Літый-іённыя батарэі і праблемы іх вытворчасці

Літый-іённыя батарэі ёсць вырабляецца у наборы электродаў, а затым сабраны ў клеткі.Актыўны матэрыял змешваюць з палімернымі звязальнымі рэчывамі, токаправоднымі дадаткамі і растваральнікамі з адукацыяй суспензіі, якая затым наносіцца на фальгу токапрыёмніка і сушыцца, каб выдаліць растваральнік і стварыць порыстае пакрыццё электрода.

Адзінай літый-іённай батарэі не існуе.Дзякуючы разнастайнасці даступных матэрыялаў і электрахімічных пар, можна распрацаваць акумулятарныя элементы, якія адпавядаюць іх прымяненню з пункту гледжання напружання, стану выкарыстання зарада, патрэбаў на працягу ўсяго тэрміну службы і бяспекі.Выбар канкрэтных электрахімічных пар таксама палягчае праектаванне суадносін магутнасці і энергіі і даступнай энергіі.

Інтэграцыя ў ячэйку вялікага фармату патрабуе аптымізаванай вытворчасці рулонных электродаў і выкарыстання актыўных матэрыялаў.Электроды нанесены на металічную токапрыёмную фальгу ў складзе кампазітнай структуры з актыўнага матэрыялу, звязальных рэчываў і правадзячых дабавак, што патрабуе ўважлівага кантролю калоіднай хіміі, адгезіі і зацвярдзення.Але дададзеныя неактыўныя матэрыялы і ўпакоўка клетак зніжаюць шчыльнасць энергіі.Больш за тое, ступень сітаватасці і ўшчыльнення электрода можа паўплываць на прадукцыйнасць батарэі.

У дадатак да гэтых праблем з матэрыяламі, кошт з'яўляецца значнай перашкодай для шырокага распаўсюджвання гэтай тэхналогіі.Даследуюцца шляхі пераходу ад камерцыйна даступных акумулятараў 100 Вт·гадз/кг і 200 Вт·гадз/л па цане 500 долараў ЗША/кВт-гадз да 250 Вт-гадз/кг і 400 Вт-гадз/л усяго за 125 долараў ЗША/кВт-гадз.

Асновы літый-іённых батарэй

Літый-іённы акумулятар стаў магчымым дзякуючы адкрыццю аксіду літыя-кобальту (LiCoO ₂ ), што дазваляе здабываць іёны літыя і ствараць вялікую колькасць вакансій (без змены крышталя) аж да выдалення паловы існуючых іёнаў.Спалучэнне LiCoO ₂ з графітам дазваляе інтэркаляцыю іёнаў літыя паміж пластамі графена, якія займаюць прамежкавы сайт паміж кожным шасцікутным кольцам атамаў вугляроду (Besenhard and Schöllhorn 1976; Mizushima et al. 1980; Whittingham 1976).

Іёны літыя рухаюцца падчас зарада ад станоўчага электрода (катода) праз цвёрды або вадкі электраліт да адмоўнага электрода (анода), а падчас разраду - у адваротным кірунку.На кожным электродзе іён альбо захоўвае свой зарад і ўстаўляецца ў крышталічную структуру, займаючы прамежкавыя месцы ў існуючых крышталях на баку анода, альбо зноў займае вакантнае месца ў катодзе, якое ўтварылася, калі іён літыя пакінуў гэты крышталь.Падчас перадачы іёна матрыца гаспадара аднаўляецца або акісляецца, што вызваляе або захоплівае электрон. ¹

Разнастайнасць катодных матэрыялаў

Пошук новых катодных матэрыялаў часткова абумоўлены важнымі недахопамі LiCoO ₂ .Тэмпература акумулятара складае ад 40 да 70°C і можа быць успрымальны да некаторых нізкатэмпературных рэакцый.Але пры тэмпературы 105–135°C ён вельмі рэактыўны і з'яўляецца выдатнай крыніцай кіслароду для пагрозы бяспекі, якая называецца цеплавая рэакцыя ўцёкаў , у якім вельмі экзатэрмічныя рэакцыі ствараюць скокі тэмпературы і хутка паскараюцца з вылучэннем дадатковага цяпла (Roth 2000).

