Litiumioniakut ja niiden valmistuksen haasteet

Litiumioniakut ovat valmistettu elektrodisarjoissa ja koottu sitten kennoihin.Aktiivinen materiaali sekoitetaan polymeerisideaineiden, johtavien lisäaineiden ja liuottimien kanssa lietteen muodostamiseksi, joka sitten päällystetään virrankeräimen kalvolle ja kuivataan liuottimen poistamiseksi ja huokoisen elektrodipinnoitteen muodostamiseksi.

Ei ole olemassa yhtä litiumioniakkua.Saatavilla olevien materiaalien ja sähkökemiallisten parien valikoiman ansiosta on mahdollista suunnitella akkukennoja niiden sovellusten mukaan jännitteen, varaustilan käytön, käyttöiän tarpeiden ja turvallisuuden suhteen.Tiettyjen sähkökemiallisten parien valinta helpottaa myös teho- ja energiasuhteiden sekä käytettävissä olevan energian suunnittelua.

Integrointi suurikokoiseen kennoon edellyttää optimoitua rullalta rullalle -elektrodien valmistusta ja aktiivisten materiaalien käyttöä.Elektrodit on päällystetty metallisen virrankeräimen kalvolla aktiivisen materiaalin, sideaineiden ja johtavien lisäaineiden komposiittirakenteessa, mikä edellyttää kolloidisen kemian, adheesion ja jähmettymisen huolellista valvontaa.Mutta lisätyt inaktiiviset materiaalit ja solupakkaus vähentävät energiatiheyttä.Lisäksi elektrodin huokoisuus ja tiivistyminen voivat vaikuttaa akun suorituskykyyn.

Näiden materiaalihaasteiden lisäksi kustannukset ovat merkittävä este tämän tekniikan laajalle leviämiselle.Parhaillaan tutkitaan tapoja saada akkuja kaupallisesti saatavilla olevista 100 Wh/kg ja 200 Wh/l akkuista 500 Wh/kWh aina 250 Wh/kg:iin ja 400 Wh/l hintaan vain 125 Wh/kWh.

Litium-ioni-akkujen perusteet

Litiumioniakku mahdollisti litiumkobolttioksidin (LiCoO) löytämisen ansiosta ₂ ), joka mahdollistaa litiumionien uuttamisen ja suurten avoimien työpaikkojen luomisen (ilman kidemuutosta) jopa puolet olemassa olevista ioneista poistamiseen.LiCoO:n pariliitos ₂ grafiitin kanssa mahdollistaa litiumionien interkaloitumisen grafeenikerrosten väliin, jotka miehittävät välialueen jokaisen kuusikulmaisen hiiliatomirenkaan välillä (Besenhard ja Schöllhorn 1976; Mizushima et al. 1980; Whittingham 1976).

Litiumionit kulkevat varauksen aikana positiiviselta elektrodilta (katodilta) kiinteän tai nestemäisen elektrolyytin kautta negatiiviselle elektrodille (anodille) ja purkauksen aikana vastakkaiseen suuntaan.Jokaisella elektrodilla ioni joko säilyttää varauksensa ja interkaloituu kiderakenteeseen, jossa on interstitiaalisia kohtia olemassa olevissa kiteissä anodin puolella, tai se ottaa uudelleen tyhjän paikan katodissa, joka muodostui, kun litiumioni lähti kiteestä.Ionin siirtämisen aikana isäntämatriisi pelkistyy tai hapettuu, mikä vapauttaa tai vangitsee elektronin. ¹

Erilaisia ​​katodimateriaaleja

Uusien katodimateriaalien etsintää ohjaavat osittain LiCoO:n tärkeät haitat ₂ .Akun sisälämpötila on 40–70 °C ja se voi olla herkkä joillekin matalan lämpötilan reaktioille.Mutta 105–135 °C:ssa se on erittäin reaktiivinen ja erinomainen hapenlähde turvallisuusvaaralle, jota kutsutaan terminen karantumisreaktio , jossa erittäin eksotermiset reaktiot luovat lämpötilapiikkejä ja kiihtyvät nopeasti ylimääräisen lämmön vapautuessa (Roth 2000).

LiCoO:n vaihtomateriaalit ₂ ovat vähemmän alttiita tälle epäonnistumiselle.Yhdisteet korvaavat osia koboltista nikkelillä ja mangaanilla muodostaen Li(Ni _x Mn _y Co _z )O ₂ yhdisteet (kanssa x + y + z = 1), kutsutaan usein NMC:ksi, koska ne sisältävät nikkeliä, mangaania ja kobolttia;tai niillä on täysin uusi rakenne fosfaattien muodossa (esim. LiFePO ₄ ) (Daniel ym. 2014).Kaikkien näiden katodimateriaalien kapasiteetti on 120–160 Ah/kg 3,5–3,7 V jännitteellä, mikä johtaa maksimienergiatiheyteen jopa 600 Wh/kg.

