Bateries d'ions de liti i els seus reptes de fabricació

Bateries de ions de liti són fabricat en conjunts d'elèctrodes i després muntats en cèl·lules.El material actiu es barreja amb aglutinants de polímers, additius conductors i dissolvents per formar una purina que després es recobreix amb una làmina de col·lector de corrent i s'asseca per eliminar el dissolvent i crear un recobriment d'elèctrode porós.

No hi ha una sola bateria de ions de liti.Amb la varietat de materials i parells electroquímics disponibles, és possible dissenyar cèl·lules de bateries específiques per a les seves aplicacions en termes de tensió, estat de càrrega, necessitats de vida útil i seguretat.La selecció de parells electroquímics específics també facilita el disseny de les relacions de potència i energia i l'energia disponible.

La integració en una cèl·lula de gran format requereix una fabricació optimitzada d'elèctrodes roll-to-roll i l'ús de materials actius.Els elèctrodes estan recoberts d'una làmina col·lectora de corrent metàl·lica en una estructura composta de material actiu, aglutinants i additius conductors, que requereixen un control acurat de la química col·loïdal, l'adhesió i la solidificació.Però els materials inactius afegits i l'embalatge cel·lular redueixen la densitat d'energia.A més, el grau de porositat i compactació de l'elèctrode poden afectar el rendiment de la bateria.

A més d'aquests reptes de materials, el cost és una barrera important per a l'adopció generalitzada d'aquesta tecnologia.S'estan explorant vies per portar bateries de 100 Wh/kg i 200 Wh/L disponibles comercialment a 500 $/kWh fins a 250 Wh/kg i 400 Wh/L per només 125 $/kWh.

Fonaments de les bateries d'ions de liti

La bateria d'ions de liti va ser possible gràcies al descobriment de l'òxid de cobalt de liti (LiCoO ₂ ), que permet l'extracció d'ions de liti i la creació de grans quantitats de vacants (sense canvi de cristall) fins a l'eliminació de la meitat dels ions existents.El maridatge de LiCoO ₂ amb grafit permet la intercalació d'ions de liti entre les capes de grafè que ocupen el lloc intersticial entre cada anell hexagonal d'àtoms de carboni (Besenhard i Schöllhorn 1976; Mizushima et al. 1980; Whittingham 1976).

Els ions de liti viatgen durant la càrrega des de l'elèctrode positiu (el càtode) a través d'un electròlit sòlid o líquid fins a l'elèctrode negatiu (l'ànode) i, durant la descàrrega, en sentit contrari.A cada elèctrode, l'ió manté la seva càrrega i s'intercala a l'estructura cristal·lina ocupant llocs intersticials en cristalls existents al costat de l'ànode o torna a ocupar un lloc vacant al càtode que es va formar quan l'ió de liti va deixar aquest cristall.Mentre es transfereix l'ió, la matriu hoste es redueix o s'oxida, la qual cosa allibera o captura un electró. ¹

Varietat de materials catòdics

La recerca de nous materials de càtode està impulsada en part per importants desavantatges de LiCoO ₂ .La bateria té una temperatura central de 40-70 °C i pot ser susceptible a algunes reaccions a baixa temperatura.Però a 105-135 °C és molt reactiu i una excel·lent font d'oxigen per a un perill de seguretat anomenat reacció tèrmica de fuga , en què les reaccions altament exotèrmiques creen pics de temperatura i s'acceleren ràpidament amb l'alliberament de calor addicional (Roth 2000).

Materials de substitució per LiCoO ₂ són menys propensos a aquest fracàs.Els compostos substitueixen parts del cobalt amb níquel i manganès per formar Li(Ni _x Mn _y Co _z )O ₂ compostos (amb x + y + z = 1), sovint anomenada NMC perquè contenen níquel, manganès i cobalt;o presenten una estructura completament nova en forma de fosfats (per exemple, LiFePO ₄ ) (Daniel et al. 2014).Tots aquests materials de càtode presenten capacitats en el rang de 120-160 Ah/kg a 3,5-3,7 V, donant lloc a una densitat d'energia màxima de fins a 600 Wh/kg.

