Litiojonaj Baterioj kaj Iliaj Produktado-Defioj

Litiojonaj kuirilaroj estas fabrikita en aroj de elektrodoj kaj poste kunvenitaj en ĉeloj.Aktiva materialo estas miksita kun polimeraj ligiloj, konduktaj aldonaĵoj, kaj solviloj por formi suspensiaĵon kiu tiam estas kovrita sur nuna kolekta tavoleto kaj sekigita por forigi la solvilon kaj krei poran elektrodan tegaĵon.

Ne ekzistas ununura litiojona baterio.Kun la diversaj materialoj kaj elektrokemiaj paroj disponeblaj, eblas desegni bateriajn ĉelojn specifajn por iliaj aplikoj laŭ tensio, stato de ŝarĝo uzo, dumvivaj bezonoj kaj sekureco.Selektado de specifaj elektrokemiaj paroj ankaŭ faciligas la dezajnon de potenco- kaj energiproporcioj kaj havebla energio.

Integriĝo en grandformata ĉelo postulas optimumigitan rul-al-rulan elektrodproduktadon kaj uzon de aktivaj materialoj.Elektrodoj estas kovritaj sur metala kurenta kolektanta folio en sinteza strukturo de aktiva materialo, ligiloj kaj konduktaj aldonaĵoj, postulante zorgeman kontrolon de koloida kemio, adhero kaj solidiĝo.Sed la aldonitaj neaktivaj materialoj kaj la ĉela pakaĵo reduktas energian densecon.Plie, grado de poreco kaj kompaktado en la elektrodo povas influi baterian rendimenton.

Krom ĉi tiuj materialaj defioj, kosto estas grava baro al ĝeneraligita adopto de ĉi tiu teknologio.Padoj estas esploritaj por alporti bateriojn de la komerce haveblaj 100 Wh/kg kaj 200 Wh/L je $500/kWh ĝis 250 Wh/kg kaj 400 Wh/L por nur $125/kWh.

Fundamentoj de Litiojonaj Baterioj

La litiojonbaterio fariĝis ebla per la eltrovo de litia kobaltoksido (LiCoO ₂ ), kiu permesas la eltiron de litiojonoj kaj kreado de grandaj kvantoj de vakantaĵoj (sen kristalŝanĝo) ĝis la forigo de duono de la ekzistantaj jonoj.La parigo de LiCoO ₂ kun grafito permesas la interkaladon de litiojonoj inter la grafenaj tavoloj kiuj okupas la interstican lokon inter ĉiu sesangula ringo de karbonatomoj (Besenhard kaj Schöllhorn 1976; Mizushima et al. 1980; Whittingham 1976).

La litiojonoj vojaĝas dum ŝargo de la pozitiva elektrodo (la katodo) tra solida aŭ likva elektrolito al la negativa elektrodo (la anodo) kaj, dum senŝargiĝo, en la kontraŭa direkto.Ĉe ĉiu elektrodo, la jono aŭ konservas sian pagendaĵon kaj interkalas en la kristalstrukturon okupante intersticajn ejojn en ekzistantaj kristaloj sur la anodflanko aŭ reokupas vakan ejon en la katodo kiu formiĝis kiam la litiojono forlasis tiun kristalon.Transdonante la jonon, la gastiga matrico estas reduktita aŭ oksigenita, kiu liberigas aŭ kaptas elektronon. ¹

Vario de Katodaj Materialoj

La serĉo de novaj katodmaterialoj estas pelita delvis per gravaj malavantaĝoj de LiCoO ₂ .La baterio havas kernan temperaturon de 40–70 °C kaj povas esti sentema al iuj malalt-temperaturaj reagoj.Sed je 105–135°C ĝi estas tre reaktiva kaj bonega oksigenfonto por sekureca danĝero nomata termika forkurinta reago , en kiuj tre eksotermaj reagoj kreas temperaturpiklojn kaj akcelas rapide kun la liberigo de ekstra varmeco (Roth 2000).

Anstataŭaj materialoj por LiCoO ₂ estas malpli inklinaj al tiu malsukceso.La kunmetaĵoj anstataŭigas partojn de la kobalto kun nikelo kaj mangano por formi Li (Ni _x Mn _y Co _z )O ₂ kunmetaĵoj (kun x + y + z = 1), ofte referite kiel NMC ĉar ili enhavas nikelon, manganon, kaj kobalton;aŭ ili elmontras tute novan strukturon en la formo de fosfatoj (ekz., LiFePO ₄ ) (Daniel et al. 2014).Tiuj katodmaterialoj ĉiuj elmontras kapacitojn en la intervalo de 120-160 Ah/kg ĉe 3.5-3.7 V, rezultigante maksimuman energidensecon de ĝis 600 Wh/kg.

