Litium-ioonbatterye en hul vervaardigingsuitdagings

Litium-ioon batterye is vervaardig in stelle elektrodes en dan in selle aanmekaargesit.Aktiewe materiaal word met polimeerbinders, geleidende bymiddels en oplosmiddels gemeng om 'n suspensie te vorm wat dan op 'n stroomkollektorfoelie bedek word en gedroog word om die oplosmiddel te verwyder en 'n poreuse elektrodebedekking te skep.

Daar is geen enkele litiumioonbattery nie.Met die verskeidenheid materiale en elektrochemiese paartjies beskikbaar, is dit moontlik om batteryselle te ontwerp wat spesifiek vir hul toepassings is in terme van spanning, toestand van ladinggebruik, leeftydbehoeftes en veiligheid.Seleksie van spesifieke elektrochemiese pare vergemaklik ook die ontwerp van drywings- en energieverhoudings en beskikbare energie.

Integrasie in 'n groot formaat sel vereis geoptimaliseerde rol-tot-rol elektrode vervaardiging en gebruik van aktiewe materiale.Elektrodes is bedek op 'n metaalstroomkollektorfoelie in 'n saamgestelde struktuur van aktiewe materiaal, bindmiddels en geleidende bymiddels, wat noukeurige beheer van kolloïdale chemie, adhesie en stolling vereis.Maar die bygevoegde onaktiewe materiale en die selverpakking verminder energiedigtheid.Boonop kan die mate van porositeit en verdigting in die elektrode batterywerkverrigting beïnvloed.

Benewens hierdie materiaaluitdagings, is koste 'n beduidende hindernis vir die wydverspreide aanvaarding van hierdie tegnologie.Paaie word ondersoek om batterye van die kommersieel beskikbare 100 Wh/kg en 200 Wh/L teen $500/kWh tot 250 Wh/kg en 400 Wh/L vir slegs $125/kWh te bring.

Grondbeginsels van litiumioonbatterye

Die litiumioonbattery is moontlik gemaak deur die ontdekking van litiumkobaltoksied (LiCoO) ₂ ), wat die onttrekking van litiumione en die skep van groot hoeveelhede leë plekke moontlik maak (sonder 'n kristalverandering) tot die verwydering van die helfte van die bestaande ione.Die paring van LiCoO ₂ met grafiet laat die interkalasie van litiumione tussen die grafeenlae toe wat die interstisiële plek tussen elke seskantige ring van koolstofatome beset (Besenhard en Schöllhorn 1976; Mizushima et al. 1980; Whittingham 1976).

Die litiumione beweeg tydens lading vanaf die positiewe elektrode (die katode) deur 'n vaste of vloeibare elektroliet na die negatiewe elektrode (die anode) en, tydens ontlading, in die teenoorgestelde rigting.By elke elektrode behou die ioon óf sy lading en interkaleer in die kristalstruktuur wat interstisiële plekke in bestaande kristalle aan die anodekant beset óf herbeset 'n leë plek in die katode wat gevorm het toe die litiumioon daardie kristal verlaat het.Terwyl die ioon oorgedra word, word die gasheermatriks verminder of geoksideer, wat 'n elektron vrystel of vang. ¹

Verskeidenheid katode materiale

Die soeke na nuwe katodemateriaal word deels gedryf deur belangrike nadele van LiCoO ₂ .Die battery het 'n kerntemperatuur van 40–70°C en kan vatbaar wees vir sommige laetemperatuurreaksies.Maar by 105–135°C is dit baie reaktief en 'n uitstekende suurstofbron vir 'n veiligheidsgevaar wat 'n termiese wegholreaksie , waarin hoogs eksotermiese reaksies temperatuurspieke skep en vinnig versnel met die vrystelling van ekstra hitte (Roth 2000).

Vervangingsmateriaal vir LiCoO ₂ minder geneig is tot daardie mislukking.Die verbindings vervang dele van die kobalt met nikkel en mangaan om Li(Ni _x Mn _y Co _Z )O ₂ verbindings (met x + y + Z = 1), dikwels na verwys as NMC aangesien hulle nikkel, mangaan en kobalt bevat;of hulle vertoon 'n heeltemal nuwe struktuur in die vorm van fosfate (bv. LiFePO ₄ ) (Daniel et al. 2014).Hierdie katodemateriale vertoon almal kapasiteite in die reeks van 120–160 Ah/kg by 3.5–3.7 V, wat lei tot maksimum energiedigtheid van tot 600 Wh/kg.