Tanmateix, quan s'envasa en dispositius reals, s'afegeix molta massa de material inactiu i la densitat d'energia tendeix a baixar a 100 Wh/kg a nivell de paquet.Per impulsar una densitat d'energia més alta, els investigadors han buscat una capacitat més gran i una tensió més alta, i els han trobat en òxids de metalls de transició rics en liti i manganès.Aquests compostos són essencialment els mateixos materials que NMC, però un excés de liti i quantitats més altes de manganès substitueixen el níquel i el cobalt.Les quantitats més altes de liti (fins a un 20 per cent més) permeten que els compostos tinguin una capacitat més gran (Thackeray et al. 2007) i una tensió més alta, donant lloc a càtodes de fins a 280 Ah/kg quan es carreguen fins a 4,8 V. , aquests nous compostos mostren problemes d'estabilitat i tendeixen a esvair-se ràpidament.

Equilibri de materials a les cèl·lules

Les bateries d'ions de liti estan fetes de capes d'elèctrodes porosos sobre làmines de col·lectors de corrent d'alumini i coure (Daniel 2008).La capacitat de cada parell d'elèctrodes s'ha d'equilibrar per garantir la seguretat de la bateria i evitar el risc de sobrecàrrega de l'ànode (que pot provocar un revestiment de metall de liti i un curtcircuit) o ​​una sobredescàrrega del càtode (que pot provocar un col·lapse de l'estructura de cristall). i pèrdua de places vacants perquè el liti es reintercali, reduint dràsticament la capacitat).

El grafit té una capacitat teòrica de 372 Ah/kg, el doble que el liti disponible en càtodes NMC.Així, a les bateries d'ions de liti equilibrades, els càtodes solen presentar el doble de gruix en comparació amb l'ànode.Aquest defecte inherent al disseny de la cèl·lula causa problemes amb el transport de massa i la cinètica i, per tant, va provocar la recerca de càtodes d'alta capacitat.

Per augmentar la densitat d'energia a nivell cel·lular, s'estan minimitzant els materials inactius a les cel·les de la bateria.Per exemple, una manera de reduir el col·lector de corrent és augmentar el gruix dels elèctrodes, però això genera encara més problemes de transport i requereix una porositat altament dissenyada a l'elèctrode.

Reptes de costos en la fabricació de bateries d'ions de liti

Els costos de les bateries d'ions de liti són molt més alts que els que suportarà el mercat de l'automòbil per a la penetració total dels vehicles elèctrics i un producte neutre en costos en comparació amb els cotxes que funcionen amb motors de combustió interna.L'objectiu de cost del Departament d'Energia dels EUA per a totes les bateries de vehicles elèctrics és de 125 $/kWh d'energia utilitzable (DOE 2013).El cost actual de les bateries comercials és de 400-500 $/kWh i el seu cost previst amb els materials experimentals actuals és de 325 $/kWh.La major part de la reducció de costos fins ara s'ha aconseguit mitjançant augments de la densitat d'energia a un cost similar als productes de generació més antiga.

És possible una reducció de costos addicional mitjançant l'optimització dels esquemes de fabricació.Les bateries d'ions de liti es fabriquen en conjunts d'elèctrodes i després s'acoblen en cèl·lules.El material actiu es barreja amb aglutinants de polímers, additius conductors i dissolvents per formar una purina que després es recobreix amb una làmina de col·lector de corrent i s'asseca per eliminar el dissolvent i crear un recobriment d'elèctrode porós.El dissolvent escollit, N-metilpirrolidona (NMP), es considera un material indirecte (és necessari per a la producció però no està contingut en el dispositiu final), però és car, presenta vapors inflamables i és altament tòxic.

Els vapors inflamables de NMP requereixen que tots els equips de processament durant la producció d'elèctrodes siguin a prova d'explosió, el que significa que tots els components elèctrics que produeixen espurnes han d'estar protegits dels vapors i els espais han d'estar molt ventilats per mantenir les concentracions de vapor baixes.Aquestes mesures augmenten considerablement el cost de capital d'aquests equips.

A més, la planta de fabricació d'elèctrodes ha de recuperar el dissolvent del seu corrent d'escapament, destil·lar-lo i reciclar-lo.Això torna a ser un cost addicional.

