Litij-ionske baterije i izazovi njihove proizvodnje

Litij-ionske baterije su proizveden u setovima elektroda i zatim sastavljeni u ćelije.Aktivni materijal se miješa s polimernim vezivima, vodljivim dodacima i otapalima kako bi se formirala kaša koja se zatim nanosi na foliju za sakupljanje struje i suši kako bi se uklonilo otapalo i stvorila prevlaka porozne elektrode.

Ne postoji samo jedna litij-ionska baterija.S različitim dostupnim materijalima i elektrokemijskim parovima, moguće je dizajnirati baterije specifične za njihovu primjenu u smislu napona, stanja napunjenosti, životnih potreba i sigurnosti.Odabir specifičnih elektrokemijskih parova također olakšava dizajn omjera snage i energije te raspoložive energije.

Integracija u ćeliju velikog formata zahtijeva optimiziranu proizvodnju elektroda od role do role i korištenje aktivnih materijala.Elektrode su obložene metalnom folijom za sakupljanje struje u kompozitnoj strukturi aktivnog materijala, veziva i vodljivih dodataka, što zahtijeva pažljivu kontrolu koloidne kemije, adhezije i skrućivanja.Ali dodani neaktivni materijali i pakiranje ćelija smanjuju gustoću energije.Štoviše, stupanj poroznosti i zbijenosti u elektrodi može utjecati na učinkovitost baterije.

Uz ove izazove s materijalima, cijena je značajna prepreka širokom prihvaćanju ove tehnologije.Istražuju se putovi za dovođenje baterija od komercijalno dostupnih 100 Wh/kg i 200 Wh/L po 500 USD/kWh do 250 Wh/kg i 400 Wh/L za samo 125 USD/kWh.

Osnove litij-ionskih baterija

Litij ionska baterija je omogućena otkrićem litij kobalt oksida (LiCoO ₂ ), koji omogućuje ekstrakciju litijevih iona i stvaranje velike količine praznina (bez promjene kristala) do uklanjanja polovice postojećih iona.Uparivanje LiCoO ₂ s grafitom omogućuje interkalaciju litijevih iona između slojeva grafena koji zauzimaju intersticijsko mjesto između svakog šesterokutnog prstena ugljikovih atoma (Besenhard i Schöllhorn 1976; Mizushima et al. 1980; Whittingham 1976).

Litijevi ioni putuju tijekom punjenja od pozitivne elektrode (katode) kroz kruti ili tekući elektrolit do negativne elektrode (anode) i, tijekom pražnjenja, u suprotnom smjeru.Na svakoj elektrodi, ion ili održava svoj naboj i interkalira u kristalnu strukturu zauzimajući intersticijska mjesta u postojećim kristalima na strani anode ili ponovno zauzima upražnjeno mjesto na katodi koje je nastalo kada je litijev ion napustio taj kristal.Tijekom prijenosa iona, matrica domaćina se reducira ili oksidira, što oslobađa ili hvata elektron. ¹

Raznolikost katodnih materijala

Potraga za novim katodnim materijalima djelomično je potaknuta važnim nedostacima LiCoO ₂ .Temperatura jezgre baterije je 40–70°C i može biti osjetljiva na neke reakcije niskih temperatura.Ali na 105–135°C vrlo je reaktivan i odličan je izvor kisika za sigurnosnu opasnost zvanu termička reakcija , u kojem izrazito egzotermne reakcije stvaraju skokove temperature i brzo se ubrzavaju s oslobađanjem dodatne topline (Roth 2000).

Zamjenski materijali za LiCoO ₂ su manje skloni tom neuspjehu.Spojevi zamjenjuju dijelove kobalta niklom i manganom da bi se formirao Li(Ni _x Mn _g Co _z )O ₂ spojevi (sa x + g + z = 1), često se nazivaju NMC jer sadrže nikal, mangan i kobalt;ili pokazuju potpuno novu strukturu u obliku fosfata (npr. LiFePO ₄ ) (Daniel i sur. 2014.).Svi ovi katodni materijali pokazuju kapacitete u rasponu od 120–160 Ah/kg pri 3,5–3,7 V, što rezultira maksimalnom gustoćom energije do 600 Wh/kg.

