Cadhnraí ian Litiam agus a nDúshláin Déantúsaíochta

Cadhnraí ian litiam bhfuil monaraithe i tacair leictreoidí agus ansin le chéile i gcealla.Déantar ábhar gníomhach a mheascadh le greamaitheoirí polaiméire, breiseáin seoltacha, agus tuaslagóirí chun sciodar a dhéanamh atá brataithe ansin ar scragall bailitheoir reatha agus a thriomú chun an tuaslagóir a bhaint agus sciath leictreoid scagach a chruthú.

Níl aon cheallraí ian litiam aonair ann.Leis an éagsúlacht ábhar agus lánúineacha leictriceimiceach atá ar fáil, is féidir cealla ceallraí a dhearadh a bhaineann go sonrach lena n-iarratas i dtéarmaí voltais, staid úsáide, riachtanais saoil, agus sábháilteacht.Éascaíonn roghnú lánúineacha leictriceimiceacha sonracha dearadh na gcóimheas cumhachta agus fuinnimh agus an fhuinnimh atá ar fáil freisin.

Éilíonn comhtháthú i gcill bhformáid mhór déantúsaíocht optamaithe leictreoid rolla-go-rolla agus úsáid ábhar gníomhach.Tá leictreoidí brataithe ar scragall bailitheoir srutha miotail i struchtúr ilchodach d'ábhar gníomhach, nascóirí, agus breiseáin seoltacha, a éilíonn rialú cúramach ar cheimic collóideach, ar ghreamaitheacht agus ar sholadú.Ach laghdaíonn na hábhair neamhghníomhacha breise agus an pacáistiú cille dlús fuinnimh.Ina theannta sin, is féidir leis an méid porosity agus dhlúthú san leictreoid tionchar a imirt ar fheidhmíocht ceallraí.

Chomh maith leis na dúshláin ábhar seo, tá costas ina bhac suntasach ar ghlacadh forleathan na teicneolaíochta seo.Tá bealaí á scrúdú chun cadhnraí a thabhairt ón 100 Wh/kg atá ar fáil ar bhonn tráchtála agus 200 Wh/L ar $500/kWh suas go 250 Wh/kg agus 400 Wh/L ar $125/kWh amháin.

Bunúsacha Cadhnraí ian Litiam

Bhí an ceallraí ian litiam indéanta nuair a aimsíodh ocsaíd cóbalt litiam (LiCoO ₂ ), a cheadaíonn eastóscadh iain litiam agus cruthú líon mór folúntais (gan athrú criostail) suas go dtí deireadh a chur le leath de na hiain atá ann cheana féin.Péireáil LiCoO ₂ le graifít is féidir iain litiam a idirghlúthú idir na sraitheanna graphene a áitíonn an suíomh interstitial idir gach fáinne heicseagánach d'adamh carbóin (Besenhard agus Schöllhorn 1976; Mizushima et al. 1980; Whittingham 1976).

Taistealaíonn na hiain litiam le linn luchta ón leictreoid dhearfach (an chatóid) trí leictrilít soladach nó leachtach go dtí an leictreoid diúltach (an anóid) agus, le linn an urscaoilte, sa treo eile.Ag gach leictreoid, coinníonn an t-ian a luchtú agus intercalates isteach sa struchtúr criostail ag áitiú suímh idirstitial i criostail atá ann cheana féin ar thaobh an anóid nó áitíonn sé suíomh folamh sa chatóid a foirmíodh nuair a d'fhág an t-ian litiam an criostail sin.Agus an t-ian á aistriú, laghdaítear nó ocsaídítear an maitrís óstach, rud a scaoileann nó a shealbhaíonn leictreon. ¹

Éagsúlacht Ábhair Catóide

Míbhuntáistí tábhachtacha LiCoO is cúis le cuardach na n-ábhar catóide nua ₂ .Tá croítheocht 40–70°C ag an gceallra agus d’fhéadfadh go mbeadh imoibrithe ísealteochta ann.Ach ag 105–135°C tá sé an-imoibríoch agus is foinse iontach ocsaigine é do ghuais sábháilteachta ar a dtugtar a imoibriú runaway teirmeach , ina gcruthaíonn imoibrithe an-eisiteirmeacha spící teochta agus luasghéaraíonn siad go tapa le scaoileadh teasa breise (Roth 2000).

