Baterías de ión de litio e os seus retos de fabricación

Baterías de iones de litio son fabricado en conxuntos de electrodos e despois ensamblados en celas.O material activo mestúrase con aglutinantes de polímeros, aditivos condutores e disolventes para formar unha suspensión que despois se recubre nunha folla de colector de corrente e se seca para eliminar o disolvente e crear un revestimento de electrodo poroso.

Non hai unha única batería de iones de litio.Coa variedade de materiais e parellas electroquímicas dispoñibles, é posible deseñar pilas de batería específicas para as súas aplicacións en termos de tensión, estado de uso de carga, necesidades de vida útil e seguridade.A selección de parellas electroquímicas específicas tamén facilita o deseño de relacións de potencia e enerxía e enerxía dispoñible.

A integración nunha cela de gran formato require unha fabricación optimizada de electrodos roll-to-roll e o uso de materiais activos.Os electrodos están recubertos sobre unha folla de colector de corrente metálica nunha estrutura composta de material activo, aglutinantes e aditivos condutores, o que require un coidadoso control da química coloidal, a adhesión e a solidificación.Pero os materiais inactivos engadidos e o envase celular reducen a densidade de enerxía.Ademais, o grao de porosidade e compactación do electrodo pode afectar o rendemento da batería.

Ademais destes desafíos materiais, o custo é unha barreira importante para a adopción xeneralizada desta tecnoloxía.Estase explorando camiños para traer baterías de 100 Wh/kg e 200 Wh/L dispoñibles comercialmente a 500 USD/kWh ata 250 Wh/kg e 400 Wh/L por só 125 USD/kWh.

Fundamentos de baterías de iones de litio

A batería de iones de litio foi posible grazas ao descubrimento do óxido de cobalto de litio (LiCoO ₂ ), que permite a extracción de ións de litio e a creación de grandes cantidades de vacantes (sen cambio de cristal) ata a eliminación da metade dos ións existentes.O emparellamento de LiCoO ₂ con grafito permite a intercalación de ións de litio entre as capas de grafeno que ocupan o sitio intersticial entre cada anel hexagonal de átomos de carbono (Besenhard e Schöllhorn 1976; Mizushima et al. 1980; Whittingham 1976).

Os ións de litio viaxan durante a carga desde o electrodo positivo (o cátodo) a través dun electrólito sólido ou líquido ata o electrodo negativo (o ánodo) e, durante a descarga, na dirección oposta.En cada electrodo, o ión ou ben mantén a súa carga e intercala na estrutura cristalina ocupando sitios intersticiais nos cristais existentes no lado do ánodo ou volve ocupar un sitio vacante no cátodo que se formou cando o ión litio deixou ese cristal.Mentres se transfire o ión, a matriz hóspede redúcese ou oxidase, o que libera ou captura un electrón. ¹

Variedade de materiais catódicos

A busca de novos materiais de cátodo está impulsada en parte por importantes desvantaxes de LiCoO ₂ .A batería ten unha temperatura central de 40-70 °C e pode ser susceptible a algunhas reaccións a baixa temperatura.Pero a 105–135 °C é moi reactivo e unha excelente fonte de osíxeno para un perigo de seguridade chamado reacción de fuga térmica , na que as reaccións altamente exotérmicas crean picos de temperatura e aceleran rapidamente coa liberación de calor extra (Roth 2000).

Materiais de substitución para LiCoO ₂ son menos propensos a ese fracaso.Os compostos substitúen partes do cobalto por níquel e manganeso para formar Li(Ni). _x Mn _y Co _z )O ₂ compostos (con x + y + z = 1), a miúdo denominado NMC xa que conteñen níquel, manganeso e cobalto;ou presentan unha estrutura completamente nova en forma de fosfatos (por exemplo, LiFePO ₄ ) (Daniel et al. 2014).Todos estes materiais de cátodo presentan capacidades no intervalo de 120-160 Ah/kg a 3,5-3,7 V, o que resulta nunha densidade de enerxía máxima de ata 600 Wh/kg.

