Litio ioizko bateriak eta haien fabrikazio-erronkak

Litio ioizko bateriak dira fabrikatu elektrodo-multzoetan eta gero zeluletan muntatu.Material aktiboa aglutinatzaile polimeroekin, gehigarri eroaleekin eta disolbatzaileekin nahasten da, minda bat osatzeko, eta gero korronte-biltzaileen paper batean estali eta lehortzen da disolbatzailea kentzeko eta elektrodo-estaldura porotsu bat sortzeko.

Ez dago litio ioizko bateria bakarra.Eskuragarri dauden material eta pare elektrokimiko askotarikoekin, beren aplikazioetarako berariazko bateria-zelulak diseinatzea posible da tentsioari, karga-egoerari, bizitza-beharrei eta segurtasunari dagokionez.Pare elektrokimiko espezifikoak hautatzeak potentzia- eta energia-erlazioak eta energia erabilgarrien diseinua errazten du.

Formatu handiko zelula batean integratzeak roll-to-roll elektrodoen fabrikazio optimizatua eta material aktiboen erabilera eskatzen du.Elektrodoak metalezko korronte-biltzaile-lamina baten gainean estaltzen dira material aktiboz, aglutinatzaileez eta gehigarri eroalez osatutako egitura konposatu batean, kimika koloidala, atxikimendua eta solidifikazioa arretaz kontrolatu behar direlarik.Baina gehitutako material inaktiboek eta zelulen bilgarriek energia-dentsitatea murrizten dute.Gainera, elektrodoaren porositate eta trinkotasun mailak bateriaren errendimenduan eragina izan dezake.

Materialen erronka horiez gain, kostua oztopo garrantzitsua da teknologia hau zabaltzeko.Bideak aztertzen ari dira komertzialki eskuragarri dauden 100 Wh/kg eta 200 Wh/L-tik bateriak ekartzeko 500 $/kWh 250 Wh/kg eta 400 Wh/L 125 $/kWh soilik.

Litio ioietako baterien oinarriak

Litio ioizko bateria litio kobalto oxidoa (LiCoO) aurkitzearen ondorioz egin zen ₂ ), litio ioiak erauztea eta hutsune kopuru handiak sortzea ahalbidetzen duena (kristal aldaketarik gabe) dauden ioien erdia kentzeraino.LiCoO-ren parekatzea ₂ grafitoarekin karbono-atomoen eraztun hexagonal bakoitzaren arteko gune interstiziala okupatzen duten grafeno-geruzen artean litio ioiak elkarren artean elkartzea ahalbidetzen du (Besenhard eta Schöllhorn 1976; Mizushima et al. 1980; Whittingham 1976).

Litio ioiak kargan zehar elektrodo positibotik (katodotik) elektrolito solido edo likido batetik zehar ibiltzen dira elektrodo negatibora (anodora) eta, deskarga bitartean, kontrako noranzkoan.Elektrodo bakoitzean, ioiak bere karga mantentzen du eta anodoaren aldean dauden kristaletan dauden gune interstizialak okupatzen dituen kristal-egituran tartekatzen da edo litio ioiak kristal hori utzi zuenean sortu zen katodoan hutsik dagoen gune bat berriro okupatzen du.Ioia transferitzean, ostalariaren matrizea murriztu edo oxidatu egiten da, eta horrek elektroi bat askatzen edo harrapatzen du. ¹

Material katodoen barietatea

Material katodo berrien bilaketa LiCoO-ren desabantaila garrantzitsuek bultzatzen dute neurri batean ₂ .Bateriak 40-70 °C-ko nukleo-tenperatura du eta baliteke tenperatura baxuko erreakzio batzuk jasan ditzakeela.Baina 105-135 °C-tan oso erreaktiboa da eta oxigeno iturri bikaina da segurtasun-arrisku baterako. ihes-erreakzio termikoa , zeinetan erreakzio oso exotermikoek tenperatura igoerak sortzen dituzte eta azkar bizkortzen dira bero gehigarriaren askapenarekin (Roth 2000).

LiCoO-ren ordezko materialak ₂ porrot hori izateko joera gutxiago dute.Konposatuek kobaltoaren zatiak nikela eta manganesoarekin ordezkatzen dituzte Li(Ni) sortzeko _x Mn _y Co _z )O ₂ konposatuak (ekin x + y + z = 1), sarritan NMC izenez aipatzen da nikela, manganesoa eta kobaltoa baitute;edo egitura guztiz berria erakusten dute fosfato moduan (adibidez, LiFePO ₄ ) (Daniel et al. 2014).Material katodo hauek guztiek 120-160 Ah/kg bitarteko ahalmenak dituzte 3,5-3,7 V-tan, eta 600 Wh/kg arteko energia-dentsitate maximoa lortzen dute.

