Μπαταρίες ιόντων λιθίου και οι προκλήσεις κατασκευής τους

Μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι κατασκευάζονται σε σετ ηλεκτροδίων και στη συνέχεια συναρμολογούνται σε κυψέλες.Το ενεργό υλικό αναμιγνύεται με πολυμερή συνδετικά, αγώγιμα πρόσθετα και διαλύτες για να σχηματιστεί ένας πολτός που στη συνέχεια επικαλύπτεται σε ένα φύλλο συλλέκτη ρεύματος και ξηραίνεται για να αφαιρεθεί ο διαλύτης και να δημιουργήσει μια πορώδη επικάλυψη ηλεκτροδίου.

Δεν υπάρχει καμία μπαταρία ιόντων λιθίου.Με την ποικιλία των διαθέσιμων υλικών και ηλεκτροχημικών ζευγαριών, είναι δυνατός ο σχεδιασμός στοιχείων μπαταρίας ειδικά για τις εφαρμογές τους όσον αφορά την τάση, την κατάσταση χρήσης φόρτισης, τις ανάγκες διάρκειας ζωής και την ασφάλεια.Η επιλογή συγκεκριμένων ηλεκτροχημικών ζευγαριών διευκολύνει επίσης τον σχεδιασμό των αναλογιών ισχύος και ενέργειας και της διαθέσιμης ενέργειας.

Η ενσωμάτωση σε κυψέλη μεγάλου σχήματος απαιτεί βελτιστοποιημένη κατασκευή ηλεκτροδίων roll-to-roll και χρήση ενεργών υλικών.Τα ηλεκτρόδια επικαλύπτονται σε ένα μεταλλικό φύλλο συλλέκτη ρεύματος σε μια σύνθετη δομή από ενεργό υλικό, συνδετικά και αγώγιμα πρόσθετα, που απαιτούν προσεκτικό έλεγχο της κολλοειδούς χημείας, της πρόσφυσης και της στερεοποίησης.Αλλά τα προστιθέμενα ανενεργά υλικά και η συσκευασία των κυττάρων μειώνουν την ενεργειακή πυκνότητα.Επιπλέον, ο βαθμός πορώδους και συμπίεσης στο ηλεκτρόδιο μπορεί να επηρεάσει την απόδοση της μπαταρίας.

Εκτός από αυτές τις προκλήσεις υλικών, το κόστος αποτελεί σημαντικό εμπόδιο για την ευρεία υιοθέτηση αυτής της τεχνολογίας.Διερευνώνται μονοπάτια για τη μεταφορά μπαταριών από τα εμπορικά διαθέσιμα 100 Wh/kg και 200 ​​Wh/L στα 500 $/kWh έως 250 Wh/kg και 400 Wh/L με μόλις 125 $/kWh.

Βασικές αρχές των μπαταριών ιόντων λιθίου

Η μπαταρία ιόντων λιθίου έγινε δυνατή με την ανακάλυψη του οξειδίου του κοβαλτίου λιθίου (LiCoO ₂ ), που επιτρέπει την εξαγωγή ιόντων λιθίου και τη δημιουργία μεγάλων ποσοτήτων κενών (χωρίς αλλαγή κρυστάλλου) μέχρι την απομάκρυνση των μισών από τα υπάρχοντα ιόντα.Το ζευγάρωμα του LiCoO ₂ με τον γραφίτη επιτρέπει την παρεμβολή ιόντων λιθίου μεταξύ των στρωμάτων γραφενίου που καταλαμβάνουν την ενδιάμεση θέση μεταξύ κάθε εξαγωνικού δακτυλίου ατόμων άνθρακα (Besenhard and Schöllhorn 1976, Mizushima et al. 1980, Whittingham 1976).