Ábhair athsholáthair do LiCoO ₂ níos lú seans maith go teip.Cuireann na comhdhúile nicil agus mangainéis in ionad codanna den chóbalt chun Li(Ni _x Mn _y Co _z )Ó ₂ comhdhúile (le x + y + z = 1), dá ngairtear NMC go minic toisc go bhfuil nicil, mangainéis agus cóbalt iontu;nó léiríonn siad struchtúr iomlán nua i bhfoirm fosfáití (eg, LiFePO ₄ ) (Daniel et al. 2014).Léiríonn na hábhair chatóide seo go léir cumais sa raon 120–160 Ah/kg ag 3.5–3.7 V, rud a fhágann go mbíonn uasdlús fuinnimh suas le 600 Wh/kg.

Nuair a dhéantar iad a phacáistiú i bhfíorfheistí, áfach, cuirtear go leor mais ábhair neamhghníomhach leis agus is gnách go dtiteann an dlús fuinnimh go 100 Wh/kg ar leibhéal an phacáiste.Chun dlús fuinnimh níos airde a bhrú, tá toilleadh níos airde agus voltas níos airde á lorg ag taighdeoirí - agus fuair siad iad in ocsaídí miotail trasdula saibhir i litiam agus i mangainéis.Go bunúsach, is iad na comhdhúile seo na hábhair chéanna le NMC ach cuirtear farasbarr de litiam agus méideanna níos airde de mhangainéis in ionad nicil agus cóbalt.Ligeann méideanna níos airde litiam (chomh mór le 20 faoin gcéad níos mó) cumas níos airde a bheith ag na comhdhúile (Thackeray et al. 2007) agus voltas níos airde, rud a fhágann go bhfuil catóidí suas le 280 Ah/kg nuair a ghearrtar suas le 4.8 V iad. , léiríonn na comhdhúile nua seo fadhbanna cobhsaíochta agus claonadh a bhíonn siad céimnithe go tapa.

Comhardú na nÁbhar i gCealla

Déantar cadhnraí ian litiam de shraitheanna leictreoidí scagach ar scragaill bhailitheora srutha alúmanaim agus copair (Daniel 2008).Ní mór cumas gach péire leictreoid a chothromú chun sábháilteacht ceallraí a chinntiú agus chun riosca ró-mhuirearú an anóid a sheachaint (is féidir plating miotail litiam agus ciorcadóireacht ghearr a bheith mar thoradh air) nó ró-urscaoileadh an chatóid (is féidir go gclisfidh an struchtúr criostail. agus folúntais do litiam a ath-inmheánach a chailleadh, ag laghdú go mór an toilleadh).

Tá toilleadh teoiriciúil 372 Ah/kg ag graifít, dúbailt sin an litiam atá ar fáil i gcatóidí NMC.Mar sin, i gcadhnraí cothromaithe ian litiam, is gnách go dtaispeánann na catóidí an tiús faoi dhó i gcomparáid leis an anóid.Cruthaíonn an locht bunúsach seo ar dhearadh na gceall fadhbanna le holliompar agus cinéitic, agus mar sin spreag sé cuardach le haghaidh catóidí ard-acmhainne.

Chun dlús fuinnimh leibhéal cealla a mhéadú, tá ábhair neamhghníomhacha á n-íoslaghdú i gcealla ceallraí.Mar shampla, bealach amháin chun an bailitheoir reatha a laghdú ná tiús na leictreoidí a mhéadú, ach cuireann sé seo le fadhbanna iompair a thuilleadh agus éilíonn sé porosity an-innealtóireacht sa leictreoid.

