Lithium-ion-batterier og deres produktionsudfordringer

Lithium-ion batterier er fremstillet i sæt elektroder og derefter samlet i celler. Aktivt materiale blandes med polymerbindemidler, ledende additiver og opløsningsmidler for at danne en opslæmning, der derefter belægges på en strømkollektorfolie og tørres for at fjerne opløsningsmidlet og skabe en porøs elektrodebelægning.

Der er ikke et enkelt lithium-ion-batteri. Med de mange tilgængelige materialer og elektrokemiske par er det muligt at designe battericeller, der er specifikke for deres anvendelser med hensyn til spænding, ladningstilstand, levetidsbehov og sikkerhed. Valg af specifikke elektrokemiske par letter også designet af effekt- og energiforhold og tilgængelig energi.

Integration i en storformatcelle kræver optimeret roll-to-roll elektrodefremstilling og brug af aktive materialer. Elektroder er belagt på en metalstrømkollektorfolie i en sammensat struktur af aktivt materiale, bindemidler og ledende additiver, hvilket kræver omhyggelig kontrol af kolloid kemi, adhæsion og størkning. Men de tilsatte inaktive materialer og celleemballagen reducerer energitætheden. Desuden kan graden af ​​porøsitet og komprimering i elektroden påvirke batteriets ydeevne.

Ud over disse materialeudfordringer er omkostningerne en væsentlig barriere for udbredt anvendelse af denne teknologi. Veje er ved at blive udforsket for at bringe batterier fra de kommercielt tilgængelige 100 Wh/kg og 200 Wh/L til $500/kWh op til 250 Wh/kg og 400 Wh/L for kun $125/kWh.

Grundlæggende om lithium-ion-batterier

Lithium-ion-batteriet blev gjort muligt ved opdagelsen af ​​lithium-koboltoxid (LiCoO) ₂ ), som tillader udvinding af lithiumioner og skabelse af store mængder ledige pladser (uden krystalændring) op til fjernelse af halvdelen af ​​de eksisterende ioner. Parringen af ​​LiCoO ₂ med grafit muliggør interkalation af lithiumioner mellem grafenlagene, der optager det interstitielle sted mellem hver hexagonal ring af carbonatomer (Besenhard og Schöllhorn 1976; Mizushima et al. 1980; Whittingham 1976).

Lithiumionerne bevæger sig under ladning fra den positive elektrode (katoden) gennem en fast eller flydende elektrolyt til den negative elektrode (anoden) og under afladning i den modsatte retning. Ved hver elektrode bevarer ionen enten sin ladning og interkalerer ind i krystalstrukturen, der optager interstitielle steder i eksisterende krystaller på anodesiden, eller optager igen et ledigt sted i katoden, der blev dannet, da lithium-ionen forlod denne krystal. Mens ionen overføres, bliver værtsmatrixen reduceret eller oxideret, hvilket frigiver eller fanger en elektron. ¹

Forskellige katodematerialer

Søgningen efter nye katodematerialer er til dels drevet af vigtige ulemper ved LiCoO ₂ . Batteriet har en kernetemperatur på 40–70°C og kan være modtageligt for nogle lavtemperaturreaktioner. Men ved 105–135°C er den meget reaktiv og en fremragende iltkilde til en sikkerhedsrisiko kaldet en termisk løbsreaktion , hvor meget eksoterme reaktioner skaber temperaturspidser og accelererer hurtigt med frigivelsen af ​​ekstra varme (Roth 2000).

Erstatningsmaterialer til LiCoO ₂ er mindre tilbøjelige til at fejle. Forbindelserne erstatter dele af kobolten med nikkel og mangan for at danne Li(Ni _x Mn _y Co _z )O ₂ forbindelser (med x + y + z = 1), ofte omtalt som NMC, da de indeholder nikkel, mangan og kobolt; eller de udviser en helt ny struktur i form af fosfater (f.eks. LiFePO ₄ ) (Daniel et al. 2014). Disse katodematerialer udviser alle kapaciteter i området 120-160 Ah/kg ved 3,5-3,7 V, hvilket resulterer i en maksimal energitæthed på op til 600 Wh/kg.