Gailu errealetan ontziratzen direnean, ordea, material inaktibo-masa asko gehitzen da eta energia-dentsitatea 100 Wh/kg-ra jaitsi ohi da pakete mailan.Energia-dentsitate handiagoa lortzeko, ikertzaileek ahalmen handiagoa eta tentsio handiagoa bilatu dute, eta litio eta manganesoan aberatsak diren trantsizio-metal oxidoetan aurkitu dituzte.Konposatu hauek, funtsean, NMCren material berdinak dira, baina litioaren gehiegizko eta manganeso kantitate handiagoak nikela eta kobaltoa ordezkatzen dituzte.Litio-kopuru handiagoak (ehuneko 20 gehiago) ahalbidetzen du konposatuek ahalmen handiagoa (Thackeray et al. 2007) eta tentsio handiagoa izatea, eta ondorioz 280 Ah/kg-ko katodoak sortzen dira 4,8 V-raino kargatzen direnean. Hala ere. , konposatu berri hauek egonkortasun arazoak erakusten dituzte eta azkar desagertzen dira.

Materialen oreka zeluletan

Litio ioizko bateriak aluminiozko eta kobrezko korronte-biltzaileen paperetan dauden elektrodo porotsuen geruzaz eginda daude (Daniel 2008).Elektrodo-pare bakoitzaren edukiera orekatu egin behar da bateriaren segurtasuna bermatzeko eta anodoaren gainkargatzeko arriskua saihesteko (litio metalezko xaflaketa eta zirkuitu laburrak eragin ditzake) edo katodoaren gehiegizko deskarga (kristal-egituraren kolapsoa eragin dezakeena). eta litioa berriro tartekatzeko hutsuneak galtzea, ahalmena nabarmen murriztuz).

Grafitoak 372 Ah/kg-ko ahalmen teorikoa du, NMC katodoetan dagoen litioaren bikoitza.Beraz, litio-ioizko bateriek orekatuetan, katodoek normalean lodiera bikoitza erakusten dute anodoarekin alderatuta.Zelula-diseinuaren berezko akats honek masa-garraioan eta zinetikan arazoak eragiten ditu, eta, beraz, gaitasun handiko katodoen bilaketa bultzatu zuen.

Zelula-mailako energia-dentsitatea handitzeko, material inaktiboak gutxitzen ari dira bateria-zeluletan.Esaterako, korronte-kolektorea murrizteko modu bat elektrodoen lodiera handitzea da, baina horrek garraio arazoak areagotzen ditu eta elektrodoan oso diseinatutako porositatea eskatzen du.

Kostu-erronkak litio-ioizko bateriak fabrikatzean

Litio ioietako baterien kostuak automobilgintzak ibilgailu elektrikoen erabateko barneratzerako eta kostu-neutroa den produktua barne-errekuntzako motorrekin ibiltzen diren autoekin alderatuta automobilen merkatuak jasango dituenak baino askoz handiagoak dira.AEBetako Energia Sailaren kostu-helburua ibilgailu elektrikoen bateria guztien kostua 125 $/kWh energia erabilgarria da (DOE 2013).Baterien egungo kostua 400-500 $/kWh da eta egungo material esperimentalekin aurreikusitako kostua 325 $/kWh da.Orain arteko kostuen murrizketa gehiena belaunaldi zaharreko produktuen antzeko kostuarekin energia-dentsitatearen igoeraren bidez lortu da.

Kostu gehiago murriztea posible da fabrikazio-eskemak optimizatuz.Litio-ioizko bateriak elektrodo multzoetan fabrikatzen dira eta, ondoren, zeluletan muntatzen dira.Material aktiboa aglutinatzaile polimeroekin, gehigarri eroaleekin eta disolbatzaileekin nahasten da, minda bat osatzeko, eta gero korronte-biltzaileen paper batean estali eta lehortzen da disolbatzailea kentzeko eta elektrodo-estaldura porotsu bat sortzeko.Aukeratutako disolbatzailea, N-metilpirrolidona (NMP), bat da zeharkako materiala (ekoizteko beharrezkoa da baina ez dago azken gailuan), baina garestia da, lurrun sukoiak erakusten ditu eta oso toxikoa da.

NMP-ren lurrun sukoiek elektrodoak ekoizten diren bitartean prozesatzeko ekipamendu guztiak leherketa-froga izan behar dituzte, hau da, txinparta sortzen duten osagai elektriko guztiak lurrunetatik babestuta egon behar dira eta espazioak oso aireztatuta egon behar dira lurrun-kontzentrazio baxuak mantentzeko.Neurri hauek ekipo horien kapital-kostua nabarmen handitzen dute.

Gainera, elektrodoak fabrikatzeko plantak bere ihes-korrontetik disolbatzailea berreskuratu, destilatu eta birziklatzeko behar du.Hau berriro kostu gehigarria da.

