batterierat være sikrere, mindre og i stand til at lagre mere energi til deres størrelse og vægt.
Konventionelle lithium-ion-batterier fortsætter med at forbedre sig, men deres begrænsninger består, delvist på grund af deres struktur.Lithium-ion-batterier består af to elektroder, en positiv og en negativ, indlejret i en organisk (kulstofholdig) væske. Når batteriet oplades og aflades, ledes ladede lithiumpartikler (eller ioner) fra den ene elektrode til den anden gennem den flydende elektrolyt.
Et problem med dette design er, at ved visse spændinger og temperaturer kan den flydende elektrolyt blive flygtig og antænde. Batterierne er generelt sikre ved normal brug, men risikoen består, siger Dr. Kevin Huang Ph.D.'15, en forsker i Olivettis gruppe.
Et andet problem er, at lithium-ion-batterier ikke er egnede til brug i biler. Store, tunge batteripakker optager plads, øger køretøjets samlede vægt og reducerer brændstofeffektiviteten. Men det har vist sig svært at gøre nutidens lithium-ion-batterier mindre og lettere og samtidig bevare deres energitæthed - mængden af energi, der er lagret pr. gram vægt.
For at løse disse problemer ændrer forskerne nøglefunktionerne ved lithium-ion-batterier for at skabe en helt solid- eller solid-state version. De erstatter den flydende elektrolyt i midten med en tynd fast elektrolyt, der er stabil over en lang række spændinger og temperaturer. Med denne faste elektrolyt brugte de en højkapacitets positiv elektrode og en højkapacitets lithiummetal negativ elektrode, der var langt mindre tyk end det sædvanlige porøse carbonlag. Disse ændringer giver mulighed for en meget mindre samlet celle, samtidig med at dens energilagringskapacitet bevares, hvilket resulterer i en højere energitæthed.
Disse funktioner - øget sikkerhed og større energitæthed- er nok de to mest almindeligt udråbte fordele ved potentielle solid-state batterier, men alle disse ting er fremadskuende og håbede på og ikke nødvendigvis opnåelige. Ikke desto mindre får denne mulighed mange forskere til at kæmpe for at finde de materialer og designs, der vil indfri dette løfte.
Tænker ud over laboratoriet
Forskere har fundet frem til en række spændende scenarier, der ser lovende ud i laboratoriet. Men Olivetti og Huang mener, at i betragtning af, hvor presserende klimaudfordringen er, kan yderligere praktiske overvejelser være vigtige. Vi forskere har altid målinger i laboratoriet til at vurdere mulige materialer og processer, siger Olivetti. Eksempler kan omfatte energilagringskapacitet og opladnings-/afladningshastigheder. Men hvis målet er implementering, foreslår vi at tilføje metrics, der specifikt adresserer potentialet for hurtig skalering.
Materialer og tilgængelighed
I verden af faste uorganiske elektrolytter er der to hovedtyper af materiale - oxider indeholdende ilt og sulfider indeholdende svovl. Tantal produceres som et biprodukt ved udvinding af tin og niobium. Historiske data viser, at produktionen af tantal er tættere på det potentielle maksimum end germanium under udvinding af tin og niobium. Tilgængeligheden af tantal er derfor en større bekymring for den mulige opskalering af LLZO-baserede celler.
At kende tilgængeligheden af et element i jorden løser dog ikke de nødvendige trin for at få det i hænderne på producenterne. Forskerne undersøgte derfor et opfølgende spørgsmål om forsyningskæden af nøgleelementer - minedrift, forarbejdning, raffinering, transport osv. Hvis det antages, at der er et rigeligt udbud, kan forsyningskæden til levering af disse materialer udvides hurtigt nok til at imødekomme den voksende forsyning efterspørgsel efter batterier?
I en prøveanalyse så de på, hvor meget forsyningskæden for germanium og tantal skulle vokse år for år for at levere batterier til den forventede 2030-flåde af elektriske køretøjer. Som et eksempel vil en flåde af elektriske køretøjer, ofte nævnt som et mål for 2030, skulle producere nok batterier til at levere i alt 100 gigawatt timers energi. For at nå dette mål, ved kun at bruge LGPS-batterier, skal germanium-forsyningskæden vokse med 50 % år for år – en strækning, da den maksimale vækstrate tidligere har været omkring 7 %. Ved kun at bruge LLZO-celler vil forsyningskæden for tantal skulle vokse med omkring 30 % - en vækstrate langt over det historiske maksimum på omkring 10 %.
Disse eksempler viser vigtigheden af at overveje materialetilgængelighed og forsyningskæden, når man vurderer opskaleringspotentialet for forskellige faste elektrolytter, siger Huang: Selv hvis mængden af et materiale ikke er et problem, som i tilfældet med germanium, skal man opskalere alle trinene i forsyningskæden for at matche produktionen af fremtidige elbiler kan kræve en vækstrate, der er næsten hidtil uset.
Materialer og forarbejdning
En anden faktor, der skal tages i betragtning, når man vurderer skalerbarhedspotentialet for et batteridesign, er vanskeligheden ved fremstillingsprocessen og den indvirkning, den kan have på omkostningerne. Der er uundgåeligt mange trin involveret i fremstillingen af et solid-state batteri, og svigt af et hvilket som helst trin øger omkostningerne for hver vellykket produceret celle.
Som en proxy for produktionsvanskeligheder undersøgte Olivetti, Ceder og Huang virkningen af fejlfrekvensen på de samlede omkostninger ved udvalgte solid-state batteridesigns i deres database. I et eksempel fokuserede de på oxidet LLZO. LLZO er meget skørt, og store plader, der er tynde nok til at blive brugt i højtydende solid state-batterier, vil sandsynligvis revne eller deformeres ved de høje temperaturer, der er involveret i fremstillingsprocessen.
For at bestemme omkostningsimplikationerne af sådanne fejl, simulerede de de fire centrale behandlingstrin involveret i samlingen af LLZO-celler. Ved hvert trin beregnede de omkostningerne baseret på et antaget udbytte, dvs. andelen af de samlede celler, der blev behandlet uden fejl. For LLZO var udbyttet meget lavere end for de andre designs, de undersøgte; desuden, da udbyttet faldt, steg prisen pr. kilowatt-time (kWh) af celleenergi betydeligt. For eksempel, når 5% flere celler blev tilføjet til det sidste katodeopvarmningstrin, steg omkostningerne med omkring $30/kWh - en ubetydelig ændring i betragtning af, at den generelt accepterede målpris for sådanne celler er $100/kWh. Det er klart, at fremstillingsvanskeligheder kan have en dyb indvirkning på gennemførligheden af storstilet anvendelse af designet.
Indlægstid: 09-09-2022