Litium-ion batareyaları və onların istehsal problemləri

Litium ion batareyaları var istehsal edilmişdir elektrod dəstlərində və sonra hüceyrələrdə yığılır.Aktiv material polimer bağlayıcılar, keçirici aşqarlar və həlledicilərlə qarışdırılır ki, məhlul əmələ gətirir, daha sonra cari kollektor folqa ilə örtülür və həlledicini çıxarmaq və məsaməli elektrod örtüyü yaratmaq üçün qurudulur.

Tək litium-ion batareya yoxdur.Mövcud müxtəlif materiallar və elektrokimyəvi cütlərlə, gərginlik, şarj istifadəsi vəziyyəti, ömür boyu ehtiyaclar və təhlükəsizlik baxımından tətbiqlərinə xas olan batareya hüceyrələrini dizayn etmək mümkündür.Xüsusi elektrokimyəvi cütlərin seçilməsi həmçinin güc və enerji nisbətlərinin və mövcud enerjinin dizaynını asanlaşdırır.

Böyük formatlı hüceyrəyə inteqrasiya optimallaşdırılmış rulon-to-roll elektrod istehsalını və aktiv materialların istifadəsini tələb edir.Elektrodlar aktiv materialdan, bağlayıcılardan və keçirici əlavələrdən ibarət kompozit strukturda metal cərəyan kollektor folqa ilə örtülmüşdür ki, bu da kolloid kimya, yapışma və bərkiməyə diqqətli nəzarət tələb edir.Lakin əlavə edilmiş qeyri-aktiv materiallar və hüceyrə qablaşdırması enerji sıxlığını azaldır.Bundan əlavə, elektroddakı məsaməlik və sıxılma dərəcəsi batareyanın işinə təsir göstərə bilər.

Bu materiallarla bağlı çətinliklərə əlavə olaraq, qiymət bu texnologiyanın geniş yayılmasına əhəmiyyətli maneədir.Kommersiyada mövcud olan 100 Wh/kq və 200 Wh/L batareyaları $500/kWh-dan 250 Wh/kq və 400 Wh/L-ə qədər cəmi $125/kWh-a gətirmək üçün yollar araşdırılır.

Litium ion batareyalarının əsasları

Litium ion batareyası litium kobalt oksidin (LiCoO) kəşfi ilə mümkün olmuşdur. ₂ ), litium ionlarının çıxarılmasına və mövcud ionların yarısının çıxarılmasına qədər böyük miqdarda boş yerlərin yaradılmasına (kristal dəyişikliyi olmadan) imkan verir.LiCoO cütləşməsi ₂ qrafit ilə karbon atomlarının hər altıbucaqlı halqası arasında interstisial sahəni tutan qrafen təbəqələri arasında litium ionlarının interkalasiyasına imkan verir (Besenhard və Schöllhorn 1976; Mizushima et al. 1980; Whittingham 1976).

Litium ionları yüklənmə zamanı müsbət elektroddan (katoddan) bərk və ya maye elektrolit vasitəsilə mənfi elektroda (anoda) və boşalma zamanı isə əks istiqamətdə hərəkət edir.Hər bir elektrodda ion ya yükünü saxlayır və anod tərəfindəki mövcud kristallarda interstisial yerləri tutan kristal quruluşa daxil olur, ya da litium ionu kristalı tərk edərkən əmələ gələn katodda boş yeri yenidən tutur.İonu ötürərkən, ev sahibi matrisi azalır və ya oksidləşir, bu da bir elektron buraxır və ya tutur. ¹

Katod materiallarının müxtəlifliyi

Yeni katod materiallarının axtarışı qismən LiCoO-nun əhəmiyyətli çatışmazlıqları ilə idarə olunur ₂ .Batareyanın əsas temperaturu 40-70°C-dir və bəzi aşağı temperatur reaksiyalarına həssas ola bilər.Lakin 105–135°C-də çox reaktivdir və təhlükəsizlik təhlükəsi üçün əla oksigen mənbəyidir. termal qaçaq reaksiya yüksək ekzotermik reaksiyaların temperatur sıçrayışları meydana gətirdiyi və əlavə istiliyin sərbəst buraxılması ilə sürətlə sürətləndiyi (Roth 2000).