Dúshláin Costais i Déantúsaíocht Cadhnraí ian Litiam

Tá costais cadhnraí ian litiam i bhfad níos airde ná mar a iompróidh margadh na ngluaisteán le haghaidh treá iomlán feithiclí leictreacha agus táirge atá neodrach ó thaobh costais de i gcomparáid le gluaisteáin a ritheann innill dócháin inmheánaigh.Is é sprioc chostais Roinn Fuinnimh na SA do gach ceallraí feithiclí leictreacha ná $125/kWh d’fhuinneamh inúsáidte (DOE 2013).Is é $400–500/kWh costas reatha na gcadhnraí tráchtála agus is é $325/kWh a gcostas réamh-mheasta le hábhair thurgnamhacha reatha.Baineadh an chuid is mó den laghdú costais go dtí seo amach trí mhéaduithe ar dhlús fuinnimh ar chostas cosúil le táirgí giniúna níos sine.

Is féidir costais a laghdú tuilleadh trí scéimeanna déantúsaíochta a bharrfheabhsú.Déantar cadhnraí ian litiam a mhonarú i dtacair leictreoidí agus ansin cuirtear le chéile iad i gcealla.Déantar ábhar gníomhach a mheascadh le greamaitheoirí polaiméire, breiseáin seoltacha, agus tuaslagóirí chun sciodar a dhéanamh atá brataithe ansin ar scragall bailitheoir reatha agus a thriomú chun an tuaslagóir a bhaint agus sciath leictreoid scagach a chruthú.Meastar gurb é an tuaslagóir de rogha, N-methylpyrrolidone (NMP). ábhar indíreach (tá sé ag teastáil le haghaidh táirgeadh ach níl sé san fheiste deiridh), ach tá sé costasach, taispeánann sé gala inadhainte, agus tá sé an-tocsaineach.

Éilíonn gala inadhainte NMP go mbeidh an trealamh próiseála go léir le linn táirgeadh leictreoidí cruthúnas pléasctha, rud a chiallaíonn nach mór na comhpháirteanna leictreacha uile a tháirgeann spréach a chosaint ó na gala agus ní mór spásanna a aeráil go mór chun an tiúchan gaile a choinneáil íseal.Méadaíonn na bearta seo costas caipitil trealaimh den sórt sin go mór.

Ina theannta sin, tá gá leis an ngléasra déantúsaíochta leictreoid an tuaslagóir a athghabháil óna sruth sceite, é a dhriogadh, agus é a athchúrsáil.Is costas breise é seo arís.

Laghdú Costais trí Phróiseáil Uiscebhunaithe

Is deis iontach é athsholáthar NMP le huisce chun costas a laghdú i dtáirgeadh cadhnraí ian litiam.Tá costas an uisce diomaibhseach i gcomparáid leis an NMP;níl uisce inadhainte agus ní tháirgeann gala inadhainte;agus tá uisce neamhurchóideach ó thaobh an chomhshaoil ​​de.Is tuaslagóir polach é uisce, áfach, agus tá a iompar difriúil go hiomlán ó iompar an NMP neamhpholach.Ina theannta sin, bíonn claonadh ag ábhair ghníomhacha ceirtleánú agus tá dromchlaí bailitheoirí srutha miotail hidreafóbach, rud a fhágann go bhfuil an próiseas brataithe níos deacra.

Cumasaíonn eolas ar luchtanna dromchla ar cháithníní (trí acmhainneacht zeta a thomhas) polaraíocht an dromchla a dhearadh i láthair uisce trí mhéideanna beaga dromchlaghníomhaithe a thabhairt isteach.I gcás comhdhúile idircalaithe catóide, baineadh úsáid rathúil as imide poileitiléin chun lucht dromchla a thabhairt isteach atá mór go leor chun cáithníní a aistarraingt ionas nach gcruthóidh siad ceirtleáin neamh-inghlactha (Li et al. 2013).

