نیاز فوری به کاهش انتشار کربن یک حرکت سریع به سمت حمل و نقل برقی و گسترش استقرار انرژی خورشیدی و بادی در شبکه است. اگر این روندها همانطور که انتظار می رود افزایش یابد، نیاز به روش های بهتر ذخیره انرژی الکتریکی تشدید خواهد شد.
دکتر السا اولیوتی، دانشیار علوم و مهندسی مواد در استر و هارولد ای. ادگرتون، می‌گوید: ما به تمام استراتژی‌هایی نیاز داریم که می‌توانیم برای مقابله با تهدید تغییرات آب و هوایی داشته باشیم. واضح است که توسعه فناوری های ذخیره سازی انبوه مبتنی بر شبکه بسیار مهم است. اما برای برنامه های کاربردی موبایل - به ویژه حمل و نقل - تحقیقات زیادی بر روی تطبیق با امروز متمرکز شده استباتری های لیتیوم یونیایمن تر، کوچکتر و قادر به ذخیره انرژی بیشتری برای اندازه و وزن خود باشند.
باتری‌های لیتیوم یون معمولی همچنان در حال بهبود هستند، اما محدودیت‌های آنها تا حدودی به دلیل ساختارشان باقی می‌ماند.باتری های لیتیوم یونی شامل دو الکترود، یکی مثبت و دیگری منفی هستند که در یک مایع آلی (حاوی کربن) قرار گرفته اند. هنگامی که باتری شارژ و دشارژ می شود، ذرات لیتیوم (یا یون های) باردار از طریق الکترولیت مایع از یک الکترود به الکترود دیگر منتقل می شوند.
یکی از مشکلات این طراحی این است که در ولتاژها و دماهای خاص، الکترولیت مایع می تواند فرار شود و آتش بگیرد. دکتر Kevin Huang Ph.D.'15، دانشمند پژوهشی در گروه Olivetti می‌گوید: باتری‌ها عموماً تحت استفاده معمولی ایمن هستند، اما خطر همچنان وجود دارد.
مشکل دیگر این است که باتری های لیتیوم یونی برای استفاده در خودروها مناسب نیستند. بسته های باتری بزرگ و سنگین فضا را اشغال می کنند، وزن کلی خودرو را افزایش می دهند و بازده سوخت را کاهش می دهند. اما کوچکتر و سبک‌تر کردن باتری‌های لیتیوم یون امروزی با حفظ چگالی انرژی - مقدار انرژی ذخیره شده در هر گرم وزن - دشوار است.
برای حل این مشکلات، محققان ویژگی‌های کلیدی باتری‌های لیتیوم یونی را تغییر می‌دهند تا یک نسخه کاملاً جامد یا حالت جامد ایجاد کنند. آنها در حال جایگزینی الکترولیت مایع در وسط با یک الکترولیت جامد نازک هستند که در طیف وسیعی از ولتاژها و دماها پایدار است. با این الکترولیت جامد، آنها از یک الکترود مثبت با ظرفیت بالا و یک الکترود منفی فلز لیتیوم با ظرفیت بالا استفاده کردند که ضخامت بسیار کمتری نسبت به لایه کربن متخلخل معمول داشت. این تغییرات به سلول کلی بسیار کوچکتر اجازه می‌دهد و در عین حال ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی آن را حفظ می‌کند و در نتیجه چگالی انرژی بالاتری ایجاد می‌کند.
این ویژگی ها - افزایش ایمنی و چگالی انرژی بیشتر- احتمالاً دو مزیت رایج باتری‌های حالت جامد بالقوه هستند، اما همه این موارد آینده‌نگر و امیدوارانه هستند و لزوماً قابل دستیابی نیستند. با این وجود، این امکان بسیاری از محققان را برای یافتن مواد و طرح هایی که این وعده را برآورده می کند، به تکاپو انداخته است.
تفکر فراتر از آزمایشگاه
محققان چندین سناریو جذاب را ارائه کرده اند که در آزمایشگاه امیدوارکننده به نظر می رسند. اما Olivetti و Huang معتقدند که با توجه به فوریت چالش تغییرات آب و هوا، ملاحظات عملی اضافی ممکن است مهم باشد. Olivetti می گوید: ما محققان همیشه معیارهایی را در آزمایشگاه برای ارزیابی مواد و فرآیندهای احتمالی داریم. مثال‌ها ممکن است شامل ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی و نرخ شارژ/دشارژ باشد. اما اگر هدف پیاده‌سازی است، پیشنهاد می‌کنیم معیارهایی را اضافه کنید که به طور خاص به پتانسیل مقیاس‌گذاری سریع می‌پردازد.
