Lítium-ion akkumulátorok és gyártási kihívásaik

Lítium-ion akkumulátorok vannak gyártott elektródákban, majd cellákban összeszerelve.Az aktív anyagot polimer kötőanyagokkal, vezetőképes adalékokkal és oldószerekkel keverik össze, hogy szuszpenziót képezzenek, amelyet ezután bevonnak egy áramgyűjtő fóliára, és megszárítják az oldószer eltávolítása és porózus elektródabevonat létrehozása érdekében.

Nincs egyetlen lítium-ion akkumulátor.A rendelkezésre álló anyagok és elektrokémiai párok sokfélesége révén lehetőség nyílik az akkumulátorcellák tervezésére a feszültség, a töltési állapot, az élettartamra vonatkozó igények és a biztonság szempontjából.A konkrét elektrokémiai párok kiválasztása szintén megkönnyíti a teljesítmény- és energiaarányok, valamint a rendelkezésre álló energia tervezését.

A nagy formátumú cellába való integráláshoz optimalizált roll-to-roll elektródagyártásra és aktív anyagok felhasználására van szükség.Az elektródákat fém áramgyűjtő fóliára vonják be aktív anyagból, kötőanyagokból és vezető adalékokból álló összetett szerkezetben, ami a kolloid kémiájának, a tapadásnak és a megszilárdulásának gondos ellenőrzését igényli.De a hozzáadott inaktív anyagok és a sejtcsomagolás csökkenti az energiasűrűséget.Ezenkívül az elektróda porozitása és tömörítése befolyásolhatja az akkumulátor teljesítményét.

Az anyagokkal kapcsolatos kihívások mellett a költségek is jelentős akadályt jelentenek e technológia széles körű elterjedése előtt.Vizsgálják az utakat annak érdekében, hogy a kereskedelemben kapható 100 Wh/kg és 200 Wh/l akkumulátorok 500 Wh/kWh-ról 250 Wh/kg-ra és 400 Wh/l-re, mindössze 125 dollár/kWh áron elérhetők legyenek.

A lítium-ion akkumulátorok alapjai

A lítium-ion akkumulátort a lítium-kobalt-oxid (LiCoO) felfedezése tette lehetővé ₂ ), amely lehetővé teszi a lítium-ionok extrakcióját és nagy mennyiségű üresedés létrehozását (kristálycsere nélkül) a meglévő ionok felének eltávolításáig.A LiCoO párosítása ₂ a grafittal lehetővé teszi a lítium-ionok interkalációját a grafénrétegek között, amelyek a szénatomok minden hatszögletű gyűrűje közötti intersticiális helyet foglalják el (Besenhard és Schöllhorn 1976; Mizushima et al. 1980; Whittingham 1976).

A lítium-ionok töltés közben a pozitív elektródáról (katódról) szilárd vagy folyékony elektroliton keresztül a negatív elektródára (az anódra) jutnak, kisüléskor pedig az ellenkező irányba.Az ion mindegyik elektródán megtartja töltését, és beépül a kristályszerkezetbe, intersticiális helyeket foglalva el az anódoldalon lévő kristályokban, vagy újra elfoglal egy üres helyet a katódon, amely akkor keletkezett, amikor a lítium-ion elhagyta a kristályt.Az ion átvitele során a gazdamátrix redukálódik vagy oxidálódik, ami elektront szabadít fel vagy befog. ¹

Különféle katód anyagok

Az új katódanyagok keresését részben a LiCoO jelentős hátrányai vezérlik ₂ .Az akkumulátor maghőmérséklete 40–70°C, és érzékeny lehet bizonyos alacsony hőmérsékleti reakciókra.De 105–135 °C-on nagyon reakcióképes, és kiváló oxigénforrás az úgynevezett biztonsági kockázatokhoz. termikus menekülési reakció , amelyben az erősen exoterm reakciók hőmérsékleti kiugrásokat hoznak létre, és extra hő felszabadulásával gyorsan felgyorsulnak (Roth 2000).

Csere anyagok a LiCoO-hoz ₂ kevésbé hajlamosak erre a kudarcra.A vegyületek a kobalt egy részét nikkellel és mangánnal helyettesítik, így Li(Ni) keletkezik _x Mn _y Co _z )O ₂ vegyületek (val x + y + z = 1), gyakran NMC-nek nevezik, mivel nikkelt, mangánt és kobaltot tartalmaznak;vagy teljesen új szerkezetet mutatnak foszfátok formájában (pl. LiFePO ₄ ) (Daniel et al. 2014).Ezek a katódanyagok mindegyike 120–160 Ah/kg tartományba esik 3,5–3,7 V feszültség mellett, ami akár 600 Wh/kg maximális energiasűrűséget eredményez.