LiCoO üçün əvəzedici materiallar ₂ bu uğursuzluğa daha az meyllidirlər.Bu birləşmələr kobaltın hissələrini nikel və manqanla əvəz edərək Li(Ni _x Mn _y Co _z )O ₂ birləşmələr (ilə x + y + z = 1), tərkibində nikel, manqan və kobalt olduğu üçün tez-tez NMC adlanır;ya da fosfatlar şəklində tamamilə yeni bir quruluş nümayiş etdirirlər (məsələn, LiFePO ₄ ) (Daniel et al. 2014).Bu katod materiallarının hamısı 3,5-3,7 V-da 120-160 Ah/kq diapazonunda tutumlar nümayiş etdirir və nəticədə maksimum enerji sıxlığı 600 Wh/kq-a çatır.

Bununla belə, real cihazlarda qablaşdırıldıqda çox qeyri-aktiv material kütləsi əlavə olunur və enerji sıxlığı paket səviyyəsində 100 Wh/kq-a enməyə meyllidir.Daha yüksək enerji sıxlığına təkan vermək üçün tədqiqatçılar daha yüksək tutum və daha yüksək gərginlik axtardılar və onları litium və manqanla zəngin keçid metal oksidlərində tapdılar.Bu birləşmələr əslində NMC ilə eyni materiallardır, lakin artıq litium və daha yüksək miqdarda manqan nikel və kobaltı əvəz edir.Daha yüksək miqdarda litium (20 faizə qədər çox) birləşmələrin daha yüksək tutumlu olmasına (Thackeray et al. 2007) və daha yüksək gərginliyə malik olmasına imkan verir, nəticədə 4,8 V-a qədər yükləndikdə 280 Ah/kq-a qədər olan katodlar əldə edilir. , bu yeni birləşmələr sabitlik problemləri göstərir və tez solmağa meyllidirlər.

Hüceyrələrdə materialların balanslaşdırılması

Litium ion batareyaları alüminium və mis cərəyan kollektor folqalarında məsaməli elektrod təbəqələrindən hazırlanır (Daniel 2008).Batareyanın təhlükəsizliyini təmin etmək və anodun həddindən artıq yüklənməsi (bu, litium metal örtük və qısaqapanma ilə nəticələnə bilər) və ya katodun həddindən artıq boşalması (kristal strukturunun dağılması ilə nəticələnə bilər) riskinin qarşısını almaq üçün hər bir elektrod cütünün tutumu balanslaşdırılmalıdır. və litium üçün boş yerlərin itirilməsi, tutumu kəskin şəkildə azaldır).

Qrafitin nəzəri tutumu 372 Ah/kq, NMC katodlarında mövcud litiumdan iki dəfə çoxdur.Beləliklə, balanslaşdırılmış litium-ion batareyalarda katodlar adətən anodla müqayisədə ikiqat qalınlıq nümayiş etdirirlər.Hüceyrə dizaynına xas olan bu qüsur kütlə daşıma və kinetik problemlərə səbəb olur və beləliklə, yüksək tutumlu katodların axtarışına təkan verir.

Hüceyrə səviyyəsində enerji sıxlığını artırmaq üçün batareya hüceyrələrində qeyri-aktiv materiallar minimuma endirilir.Məsələn, cari kollektoru azaltmağın bir yolu elektrodların qalınlığını artırmaqdır, lakin bu, nəqliyyat problemlərini daha da artırır və elektrodda yüksək səviyyədə hazırlanmış məsaməlilik tələb edir.