Wanneer dit egter in regte toestelle verpak word, word baie onaktiewe materiaalmassa bygevoeg en die energiedigtheid is geneig om tot 100 Wh/kg op die pakvlak te daal.Om te druk vir hoër energiedigtheid, het navorsers hoër kapasiteit en hoër spanning gesoek - en dit gevind in litium- en mangaanryke oorgangsmetaaloksiede.Hierdie verbindings is in wese dieselfde materiale as NMC, maar 'n oormaat litium en groter hoeveelhede mangaan vervang nikkel en kobalt.Die hoër hoeveelhede litium (sowat 20 persent meer) laat die verbindings toe om hoër kapasiteit te hê (Thackeray et al. 2007) en 'n hoër spanning, wat lei tot katodes met tot 280 Ah/kg wanneer dit tot 4,8 V gelaai word. , hierdie nuwe verbindings toon stabiliteitsprobleme en is geneig om vinnig te vervaag.

Balansering van materiale in selle

Litiumioonbatterye word gemaak van lae poreuse elektrodes op aluminium- en koperstroomkollektorfolies (Daniel 2008).Die kapasiteit van elke elektrodepaar moet gebalanseer word om batteryveiligheid te verseker en die risiko van oorlading van die anode te vermy (wat kan lei tot litiummetaalplatering en kortsluiting) of oorontlading van die katode (wat kan lei tot 'n ineenstorting van die kristalstruktuur en verlies aan vakatures vir litium om weer in te voeg, wat kapasiteit dramaties verminder).

Grafiet het 'n teoretiese kapasiteit van 372 Ah/kg, dubbel dié van die beskikbare litium in NMC-katodes.Dus in gebalanseerde litiumioonbatterye vertoon die katodes tipies dubbel die dikte in vergelyking met die anode.Hierdie inherente fout van die selontwerp veroorsaak probleme met massavervoer en kinetika, en het dus die soektog na hoëkapasiteit-katodes aangespoor.

Om selvlak-energiedigtheid te verhoog, word onaktiewe materiale in batteryselle geminimaliseer.Byvoorbeeld, een manier om die stroomkollektor te verminder, is om die dikte van die elektrodes te verhoog, maar dit dryf vervoerprobleme verder en vereis 'n hoogs gemanipuleerde porositeit in die elektrode.

Koste-uitdagings in die vervaardiging van litium-ioonbatterye

Die koste van litiumioonbatterye is baie hoër as wat die motormark sal dra vir volle penetrasie van elektriese voertuie en 'n koste-neutrale produk in vergelyking met motors wat deur binnebrandenjins bestuur word.Die kosteteiken van die Amerikaanse departement van energie vir alle batterye vir elektriese voertuie is $125/kWh bruikbare energie (DOE 2013).Die huidige koste van kommersiële batterye is $400–500/kWh en hul geprojekteerde koste met huidige eksperimentele materiaal is $325/kWh.Die meeste van die kostevermindering tot dusver is bereik deur energiedigtheidverhogings teen soortgelyke koste as die ouergenerasie produkte.

Verdere kostevermindering is moontlik deur die optimalisering van vervaardigingskemas.Litiumioonbatterye word in stelle elektrodes vervaardig en dan in selle aanmekaargesit.Aktiewe materiaal word met polimeerbinders, geleidende bymiddels en oplosmiddels gemeng om 'n suspensie te vorm wat dan op 'n stroomkollektorfoelie bedek word en gedroog word om die oplosmiddel te verwyder en 'n poreuse elektrodebedekking te skep.Die keusemiddel, N-metielpirrolidon (NMP), word beskou as 'n indirekte materiaal (dit is nodig vir produksie, maar word nie in die finale toestel vervat nie), maar dit is duur, vertoon vlambare dampe en is hoogs giftig.

Die vlambare dampe van NMP vereis dat alle verwerkingstoerusting tydens die vervaardiging van elektrodes ontploffingsbestand moet wees, wat beteken dat alle vonkproduserende elektriese komponente van die dampe afgeskerm moet word en ruimtes hoogs geventileer moet word om dampkonsentrasies laag te hou.Hierdie maatreëls verhoog die kapitaalkoste van sulke toerusting aansienlik.

Daarbenewens word van die elektrodevervaardigingsaanleg vereis om die oplosmiddel uit sy uitlaatstroom terug te vang, dit te distilleer en dit te herwin.Dit is weer 'n bykomende koste.