Запасныя матэрыялы для LiCoO ₂ менш схільныя да гэтай няўдачы.Злучэнні замяняюць часткі кобальту нікелем і марганцам з адукацыяй Li(Ni _х Мн _у Кампанія _з )О ₂ злучэнні (з х + у + з = 1), часта называюць NMC, паколькі яны ўтрымліваюць нікель, марганец і кобальт;або яны дэманструюць цалкам новую структуру ў выглядзе фасфатаў (напрыклад, LiFePO ₄ ) (Даніэль і інш. 2014).Усе гэтыя катодныя матэрыялы дэманструюць ёмістасць у дыяпазоне 120–160 А·г/кг пры напрузе 3,5–3,7 В, што прыводзіць да максімальнай шчыльнасці энергіі да 600 Вт·гадз/кг.

Аднак пры ўпакоўцы ў рэальныя прылады дадаецца шмат неактыўнай масы матэрыялу, і шчыльнасць энергіі, як правіла, зніжаецца да 100 Вт·гадз/кг на ўзроўні ўпакоўкі.Каб падштурхнуць да больш высокай шчыльнасці энергіі, даследчыкі шукалі больш высокай ёмістасці і больш высокага напружання - і знайшлі іх у багатых літыем і марганцам аксідах пераходных металаў.Гэтыя злучэнні па сутнасці з'яўляюцца такімі ж матэрыяламі, як NMC, але лішак літыя і большая колькасць марганца замяняюць нікель і кобальт.Большая колькасць літыя (на 20 працэнтаў больш) дазваляе злучэнням мець больш высокую ёмістасць (Thackeray et al. 2007) і больш высокае напружанне, што прыводзіць да катодаў да 280 Аг/кг пры зарадцы да 4,8 В. Аднак , гэтыя новыя злучэнні дэманструюць праблемы са стабільнасцю і, як правіла, хутка знікаюць.

Балансаванне матэрыялаў у клетках

Літый-іённыя акумулятары зроблены са слаёў порыстых электродаў на алюмініевай і меднай фальзе токапрыёмніка (Daniel 2008).Ёмістасць кожнай пары электродаў павінна быць збалансавана, каб забяспечыць бяспеку батарэі і пазбегнуць рызыкі перазарадкі анода (што можа прывесці да пакрыцця літыям і кароткага замыкання) або празмернага разраду катода (што можа прывесці да разбурэння крышталічнай структуры і страта вакансій для паўторнай інтэркаляцыі літыя, што рэзка зніжае ёмістасць).

Тэарэтычная ёмістасць графіту складае 372 Аг/кг, што ўдвая больш, чым у літыя, даступнага ў катодах NMC.Такім чынам, у збалансаваных літый-іённых батарэях катоды звычайна маюць падвоеную таўшчыню ў параўнанні з анодам.Гэты неад'емны недахоп канструкцыі ячэйкі выклікае праблемы з пераносам масы і кінэтыкай і, такім чынам, падштурхнуў пошук катодаў вялікай ёмістасці.

Каб павялічыць шчыльнасць энергіі на ўзроўні клетак, колькасць неактыўных матэрыялаў зводзіцца да мінімуму.Напрыклад, адзін са спосабаў паменшыць калектар току - павялічыць таўшчыню электродаў, але гэта яшчэ больш выклікае праблемы з транспарціроўкай і патрабуе высокай сітаватасці электрода.