مواد و در دسترس بودن
در دنیای الکترولیت های معدنی جامد، دو نوع ماده اصلی وجود دارد - اکسیدهای حاوی اکسیژن و سولفیدهای حاوی گوگرد. تانتالیم به عنوان محصول جانبی استخراج قلع و نیوبیم تولید می شود. داده های تاریخی نشان می دهد که تولید تانتالیوم به حداکثر بالقوه نزدیکتر از ژرمانیوم در طی استخراج قلع و نیوبیم است. بنابراین در دسترس بودن تانتالیوم یک نگرانی بزرگتر برای بزرگ شدن سلولهای مبتنی بر LLZO است.
با این حال، دانستن در دسترس بودن یک عنصر در زمین، مراحل لازم برای رسیدن آن به دست سازندگان را حل نمی کند. بنابراین، محققان یک سوال بعدی را در مورد زنجیره تامین عناصر کلیدی - استخراج، پردازش، پالایش، حمل و نقل و غیره بررسی کردند. تقاضا برای باتری؟
در یک تجزیه و تحلیل نمونه، آنها بررسی کردند که زنجیره تامین ژرمانیوم و تانتالوم باید سال به سال چقدر رشد کند تا باتری برای ناوگان خودروهای برقی پیش بینی شده در سال 2030 فراهم کند. به عنوان مثال، ناوگان وسایل نقلیه الکتریکی که اغلب به عنوان هدف سال 2030 ذکر می شود، باید باتری های کافی تولید کند تا در مجموع 100 گیگاوات ساعت انرژی تولید کند. برای دستیابی به این هدف، تنها با استفاده از باتری‌های LGPS، زنجیره تامین ژرمانیوم باید 50 درصد سال به سال رشد کند - یک کشش، زیرا حداکثر نرخ رشد در گذشته حدود 7 درصد بوده است. تنها با استفاده از سلولهای LLZO، زنجیره تامین تانتالیوم باید حدود 30 درصد رشد کند - نرخ رشد بسیار بالاتر از حداکثر تاریخی حدود 10 درصد.
هوانگ می‌گوید: این مثال‌ها اهمیت در نظر گرفتن در دسترس بودن مواد و زنجیره تامین را هنگام ارزیابی پتانسیل افزایش مقیاس الکترولیت‌های جامد مختلف نشان می‌دهد، هوانگ می‌گوید: حتی اگر مقدار یک ماده مشکلی نداشته باشد، مانند مورد ژرمانیوم، افزایش مقیاس مراحل زنجیره تامین برای مطابقت با تولید خودروهای الکتریکی آینده ممکن است به نرخ رشدی نیاز داشته باشد که عملاً بی سابقه است.
مواد و پردازش
یکی دیگر از عواملی که در ارزیابی پتانسیل مقیاس پذیری طراحی باتری باید در نظر گرفته شود، دشواری فرآیند ساخت و تأثیر آن بر هزینه است. به طور اجتناب ناپذیری مراحل زیادی در ساخت باتری حالت جامد دخیل است و شکست هر مرحله هزینه هر سلول تولید شده با موفقیت را افزایش می دهد.
Olivetti، Ceder و Huang به عنوان نماینده ای برای دشواری ساخت، تأثیر نرخ خرابی را بر هزینه کل طرح های باتری های حالت جامد انتخاب شده در پایگاه داده خود بررسی کردند. در یک مثال، آنها بر روی اکسید LLZO تمرکز کردند. LLZO بسیار شکننده است و ورقه‌های بزرگ به اندازه کافی نازک هستند که در باتری‌های حالت جامد با کارایی بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند، احتمالاً در دماهای بالا درگیر در فرآیند ساخت، ترک می‌خورند یا تاب می‌خورند.
برای تعیین پیامدهای هزینه چنین خرابی هایی، آنها چهار مرحله پردازش کلیدی مربوط به مونتاژ سلول های LLZO را شبیه سازی کردند. در هر مرحله، آنها هزینه را بر اساس بازده فرضی، یعنی نسبت کل سلول هایی که با موفقیت بدون شکست پردازش شدند، محاسبه کردند. برای LLZO، بازده بسیار کمتر از طرح‌های دیگری بود که مورد مطالعه قرار گرفتند. علاوه بر این، با کاهش بازده، هزینه هر کیلووات ساعت (کیلووات ساعت) انرژی سلول به طور قابل توجهی افزایش یافت. به عنوان مثال، زمانی که 5 درصد سلول های بیشتری به مرحله گرمایش کاتد نهایی اضافه شد، هزینه حدود 30 دلار در کیلووات ساعت افزایش یافت - یک تغییر ناچیز با توجه به اینکه هزینه هدف پذیرفته شده عمومی برای چنین سلول هایی 100 دلار در کیلووات ساعت است. بدیهی است که مشکلات تولید می تواند تأثیر عمیقی بر امکان پذیری پذیرش طرح در مقیاس بزرگ داشته باشد.
زمان ارسال: سپتامبر-09-2022