Batris Ion Lithiwm a'u Heriau Gweithgynhyrchu

Batris ïon lithiwm yn gweithgynhyrchu mewn setiau o electrodau ac yna'n ymgynnull mewn celloedd.Mae deunydd gweithredol yn cael ei gymysgu â rhwymwyr polymer, ychwanegion dargludol, a thoddyddion i ffurfio slyri sydd wedyn yn cael ei orchuddio ar ffoil casglwr cyfredol a'i sychu i gael gwared ar y toddydd a chreu cotio electrod mandyllog.

Nid oes batri ïon lithiwm sengl.Gyda'r amrywiaeth o ddeunyddiau a chyplau electrocemegol sydd ar gael, mae'n bosibl dylunio celloedd batri sy'n benodol i'w cymwysiadau o ran foltedd, cyflwr defnydd, anghenion oes, a diogelwch.Mae dewis cyplau electrocemegol penodol hefyd yn hwyluso dylunio cymarebau pŵer ac ynni a'r ynni sydd ar gael.

Mae integreiddio mewn cell fformat mawr yn gofyn am weithgynhyrchu electrod rholio-i-rôl wedi'i optimeiddio a defnyddio deunyddiau gweithredol.Mae electrodau wedi'u gorchuddio ar ffoil casglwr cerrynt metel mewn strwythur cyfansawdd o ddeunydd gweithredol, rhwymwyr, ac ychwanegion dargludol, sy'n gofyn am reolaeth ofalus ar gemeg colloidal, adlyniad a chaledu.Ond mae'r deunyddiau anactif ychwanegol a'r pecynnu celloedd yn lleihau dwysedd ynni.Ar ben hynny, gall graddau mandylledd a chywasgu yn yr electrod effeithio ar berfformiad batri.

Yn ogystal â'r heriau deunyddiau hyn, mae cost yn rhwystr sylweddol i fabwysiadu'r dechnoleg hon yn eang.Mae llwybrau'n cael eu harchwilio i ddod â batris o'r 100 Wh/kg sydd ar gael yn fasnachol a 200 Wh/L ar $500/kWh hyd at 250 Wh/kg a 400 Wh/L am ddim ond $125/kWh.

Hanfodion Batris Ion Lithiwm

Gwnaethpwyd y batri ïon lithiwm yn bosibl trwy ddarganfod lithiwm cobalt ocsid (LiCoO ₂ ), sy'n caniatáu echdynnu ïonau lithiwm a chreu llawer iawn o swyddi gwag (heb newid grisial) hyd at ddileu hanner yr ïonau presennol.Mae paru LiCoO ₂ gyda graffit yn caniatáu rhyngosod ïonau lithiwm rhwng yr haenau graphene sy'n meddiannu'r safle interstitial rhwng pob cylch hecsagonol o atomau carbon (Besenhard a Schöllhorn 1976; Mizushima et al. 1980; Whittingham 1976).

Mae'r ïonau lithiwm yn teithio yn ystod gwefr o'r electrod positif (y catod) trwy electrolyt solet neu hylif i'r electrod negyddol (yr anod) ac, yn ystod rhyddhau, i'r cyfeiriad arall.Ar bob electrod, mae'r ïon naill ai'n cynnal ei wefr ac yn rhyngosod i'r strwythur grisial gan feddiannu safleoedd rhyng-raniadol mewn crisialau presennol ar ochr yr anod neu'n ailfeddiannu safle gwag yn y catod a ffurfiwyd pan adawodd yr ïon lithiwm y grisial hwnnw.Wrth drosglwyddo'r ïon, mae'r matrics gwesteiwr yn cael ei leihau neu ei ocsidio, sy'n rhyddhau neu'n dal electron. ¹

Amrywiaeth o Ddeunyddiau Cathod

Mae'r chwilio am ddeunyddiau catod newydd yn cael ei yrru'n rhannol gan anfanteision pwysig LiCoO ₂ .Mae gan y batri dymheredd craidd o 40-70 ° C a gall fod yn agored i rai adweithiau tymheredd isel.Ond ar 105–135°C mae'n adweithiol iawn ac yn ffynhonnell ocsigen ardderchog ar gyfer perygl diogelwch o'r enw adwaith rhedeg i ffwrdd thermol , lle mae adweithiau ecsothermig iawn yn creu pigau tymheredd ac yn cyflymu'n gyflym gyda rhyddhau gwres ychwanegol (Roth 2000).

