Liitiumioonakud ja nende valmistamise väljakutsed

Liitiumioonakud on toodetud elektroodide komplektides ja seejärel elementides kokku pandud.Aktiivne materjal segatakse polümeersideainete, juhtivate lisandite ja lahustitega, et moodustada suspensioon, mis seejärel kaetakse voolukollektori fooliumile ja kuivatatakse, et eemaldada lahusti ja luua poorne elektroodkate.

Ühtegi liitiumioonakut pole olemas.Erinevate saadaolevate materjalide ja elektrokeemiliste paaride abil on võimalik kujundada akuelemente, mis on nende rakenduste jaoks spetsiifilised pinge, laadimisoleku, kasutusea vajaduste ja ohutuse osas.Spetsiifiliste elektrokeemiliste paaride valimine hõlbustab ka võimsuse ja energia suhete ning saadaoleva energia kavandamist.

Integreerimine suureformaadilisesse lahtrisse nõuab optimeeritud rullist rulli elektroodide tootmist ja aktiivsete materjalide kasutamist.Elektroodid on kaetud metallist voolukollektori fooliumiga aktiivse materjali, sideainete ja juhtivate lisandite komposiitstruktuuris, mis nõuab kolloidse keemia, adhesiooni ja tahkumise hoolikat kontrolli.Kuid lisatud mitteaktiivsed materjalid ja raku pakend vähendavad energiatihedust.Lisaks võib elektroodi poorsus ja tihendus mõjutada aku jõudlust.

Lisaks nendele materjalidega seotud probleemidele takistab selle tehnoloogia laialdast kasutuselevõttu ka hind.Uuritakse võimalusi, kuidas tuua kaubanduslikult saadaolevatest 100 Wh/kg ja 200 Wh/l akusid hinnaga 500 Wh/kWh kuni 250 Wh/kg ja 400 Wh/l hinnaga vaid 125 Wh/kWh.

Liitiumioonakude põhitõed

Liitiumioonaku sai võimalikuks tänu liitiumkoobaltoksiidi (LiCoO) avastamisele ₂ ), mis võimaldab liitiumioonide ekstraheerimist ja suurtes kogustes vabu töökohti (ilma kristallimuutuseta) kuni poolte olemasolevate ioonide eemaldamiseni.LiCoO sidumine ₂ grafiidiga võimaldab liitiumioonide interkalatsiooni grafeenikihtide vahel, mis hõivavad süsinikuaatomite iga kuusnurkse ringi vahelise interstitsiaalse koha (Besenhard ja Schöllhorn 1976; Mizushima jt 1980; Whittingham 1976).

Liitiumioonid liiguvad laengu ajal positiivselt elektroodilt (katoodilt) läbi tahke või vedela elektrolüüdi negatiivsele elektroodile (anoodile) ja tühjenemise ajal vastupidises suunas.Igal elektroodil säilitab ioon oma laengu ja interkaleerub kristallstruktuuri, hõivates anoodipoolsetes olemasolevates kristallides interstitsiaalseid kohti või hõivab uuesti vaba koha katoodis, mis tekkis liitiumiooni lahkumisel sellest kristallist.Iooni ülekandmisel peremeesmaatriks redutseerub või oksüdeerub, mis vabastab või hõivab elektroni. ¹

Erinevad katoodmaterjalid

Uute katoodmaterjalide otsimine on osaliselt ajendatud LiCoO olulistest puudustest ₂ .Aku sisetemperatuur on 40–70 °C ja see võib olla vastuvõtlik mõnele madala temperatuuriga reaktsioonile.Kuid temperatuuril 105–135 °C on see väga reaktiivne ja suurepärane hapnikuallikas ohutusohu jaoks, mida nimetatakse termiline põgenemisreaktsioon , milles väga eksotermilised reaktsioonid tekitavad temperatuuri hüppeid ja kiirenevad kiiresti koos lisasoojuse vabanemisega (Roth 2000).

LiCoO asendusmaterjalid ₂ on sellele ebaõnnestumisele vähem altid.Ühendid asendavad koobalti osad nikli ja mangaaniga, moodustades Li (Ni _x Mn _y Co _z )O ₂ ühendid (koos x + y + z = 1), mida sageli nimetatakse NMC-ks, kuna need sisaldavad niklit, mangaani ja koobaltit;või neil on täiesti uus struktuur fosfaatide kujul (nt LiFePO ₄ ) (Daniel jt 2014).Kõik need katoodmaterjalid on 3,5–3,7 V pingel vahemikus 120–160 Ah/kg, mille tulemuseks on maksimaalne energiatihedus kuni 600 Wh/kg.