Τα ιόντα λιθίου ταξιδεύουν κατά τη διάρκεια της φόρτισης από το θετικό ηλεκτρόδιο (την κάθοδο) μέσω ενός στερεού ή υγρού ηλεκτρολύτη στο αρνητικό ηλεκτρόδιο (την άνοδο) και, κατά την εκφόρτιση, προς την αντίθετη κατεύθυνση.Σε κάθε ηλεκτρόδιο, το ιόν είτε διατηρεί το φορτίο του και παρεμβάλλεται στην κρυσταλλική δομή καταλαμβάνοντας ενδιάμεσες θέσεις σε υπάρχοντες κρυστάλλους στην πλευρά της ανόδου είτε καταλαμβάνει εκ νέου μια κενή θέση στην κάθοδο που σχηματίστηκε όταν το ιόν λιθίου έφυγε από αυτόν τον κρύσταλλο.Κατά τη μεταφορά του ιόντος, η μήτρα του ξενιστή ανάγεται ή οξειδώνεται, γεγονός που απελευθερώνει ή συλλαμβάνει ένα ηλεκτρόνιο. ¹

Ποικιλία Καθοδικών Υλικών

Η αναζήτηση νέων υλικών καθόδου καθοδηγείται εν μέρει από σημαντικά μειονεκτήματα του LiCoO ₂ .Η μπαταρία έχει θερμοκρασία πυρήνα 40–70°C και μπορεί να είναι ευαίσθητη σε ορισμένες αντιδράσεις χαμηλής θερμοκρασίας.Αλλά στους 105–135°C είναι πολύ αντιδραστικό και μια εξαιρετική πηγή οξυγόνου για έναν κίνδυνο ασφάλειας που ονομάζεται θερμική διαφυγή αντίδραση , στις οποίες οι έντονα εξώθερμες αντιδράσεις δημιουργούν αιχμές θερμοκρασίας και επιταχύνονται γρήγορα με την απελευθέρωση επιπλέον θερμότητας (Roth 2000).

Ανταλλακτικά υλικά για LiCoO ₂ είναι λιγότερο επιρρεπείς σε αυτή την αποτυχία.Οι ενώσεις αντικαθιστούν μέρη του κοβαλτίου με νικέλιο και μαγγάνιο για να σχηματίσουν Li(Ni _Χ Mn _y Co _z ) Ο ₂ ενώσεις (με Χ + y + z = 1), που συχνά αναφέρονται ως NMC καθώς περιέχουν νικέλιο, μαγγάνιο και κοβάλτιο.ή παρουσιάζουν μια εντελώς νέα δομή με τη μορφή φωσφορικών αλάτων (π.χ. LiFePO ₄ ) (Daniel et al. 2014).Αυτά τα υλικά καθόδου παρουσιάζουν όλα χωρητικότητες στην περιοχή 120–160 Ah/kg στα 3,5–3,7 V, με αποτέλεσμα τη μέγιστη ενεργειακή πυκνότητα έως και 600 Wh/kg.

Όταν συσκευάζονται σε πραγματικές συσκευές, ωστόσο, προστίθεται μεγάλη μάζα ανενεργού υλικού και η ενεργειακή πυκνότητα τείνει να πέσει στα 100 Wh/kg στο επίπεδο της συσκευασίας.Για να πιέσουν για υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα, οι ερευνητές αναζήτησαν υψηλότερη χωρητικότητα και υψηλότερη τάση - και τα βρήκαν σε οξείδια μετάλλων μεταπτώσεως πλούσια σε λίθιο και μαγγάνιο.Αυτές οι ενώσεις είναι ουσιαστικά τα ίδια υλικά με το NMC, αλλά μια περίσσεια λιθίου και υψηλότερες ποσότητες μαγγανίου αντικαθιστούν το νικέλιο και το κοβάλτιο.Οι υψηλότερες ποσότητες λιθίου (έως και 20 τοις εκατό περισσότερο) επιτρέπουν στις ενώσεις να έχουν υψηλότερη χωρητικότητα (Thackeray et al. 2007) και υψηλότερη τάση, με αποτέλεσμα καθόδους με έως και 280 Ah/kg όταν φορτίζονται έως και 4,8 V. , αυτές οι νέες ενώσεις παρουσιάζουν προβλήματα σταθερότητας και τείνουν να ξεθωριάζουν γρήγορα.