Međutim, kada se pakiraju u stvarne uređaje, dodaje se mnogo neaktivne mase materijala i gustoća energije ima tendenciju pada na 100 Wh/kg na razini pakiranja.Kako bi potaknuli veću gustoću energije, istraživači su tražili veći kapacitet i viši napon—i pronašli ih u oksidima prijelaznih metala bogatim litijem i manganom.Ovi spojevi su u biti isti materijali kao NMC, ali višak litija i veće količine mangana zamjenjuju nikal i kobalt.Veće količine litija (čak 20 posto više) omogućuju spojevima veći kapacitet (Thackeray et al. 2007) i viši napon, što rezultira katodama s do 280 Ah/kg kada se napune do 4,8 V. Međutim , ovi novi spojevi pokazuju probleme sa stabilnošću i imaju tendenciju brzog blijeđenja.

Balansiranje materijala u stanicama

Litij-ionske baterije izrađene su od slojeva poroznih elektroda na aluminijskim i bakrenim kolektorskim folijama (Daniel 2008).Kapacitet svakog para elektroda treba biti uravnotežen kako bi se osigurala sigurnost baterije i izbjegao rizik od prekomjernog punjenja anode (što može rezultirati litij metalnim oplatama i kratkim spojem) ili prekomjernog pražnjenja katode (što može rezultirati urušavanjem kristalne strukture i gubitak slobodnih mjesta za reinterkalaciju litija, dramatično smanjujući kapacitet).

Grafit ima teoretski kapacitet od 372 Ah/kg, dvostruko više od dostupnog litija u NMC katodama.Dakle, u uravnoteženim litij-ionskim baterijama, katode obično imaju dvostruko veću debljinu u usporedbi s anodom.Ovaj inherentni nedostatak dizajna ćelije uzrokuje probleme s prijenosom mase i kinetikom, te je tako potaknuo potragu za katodama velikog kapaciteta.

Kako bi se povećala gustoća energije na razini ćelije, neaktivni materijali se minimiziraju u baterijskim ćelijama.Na primjer, jedan od načina za smanjenje kolektora struje je povećanje debljine elektroda, ali to dodatno dovodi do problema s transportom i zahtijeva visoko projektiranu poroznost u elektrodi.

Troškovni izazovi u proizvodnji litij-ionskih baterija

Troškovi litij-ionskih baterija puno su veći nego što će automobilsko tržište podnijeti za puni prodor električnih vozila i troškovno neutralan proizvod u usporedbi s automobilima koje pokreću motori s unutarnjim izgaranjem.Ciljani trošak Ministarstva energetike SAD-a za sve baterije električnih vozila iznosi 125 USD/kWh korisne energije (DOE 2013.).Trenutačni trošak komercijalnih baterija je 400-500 USD/kWh, a njihova projicirana cijena s trenutnim eksperimentalnim materijalima je 325 USD/kWh.Većina dosadašnjeg smanjenja troškova postignuta je povećanjem gustoće energije po sličnoj cijeni kao kod proizvoda starije generacije.

Daljnje smanjenje troškova moguće je optimizacijom proizvodnih shema.Litij-ionske baterije proizvode se u setovima elektroda i zatim se sastavljaju u ćelije.Aktivni materijal se miješa s polimernim vezivima, vodljivim dodacima i otapalima kako bi se formirala kaša koja se zatim nanosi na foliju za sakupljanje struje i suši kako bi se uklonilo otapalo i stvorila porozna prevlaka elektrode.Otapalo izbora, N-metilpirolidon (NMP), smatra se neizravni materijal (potreban je za proizvodnju, ali nije sadržan u konačnom uređaju), ali je skup, sadrži zapaljive pare i vrlo je otrovan.

Zapaljive pare NMP-a zahtijevaju da sva procesna oprema tijekom proizvodnje elektroda bude otporna na eksploziju, što znači da sve električne komponente koje proizvode iskre moraju biti zaštićene od para, a prostori moraju biti dobro prozračeni kako bi koncentracija para bila niska.Ove mjere značajno povećavaju kapitalne troškove takve opreme.

Osim toga, tvornica za proizvodnju elektroda mora ponovno uhvatiti otapalo iz svoje ispušne struje, destilirati ga i reciklirati.Ovo je opet dodatni trošak.