Deunyddiau newydd ar gyfer LiCoO ₂ yn llai tueddol o gael y methiant hwnnw.Mae'r cyfansoddion yn disodli rhannau o'r cobalt â nicel a manganîs i ffurfio Li(Ni _x Mn _y Co _z )o ₂ cyfansoddion (gyda x + y + z = 1), y cyfeirir atynt yn aml fel NMC gan eu bod yn cynnwys nicel, manganîs, a chobalt;neu maent yn arddangos strwythur cwbl newydd ar ffurf ffosffadau (ee, LiFePO ₄ ) (Daniel et al. 2014).Mae'r deunyddiau catod hyn i gyd yn dangos cynhwysedd yn yr ystod o 120-160 Ah / kg ar 3.5-3.7 V, gan arwain at ddwysedd egni uchaf o hyd at 600 Wh / kg.

Pan gaiff ei becynnu mewn dyfeisiau go iawn, fodd bynnag, ychwanegir llawer o fàs deunydd anactif ac mae'r dwysedd ynni yn tueddu i ostwng i 100 Wh/kg ar lefel y pecyn.I wthio am ddwysedd ynni uwch, mae ymchwilwyr wedi ceisio cynhwysedd uwch a foltedd uwch - ac wedi dod o hyd iddynt mewn ocsidau metel trawsnewid sy'n llawn lithiwm a manganîs.Mae'r cyfansoddion hyn yn eu hanfod yr un deunyddiau â NMC ond mae gormodedd o lithiwm a symiau uwch o fanganîs yn disodli nicel a chobalt.Mae'r symiau uwch o lithiwm (cymaint ag 20 y cant yn fwy) yn caniatáu i'r cyfansoddion fod â chynhwysedd uwch (Thackeray et al. 2007) a foltedd uwch, gan arwain at gathodau â hyd at 280 Ah/kg pan godir hyd at 4.8 V. Fodd bynnag , mae'r cyfansoddion newydd hyn yn dangos problemau sefydlogrwydd ac yn dueddol o bylu'n gyflym.

Cydbwyso Defnyddiau mewn Celloedd

Mae batris ïon lithiwm wedi'u gwneud o haenau o electrodau mandyllog ar ffoil casglwr cerrynt alwminiwm a chopr (Daniel 2008).Mae angen cydbwyso cynhwysedd pob pâr electrod i sicrhau diogelwch batri ac osgoi risg o or-lenwi'r anod (a all arwain at blatio metel lithiwm a chylched byr) neu or-ollwng y catod (a all arwain at gwymp yn y strwythur grisial a cholli swyddi gwag ar gyfer lithiwm i'w hailosod, gan leihau'r capasiti yn ddramatig).

Mae gan graffit gapasiti damcaniaethol o 372 Ah/kg, sef dwbl y lithiwm sydd ar gael mewn catodau NMC.Felly mewn batris ïon lithiwm cytbwys, mae'r catodau fel arfer yn arddangos dwbl y trwch o'i gymharu â'r anod.Mae'r diffyg cynhenid ​​​​hwn o ddyluniad y gell yn achosi problemau gyda chludiant torfol a chineteg, ac felly ysgogodd y chwilio am gathodau gallu uchel.

Er mwyn cynyddu dwysedd ynni lefel celloedd, mae deunyddiau anactif yn cael eu lleihau mewn celloedd batri.Er enghraifft, un ffordd o leihau'r casglwr presennol yw cynyddu trwch yr electrodau, ond mae hyn yn gyrru problemau trafnidiaeth ymhellach ac yn gofyn am fandylledd peirianyddol iawn yn yr electrod.