Ισορροπία Υλικών στα Κύτταρα

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου κατασκευάζονται από στρώματα πορωδών ηλεκτροδίων σε φύλλα αλουμινίου και χαλκού συλλέκτη ρεύματος (Daniel 2008).Η χωρητικότητα κάθε ζεύγους ηλεκτροδίων πρέπει να εξισορροπηθεί για να διασφαλιστεί η ασφάλεια της μπαταρίας και να αποφευχθεί ο κίνδυνος υπερφόρτισης της ανόδου (που μπορεί να οδηγήσει σε επιμετάλλωση μετάλλου λιθίου και βραχυκύκλωμα) ή υπερβολική εκφόρτιση της καθόδου (που μπορεί να οδηγήσει σε κατάρρευση της κρυσταλλικής δομής και απώλεια κενών θέσεων για επανασυμπλοκή λιθίου, μειώνοντας δραματικά την ικανότητα).

Ο γραφίτης έχει θεωρητική χωρητικότητα 372 Ah/kg, διπλάσια από το διαθέσιμο λίθιο στις καθόδους NMC.Έτσι, στις ισορροπημένες μπαταρίες ιόντων λιθίου, οι κάθοδοι παρουσιάζουν συνήθως διπλάσιο πάχος σε σύγκριση με την άνοδο.Αυτό το εγγενές ελάττωμα του σχεδιασμού της κυψέλης προκαλεί προβλήματα με τη μεταφορά μάζας και την κινητική, και έτσι ώθησε την αναζήτηση για καθόδους υψηλής χωρητικότητας.

Για να αυξηθεί η ενεργειακή πυκνότητα σε επίπεδο κυψέλης, τα ανενεργά υλικά ελαχιστοποιούνται στις κυψέλες της μπαταρίας.Για παράδειγμα, ένας τρόπος για να μειωθεί ο συλλέκτης ρεύματος είναι να αυξηθεί το πάχος των ηλεκτροδίων, αλλά αυτό προκαλεί περαιτέρω προβλήματα μεταφοράς και απαιτεί ένα εξαιρετικά σχεδιασμένο πορώδες στο ηλεκτρόδιο.

Προκλήσεις κόστους στην κατασκευή μπαταριών ιόντων λιθίου

Το κόστος των μπαταριών ιόντων λιθίου είναι πολύ υψηλότερο από αυτό που θα επιβαρύνει η αγορά αυτοκινήτων για την πλήρη διείσδυση των ηλεκτρικών οχημάτων και ενός προϊόντος ουδέτερου κόστους σε σύγκριση με αυτοκίνητα που λειτουργούν με κινητήρες εσωτερικής καύσης.Ο στόχος κόστους του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ για όλες τις μπαταρίες ηλεκτρικών οχημάτων είναι 125 $/kWh χρησιμοποιήσιμης ενέργειας (DOE 2013).Το τρέχον κόστος των εμπορικών μπαταριών είναι $400–500/kWh και το προβλεπόμενο κόστος τους με τα τρέχοντα πειραματικά υλικά είναι $325/kWh.Το μεγαλύτερο μέρος της μείωσης του κόστους μέχρι στιγμής έχει επιτευχθεί με αυξήσεις της ενεργειακής πυκνότητας με παρόμοιο κόστος με τα προϊόντα παλαιότερης γενιάς.

Περαιτέρω μείωση του κόστους είναι δυνατή μέσω της βελτιστοποίησης των συστημάτων παραγωγής.Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου κατασκευάζονται σε σετ ηλεκτροδίων και στη συνέχεια συναρμολογούνται σε κυψέλες.Το ενεργό υλικό αναμιγνύεται με πολυμερή συνδετικά, αγώγιμα πρόσθετα και διαλύτες για να σχηματιστεί ένας πολτός που στη συνέχεια επικαλύπτεται σε ένα φύλλο συλλέκτη ρεύματος και ξηραίνεται για να αφαιρεθεί ο διαλύτης και να δημιουργήσει μια πορώδη επικάλυψη ηλεκτροδίου.Ο διαλύτης επιλογής, η Ν-μεθυλοπυρρολιδόνη (ΝΜΡ), θεωρείται ένα έμμεσο υλικό (χρειάζεται για την παραγωγή αλλά δεν περιέχεται στην τελική συσκευή), αλλά είναι ακριβό, εμφανίζει εύφλεκτους ατμούς και είναι πολύ τοξικό.