Reducció de costos pel processament a base d'aigua

La substitució de NMP per aigua és una gran oportunitat per reduir els costos en la producció de bateries d'ions de liti.El cost de l'aigua és insignificant en comparació amb el de NMP;l'aigua no és inflamable i no produeix vapors inflamables;i l'aigua és ambientalment benigna.Tanmateix, l'aigua és un dissolvent polar i el seu comportament és completament diferent del de la NMP no polar.A més, els materials actius tendeixen a aglomerar-se i les superfícies dels col·lectors de corrent metàl·lic són hidròfobes, cosa que dificulta el procés de recobriment.

El coneixement de les càrregues superficials de les partícules (mitjançant la mesura del potencial zeta) permet dissenyar la polaritat superficial en presència d'aigua mitjançant la introducció de petites quantitats de tensioactius.En el cas dels compostos d'intercalació de càtodes, la polietilè imida s'ha utilitzat amb èxit per introduir una càrrega superficial prou gran com per repel·lir les partícules de manera que no formin aglomerats inacceptables (Li et al. 2013).

Comprendre l'energia superficial dels metalls i la tensió superficial del purí, així com la seva interacció, permet optimitzar el parell.El tractament amb plasma atmosfèric de la superfície metàl·lica mitjançant l'exposició a un plasma corona elimina els compostos orgànics de la superfície i permet un lleuger gravat i oxidació, que redueix dràsticament l'energia superficial a valors per sota de la tensió superficial de la purín.Això permet una perfecta humectació de la superfície per la purín i crea un recobriment amb una adherència optimitzada (Li et al. 2012).El resultat és una reducció de costos operatius i materials del 75 per cent en la fabricació d'elèctrodes i una reducció potencial de costos de fins a un 20 per cent a nivell de bateria per a aplicacions d'automoció (Wood et al. 2014).Això no inclou el menor cost de l'equip: les despeses associades a l'equip de processament de plasma són molt inferiors a les del sistema de recuperació de dissolvents i al requisit a prova d'explosió.

Oportunitats futures per a la reducció de costos

S'aconseguiran més reduccions de costos mitjançant un major coneixement dels mecanismes de transport i les implicacions de l'arquitectura dels elèctrodes per al rendiment electroquímic.La investigació actual se centra principalment en el modelatge i la simulació per entendre els mecanismes moleculars i millorar el disseny d'elèctrodes, piles d'elèctrodes i cèl·lules de bateries.Els elèctrodes més gruixuts i una reducció enorme dels materials inactius milloraran la densitat d'energia a un cost més baix, reduiran els costos directes i possiblement permetran un cicle de formació de bateries molt més curt i menys intensiu en energia.

Conclusió

Les bateries d'ions de liti tenen un potencial enorme per permetre l'electrificació parcial o total de la flota d'automòbils, diversificar les fonts d'energia per al transport i donar suport a l'emmagatzematge d'energia a gran escala per a una major penetració del subministrament d'energia renovable intermitent.Tanmateix, el cost continua sent un problema i caldrà abordar-lo mitjançant el desenvolupament d'una cadena de subministrament sòlida, estàndards de fabricació, alt rendiment de fabricació i mètodes de processament racionalitzats de baix cost.A més de reduir costos, la investigació pot millorar el coneixement dels processos moleculars i els problemes de transport per tal d'optimitzar el disseny i l'ús de l'energia disponible a les bateries i augmentar la seva vida útil.

Com es mostra en aquest document, un augment del contingut energètic i la capacitat dels materials d'elèctrodes actius i una reducció dels materials indirectes en la producció són dues maneres d'impactar el cost.

Agraïments

Parts d'aquesta investigació a Oak Ridge National Laboratory (ORNL; gestionada per UT Battelle, LLC) per al Departament d'Energia dels EUA (amb contracte DE-AC05-00OR22725) van ser patrocinades per l'Oficina d'Eficiència Energètica i Energies Renovables (EERE) Vehicle Technologies Subprograma Office (VTO) Applied Battery Research (ABR) (gestors de programes: Peter Faguy i David Howell).L'autor reconeix moltes discussions fructíferes i contribucions de David Wood, Jianlin Li i Debasish Mohanty de la instal·lació d'R+D de fabricació de bateries del DOE a ORNL i Beth Armstrong a la divisió de ciència i tecnologia de materials d'ORNL.

Font de l'article: Pont de primavera: Des de les fronteres de l'enginyeria i més enllà