Oikeisiin laitteisiin pakattuna lisää kuitenkin paljon inaktiivista materiaalimassaa ja energiatiheydellä on taipumus pudota pakkaustasolla 100 Wh/kg:iin.Korkeamman energiatiheyden saavuttamiseksi tutkijat ovat etsineet suurempaa kapasiteettia ja suurempaa jännitettä – ja löytäneet ne runsaasti litiumia ja mangaania sisältävistä siirtymämetallioksideista.Nämä yhdisteet ovat olennaisesti samoja materiaaleja kuin NMC, mutta ylimäärä litiumia ja suuremmat määrät mangaania korvaavat nikkelin ja koboltin.Suuremmat litiumimäärät (jopa 20 prosenttia enemmän) mahdollistavat yhdisteiden suuremman kapasiteetin (Thackeray et al. 2007) ja suuremman jännitteen, mikä johtaa katodeihin, joiden teho on jopa 280 Ah/kg ladattaessa 4,8 V:iin asti. , näillä uusilla yhdisteillä on stabiiliusongelmia ja niillä on taipumus haalistua nopeasti.

Materiaalien tasapainotus soluissa

Litiumioniakut on valmistettu huokoisten elektrodien kerroksista alumiini- ja kuparivirrankeräyskalvoilla (Daniel 2008).Kunkin elektrodiparin kapasiteetti on tasapainotettava akun turvallisuuden varmistamiseksi ja anodin ylilatauksen (joka voi johtaa litiummetallipinnoitukseen ja oikosulkuun) tai katodin ylipurkautumisen (joka voi johtaa kiderakenteen romahtamiseen) välttämiseksi. ja litiumin avoimien työpaikkojen menetys interkaloituu uudelleen, mikä vähentää dramaattisesti kapasiteettia).

Grafiitin teoreettinen kapasiteetti on 372 Ah/kg, mikä on kaksinkertainen NMC-katodeissa käytettävissä olevaan litiumiin verrattuna.Joten tasapainotetuissa litiumioniakuissa katodien paksuus on tyypillisesti kaksinkertainen anodiin verrattuna.Tämä kennosuunnittelun luontainen virhe aiheuttaa ongelmia massakuljetuksessa ja kinetiikassa ja sai siten etsimään suurikapasiteettisia katodeja.

Kennotason energiatiheyden lisäämiseksi akkukennoissa minimoidaan inaktiivisia materiaaleja.Esimerkiksi yksi tapa pienentää virrankerääjää on lisätä elektrodien paksuutta, mutta tämä lisää kuljetusongelmia ja vaatii elektrodissa erittäin suunniteltua huokoisuutta.

Kustannushaasteita litiumioniakkujen valmistuksessa

Litiumioniakkujen kustannukset ovat paljon korkeammat kuin automarkkinat maksavat sähköajoneuvojen täyden levinneisyyden vuoksi ja kustannusneutraali tuote verrattuna polttomoottorikäyttöisiin autoihin.Yhdysvaltain energiaministeriön kaikkien sähköajoneuvojen akkujen kustannustavoite on 125 dollaria/kWh käytettävää energiaa (DOE 2013).Kaupallisten akkujen tämänhetkinen hinta on 400–500 dollaria/kWh ja niiden arvioitu hinta nykyisillä kokeellisilla materiaaleilla on 325 dollaria/kWh.Suurin osa tähänastisista kustannussäästöistä on saavutettu energiatiheyden lisäämisellä samoilla kustannuksilla kuin vanhemman sukupolven tuotteet.

Kustannussäästöjä voidaan edelleen vähentää optimoimalla valmistussuunnitelmia.Litiumioniakut valmistetaan elektrodisarjoissa ja kootaan sitten kennoihin.Aktiivinen materiaali sekoitetaan polymeerisideaineiden, johtavien lisäaineiden ja liuottimien kanssa lietteen muodostamiseksi, joka sitten päällystetään virrankeräimen kalvolle ja kuivataan liuottimen poistamiseksi ja huokoisen elektrodipinnoitteen muodostamiseksi.Valitun liuottimen, N-metyylipyrrolidonin (NMP), pidetään a epäsuora materiaali (se tarvitaan tuotantoon, mutta ei sisälly lopulliseen laitteeseen), mutta se on kallis, siinä on syttyviä höyryjä ja se on erittäin myrkyllistä.

NMP:n syttyvät höyryt edellyttävät, että kaikki käsittelylaitteet elektrodien valmistuksen aikana ovat räjähdyssuojattuja, mikä tarkoittaa, että kaikki kipinöitä tuottavat sähkökomponentit on suojattava höyryiltä ja tilat on tuuletettava hyvin höyrypitoisuuksien pitämiseksi alhaisina.Nämä toimenpiteet lisäävät tällaisten laitteiden pääomakustannuksia huomattavasti.

Lisäksi elektrodien valmistuslaitoksen on otettava takaisin liuotin poistovirtauksestaan, tislattava se ja kierrätettävä se.Tämä on jälleen lisäkustannus.