Οι εύφλεκτοι ατμοί της NMP απαιτούν όλος ο εξοπλισμός επεξεργασίας κατά την παραγωγή των ηλεκτροδίων να είναι αντιεκρηκτικός, πράγμα που σημαίνει ότι όλα τα ηλεκτρικά εξαρτήματα που παράγουν σπινθήρες πρέπει να προστατεύονται από τους ατμούς και οι χώροι πρέπει να αερίζονται πολύ για να διατηρούνται χαμηλές οι συγκεντρώσεις ατμών.Αυτά τα μέτρα αυξάνουν σημαντικά το κεφαλαιουχικό κόστος αυτού του εξοπλισμού.

Επιπλέον, το εργοστάσιο κατασκευής ηλεκτροδίων απαιτείται να επανασυλλάβει τον διαλύτη από το ρεύμα καυσαερίων του, να τον αποστάξει και να τον ανακυκλώσει.Αυτό είναι και πάλι ένα επιπλέον κόστος.

Μείωση κόστους με επεξεργασία με βάση το νερό

Η αντικατάσταση του NMP από νερό είναι μια τεράστια ευκαιρία για τη μείωση του κόστους στην παραγωγή μπαταριών ιόντων λιθίου.Το κόστος του νερού είναι αμελητέο σε σύγκριση με αυτό του NMP.Το νερό δεν είναι εύφλεκτο και δεν παράγει εύφλεκτους ατμούς.και το νερό είναι φιλικό προς το περιβάλλον.Ωστόσο, το νερό είναι ένας πολικός διαλύτης και η συμπεριφορά του είναι εντελώς διαφορετική από αυτή του μη πολικού NMP.Επιπλέον, τα ενεργά υλικά τείνουν να συσσωματώνονται και οι επιφάνειες συλλέκτη μετάλλου ρεύματος είναι υδρόφοβες, καθιστώντας τη διαδικασία επίστρωσης πιο δύσκολη.

Η γνώση των επιφανειακών φορτίων στα σωματίδια (με μέτρηση του δυναμικού ζήτα) επιτρέπει τον σχεδιασμό της επιφανειακής πολικότητας παρουσία νερού, εισάγοντας μικρές ποσότητες επιφανειοδραστικών.Στην περίπτωση των ενώσεων παρεμβολής καθόδου, το ιμίδιο πολυαιθυλενίου έχει χρησιμοποιηθεί με επιτυχία για την εισαγωγή ενός επιφανειακού φορτίου αρκετά μεγάλου ώστε να απωθεί τα σωματίδια έτσι ώστε να μην σχηματίζουν απαράδεκτα συσσωματώματα (Li et al. 2013).

Η κατανόηση της επιφανειακής ενέργειας των μετάλλων και της επιφανειακής τάσης του πολτού καθώς και η αλληλεπίδρασή τους επιτρέπει τη βελτιστοποίηση του ζεύγους.Η επεξεργασία με ατμοσφαιρικό πλάσμα της μεταλλικής επιφάνειας μέσω έκθεσης σε πλάσμα κορώνας αφαιρεί οργανικές ενώσεις στην επιφάνεια και επιτρέπει μια ελαφρά χάραξη και οξείδωση, η οποία μειώνει δραματικά την επιφανειακή ενέργεια σε τιμές κάτω από την επιφανειακή τάση του πολτού.Αυτό επιτρέπει τέλεια διαβροχή της επιφάνειας από τον πολτό και δημιουργεί μια επίστρωση με βελτιστοποιημένη πρόσφυση (Li et al. 2012).Το αποτέλεσμα είναι 75 τοις εκατό μείωση του λειτουργικού κόστους και του κόστους υλικών στην κατασκευή ηλεκτροδίων και μια πιθανή μείωση του κόστους έως και 20 τοις εκατό στο επίπεδο της μπαταρίας για εφαρμογές αυτοκινήτων (Wood et al. 2014).Αυτό δεν περιλαμβάνει το χαμηλότερο κόστος εξοπλισμού: τα έξοδα που σχετίζονται με τον εξοπλισμό επεξεργασίας πλάσματος είναι πολύ χαμηλότερα από αυτά για το σύστημα ανάκτησης διαλυτών και την απαίτηση αντιεκρηκτικής προστασίας.