Päris seadmetesse pakkides lisandub aga palju passiivset materjali massi ja energiatihedus kipub langema paki tasemel 100 Wh/kg-ni.Suurema energiatiheduse saavutamiseks on teadlased otsinud suuremat võimsust ja pinget ning leidnud need liitiumi- ja mangaanirikastes siirdemetallioksiidides.Need ühendid on sisuliselt samad materjalid kui NMC, kuid liigne liitium ja suurem kogus mangaani asendavad niklit ja koobaltit.Suuremad liitiumikogused (kuni 20 protsenti rohkem) võimaldavad ühenditel olla suuremat mahtuvust (Thackeray et al. 2007) ja kõrgemat pinget, mille tulemuseks on katoodid kuni 280 Ah/kg laadimisel kuni 4,8 V. , on neil uutel ühenditel stabiilsusprobleemid ja need kipuvad kiiresti tuhmuma.

Materjalide tasakaalustamine rakkudes

Liitiumioonakud on valmistatud poorsete elektroodide kihtidest alumiiniumist ja vasest voolukollektori kiledel (Daniel 2008).Iga elektroodipaari võimsus peab olema tasakaalustatud, et tagada aku ohutus ja vältida anoodi ülelaadimise ohtu (mis võib põhjustada liitiummetallkatte ja lühise) või katoodi ülelaadimise (mis võib põhjustada kristallstruktuuri kokkuvarisemise). ja vabade kohtade kadumine liitiumi uuesti interkaleerumiseks, vähendades oluliselt võimsust).

Grafiidi teoreetiline võimsus on 372 Ah/kg, mis on kaks korda suurem kui NMC katoodides saadaolevast liitiumist.Nii et tasakaalustatud liitiumioonakude puhul on katoodide paksus tavaliselt kaks korda suurem kui anoodil.See raku konstruktsiooni loomupärane viga põhjustab probleeme massitranspordi ja kineetikaga ning ajendas seega otsima suure võimsusega katoode.

Rakkude taseme energiatiheduse suurendamiseks minimeeritakse akuelementides mitteaktiivsed materjalid.Näiteks üks viis voolukollektori vähendamiseks on elektroodide paksuse suurendamine, kuid see põhjustab veelgi transpordiprobleeme ja nõuab elektroodi kõrgelt konstrueeritud poorsust.

Kuluprobleemid liitiumioonakude valmistamisel

Liitiumioonakude kulud on elektrisõidukite täieliku leviku ja kulude suhtes neutraalse tootega võrreldes palju kõrgemad, kui autoturg kannab, võrreldes sisepõlemismootoritega töötavate autodega.USA energeetikaministeeriumi kõigi elektrisõidukite akude kulueesmärk on 125 dollarit kasutatava energia kWh kohta (DOE 2013).Kaubanduslike akude praegune maksumus on 400–500 dollarit kWh kohta ja nende prognoositav maksumus praeguste katsematerjalidega on 325 dollarit kWh kohta.Suurem osa kulude vähendamisest on seni saavutatud energiatiheduse suurendamisega samade kuludega kui vanema põlvkonna tooted.

Kulude edasine vähendamine on võimalik tootmisskeemide optimeerimise kaudu.Liitiumioonakud valmistatakse elektroodide komplektidena ja pannakse seejärel elementidesse kokku.Aktiivne materjal segatakse polümeersideainete, juhtivate lisandite ja lahustitega, et moodustada suspensioon, mis seejärel kaetakse voolukollektori fooliumile ja kuivatatakse, et eemaldada lahusti ja luua poorne elektroodkate.Valitud lahusti, N-metüülpürrolidoon (NMP), loetakse kaudne materjal (seda on tootmiseks vaja, kuid see ei sisaldu lõppseadmes), kuid see on kallis, sellel on tuleohtlikud aurud ja see on väga mürgine.

NMP tuleohtlikud aurud nõuavad, et kõik elektroodide tootmisel kasutatavad töötlemisseadmed oleksid plahvatuskindlad, mis tähendab, et kõik sädemeid tekitavad elektrilised komponendid peavad olema aurude eest kaitstud ja ruumid peavad olema hästi ventileeritud, et aurude kontsentratsioon oleks madal.Need meetmed suurendavad märkimisväärselt selliste seadmete kapitalikulusid.

Lisaks peab elektroodide tootmistehas koguma lahusti heitgaasivoost, destilleerima ja taaskasutama.See on jällegi lisakulu.

