Solid-state rafhlöður verða besti kosturinn fyrir kraftlitíum rafhlöður, en það eru enn þrjár erfiðleikar sem þarf að yfirstíga

Brýn þörf á að draga úr kolefnislosun knýr hraða þróun í átt að rafvæðingu samgangna og stækka notkun sólar- og vindorku á netið.Ef þessi þróun stigmagnast eins og búist var við mun þörfin fyrir betri aðferðir til að geyma raforku aukast.

Við þurfum allar þær aðferðir sem við getum fengið til að takast á við ógn loftslagsbreytinga, segir Dr Elsa Olivetti, dósent í efnisvísindum og verkfræði við Esther og Harold E. Edgerton.Ljóst er að þróun á nettengdri fjöldageymslutækni skiptir sköpum.En fyrir farsímaforrit - sérstaklega flutninga - eru miklar rannsóknir lögð áhersla á að aðlaga nútímannlitíum-jón rafhlöðurað vera öruggari, minni og geta geymt meiri orku miðað við stærð og þyngd.

Hefðbundnar litíumjónarafhlöður halda áfram að bæta, en takmarkanir þeirra eru enn, að hluta til vegna uppbyggingar þeirra.Lithium-ion rafhlöður samanstanda af tveimur rafskautum, annarri jákvæðri og annarri neikvæðri, sem er samloka í lífrænum (kolefnisinnihaldandi) vökva.Þegar rafhlaðan er hlaðin og tæmd fara hlaðnar litíum agnir (eða jónir) frá einu rafskautinu til annars í gegnum fljótandi raflausnina.

Eitt vandamál við þessa hönnun er að við ákveðna spennu og hitastig getur fljótandi raflausnin orðið rokgjarn og kviknað.Rafhlöðurnar eru almennt öruggar við venjulega notkun, en áhættan er áfram, segir Dr Kevin Huang Ph.D.'15, vísindamaður í hópi Olivetti.

Annað vandamál er að litíumjónarafhlöður henta ekki til notkunar í bíla.Stórir, þungir rafhlöðupakkar taka pláss, auka heildarþyngd ökutækisins og draga úr eldsneytisnýtingu.En það reynist erfitt að gera litíumjónarafhlöður nútímans minni og léttari á sama tíma og orkuþéttleika þeirra er viðhaldið - það magn af orku sem geymt er á hvert gramm af þyngd.

Til að leysa þessi vandamál eru vísindamenn að breyta lykileiginleikum litíumjónarafhlöðu til að búa til alhliða, eða solid-state, útgáfu.Þeir eru að skipta út fljótandi raflausninni í miðjunni fyrir þunnan, fastan raflausn sem er stöðugur yfir breitt spennu- og hitastig.Með þessum föstu raflausn notuðu þeir jákvætt rafskaut með mikilli afkastagetu og neikvæða rafskaut af litíum málmi með mikla afkastagetu sem var mun minna þykkt en venjulegt porous kolefnislag.Þessar breytingar leyfa mun minni heildarfrumu en viðhalda orkugeymslugetu sinni, sem leiðir til meiri orkuþéttleika.

Þessir eiginleikar - aukið öryggi og meiri orkuþéttleiki- eru líklega tveir kostir sem oftast eru taldir af mögulegum solid-state rafhlöðum, en samt eru allir þessir hlutir framsýnir og vonandi, og ekki endilega náð.Engu að síður hefur þessi möguleiki marga vísindamenn til að reyna að finna efnin og hönnunina sem munu standa við þetta loforð.

Að hugsa út fyrir rannsóknarstofuna

Vísindamenn hafa komið með fjölda forvitnilegra atburðarása sem líta lofandi út á rannsóknarstofunni.En Olivetti og Huang telja að í ljósi þess hve brýnt loftslagsbreytingaráskorunin er, gætu fleiri hagnýt atriði verið mikilvæg.Við rannsakendur höfum alltaf mælikvarða á rannsóknarstofunni til að meta möguleg efni og ferla, segir Olivetti.Dæmi gæti falið í sér orkugeymslugetu og hleðslu/hleðsluhraða.En ef markmiðið er innleiðing, mælum við með því að bæta við mælingum sem taka sérstaklega á möguleikum á hraðri mælikvarða.