Праблемы з выдаткамі пры вытворчасці літый-іённых батарэй

Кошт літый-іённых акумулятараў значна вышэйшы, чым аўтамабільны рынак для поўнага пранікнення электрамабіляў, і яны з'яўляюцца эканамічна нейтральным прадуктам у параўнанні з аўтамабілямі з рухавікамі ўнутранага згарання.Мэтавы кошт Міністэрства энергетыкі ЗША для ўсіх акумулятараў электрамабіляў складае 125 долараў за кВт/гадз карыснай энергіі (DOE 2013).Цяперашні кошт камерцыйных акумулятараў складае 400–500 долараў за кВт/гадз, а іх прагназуемы кошт з улікам сучасных эксперыментальных матэрыялаў — 325 долараў за кВт/гадз.Большая частка зніжэння выдаткаў да гэтага часу была дасягнута за кошт павелічэння шчыльнасці энергіі пры аналагічным кошце, чым у прадуктаў старэйшага пакалення.

Далейшае зніжэнне сабекошту магчыма за кошт аптымізацыі вытворчых схем.Літый-іённыя батарэі вырабляюцца ў выглядзе набораў электродаў, а затым збіраюцца ў элементы.Актыўны матэрыял змешваюць з палімернымі звязальнымі рэчывамі, токаправоднымі дадаткамі і растваральнікамі з адукацыяй суспензіі, якая затым наносіцца на фальгу токапрыёмніка і сушыцца, каб выдаліць растваральнік і стварыць порыстае пакрыццё электрода.Растваральнікам выбару лічыцца N-метилпирролидон (NMP). ускосны матэрыял (ён неабходны для вытворчасці, але не змяшчаецца ў канчатковым прыладзе), але ён дарагі, утрымлівае гаручыя пары і вельмі таксічны.

Вогненебяспечныя пары NMP патрабуюць, каб усё тэхналагічнае абсталяванне падчас вытворчасці электродаў было выбухаабароненым, што азначае, што ўсе электрычныя кампаненты, якія ўтвараюць іскру, павінны быць абаронены ад пароў, а памяшканне павінна добра вентылявацца, каб канцэнтрацыя пароў была нізкай.Гэтыя меры істотна павялічваюць капітальны кошт такога абсталявання.

Акрамя таго, завод па вытворчасці электродаў павінен зноў захапіць растваральнік з выхлапных патокаў, перагнаць яго і перапрацаваць.Гэта зноў жа дадатковыя выдаткі.

Зніжэнне выдаткаў шляхам апрацоўкі на воднай аснове

Замена NMP вадой - гэта выдатная магчымасць знізіць выдаткі на вытворчасць літый-іённых акумулятараў.Кошт вады нязначны ў параўнанні з NMP;вада не гаручая і не ўтварае гаручых пароў;і вада экалагічна дабраякасная.Аднак вада з'яўляецца палярным растваральнікам, і яе паводзіны цалкам адрозніваюцца ад паводзін непалярнага NMP.Акрамя таго, актыўныя матэрыялы маюць тэндэнцыю да агламерацыі, а металічныя паверхні токапрыёмніка гідрафобныя, што робіць працэс нанясення пакрыцця больш складаным.

Веданне паверхневых зарадаў часціц (шляхам вымярэння дзета-патэнцыялу) дазваляе распрацаваць палярнасць паверхні ў прысутнасці вады шляхам увядзення невялікіх колькасцяў павярхоўна-актыўных рэчываў.У выпадку катодных інтэркаляцыйных злучэнняў поліэтыленімід быў паспяхова выкарыстаны для ўвядзення павярхоўнага зарада, дастаткова вялікага для адштурхвання часціц, каб яны не ўтваралі непрымальныя агламераты (Li et al. 2013).