Ligeann tuiscint ar fhuinneamh dromchla miotail agus teannas dromchla an sciodair chomh maith lena n-idirghníomhaíocht chun an péire a uasmhéadú.Má dhéantar cóireáil plasma atmaisféarach ar an dromchla miotail trí nochtadh do plasma corónach, baintear comhdhúile orgánacha ar an dromchla agus cuireann sé ar chumas eitseála agus ocsaídiúcháin beag, rud a laghdaíonn go mór an fuinneamh dromchla go luachanna faoi bhun teannas dromchla an sciodair.Ligeann sé seo an dromchla a fhliuchadh go foirfe ag an sciodar agus cruthaíonn sé sciath le greamaitheacht optamaithe (Li et al. 2012).Is é an toradh ná laghdú 75 faoin gcéad ar chostais oibriúcháin agus ábhair i ndéantúsaíocht leictreoid agus laghdú costais féideartha suas le 20 faoin gcéad ag leibhéal an phacáiste ceallraí d’iarratais feithicleacha (Wood et al. 2014).Ní áirítear leis seo an costas trealaimh níos ísle: tá na speansais a bhaineann leis an trealamh próiseála plasma i bhfad níos ísle ná iad siúd don chóras aisghabhála tuaslagóirí agus an riachtanas pléascadh-dhíonach.

Deiseanna Amach Anseo le Costas a Laghdú

Bainfear tuilleadh laghduithe costais amach trí eolas níos fearr a fháil ar mheicníochtaí iompair agus impleachtaí ailtireachta leictreoidí ar fheidhmíocht leictriceimiceach.Tá an taighde reatha dírithe go príomha ar shamhaltú agus insamhalta chun meicníochtaí móilíneacha a thuiscint agus feabhas a chur ar dhearadh leictreoidí, cruacha leictreoid, agus cealla ceallraí.Feabhsóidh leictreoidí níos tiús agus laghdú ollmhór ar ábhair neamhghníomhacha dlús fuinnimh ar chostas níos ísle, laghdóidh siad costais dhíreacha, agus b'fhéidir go gcumasóidh siad timthriall foirmiú ceallraí i bhfad níos giorra agus níos lú fuinnimh.

Conclúid

Tá cumas iontach ag cadhnraí ian litiam chun leictriú iomlán iomlán a dhéanamh ar an gcabhlach feithicleach, ag éagsúlú foinsí fuinnimh le haghaidh iompair, agus ag tacú le stóráil fuinnimh ar scála mór chun dul i bhfód níos airde ar sholáthar fuinnimh in-athnuaite eatramhach.Mar sin féin, tá costas fós ina cheist agus beidh gá aghaidh a thabhairt uirthi trí shlabhra soláthair láidir a fhorbairt, caighdeáin déantúsaíochta, tréchur ard déantúsaíochta, agus modhanna próiseála ar chostas íseal sruthlínithe.Chomh maith le costais a laghdú, is féidir le taighde cur le heolas ar phróisis mhóilíneacha agus ar shaincheisteanna iompair chun dearadh agus úsáid an fhuinnimh atá ar fáil i gcadhnraí a bharrfheabhsú agus a gcuid ama saoil a mhéadú.

Mar a léirítear sa pháipéar seo, tá méadú ar ábhar fuinnimh agus cumas in ábhair leictreoid gníomhach agus laghdú ar ábhair indíreacha i dtáirgeadh dhá bhealach chun tionchar a imirt ar chostas.

Buíochas

Bhí codanna den taighde seo ag Saotharlann Náisiúnta Oak Ridge (ORNL; arna bhainistiú ag UT Battelle, LLC) do Roinn Fuinnimh na SA (faoi chonradh DE-AC05-00OR22725) urraithe ag an Oifig Teicneolaíochtaí Feithicle um Éifeachtúlacht Fuinnimh agus Fuinnimh In-athnuaite (EERE). Fochlár na hOifige (VTO) Taighde Ceallraí Feidhmeach (ABR) (bainisteoirí cláir: Peter Faguy agus David Howell).Aithníonn an t-údar go leor plé torthúil le David Wood, Jianlin Li, agus Debasish Mohanty ó Shaoráid T&F Déantúsaíochta Ceallraí an DOE ag ORNL agus Beth Armstrong i Rannán Eolaíochta agus Teicneolaíochta Ábhar ORNL agus a nglactar le go leor rannpháirtíochta uathu.

Foinse alt: Spring Bridge: Ó theorainneacha na hinnealtóireachta agus níos faide i gcéin