Kiam pakita en realaj aparatoj, tamen, multe da neaktiva materiala maso estas aldonita kaj la energidenseco tendencas fali al 100 Wh/kg sur la paknivelo.Por antaŭenpuŝi pli altan energidensecon, esploristoj serĉis pli altan kapaciton kaj pli altan tension - kaj trovis ilin en litio- kaj mangan-riĉaj transirmetalaj oksidoj.Tiuj kunmetaĵoj estas esence la samaj materialoj kiel NMC sed troo de litio kaj pli altaj kvantoj de mangano anstataŭigas nikelon kaj kobalton.La pli altaj kvantoj de litio (tiom kiom 20 procentoj pli) permesas al la kunmetaĵoj havi pli altan kapaciton (Thackeray et al. 2007) kaj pli altan tension, rezultigante katodojn kun ĝis 280 Ah/kg kiam ŝargite ĝis 4.8 V. Tamen , ĉi tiuj novaj kunmetaĵoj montras stabilecproblemojn kaj tendencas fadi rapide.

Ekvilibro de Materialoj en Ĉeloj

Litiojonbaterioj estas faritaj el tavoloj de poraj elektrodoj sur aluminio kaj kupra kurenta kolektanto folioj (Daniel 2008).La kapacito de ĉiu elektrodparo devas esti ekvilibra por certigi bateriosekurecon kaj eviti riskon de troŝargo de la anodo (kiu povas rezultigi litian metalan tegaĵon kaj fuŝkontakton) aŭ trosenŝargiĝon de la katodo (kiu povas rezultigi kolapson de la kristala strukturo). kaj perdo de vakantaĵoj por litio por reinterkruciĝi, draste reduktante kapaciton).

Grafito havas teorian kapaciton de 372 Ah/kg, duoble tiun de la disponebla litio en NMC-katodoj.Do en ekvilibraj litiojonbaterioj, la katodoj tipe elmontras duoble la dikecon kompare kun la anodo.Tiu eneca difekto de la ĉeldezajno kaŭzas problemojn kun amastransporto kaj kinetiko, kaj tiel instigis la serĉon por alt-kapacitaj katodoj.

Por pliigi ĉel-nivelan energidensecon, neaktivaj materialoj estas minimumigitaj en bateriĉeloj.Ekzemple, unu maniero redukti la nunan kolektanton devas pliigi la dikecon de la elektrodoj, sed tio plue movas transportproblemojn kaj postulas tre realigitan porecon en la elektrodo.

Kostaj Defioj en Fabrikado de Litiojonaj Baterioj

La kostoj de litiojonaj kuirilaroj estas multe pli altaj ol la aŭtomobila merkato portos por plena penetrado de elektraj veturiloj kaj kost-neŭtrala produkto kompare kun aŭtoj funkciigataj de interna brulado de motoroj.La usona Departemento de Energio-kostocelo por ĉiuj elektraj veturilaj baterioj estas $125/kWh de uzebla energio (DOE 2013).La nuna kosto de komercaj baterioj estas 400-500 USD/kWh kaj ilia projekciita kosto kun nunaj eksperimentaj materialoj estas 325 USD/kWh.La plej granda parto de la kostredukto ĝis nun estis atingita per energidensecpliiĝoj je simila kosto al la pli aĝgeneraciaj produktoj.

Plia kostoredukto estas ebla per optimumigo de produktadskemoj.Litijonaj baterioj estas fabrikitaj en aroj de elektrodoj kaj poste kunvenitaj en ĉeloj.Aktiva materialo estas miksita kun polimeraj ligiloj, konduktaj aldonaĵoj, kaj solviloj por formi suspensiaĵon kiu tiam estas kovrita sur nuna kolekta tavoleto kaj sekigita por forigi la solvilon kaj krei poran elektrodan tegaĵon.La solvilo de elekto, N-metilpirolidono (NMP), estas konsiderita kiel an nerekta materialo (ĝi estas bezonata por produktado sed ne enhavita en la fina aparato), sed ĝi estas multekosta, elmontras brulemajn vaporojn, kaj estas tre toksa.

La brulemaj vaporoj de NMP postulas, ke ĉiuj pretigaj ekipaĵoj dum la produktado de elektrodoj estu eksplodrezistaj, signifante ke ĉiuj spark-produktantaj elektraj komponentoj devas esti ŝirmitaj de la vaporoj kaj spacoj devas esti tre ventolitaj por konservi vaporkoncentriĝojn malaltaj.Ĉi tiuj mezuroj pliigas la kapitalkoston de tia ekipaĵo konsiderinde.

Krome, la elektroda fabriko estas postulata por rekapti la solvilon de sia ellasfluo, distili ĝin kaj recikli ĝin.Ĉi tio denove estas aldona kosto.