Ved emballering i rigtige enheder tilføjes der imidlertid meget inaktiv materialemasse, og energitætheden har en tendens til at falde til 100 Wh/kg på pakningsniveauet. For at presse på for højere energitæthed har forskere søgt efter højere kapacitet og højere spænding - og fundet dem i lithium- og manganrige overgangsmetaloxider. Disse forbindelser er i det væsentlige de samme materialer som NMC, men et overskud af lithium og større mængder mangan erstatter nikkel og kobolt. De højere mængder af lithium (hele 20 procent mere) gør det muligt for forbindelserne at have højere kapacitet (Thackeray et al. 2007) og en højere spænding, hvilket resulterer i katoder med op til 280 Ah/kg, når de lades op til 4,8 V. Dog , viser disse nye forbindelser stabilitetsproblemer og har en tendens til at falme hurtigt.

Afbalancering af materialer i celler

Lithium-ion-batterier er lavet af lag af porøse elektroder på aluminiums- og kobberstrømkollektorfolier (Daniel 2008). Kapaciteten af ​​hvert elektrodepar skal afbalanceres for at sikre batterisikkerhed og undgå risiko for overopladning af anoden (hvilket kan resultere i lithiummetalbelægning og kortslutning) eller overafladning af katoden (hvilket kan resultere i et kollaps af krystalstrukturen) og tab af ledige pladser for lithium til at genindsætte, hvilket dramatisk reducerer kapaciteten).

Grafit har en teoretisk kapacitet på 372 Ah/kg, det dobbelte af det tilgængelige lithium i NMC-katoder. Så i afbalancerede lithium-ion-batterier udviser katoderne typisk dobbelt tykkelse sammenlignet med anoden. Denne iboende fejl i celledesignet forårsager problemer med massetransport og kinetik, og fik derfor til at søge efter katoder med høj kapacitet.

For at øge energitætheden på celleniveau minimeres inaktive materialer i battericeller. For eksempel er en måde at reducere strømaftageren på at øge tykkelsen af ​​elektroderne, men dette driver yderligere transportproblemer og kræver en meget konstrueret porøsitet i elektroden.

Omkostningsudfordringer ved fremstilling af lithium-ion-batterier

Omkostningerne ved lithium-ion-batterier er meget højere, end bilmarkedet vil bære for fuld penetration af elektriske køretøjer og et omkostningsneutralt produkt sammenlignet med biler, der drives af forbrændingsmotorer. Det amerikanske energiministeriums prismål for alle batterier til elektriske køretøjer er $125/kWh brugbar energi (DOE 2013). Den nuværende pris på kommercielle batterier er $400-500/kWh, og deres forventede pris med nuværende eksperimentelle materialer er $325/kWh. Størstedelen af ​​omkostningsreduktionen hidtil er opnået ved øget energitæthed til samme pris som den ældre generations produkter.

Yderligere omkostningsreduktion er mulig gennem optimering af produktionsordninger. Lithium-ion-batterier fremstilles i sæt elektroder og samles derefter i celler. Aktivt materiale blandes med polymerbindemidler, ledende additiver og opløsningsmidler for at danne en opslæmning, der derefter belægges på en strømkollektorfolie og tørres for at fjerne opløsningsmidlet og skabe en porøs elektrodebelægning. Det valgte opløsningsmiddel, N-methylpyrrolidon (NMP), betragtes som en indirekte materiale (det er nødvendigt til produktion, men er ikke indeholdt i den endelige enhed), men det er dyrt, udviser brandfarlige dampe og er meget giftigt.

De brændbare dampe fra NMP kræver, at alt behandlingsudstyr under produktionen af ​​elektroder er eksplosionssikkert, hvilket betyder, at alle gnistproducerende elektriske komponenter skal afskærmes fra dampene, og rum skal være meget ventileret for at holde dampkoncentrationerne lave. Disse foranstaltninger øger kapitalomkostningerne for sådant udstyr betydeligt.

Derudover skal elektrodefabrikanten genindfange opløsningsmidlet fra dets udstødningsstrøm, destillere det og genbruge det. Dette er igen en ekstra omkostning.