Cando se empaquetan en dispositivos reais, engádese moita masa de material inactivo e a densidade de enerxía tende a baixar ata os 100 Wh/kg a nivel de paquete.Para impulsar unha maior densidade de enerxía, os investigadores buscaron unha maior capacidade e maior tensión, e atopáronos en óxidos de metais de transición ricos en litio e manganeso.Estes compostos son esencialmente os mesmos materiais que o NMC pero un exceso de litio e cantidades máis altas de manganeso substitúen ao níquel e ao cobalto.As maiores cantidades de litio (ata un 20 por cento máis) permiten que os compostos teñan unha maior capacidade (Thackeray et al. 2007) e unha maior tensión, o que resulta en cátodos con ata 280 Ah/kg cando se cargan ata 4,8 V. , estes novos compostos mostran problemas de estabilidade e tenden a desaparecer rapidamente.

Equilibrio de materiais nas células

As baterías de iones de litio están feitas de capas de electrodos porosos sobre follas de colectores de corrente de aluminio e cobre (Daniel 2008).A capacidade de cada par de electrodos debe equilibrarse para garantir a seguridade da batería e evitar o risco de sobrecarga do ánodo (o que pode producir un recubrimento de metal de litio e curtocircuítos) ou unha sobredescarga do cátodo (o que pode provocar un colapso da estrutura cristalina). e perda de prazas para que o litio se reintercale, reducindo drasticamente a capacidade).

O grafito ten unha capacidade teórica de 372 Ah/kg, o dobre que o litio dispoñible nos cátodos NMC.Polo tanto, nas baterías de iones de litio equilibradas, os cátodos normalmente presentan o dobre de grosor en comparación co ánodo.Este defecto inherente ao deseño da célula causa problemas co transporte de masas e a cinética, polo que provocou a busca de cátodos de gran capacidade.

Para aumentar a densidade de enerxía a nivel das células, os materiais inactivos están a ser minimizados nas células das baterías.Por exemplo, unha forma de reducir o colector de corrente é aumentar o grosor dos eléctrodos, pero isto provoca aínda máis problemas de transporte e require unha porosidade altamente deseñada no eléctrodo.

Desafíos de custo na fabricación de baterías de iones de litio

Os custos das baterías de iones de litio son moito máis altos que os que soportará o mercado automovilístico para a penetración total dos vehículos eléctricos e un produto de custos neutros en comparación cos coches que funcionan con motores de combustión interna.O obxectivo de custos do Departamento de Enerxía dos Estados Unidos para todas as baterías de vehículos eléctricos é de 125 USD/kWh de enerxía utilizable (DOE 2013).O custo actual das baterías comerciais é de 400-500 USD/kWh e o seu custo previsto cos materiais experimentais actuais é de 325 USD/kWh.A maior parte da redución de custos ata agora conseguiuse mediante aumentos da densidade enerxética cun custo similar aos produtos de xeración máis antiga.

É posible unha maior redución de custos mediante a optimización dos esquemas de fabricación.As baterías de iones de litio fabrícanse en conxuntos de electrodos e, a continuación, se ensamblan en celas.O material activo mestúrase con aglutinantes de polímeros, aditivos condutores e disolventes para formar unha suspensión que despois se recubre nunha folla de colector de corrente e se seca para eliminar o disolvente e crear un revestimento de electrodo poroso.O disolvente de elección, a N-metilpirrolidona (NMP), considérase un material indirecto (necesítase para a produción pero non está contido no dispositivo final), pero é caro, presenta vapores inflamables e é altamente tóxico.

Os vapores inflamables de NMP requiren que todos os equipos de procesamento durante a produción de electrodos sexan a proba de explosión, o que significa que todos os compoñentes eléctricos que producen faíscas deben estar protexidos dos vapores e os espazos deben estar moi ventilados para manter as concentracións de vapor baixas.Estas medidas aumentan considerablemente o custo de capital destes equipos.

Ademais, a planta de fabricación de electrodos ten que recuperar o disolvente do seu fluxo de escape, destilalo e reciclalo.Este é de novo un custo adicional.