Kostredukto per Akva Pretigo

La anstataŭigo de NMP per akvo estas grandega ŝanco redukti koston en la produktado de litiojonaj kuirilaroj.La kosto de akvo estas nekonsiderinda kompare kun tiu de NMP;akvo ne estas brulema kaj ne produktas brulemajn vaporojn;kaj akvo estas ekologie benigna.Tamen, akvo estas polusa solvilo kaj ĝia konduto estas tute diferenca de tiu de la nepolusa NMP.Krome, aktivaj materialoj tendencas aglomeriĝi kaj metalaj nunaj kolektantsurfacoj estas hidrofobaj, igante la tegprocezon pli malfacila.

Scio pri surfacaj ŝargoj sur partikloj (mezurante zeta potencialon) ebligas la dezajnon de surfacpoluseco en la ĉeesto de akvo enkondukante malgrandajn kvantojn de surfaktants.Koncerne katodajn interkalajn kunmetaĵojn, polietilen-imido estis sukcese uzita por enkonduki surfacan ŝargon sufiĉe grandan por forpuŝi partiklojn tiel ke ili ne formu neakcepteblajn aglomeratojn (Li et al. 2013).

Kompreni la surfacan energion de metaloj kaj la surfacan streĉiĝon de la suspensiaĵo same kiel ilian interagon permesas optimumigon de la paro.Atmosfera plasmotraktado de la metalsurfaco tra eksponiĝo al korona plasmo forigas organikajn substancojn sur la surfaco kaj ebligas iometan akvaforton kaj oksigenadon, kiu dramece reduktas la surfacan energion al valoroj sub la surfaca tensio de la suspensiaĵo.Ĉi tio permesas perfektan malsekigon de la surfaco per la suspensiaĵo kaj kreas tegaĵon kun optimumigita adhero (Li et al. 2012).La rezulto estas 75-procenta operacia kaj materiala kosto-redukto en la elektroda fabrikado kaj ebla kostoredukto de ĝis 20-procento ĉe la baterio-pakaĵo por aŭtomobilaj aplikoj (Wood et al. 2014).Ĉi tio ne inkluzivas la pli malaltan ekipaĵkoston: elspezoj asociitaj kun la plasmopretiga ekipaĵo estas multe pli malaltaj ol tiuj por la solva reakiro kaj la eksplodrezista postulo.

Estontaj Ŝancoj por Kosto-Redukto

Pliaj kostaj reduktoj estos atingitaj per pli granda scio pri transportmekanismoj kaj elektrodaj arkitekturaj implicoj por elektrokemia efikeco.Nuna esplorado estas plejparte temigis modeligadon kaj simuladon por kompreni molekulajn mekanismojn kaj plibonigi la dezajnon de elektrodoj, elektrodstakoj, kaj bateriĉeloj.Pli dikaj elektrodoj kaj grandega redukto en neaktivaj materialoj plibonigos energidensecon je pli malalta kosto, reduktos rektajn kostojn, kaj eble ebligos multe pli mallongan kaj malpli energiintensan baterioformadcikladon.

Konkludo

Litijonaj baterioj havas enorman potencialon por ebligi partan ĝis plenan elektrizo de la aŭtomobila floto, diversigi energifontojn por transportado, kaj subteni grandskalan energistokadon por pli alta penetro de intermita renoviĝanta energiprovizo.Tamen, kosto daŭre estas problemo kaj devos esti traktita per la evoluo de fortika provizoĉeno, normoj en fabrikado, alta produktada trairo kaj fluliniaj malaltkostaj pretigaj metodoj.Krom reduktado de kostoj, esplorado povas plibonigi scion pri molekulaj procezoj kaj transportaj aferoj por optimumigi la dezajnon kaj uzon de disponebla energio en kuirilaroj kaj pliigi ilian vivdaŭron.

Kiel montrite en ĉi tiu papero, pliiĝo en energienhavo kaj kapablo en aktivaj elektrodaj materialoj kaj redukto de nerektaj materialoj en produktado estas du manieroj por efiki koston.

Dankon

Partoj de ĉi tiu esplorado ĉe Oak Ridge Nacia Laboratorio (ORNL; administrita fare de UT Battelle, LLC) por la Usona Sekcio de Energio (sub kontrakto DE-AC05-00OR22725) estis sponsoritaj de la Oficejo pri Energio-Efikeco kaj Renoviĝanta Energio (EERE) Veturilaj Teknologioj. Office (VTO) Applied Battery Research (ABR) subprogramo (programestroj: Peter Faguy kaj David Howell).La verkinto agnoskas multajn fruktodonajn diskutojn kun kaj kontribuoj de David Wood, Jianlin Li, kaj Debasish Mohanty de la DOE Battery Manufacturing R&D Facility ĉe ORNL kaj Beth Armstrong en Materials Science and Technology Division de ORNL.

Artikolfonto: Printempa Ponto: De la Limoj de inĝenieristiko kaj pretere