Μελλοντικές Ευκαιρίες για Μείωση Κόστους

Περαιτέρω μειώσεις κόστους θα επιτευχθούν μέσω μεγαλύτερης γνώσης των μηχανισμών μεταφοράς και των επιπτώσεων της αρχιτεκτονικής ηλεκτροδίων για την ηλεκτροχημική απόδοση.Η τρέχουσα έρευνα επικεντρώνεται σε μεγάλο βαθμό στη μοντελοποίηση και την προσομοίωση για την κατανόηση των μοριακών μηχανισμών και τη βελτίωση του σχεδιασμού ηλεκτροδίων, στοίβων ηλεκτροδίων και στοιχείων μπαταρίας.Τα παχύτερα ηλεκτρόδια και η τεράστια μείωση των ανενεργών υλικών θα βελτιώσουν την ενεργειακή πυκνότητα με χαμηλότερο κόστος, θα μειώσουν το άμεσο κόστος και πιθανώς θα επιτρέψουν πολύ πιο σύντομο και λιγότερο ενεργοβόρο κύκλο σχηματισμού μπαταριών.

συμπέρασμα

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν τεράστιες δυνατότητες για τη δυνατότητα μερικής έως πλήρους ηλεκτροδότησης του στόλου αυτοκινήτων, τη διαφοροποίηση των πηγών ενέργειας για τη μεταφορά και την υποστήριξη μεγάλης κλίμακας αποθήκευσης ενέργειας για μεγαλύτερη διείσδυση της διαλείπουσας ανανεώσιμης ενέργειας.Ωστόσο, το κόστος εξακολουθεί να είναι ένα ζήτημα και θα πρέπει να αντιμετωπιστεί με την ανάπτυξη μιας ισχυρής αλυσίδας εφοδιασμού, προτύπων στην κατασκευή, υψηλή παραγωγική ικανότητα και εξορθολογισμένες μεθόδους επεξεργασίας χαμηλού κόστους.Εκτός από τη μείωση του κόστους, η έρευνα μπορεί να βελτιώσει τη γνώση των μοριακών διεργασιών και ζητημάτων μεταφοράς, προκειμένου να βελτιστοποιηθεί ο σχεδιασμός και η χρήση της διαθέσιμης ενέργειας στις μπαταρίες και να αυξηθεί ο χρόνος ζωής τους.

Όπως φαίνεται σε αυτό το έγγραφο, η αύξηση του ενεργειακού περιεχομένου και της χωρητικότητας σε ενεργά υλικά ηλεκτροδίων και η μείωση των έμμεσων υλικών στην παραγωγή είναι δύο τρόποι για να επηρεάσει το κόστος.

Ευχαριστίες

Μέρη αυτής της έρευνας στο Εθνικό Εργαστήριο Oak Ridge (ORNL, διαχείριση από την UT Battelle, LLC) για το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ (σύμφωνα με σύμβαση DE-AC05-00OR22725) χρηματοδοτήθηκαν από το Γραφείο Ενεργειακής Απόδοσης και Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (EERE) Vehicle Technologies Υποπρόγραμμα Office (VTO) Applied Battery Research (ABR) (διαχειριστές προγράμματος: Peter Faguy και David Howell).Ο συγγραφέας αναγνωρίζει πολλές γόνιμες συζητήσεις και συνεισφορές από τους David Wood, Jianlin Li και Debasish Mohanty του DOE Battery Manufacturing R&D Facility στο ORNL και την Beth Armstrong στο Τμήμα Επιστήμης και Τεχνολογίας Υλικών του ORNL.

Πηγή άρθρου: Spring Bridge: Από τα σύνορα της μηχανικής και όχι μόνο