Efni og framboð

Í heimi ólífrænna raflausna í föstu formi eru tvær megingerðir efna - oxíð sem innihalda súrefni og brennisteinsefni.Tantal er framleitt sem aukaafurð við námu tins og níóbíums.Söguleg gögn sýna að framleiðsla tantals er nær hugsanlegu hámarki en germaníum við námuvinnslu á tini og níóbíum.Aðgengi tantals er því meira áhyggjuefni fyrir mögulega stækkun frumna sem byggjast á LLZO.
Hins vegar, að vita hvort frumefni sé tiltækt í jörðu, leysir ekki þau skref sem þarf til að koma honum í hendur framleiðenda.Rannsakendur rannsökuðu því framhaldsspurningu um aðfangakeðju lykilþátta - námuvinnslu, vinnslu, hreinsun, flutning o.s.frv. Að því gefnu að það sé mikið framboð, er hægt að stækka aðfangakeðjuna til að afhenda þessi efni nógu hratt til að mæta vaxandi eftirspurn eftir rafhlöðum?

Í sýnisgreiningu skoðuðu þeir hversu mikið aðfangakeðjan fyrir germaníum og tantal þyrfti að vaxa ár frá ári til að útvega rafhlöður fyrir 2030 rafbílaflotann.Sem dæmi má nefna að rafbílafloti, sem oft er nefndur sem markmið fyrir árið 2030, þyrfti að framleiða nóg af rafhlöðum til að veita samtals 100 gígavattstundir af orku.Til að ná þessu markmiði, með því að nota aðeins LGPS rafhlöður, þyrfti germaníum aðfangakeðjan að stækka um 50% á milli ára - smá teygja, þar sem hámarksvöxtur hefur verið um 7% í fortíðinni.Með því að nota eingöngu LLZO frumur þyrfti aðfangakeðjan fyrir tantal að vaxa um um 30% - vaxtarhraði vel yfir sögulegu hámarki um 10%.

Þessi dæmi sýna mikilvægi þess að huga að efnisframboði og aðfangakeðjunni þegar metið er stækkunarmöguleika mismunandi raflausna í föstu formi, segir Huang: Jafnvel þótt magn efnis sé ekki vandamál, eins og í tilfelli germaníums, skal allt aukast. skrefin í aðfangakeðjunni til að passa við framleiðslu rafknúinna farartækja í framtíðinni gætu krafist vaxtarhraða sem er nánast fordæmalaus.

Efni og vinnsla

Annar þáttur sem þarf að hafa í huga við mat á sveigjanleikamöguleika rafhlöðuhönnunar er erfiðleikar framleiðsluferlisins og áhrifin sem það getur haft á kostnað.Það eru óhjákvæmilega mörg skref sem taka þátt í framleiðslu á solid-state rafhlöðu og bilun í hvaða skrefi sem er eykur kostnað við hverja farsællega framleidda frumu.
Sem staðgengill fyrir framleiðsluerfiðleika könnuðu Olivetti, Ceder og Huang áhrif bilanatíðninnar á heildarkostnað við valin rafhlöðuhönnun í gagnagrunni þeirra.Í einu dæmi einbeittu þeir sér að oxíðinu LLZO.LLZO er mjög brothætt og stór blöð sem eru nógu þunn til að nota í hágæða solid state rafhlöður eru líkleg til að sprunga eða skekkja við háan hita sem fylgir framleiðsluferlinu.
Til að ákvarða kostnaðaráhrif slíkra bilana líktu þeir eftir fjórum lykilvinnsluþrepum sem taka þátt í að setja saman LLZO frumur.Í hverju skrefi reiknuðu þeir kostnaðinn út frá áætluðum ávöxtun, þ.e. hlutfalli heildarfrumna sem tókst að vinna án bilunar.Fyrir LLZO var afraksturinn mun lægri en fyrir aðrar hönnun sem þeir rannsökuðu;Þar að auki, eftir því sem afraksturinn minnkaði, jókst kostnaður á hverja kílóvattstund (kWst) af frumuorku verulega.Til dæmis, þegar 5% fleiri frumum var bætt við síðasta bakskautshitunarþrepið jókst kostnaðurinn um um $30/kWh - hverfandi breyting miðað við að almennt viðurkenndur markkostnaður fyrir slíkar frumur er $100/kWh.Ljóst er að framleiðsluerfiðleikar geta haft mikil áhrif á hagkvæmni þess að taka upp hönnunina í stórum stíl.


Pósttími: 09-09-2022