Omkostningsreduktion ved vandbaseret behandling

Udskiftningen af ​​NMP med vand er en fantastisk mulighed for at reducere omkostningerne ved produktionen af ​​lithium-ion-batterier. Omkostningerne til vand er ubetydelige sammenlignet med NMP; vand er ikke brændbart og producerer ikke brændbare dampe; og vand er miljøvenligt. Vand er imidlertid et polært opløsningsmiddel, og dets opførsel er fuldstændig forskellig fra den ikke-polære NMP. Desuden har aktive materialer tendens til at agglomerere, og metalstrømkollektoroverflader er hydrofobe, hvilket gør belægningsprocessen vanskeligere.

Kendskab til overfladeladninger på partikler (ved at måle zeta-potentiale) muliggør design af overfladepolaritet i nærvær af vand ved at indføre små mængder overfladeaktive stoffer. I tilfælde af katodeinterkalationsforbindelser er polyethylenimid med succes blevet brugt til at indføre en overfladeladning, der er stor nok til at frastøde partikler, så de ikke danner uacceptable agglomerater (Li et al. 2013).

Forståelse af overfladeenergien af ​​metaller og overfladespændingen af ​​gyllen samt deres interaktion giver mulighed for optimering af parret. Atmosfærisk plasmabehandling af metaloverfladen gennem eksponering for et koronaplasma fjerner organiske forbindelser på overfladen og muliggør en let ætsning og oxidation, som dramatisk reducerer overfladeenergien til værdier under gyllens overfladespænding. Dette muliggør perfekt befugtning af overfladen af ​​gyllen og skaber en belægning med optimeret vedhæftning (Li et al. 2012). Resultatet er en 75 procent drifts- og materialeomkostningsreduktion i elektrodefremstillingen og en potentiel omkostningsreduktion på op til 20 procent på batteripakkeniveau til automobilapplikationer (Wood et al. 2014). Dette inkluderer ikke de lavere udstyrsomkostninger: Udgifter forbundet med plasmabehandlingsudstyret er meget lavere end dem til opløsningsmiddelgenvindingssystemet og kravet om eksplosionssikker.

Fremtidige muligheder for omkostningsreduktion

Yderligere omkostningsreduktioner vil blive opnået gennem større viden om transportmekanismer og elektrodearkitektur implikationer for elektrokemisk ydeevne. Nuværende forskning er i høj grad fokuseret på modellering og simulering for at forstå molekylære mekanismer og forbedre designet af elektroder, elektrodestabler og battericeller. Tykkere elektroder og en enorm reduktion af inaktive materialer vil forbedre energitætheden til lavere omkostninger, reducere direkte omkostninger og muligvis muliggøre meget kortere og mindre energiintensive batteridannelsescyklusser.

Konklusion

Lithium-ion-batterier har et enormt potentiale til at muliggøre delvis til fuld elektrificering af bilflåden, diversificere energikilder til transport og understøtte storskala energilagring for en højere penetration af intermitterende vedvarende energiforsyning. Omkostninger er dog fortsat et problem og vil skulle løses ved udvikling af en robust forsyningskæde, standarder inden for fremstilling, høj produktionsgennemstrømning og strømlinede, billige behandlingsmetoder. Ud over at reducere omkostningerne kan forskning øge viden om molekylære processer og transportspørgsmål for at optimere design og brug af tilgængelig energi i batterier og forlænge deres levetid.

Som vist i denne artikel er en stigning i energiindhold og kapacitet i aktive elektrodematerialer og en reduktion af indirekte materialer i produktionen to måder at påvirke omkostningerne på.

Anerkendelser

Dele af denne forskning ved Oak Ridge National Laboratory (ORNL; administreret af UT Battelle, LLC) for US Department of Energy (under kontrakt DE-AC05-00OR22725) blev sponsoreret af Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE) Vehicle Technologies Office (VTO) Applied Battery Research (ABR) underprogram (programledere: Peter Faguy og David Howell). Forfatteren anerkender mange frugtbare diskussioner med og bidrag fra David Wood, Jianlin Li og Debasish Mohanty fra DOE Battery Manufacturing R&D Facility hos ORNL og Beth Armstrong i ORNL's Materials Science and Technology Division.

Artikelkilde: Spring Bridge: Fra ingeniørens grænser og videre