Kulude vähendamine veepõhise töötlemise abil

NMP asendamine veega on suurepärane võimalus liitiumioonakude tootmiskulusid vähendada.Vee hind on NMP omaga võrreldes tühine;vesi ei ole süttiv ega tekita tuleohtlikke aure;ja vesi on keskkonnasõbralik.Kuid vesi on polaarne lahusti ja selle käitumine on täiesti erinev mittepolaarse NMP omast.Lisaks kipuvad aktiivsed materjalid aglomereeruma ja metallist voolukollektori pinnad on hüdrofoobsed, mis muudab katmisprotsessi keerulisemaks.

Osakeste pinnalaengute tundmine (zeta potentsiaali mõõtmine) võimaldab kujundada pinna polaarsust vee juuresolekul, lisades väikeses koguses pindaktiivseid aineid.Katoodide interkalatsiooniühendite puhul on polüetüleenimiidi edukalt kasutatud osakeste tõrjumiseks piisavalt suure pinnalaengu sisseviimiseks, et need ei moodustaks vastuvõetamatuid aglomeraate (Li et al. 2013).

Metallide pinnaenergia ja lobri pindpinevuse ning nende vastasmõju mõistmine võimaldab paari optimeerida.Metallpinna atmosfääriplasma töötlemine koroonaplasmaga kokkupuutel eemaldab pinnalt orgaanilised ühendid ning võimaldab kerget söövitamist ja oksüdatsiooni, mis vähendab dramaatiliselt pinnaenergiat väärtustele, mis jäävad lobri pindpinevusest madalamale.See võimaldab pinna täiuslikku märgumist läga poolt ja loob optimeeritud nakkuvusega katte (Li et al. 2012).Tulemuseks on 75-protsendiline töö- ja materjalikulude vähenemine elektroodide valmistamisel ning kuni 20-protsendiline potentsiaalne kulude vähenemine akupaki tasemel autotööstuses (Wood et al. 2014).See ei hõlma madalamaid seadmekulusid: plasmatöötlusseadmetega seotud kulud on palju väiksemad kui lahusti taaskasutamise süsteemi ja plahvatuskindla nõude omad.

Tuleviku võimalused kulude vähendamiseks

Kulude edasine vähendamine saavutatakse tänu suurematele teadmistele transpordimehhanismide ja elektroodide arhitektuuri mõju kohta elektrokeemilisele jõudlusele.Praegused uuringud on suures osas keskendunud modelleerimisele ja simulatsioonile, et mõista molekulaarseid mehhanisme ning parandada elektroodide, elektroodivirnade ja akuelementide konstruktsiooni.Paksemad elektroodid ja mitteaktiivsete materjalide tohutu vähenemine parandavad energiatihedust madalamate kuludega, vähendavad otseseid kulusid ja võimaldavad palju lühemat ja vähem energiamahukat aku moodustamise tsüklit.

Järeldus

Liitiumioonakudel on tohutu potentsiaal autopargi osaliseks või täielikuks elektrifitseerimiseks, transpordi energiaallikate mitmekesistamiseks ja suuremahulise energia salvestamise toetamiseks, et tagada vahelduva taastuvenergia varustuse suurem levik.Kulud on aga jätkuvalt probleemiks ja nendega tuleb tegeleda tugeva tarneahela, tootmisstandardite, suure tootmisvõimsuse ja sujuvamate odavate töötlemismeetodite väljatöötamisega.Lisaks kulude vähendamisele võivad teadusuuringud täiendada teadmisi molekulaarprotsesside ja transpordiprobleemide kohta, et optimeerida akudes saadaoleva energia disaini ja kasutamist ning pikendada nende eluiga.

Nagu käesolevas dokumendis näidatud, on aktiivsete elektroodide materjalide energiasisalduse ja mahu suurendamine ning kaudsete materjalide vähendamine tootmises kaks võimalust kulusid mõjutada.

Tänuavaldused

Osa selle uuringu Oak Ridge'i riiklikus laboris (ORNL; haldab UT Battelle, LLC) USA energeetikaministeeriumi jaoks (lepingu DE-AC05-00OR22725 alusel) sponsoreeris Energiatõhususe ja taastuvenergia büroo (EERE) sõidukitehnoloogiate amet. Office (VTO) Applied Battery Research (ABR) alamprogramm (programmijuhid: Peter Faguy ja David Howell).Autor tunnustab paljusid viljakaid arutelusid ja kaastöid David Woodi, Jianlin Li ja Debasish Mohantyga ORNL-i DOE patareide tootmise uurimis- ja arenduskeskusest ning Beth Armstrongist ORNLi materjaliteaduse ja tehnoloogia osakonnas.

Artikli allikas: Kevadsild: Inseneriteaduse piiridest ja kaugemalgi