Litium İon Batareyalarının İstehsalında Xərc Problemləri

Litium ion batareyalarının xərcləri, daxili yanma mühərrikləri ilə işləyən avtomobillərlə müqayisədə elektrik nəqliyyat vasitələrinə tam nüfuz etmək və neytral məhsul üçün avtomobil bazarının daşıyacağından qat-qat yüksəkdir.ABŞ Enerji Departamentinin bütün elektrikli avtomobil akkumulyatorları üçün xərc hədəfi istifadə edilə bilən enerjinin 125 dollar/kVt/saat təşkil edir (DOE 2013).Kommersiya akkumulyatorlarının hazırkı qiyməti 400-500 dollar/kVt/saatdır və onların hazırkı eksperimental materiallarla proqnozlaşdırılan qiyməti 325 dollar/kVt/saatdır.Xərclərin azaldılmasının böyük hissəsi bu günə qədər köhnə nəsil məhsullarla eyni qiymətə enerji sıxlığının artırılması hesabına əldə edilmişdir.

İstehsal sxemlərinin optimallaşdırılması hesabına xərclərin daha da azaldılması mümkündür.Litium ion batareyaları elektrod dəstlərində istehsal olunur və sonra hüceyrələrə yığılır.Aktiv material polimer bağlayıcılar, keçirici aşqarlar və həlledicilərlə qarışdırılır ki, məhlul əmələ gətirir, daha sonra cari kollektor folqa ilə örtülür və həlledicini çıxarmaq və məsaməli elektrod örtüyü yaratmaq üçün qurudulur.Seçilmiş həlledici N-metilpirolidon (NMP) hesab olunur dolayı material (istehsal üçün lazımdır, lakin son cihazda yoxdur), lakin bahadır, alışan buxarları nümayiş etdirir və yüksək zəhərlidir.

NMP-nin yanar buxarları elektrodların istehsalı zamanı bütün emal avadanlıqlarının partlamaya davamlı olmasını tələb edir, yəni bütün qığılcım yaradan elektrik komponentləri buxarlardan qorunmalı və buxar konsentrasiyalarını aşağı saxlamaq üçün boşluqlar yüksək dərəcədə havalandırılmalıdır.Bu tədbirlər belə avadanlıqların əsas dəyərini xeyli artırır.

Bundan əlavə, elektrod istehsalı zavodundan həlledicini işlənmiş axınından geri götürmək, distillə etmək və təkrar emal etmək tələb olunur.Bu yenə əlavə xərcdir.

Su əsaslı emal ilə xərclərin azaldılması

NMP-nin su ilə dəyişdirilməsi litium-ion batareyalarının istehsalında xərcləri azaltmaq üçün böyük bir fürsətdir.Suyun dəyəri NMP ilə müqayisədə cüzidir;su yanan deyil və yanan buxarlar əmələ gətirmir;və su ekoloji cəhətdən təmizdir.Bununla belə, su qütb həlledicidir və onun davranışı qeyri-qütblü NMP-dən tamamilə fərqlidir.Bundan əlavə, aktiv materiallar yığılmağa meyllidir və metal cərəyan kollektorunun səthləri hidrofobikdir, bu da örtük prosesini çətinləşdirir.

Hissəciklərin səthi yükləri haqqında biliklər (zeta potensialını ölçməklə) az miqdarda səthi aktiv maddələrin daxil edilməsi ilə suyun mövcudluğunda səthin polaritesini dizayn etməyə imkan verir.Katod interkalasiya birləşmələri vəziyyətində, polietilen imid hissəcikləri dəf etmək üçün kifayət qədər böyük bir səth yükü tətbiq etmək üçün uğurla istifadə edilmişdir ki, onlar qəbuledilməz aglomeratlar yaratmasın (Li et al. 2013).