Разуменне павярхоўнай энергіі металаў і павярхоўнага нацяжэння шлама, а таксама іх узаемадзеяння дазваляе аптымізаваць пару.Атмасферная плазменная апрацоўка металічнай паверхні шляхам уздзеяння кароннай плазмы выдаляе арганічныя злучэнні на паверхні і забяспечвае невялікае тручэнне і акісленне, што значна зніжае павярхоўную энергію да значэнняў, ніжэйшых за павярхоўнае нацяжэнне суспензіі.Гэта дазваляе ідэальна змочваць паверхню суспензіяй і стварае пакрыццё з аптымізаванай адгезіяй (Li et al. 2012).Вынікам з'яўляецца зніжэнне эксплуатацыйных выдаткаў і выдаткаў на матэрыялы пры вытворчасці электродаў на 75 працэнтаў і патэнцыйнае зніжэнне выдаткаў да 20 працэнтаў на ўзроўні акумулятарнага блока для аўтамабільнага прымянення (Вуд і інш. 2014).Гэта не ўключае больш нізкі кошт абсталявання: выдаткі, звязаныя з абсталяваннем для плазменнай апрацоўкі, значна ніжэй, чым выдаткі на сістэму аднаўлення растваральнікаў і патрабаванне выбухаабароненасці.

Будучыя магчымасці для зніжэння выдаткаў

Далейшае зніжэнне выдаткаў будзе дасягнута за кошт большага ведання транспартных механізмаў і наступстваў архітэктуры электродаў для электрахімічных характарыстык.Сучасныя даследаванні ў значнай ступені сканцэнтраваны на мадэляванні для разумення малекулярных механізмаў і паляпшэння канструкцыі электродаў, стосаў электродаў і батарэйных элементаў.Больш тоўстыя электроды і значнае скарачэнне неактыўных матэрыялаў палепшаць шчыльнасць энергіі пры меншых выдатках, знізяць прамыя выдаткі і, магчыма, забяспечаць значна больш кароткія і менш энергаёмістыя цыклы фарміравання батарэі.

Заключэнне

Літый-іённыя акумулятары валодаюць велізарным патэнцыялам для забеспячэння частковай і поўнай электрыфікацыі аўтамабільнага парку, дыверсіфікацыі крыніц энергіі для транспарту і падтрымкі буйнамаштабнага захоўвання энергіі для больш шырокага пранікнення перарывістых аднаўляльных крыніц энергіі.Тым не менш, кошт па-ранейшаму застаецца праблемай, і яе трэба вырашаць шляхам развіцця надзейнай ланцужкі паставак, стандартаў у вытворчасці, высокай прадукцыйнасці вытворчасці і рацыянальных недарагіх метадаў апрацоўкі.У дадатак да зніжэння выдаткаў даследаванні могуць пашырыць веды аб малекулярных працэсах і праблемах транспарту, каб аптымізаваць праектаванне і выкарыстанне даступнай энергіі ў батарэях і павялічыць час іх службы.

Як паказана ў гэтым артыкуле, павелічэнне энергаёмістасці і магутнасці ў матэрыялах актыўных электродаў і скарачэнне ўскосных матэрыялаў у вытворчасці - два спосабы паўплываць на кошт.

Падзяка

Частка гэтага даследавання ў Нацыянальнай лабараторыі Ок-Рыдж (ORNL; кіруе UT Battelle, LLC) для Міністэрства энергетыкі ЗША (па кантракце DE-AC05-00OR22725) была прафінансавана Упраўленнем аўтамабільных тэхналогій па энергаэфектыўнасці і аднаўляльных крыніцах энергіі (EERE). Падпраграма Office (VTO) Applied Battery Research (ABR) (кіраўнікі праграмы: Пітэр Фагі і Дэвід Хаўэл).Аўтар выказвае падзяку Дэвіду Вуду, Цзяньліню Лі і Дэбашышу Моханты з Цэнтра даследаванняў і распрацовак акумулятараў Міністэрства энергетыкі ў ORNL і Бэт Армстронг з аддзела матэрыялазнаўства і тэхналогій ORNL за шмат плённых дыскусій і іх уклад.

Крыніца артыкула: Вясновы мост: Ад рубяжоў машынабудавання і не толькі