Kustannusten alennus vesipohjaisella käsittelyllä

NMP:n korvaaminen vedellä on valtava mahdollisuus alentaa litiumioniakkujen tuotantokustannuksia.Veden hinta on mitätön verrattuna NMP:hen;vesi ei ole syttyvää eikä tuota palavia höyryjä;ja vesi on ympäristöystävällistä.Vesi on kuitenkin polaarinen liuotin ja sen käyttäytyminen on täysin erilaista kuin polaarittoman NMP:n.Lisäksi aktiivisilla materiaaleilla on taipumus agglomeroitua ja metallivirran kerääjien pinnat ovat hydrofobisia, mikä vaikeuttaa pinnoitusprosessia.

Hiukkasten pintavarausten tuntemus (zeta-potentiaalia mittaamalla) mahdollistaa pinnan polariteetin suunnittelun veden läsnä ollessa lisäämällä pieniä määriä pinta-aktiivisia aineita.Katodiinterkalaatioyhdisteiden tapauksessa polyeteeni-imidiä on käytetty menestyksekkäästi tuottamaan pintavaraus, joka on riittävän suuri hylkimään hiukkasia, jotta ne eivät muodosta ei-hyväksyttäviä agglomeraatteja (Li et al. 2013).

Metallien pintaenergian ja lietteen pintajännityksen sekä niiden vuorovaikutuksen ymmärtäminen mahdollistaa parin optimoinnin.Metallipinnan ilmakehän plasmakäsittely koronaplasmalle altistamisen kautta poistaa pinnalta orgaaniset yhdisteet ja mahdollistaa lievän syövytyksen ja hapettumisen, mikä vähentää dramaattisesti pintaenergiaa lietteen pintajännityksen alapuolelle.Tämä mahdollistaa pinnan täydellisen kastumisen lietteen vaikutuksesta ja muodostaa pinnoitteen, jolla on optimoitu adheesio (Li et al. 2012).Tuloksena on 75 prosentin käyttö- ja materiaalikustannusten aleneminen elektrodien valmistuksessa ja mahdollinen kustannusten aleneminen jopa 20 prosentilla akkuyksiköiden tasolla autoteollisuuden sovelluksissa (Wood et al. 2014).Tämä ei sisällä alhaisempia laitekustannuksia: plasmankäsittelylaitteistoon liittyvät kustannukset ovat paljon alhaisemmat kuin liuottimen talteenottojärjestelmän ja räjähdyssuojauksen vaatimukset.

Tulevaisuuden mahdollisuudet kustannusten alentamiseen

Kustannussäästöjä saavutetaan lisäämällä tietämystä kuljetusmekanismeista ja elektrodiarkkitehtuurin vaikutuksista sähkökemialliseen suorituskykyyn.Nykyinen tutkimus keskittyy suurelta osin mallintamiseen ja simulointiin molekyylimekanismien ymmärtämiseksi ja elektrodien, elektrodipinojen ja akkukennojen suunnittelun parantamiseksi.Paksummat elektrodit ja valtava vähentyminen inaktiivisissa materiaaleissa parantavat energiatiheyttä pienemmillä kustannuksilla, vähentävät suoria kustannuksia ja mahdollistavat mahdollisesti paljon lyhyemmän ja vähemmän energiaa vaativan akun muodostussyklin.

Johtopäätös

Litiumioniakuilla on valtavat mahdollisuudet mahdollistaa ajoneuvokannan osittaisen tai täydellisen sähköistäminen, monipuolistaa liikenteen energialähteitä ja tukea laajamittaista energian varastointia ajoittaisen uusiutuvan energian leviämisen lisäämiseksi.Kustannukset ovat kuitenkin edelleen ongelma, ja niihin on puututtava kehittämällä vankka toimitusketju, valmistuksen standardit, korkea tuotantokapasiteetti ja virtaviivaistetut edullisia käsittelymenetelmiä.Kustannusten alentamisen lisäksi tutkimus voi lisätä tietämystä molekyyliprosesseista ja kuljetuskysymyksistä, jotta voidaan optimoida akkujen suunnittelu ja käyttö sekä pidentää niiden käyttöikää.

Kuten tässä asiakirjassa näkyy, aktiivisten elektrodimateriaalien energiasisällön ja kapasiteetin lisääminen sekä epäsuorien materiaalien vähentäminen tuotannossa ovat kaksi tapaa vaikuttaa kustannuksiin.

Kiitokset

Osa tästä tutkimuksesta Oak Ridge National Laboratoryssa (ORNL; hallinnoi UT Battelle, LLC) Yhdysvaltain energiaministeriölle (sopimus DE-AC05-00OR22725) rahoitti Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE) Vehicle Technologies. Office (VTO) Applied Battery Research (ABR) -aliohjelma (ohjelmapäälliköt: Peter Faguy ja David Howell).Kirjoittaja tunnustaa monia hedelmällisiä keskusteluja ja panoksia David Woodin, Jianlin Li:n ja Debasish Mohantyn kanssa ORNL:n DOE Battery Manufacturing R&D Facilitysta ja Beth Armstrongista ORNL:n materiaalitiede- ja teknologiaosastosta.

Artikkelin lähde: Spring Bridge: Tekniikan rajoista ja sen ulkopuolella