Metalların səth enerjisini və məhlulun səthi gərginliyini, eləcə də onların qarşılıqlı təsirini başa düşmək cütün optimallaşdırılmasına imkan verir.Tac plazmasına məruz qalma yolu ilə metal səthinin atmosfer plazma ilə işlənməsi səthdəki üzvi birləşmələri aradan qaldırır və yüngül aşındırma və oksidləşməyə imkan verir ki, bu da səth enerjisini məhlulun səthi gərginliyindən aşağı olan dəyərlərə kəskin şəkildə azaldır.Bu, səthin şlam tərəfindən mükəmməl islanmasına imkan verir və optimallaşdırılmış yapışma ilə örtük yaradır (Li et al. 2012).Nəticə elektrod istehsalında əməliyyat və material xərclərinin 75 faiz azalması və avtomobil tətbiqləri üçün batareya paketi səviyyəsində 20 faizə qədər potensial xərclərin azalmasıdır (Wood et al. 2014).Buraya avadanlıqların aşağı qiyməti daxil deyil: plazma emal avadanlığı ilə bağlı xərclər həlledicinin bərpası sistemi və partlayışa davamlı tələbdən xeyli aşağıdır.

Xərclərin Azaldılması üçün Gələcək İmkanlar

Elektrokimyəvi performans üçün nəqliyyat mexanizmləri və elektrod arxitekturasının təsirləri haqqında daha çox məlumat əldə etməklə əlavə xərclərin azaldılmasına nail olunacaq.Cari tədqiqat əsasən molekulyar mexanizmləri başa düşmək və elektrodların, elektrod yığınlarının və batareya hüceyrələrinin dizaynını təkmilləşdirmək üçün modelləşdirmə və simulyasiyaya yönəldilmişdir.Daha qalın elektrodlar və qeyri-aktiv materialların böyük azalması enerji sıxlığını daha aşağı qiymətə yaxşılaşdıracaq, birbaşa xərcləri azaldacaq və ola bilsin ki, daha qısa və daha az enerji sərf edən batareyanın formalaşmasına imkan verəcək.

Nəticə

Litium-ion batareyaları avtomobil parkının qismən tam elektrikləşdirilməsinə imkan yaratmaq, nəqliyyat üçün enerji mənbələrini şaxələndirmək və fasilələrlə bərpa olunan enerji təchizatının daha yüksək nüfuzu üçün geniş miqyaslı enerji anbarını dəstəkləmək üçün böyük potensiala malikdir.Bununla belə, xərc problemi olaraq qalır və möhkəm təchizat zəncirinin inkişafı, istehsalda standartlar, yüksək istehsal gücü və sadələşdirilmiş ucuz emal üsulları ilə həll edilməlidir.Xərcləri azaltmaqla yanaşı, tədqiqat batareyalarda mövcud enerjinin dizaynını və istifadəsini optimallaşdırmaq və onların istifadə müddətini artırmaq üçün molekulyar proseslər və nəqliyyat məsələləri haqqında bilikləri gücləndirə bilər.

Bu yazıda göstərildiyi kimi, aktiv elektrod materiallarında enerji məzmununun və tutumunun artması və istehsalda dolayı materialların azalması maya dəyərinə təsir etməyin iki yoludur.

Təşəkkürlər

ABŞ Enerji Departamenti üçün (DE-AC05-00OR22725 müqaviləsi əsasında) Oak Ridge Milli Laboratoriyasında (ORNL; idarə olunan UT Battelle, LLC) bu tədqiqatın hissələri Enerji Effektivliyi və Bərpa Olunan Enerji (EERE) Nəqliyyat Texnologiyaları İdarəsi tərəfindən maliyyələşdirilib. Office (VTO) Applied Battery Research (ABR) alt proqramı (proqram menecerləri: Peter Faguy və David Howell).Müəllif, ORNL-də DOE Batareya İstehsalat Ar-Ge Müəssisəsindən David Wood, Jianlin Li və Debasish Mohanty və ORNL-in Materials Science and Technology şöbəsində Beth Armstronq ilə çoxlu səmərəli müzakirələri və töhfələrini qəbul edir.

Məqalənin mənbəyi: Bahar Körpüsü: Mühəndisliyin sərhədlərindən və ondan kənarda