Uretan oinarritutako prozesamenduaren kostuen murrizketa

NMP urarekin ordezkatzea aukera izugarria da litio ioizko baterien ekoizpenean kostuak murrizteko.Uraren kostua arbuiagarria da NMPrenarekin alderatuta;ura ez da sukoia eta ez du lurrun sukoirik sortzen;eta ura ingurumena onuragarria da.Hala ere, ura disolbatzaile polarra da eta bere portaera NMP ez-polarrarenaren guztiz ezberdina da.Gainera, material aktiboak aglomeratu ohi dira eta metalezko korronte-biltzaileen gainazalak hidrofoboak dira, estaldura-prozesua zailagoa eginez.

Partikulen gainazaleko kargak ezagutzeak (zeta potentziala neurtuz) gainazaleko polaritatea diseinatzea ahalbidetzen du uraren aurrean, surfaktante kopuru txikiak sartuz.Katodoen arteko interkalazio-konposatuen kasuan, polietileno imida arrakastaz erabili da partikulak uxatzeko nahikoa den gainazaleko karga sartzeko, aglomeratu onartezinak sortu ez daitezen (Li et al. 2013).

Metalen gainazaleko energia eta minda gainazaleko tentsioa eta haien elkarrekintza ulertzeak bikotearen optimizazioa ahalbidetzen du.Metalaren gainazalaren plasma atmosferikoaren tratamenduak korona plasma baten eraginez gainazaleko konposatu organikoak kentzen ditu eta grabaketa eta oxidazio apur bat ahalbidetzen du, eta horrek minda gainazaleko tentsioaren azpiko balioetara gainazaleko energia nabarmen murrizten du.Honek mindaren gainazala ezin hobeto bustitzea ahalbidetzen du eta atxikimendu optimizatua duen estaldura sortzen du (Li et al. 2012).Ondorioz, elektrodoen fabrikazioan operazio- eta materialen kostuen ehuneko 75 murriztea da eta bateria-paketeen mailan ehuneko 20rainoko kostu potentziala murriztea automobilgintzako aplikazioetarako (Wood et al. 2014).Honek ez du barne hartzen ekipamenduaren kostu txikiagoa: plasma prozesatzeko ekipoarekin lotutako gastuak disolbatzaileak berreskuratzeko sistemaren eta leherketa-frogaren baldintza baino askoz txikiagoak dira.

Kostuak murrizteko etorkizuneko aukerak

Kostu gehiago murriztea lortuko da garraio-mekanismoen eta elektrodoen arkitekturaren inplikazioak errendimendu elektrokimikoan duten ezagutza handiagoaren bidez.Gaur egungo ikerketak, neurri handi batean, modelizazioan eta simulazioan oinarritzen dira mekanismo molekularrak ulertzeko eta elektrodoen, elektrodo-pilen eta bateria-zelulen diseinua hobetzeko.Elektrodo lodiagoak eta material inaktiboen murrizketa izugarriak energia-dentsitatea hobetuko dute kostu baxuagoan, kostu zuzenak murriztuko dituzte eta, ziurrenik, bateriak eratzeko ziklo askoz laburragoak eta energia gutxiago kontsumitzen dituztenak ahalbidetuko dituzte.

Ondorioa

Litio ioizko bateriek potentzial izugarria dute automobilen flotaren elektrifikazio partziala edo osoa ahalbidetzeko, garraiorako energia-iturriak dibertsifikatzeko eta energia-biltegiratze eskala handian laguntzeko, aldizkako energia berriztagarrien hornidura gehiago barneratzeko.Hala ere, kostuak arazo bat izaten jarraitzen du eta hornikuntza-kate sendo baten garapenarekin, fabrikazioko estandarrak, fabrikazio-ekarpen handikoak eta kostu baxuko prozesatzeko metodo erraztuak garatu beharko dira.Kostuak murrizteaz gain, ikerketak prozesu molekularrei eta garraio-gaiei buruzko ezagutza hobetu dezake baterietan erabilgarri dagoen energiaren diseinua eta erabilera optimizatzeko eta haien bizitza-denbora handitzeko.

Dokumentu honetan erakusten den bezala, elektrodo aktiboen materialetan energia edukia eta ahalmena handitzea eta zeharkako materialen murrizketa ekoizpenean kostuan eragina izateko bi modu dira.

Eskerrak

Oak Ridge National Laboratory-n (ORNL; UT Battelle, LLC-k kudeatzen du) AEBetako Energia Sailerako (DE-AC05-00OR22725 kontratuaren arabera) Ibilgailuen Teknologiak (EERE) Energia Eraginkortasunaren eta Energia Berriztagarrien Bulegoak bultzatu zituen ikerketa honen zatiak. Office (VTO) Applied Battery Research (ABR) azpiprograma (programa-kudeatzaileak: Peter Faguy eta David Howell).Egileak David Wood, Jianlin Li eta Debasish Mohanty ORNL-ko DOE Battery Fabrikazio I+G instalazioko eta Beth Armstrong-en ORNL-eko Materialen Zientzia eta Teknologia Dibisioko eztabaida emankor asko eta ekarpenak aitortzen ditu.

Artikuluaren iturria: Spring Bridge: Ingeniaritzaren Mugetatik eta haratago