Kostevermindering deur watergebaseerde verwerking

Die vervanging van NMP deur water is 'n geweldige geleentheid om koste in die vervaardiging van litiumioonbatterye te verminder.Die koste van water is weglaatbaar in vergelyking met dié van NMP;water is nie vlambaar nie en produseer nie vlambare dampe nie;en water is omgewingsvriendelik.Water is egter 'n polêre oplosmiddel en die gedrag daarvan verskil heeltemal van dié van die nie-polêre NMP.Verder is aktiewe materiale geneig om te agglomereer en metaalstroomkollektoroppervlaktes is hidrofobies, wat die deklaagproses moeiliker maak.

Kennis van oppervlakladings op deeltjies (deur zeta-potensiaal te meet) maak die ontwerp van oppervlakpolariteit in die teenwoordigheid van water moontlik deur klein hoeveelhede oppervlakaktiewe middels in te voer.In die geval van katode-interkalasieverbindings is poliëtileenimied suksesvol gebruik om 'n oppervlaklading in te voer wat groot genoeg is om deeltjies af te stoot sodat hulle nie onaanvaarbare agglomerate vorm nie (Li et al. 2013).

Om die oppervlak-energie van metale en die oppervlakspanning van die flodder te verstaan, sowel as hul interaksie, maak voorsiening vir optimalisering van die paar.Atmosferiese plasmabehandeling van die metaaloppervlak deur blootstelling aan 'n koronaplasma verwyder organiese verbindings op die oppervlak en maak 'n effense ets en oksidasie moontlik, wat die oppervlakenergie dramaties verminder tot waardes onder die oppervlakspanning van die suspensie.Dit laat perfekte benatting van die oppervlak deur die flodder toe en skep 'n deklaag met geoptimaliseerde adhesie (Li et al. 2012).Die resultaat is 'n vermindering van 75 persent operasionele en materiaalkoste in die elektrodevervaardiging en 'n potensiële kostevermindering van tot 20 persent op die batterypakvlak vir motortoepassings (Wood et al. 2014).Dit sluit nie die laer toerustingkoste in nie: uitgawes verbonde aan die plasmaverwerkingstoerusting is baie laer as dié vir die oplosmiddelherwinningstelsel en die ontploffingsvaste vereiste.

Toekomstige geleenthede vir kostevermindering

Verdere kosteverminderings sal bereik word deur groter kennis van vervoermeganismes en elektrode-argitektuurimplikasies vir elektrochemiese werkverrigting.Huidige navorsing is grootliks gefokus op modellering en simulasie om molekulêre meganismes te verstaan ​​en die ontwerp van elektrodes, elektrodestapels en batteryselle te verbeter.Dikker elektrodes en 'n geweldige vermindering in onaktiewe materiale sal energiedigtheid teen laer koste verbeter, direkte koste verminder en moontlik baie korter en minder energie-intensiewe batteryvormingsfietsry moontlik maak.

Afsluiting

Litiumioonbatterye het 'n geweldige potensiaal om gedeeltelike tot volle elektrifisering van die motorvloot moontlik te maak, energiebronne vir vervoer te diversifiseer en grootskaalse energieberging te ondersteun vir 'n hoër penetrasie van intermitterende hernubare energievoorsiening.Koste bly egter steeds 'n probleem en sal aangespreek moet word deur die ontwikkeling van 'n robuuste voorsieningsketting, standaarde in vervaardiging, hoë vervaardigingsdeurset en vaartbelynde laekoste-verwerkingsmetodes.Benewens die vermindering van koste, kan navorsing kennis van molekulêre prosesse en vervoerkwessies verbeter om die ontwerp en gebruik van beskikbare energie in batterye te optimaliseer en hul lewensduur te verleng.

Soos in hierdie artikel getoon, is 'n toename in energie-inhoud en kapasiteit in aktiewe elektrodemateriale en 'n vermindering van indirekte materiale in produksie twee maniere om koste te beïnvloed.

Erkennings

Dele van hierdie navorsing by Oak Ridge National Laboratory (ORNL; bestuur deur UT Battelle, LLC) vir die Amerikaanse Departement van Energie (onder kontrak DE-AC05-00OR22725) is geborg deur die Kantoor vir Energiedoeltreffendheid en Hernubare Energie (EERE) Voertuigtegnologieë Kantoor (VTO) Subprogram Toegepaste Battery Navorsing (ABR) (programbestuurders: Peter Faguy en David Howell).Die skrywer erken baie vrugbare gesprekke met en bydraes van David Wood, Jianlin Li en Debasish Mohanty van die DOE Battery Manufacturing R&D Facility by ORNL en Beth Armstrong in ORNL se Materiaalwetenskap en Tegnologie-afdeling.

Artikelbron: Spring Bridge: Van die grense van ingenieurswese en verder