Redución de custos polo procesamento a base de auga

A substitución de NMP por auga é unha gran oportunidade para reducir o custo na produción de baterías de ión-litio.O custo da auga é insignificante en comparación co de NMP;a auga non é inflamable e non produce vapores inflamables;e a auga é ambientalmente benigna.Non obstante, a auga é un disolvente polar e o seu comportamento é completamente diferente ao do NMP apolar.Ademais, os materiais activos tenden a aglomerarse e as superficies dos colectores de corrente metálica son hidrófobas, o que dificulta o proceso de revestimento.

O coñecemento das cargas superficiais das partículas (mediante a medición do potencial zeta) permite o deseño da polaridade superficial en presenza de auga mediante a introdución de pequenas cantidades de surfactantes.No caso dos compostos de intercalación de cátodos, a polietileno imida utilizouse con éxito para introducir unha carga superficial o suficientemente grande como para repeler partículas para que non formen aglomerados inaceptables (Li et al. 2013).

Comprender a enerxía superficial dos metais e a tensión superficial do purín, así como a súa interacción, permite optimizar o par.O tratamento con plasma atmosférico da superficie metálica mediante a exposición a un plasma de coroa elimina os compostos orgánicos da superficie e permite un lixeiro gravado e oxidación, o que reduce drasticamente a enerxía superficial a valores inferiores á tensión superficial da suspensión.Isto permite a humectación perfecta da superficie pola suspensión e crea un revestimento cunha adhesión optimizada (Li et al. 2012).O resultado é unha redución de custos operativos e de materiais do 75 por cento na fabricación de electrodos e unha redución de custos potencial de ata un 20 por cento a nivel de batería para aplicacións automotivas (Wood et al. 2014).Isto non inclúe o menor custo do equipo: os gastos asociados ao equipo de procesamento de plasma son moito máis baixos que os do sistema de recuperación de disolventes e do requisito de proba de explosión.

Oportunidades futuras para a redución de custos

Conseguiranse novas reducións de custos mediante un maior coñecemento dos mecanismos de transporte e das implicacións da arquitectura dos electrodos para o rendemento electroquímico.A investigación actual céntrase en gran medida na modelización e simulación para comprender os mecanismos moleculares e mellorar o deseño de electrodos, pilas de electrodos e celas de batería.Os electrodos máis grosos e unha redución enorme dos materiais inactivos mellorarán a densidade de enerxía a un custo máis baixo, reducirán os custos directos e posiblemente permitirán ciclos de formación de baterías moito máis curtos e menos intensivos en enerxía.

Conclusión

As baterías de ións de litio teñen un enorme potencial para permitir a electrificación parcial ou total da flota de automóbiles, diversificar as fontes de enerxía para o transporte e apoiar o almacenamento de enerxía a gran escala para unha maior penetración do subministro intermitente de enerxía renovable.Non obstante, o custo segue a ser un problema e terá que ser abordado mediante o desenvolvemento dunha cadea de subministración sólida, estándares na fabricación, alto rendemento de fabricación e métodos de procesamento racionalizados de baixo custo.Ademais de reducir custos, a investigación pode mellorar o coñecemento dos procesos moleculares e os problemas de transporte para optimizar o deseño e uso da enerxía dispoñible nas baterías e aumentar a súa vida útil.

Como se mostra neste artigo, un aumento do contido enerxético e da capacidade dos materiais dos electrodos activos e unha redución dos materiais indirectos na produción son dúas formas de afectar o custo.

Agradecementos

Partes desta investigación no Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL; xestionado por UT Battelle, LLC) para o Departamento de Enerxía dos Estados Unidos (baixo contrato DE-AC05-00OR22725) foron patrocinadas pola Oficina de Tecnoloxías de Vehículos da Oficina de Eficiencia Enerxética e Enerxías Renovables (EERE). Subprograma Office (VTO) Applied Battery Research (ABR) (xestores de programas: Peter Faguy e David Howell).O autor recoñece moitas discusións fructíferas e contribucións de David Wood, Jianlin Li e Debasish Mohanty da instalación de I+D de fabricación de baterías do DOE na ORNL e Beth Armstrong na División de Ciencia e Tecnoloxía de Materiais de ORNL.

Fonte do artigo: Spring Bridge: Desde as fronteiras da enxeñaría e máis alá