Smanjenje troškova preradom na bazi vode

Zamjena NMP-a vodom je ogromna prilika za smanjenje troškova u proizvodnji litij-ionskih baterija.Cijena vode je zanemariva u usporedbi s NMP;voda nije zapaljiva i ne proizvodi zapaljive pare;a voda je ekološki benigna.Međutim, voda je polarno otapalo i njezino se ponašanje potpuno razlikuje od ponašanja nepolarnog NMP-a.Nadalje, aktivni materijali imaju tendenciju nakupljanja, a metalne površine kolektora su hidrofobne, što otežava proces premazivanja.

Poznavanje površinskih naboja na česticama (mjerenjem zeta potencijala) omogućuje projektiranje površinskog polariteta u prisutnosti vode uvođenjem malih količina surfaktanata.U slučaju katodnih interkalacijskih spojeva, polietilen imid se uspješno koristi za uvođenje dovoljno velikog površinskog naboja da odbije čestice tako da one ne tvore neprihvatljive aglomerate (Li et al. 2013).

Razumijevanje površinske energije metala i površinske napetosti kaše kao i njihove interakcije omogućuje optimizaciju para.Obrada metalne površine atmosferskom plazmom izlaganjem koronskoj plazmi uklanja organske spojeve na površini i omogućuje blago jetkanje i oksidaciju, što dramatično smanjuje površinsku energiju na vrijednosti ispod površinske napetosti kaše.To omogućuje savršeno vlaženje površine kašom i stvara premaz s optimiziranim prianjanjem (Li et al. 2012).Rezultat je smanjenje operativnih troškova i troškova materijala od 75 posto u proizvodnji elektroda te potencijalno smanjenje troškova do 20 posto na razini paketa baterija za automobilske primjene (Wood et al. 2014.).To ne uključuje niže troškove opreme: troškovi povezani s opremom za plazma obradu mnogo su niži od onih za sustav oporabe otapala i zahtjeve za zaštitu od eksplozije.

Buduće mogućnosti za smanjenje troškova

Daljnje smanjenje troškova postići će se kroz bolje poznavanje transportnih mehanizama i implikacija arhitekture elektroda na elektrokemijsku izvedbu.Trenutačno istraživanje uvelike je usmjereno na modeliranje i simulaciju kako bi se razumjeli molekularni mehanizmi i poboljšao dizajn elektroda, nizova elektroda i baterijskih ćelija.Deblje elektrode i ogromno smanjenje neaktivnih materijala poboljšat će gustoću energije po nižoj cijeni, smanjiti izravne troškove i vjerojatno omogućiti mnogo kraće i manje energetski intenzivne cikluse formiranja baterije.

Zaključak

Litij-ionske baterije imaju golem potencijal za omogućavanje djelomične do potpune elektrifikacije automobilskog voznog parka, diverzifikaciju izvora energije za prijevoz i podržavanje velikog skladištenja energije za veći prodor povremene opskrbe obnovljivom energijom.Međutim, trošak je i dalje problem i morat će se riješiti razvojem robusnog opskrbnog lanca, standardima u proizvodnji, visokom propusnošću proizvodnje i pojednostavljenim jeftinim metodama obrade.Osim smanjenja troškova, istraživanje može poboljšati znanje o molekularnim procesima i problemima transporta kako bi se optimizirao dizajn i korištenje dostupne energije u baterijama i produžio njihov vijek trajanja.

Kao što je prikazano u ovom radu, povećanje sadržaja energije i kapaciteta u materijalima aktivnih elektroda i smanjenje neizravnih materijala u proizvodnji dva su načina utjecaja na troškove.

Priznanja

Dijelove ovog istraživanja u Nacionalnom laboratoriju Oak Ridge (ORNL; upravlja UT Battelle, LLC) za američko Ministarstvo energetike (prema ugovoru DE-AC05-00OR22725) sponzorirao je Ured za energetsku učinkovitost i obnovljivu energiju (EERE) Vehicle Technologies Potprogram Office (VTO) Applied Battery Research (ABR) (voditelji programa: Peter Faguy i David Howell).Autor zahvaljuje na mnogim plodonosnim raspravama i doprinosima Davida Wooda, Jianlin Lija i Debasisha Mohantyja iz DOE Postrojenja za istraživanje i razvoj proizvodnje baterija pri ORNL-u i Beth Armstrong u ORNL-ovom Odjelu za znanost i tehnologiju materijala.

Izvor članka: Spring Bridge: Od granica inženjerstva i šire