Heriau Cost mewn Gweithgynhyrchu Batris Ion Lithiwm

Mae costau batris ïon lithiwm yn llawer uwch nag y bydd y farchnad fodurol yn ei ddwyn ar gyfer treiddiad llawn cerbydau trydan a chynnyrch cost-niwtral o'i gymharu â cheir sy'n cael eu rhedeg gan beiriannau hylosgi mewnol.Targed cost Adran Ynni'r UD ar gyfer holl fatris cerbydau trydan yw $125/kWh o ynni defnyddiadwy (DOE 2013).Cost gyfredol batris masnachol yw $400-500/kWh a'u cost ragamcanol gyda deunyddiau arbrofol cyfredol yw $325/kWh.Mae'r rhan fwyaf o'r gostyngiad mewn costau hyd yma wedi'i gyflawni gan gynnydd mewn dwysedd ynni ar gost debyg i gynhyrchion cenhedlaeth hŷn.

Mae modd lleihau costau ymhellach trwy optimeiddio cynlluniau gweithgynhyrchu.Mae batris ïon lithiwm yn cael eu cynhyrchu mewn setiau o electrodau ac yna'n cael eu cydosod mewn celloedd.Mae deunydd gweithredol yn cael ei gymysgu â rhwymwyr polymer, ychwanegion dargludol, a thoddyddion i ffurfio slyri sydd wedyn yn cael ei orchuddio ar ffoil casglwr cyfredol a'i sychu i gael gwared ar y toddydd a chreu cotio electrod mandyllog.Mae'r toddydd o ddewis, N-methylpyrrolidone (NMP), yn cael ei ystyried yn deunydd anuniongyrchol (mae ei angen ar gyfer cynhyrchu ond nid yw wedi'i gynnwys yn y ddyfais derfynol), ond mae'n ddrud, yn arddangos anweddau fflamadwy, ac mae'n wenwynig iawn.

Mae anweddau fflamadwy NMP yn ei gwneud yn ofynnol i'r holl offer prosesu wrth gynhyrchu electrodau fod yn atal ffrwydrad, sy'n golygu bod angen cysgodi'r holl gydrannau trydanol sy'n cynhyrchu gwreichionen rhag yr anweddau a bod angen awyru'r gofodau yn fawr i gadw crynodiadau anwedd yn isel.Mae'r mesurau hyn yn cynyddu cost cyfalaf offer o'r fath yn sylweddol.

Yn ogystal, mae'n ofynnol i'r ffatri gweithgynhyrchu electrod ail-ddal y toddydd o'i ffrwd wacáu, ei ddistyllu, a'i ailgylchu.Mae hyn eto yn gost ychwanegol.

Lleihau Costau trwy Brosesu Seiliedig ar Ddŵr

Mae disodli NMP gan ddŵr yn gyfle gwych i leihau cost cynhyrchu batris ïon lithiwm.Mae cost dŵr yn ddibwys o gymharu â NMP;nid yw dŵr yn fflamadwy ac nid yw'n cynhyrchu anweddau fflamadwy;ac mae dŵr yn amgylcheddol anfalaen.Fodd bynnag, mae dŵr yn doddydd pegynol ac mae ei ymddygiad yn hollol wahanol i ymddygiad yr NMP anpolar.At hynny, mae deunyddiau gweithredol yn tueddu i grynhoi ac mae arwynebau casglwyr cerrynt metel yn hydroffobig, gan wneud y broses cotio yn fwy anodd.

Mae gwybodaeth am daliadau arwyneb ar ronynnau (trwy fesur potensial zeta) yn galluogi dylunio polaredd arwyneb ym mhresenoldeb dŵr trwy gyflwyno symiau bach o syrffactyddion.Yn achos cyfansoddion intercalation catod, defnyddiwyd polyethylen imide yn llwyddiannus i gyflwyno tâl arwyneb sy'n ddigon mawr i wrthyrru gronynnau fel nad ydynt yn ffurfio crynoadau annerbyniol (Li et al. 2013).

Mae deall egni arwyneb metelau a thensiwn arwyneb y slyri yn ogystal â'u rhyngweithio yn caniatáu optimeiddio'r pâr.Mae triniaeth plasma atmosfferig o'r arwyneb metel trwy ddod i gysylltiad â phlasma corona yn tynnu cyfansoddion organig ar yr wyneb ac yn galluogi ychydig o ysgythru ac ocsidiad, sy'n lleihau'n ddramatig yr egni arwyneb i werthoedd islaw tensiwn arwyneb y slyri.Mae hyn yn caniatáu gwlychu'r wyneb yn berffaith gan y slyri ac yn creu gorchudd gyda'r adlyniad gorau posibl (Li et al. 2012).Y canlyniad yw gostyngiad o 75 y cant mewn costau gweithredol a deunyddiau yn y gweithgynhyrchu electrod a gostyngiad cost posibl o hyd at 20 y cant ar lefel pecyn batri ar gyfer cymwysiadau modurol (Wood et al. 2014).Nid yw hyn yn cynnwys y gost offer is: mae treuliau sy'n gysylltiedig â'r offer prosesu plasma yn llawer is na'r rhai ar gyfer y system adfer toddyddion a'r gofyniad atal ffrwydrad.

Cyfleoedd i Leihau Costau yn y Dyfodol

Cyflawnir gostyngiadau pellach mewn costau trwy fwy o wybodaeth am fecanweithiau trafnidiaeth a goblygiadau pensaernïaeth electrod ar gyfer perfformiad electrocemegol.Mae ymchwil gyfredol yn canolbwyntio'n bennaf ar fodelu ac efelychu i ddeall mecanweithiau moleciwlaidd a gwella dyluniad electrodau, staciau electrod, a chelloedd batri.Bydd electrodau mwy trwchus a gostyngiad aruthrol mewn deunyddiau anweithredol yn gwella dwysedd ynni am gost is, yn lleihau costau uniongyrchol, ac o bosibl yn galluogi beicio ffurfio batri llawer byrrach a llai dwys o ran ynni.

Casgliad

Mae gan fatris ïon lithiwm botensial aruthrol i alluogi trydaneiddio'r fflyd modurol yn rhannol i lawn, arallgyfeirio ffynonellau ynni ar gyfer cludo, a chefnogi storio ynni ar raddfa fawr ar gyfer treiddiad uwch o gyflenwad ynni adnewyddadwy ysbeidiol.Fodd bynnag, mae cost yn parhau i fod yn broblem a bydd angen mynd i'r afael â hyn trwy ddatblygu cadwyn gyflenwi gadarn, safonau gweithgynhyrchu, trwybwn gweithgynhyrchu uchel, a dulliau prosesu cost isel symlach.Yn ogystal â lleihau costau, gall ymchwil wella gwybodaeth am brosesau moleciwlaidd a materion trafnidiaeth er mwyn optimeiddio dyluniad a defnydd yr ynni sydd ar gael mewn batris a chynyddu eu hamser bywyd.

Fel y dangosir yn y papur hwn, mae cynnydd mewn cynnwys ynni a chynhwysedd mewn deunyddiau electrod gweithredol a gostyngiad o ddeunyddiau anuniongyrchol wrth gynhyrchu yn ddwy ffordd o effeithio ar gost.

Diolchiadau

Noddwyd rhannau o'r ymchwil hwn yn Labordy Cenedlaethol Oak Ridge (ORNL; a reolir gan UT Battelle, LLC) ar gyfer Adran Ynni yr UD (dan gontract DE-AC05-00OR22725) gan y Swyddfa Technolegau Cerbydau Effeithlonrwydd Ynni ac Ynni Adnewyddadwy (EERE). Is-raglen Ymchwil Batri Gymhwysol (ABR) y Swyddfa (VTO) (rheolwyr rhaglen: Peter Faguy a David Howell).Mae'r awdur yn cydnabod llawer o drafodaethau ffrwythlon a chyfraniadau gan David Wood, Jianlin Li, a Debasish Mohanty o Gyfleuster Ymchwil a Datblygu Gweithgynhyrchu Batri DOE yn ORNL a Beth Armstrong yn Is-adran Gwyddoniaeth a Thechnoleg Deunyddiau ORNL.

Ffynhonnell yr erthygl: Spring Bridge: O Ffiniau peirianneg a thu hwnt