Valódi készülékekbe csomagolva azonban sok inaktív anyagtömeget adnak hozzá, és az energiasűrűség általában 100 Wh/kg-ra csökken a csomag szintjén.A nagyobb energiasűrűség elérése érdekében a kutatók nagyobb kapacitásra és nagyobb feszültségre törekedtek – és lítiumban és mangánban gazdag átmenetifém-oxidokban találták meg ezeket.Ezek a vegyületek lényegében ugyanazok az anyagok, mint az NMC, de a nikkelt és a kobaltot feleslegben lévő lítium és nagyobb mennyiségű mangán helyettesíti.A nagyobb mennyiségű lítium (akár 20 százalékkal több) lehetővé teszi a vegyületek nagyobb kapacitását (Thackeray et al. 2007) és nagyobb feszültséget, ami akár 280 Ah/kg katódokat eredményez 4,8 V-ig töltve. , ezek az új vegyületek stabilitási problémákat mutatnak, és hajlamosak gyorsan elhalványulni.

Anyagok kiegyensúlyozása a sejtekben

A lítium-ion akkumulátorok porózus elektródák rétegeiből készülnek alumínium és réz áramgyűjtő fóliákon (Daniel 2008).Az egyes elektródapárok kapacitását ki kell egyensúlyozni, hogy biztosítsák az akkumulátor biztonságát, és elkerüljék az anód túltöltésének kockázatát (ami lítium-fém bevonatot és rövidzárlatot eredményezhet) vagy a katód túlkisülését (ami a kristályszerkezet összeomlását eredményezheti). és a lítium újratelepüléséhez szükséges üres álláshelyek elvesztése, ami drámai módon csökkenti a kapacitást).

A grafit elméleti kapacitása 372 Ah/kg, kétszerese az NMC katódokban elérhető lítiumnak.Tehát a kiegyensúlyozott lítium-ion akkumulátorokban a katódok általában kétszer akkora vastagságot mutatnak, mint az anód.A cella kialakításának ez a benne rejlő hibája problémákat okoz a tömegszállításban és a kinetikában, és ezért nagy kapacitású katódok keresését indította el.

A cellaszintű energiasűrűség növelése érdekében az inaktív anyagokat minimalizálják az akkumulátorcellákban.Például az áramkollektor csökkentésének egyik módja az elektródák vastagságának növelése, de ez tovább növeli a szállítási problémákat, és az elektródában erősen megtervezett porozitást igényel.

Költségkihívások a lítium-ion akkumulátorok gyártásában

A lítium-ion akkumulátorok költségei sokkal magasabbak, mint amennyit az autóipari piac viselne az elektromos járművek teljes elterjedése miatt, és költségsemleges termék a belső égésű motorral hajtott autókhoz képest.Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának költségcélja az összes elektromos jármű akkumulátorára 125 USD/kWh a felhasználható energia (DOE 2013).A kereskedelmi forgalomban kapható akkumulátorok jelenlegi ára 400–500 USD/kWh, a jelenlegi kísérleti anyagokkal pedig 325 USD/kWh.Az eddigi költségcsökkentés nagy részét az energiasűrűség növelésével, a régebbi generációs termékekhez hasonló költséggel valósították meg.

További költségcsökkentés lehetséges a gyártási sémák optimalizálásával.A lítium-ion akkumulátorokat elektródakészletekben gyártják, majd cellákba szerelik össze.Az aktív anyagot polimer kötőanyagokkal, vezetőképes adalékokkal és oldószerekkel keverik össze, hogy szuszpenziót képezzenek, amelyet ezután bevonnak egy áramgyűjtő fóliára, és megszárítják az oldószer eltávolítása és porózus elektródabevonat létrehozása érdekében.A választott oldószer, az N-metil-pirrolidon (NMP) egy közvetett anyag (A gyártáshoz szükség van rá, de nem tartalmazza a végberendezés), de drága, gyúlékony gőzöket mutat, és erősen mérgező.

Az NMP gyúlékony gőzei megkövetelik, hogy az elektródák gyártása során minden feldolgozó berendezés robbanásbiztos legyen, ami azt jelenti, hogy minden szikrát kibocsátó elektromos alkatrészt védeni kell a gőzöktől, és a tereket erősen szellőztetni kell a gőzkoncentráció alacsonyan tartása érdekében.Ezek az intézkedések jelentősen növelik az ilyen berendezések tőkeköltségét.

Ezenkívül az elektródagyártó üzemnek vissza kell vonnia az oldószert a kipufogógázból, desztillálnia és újrahasznosítania kell.Ez ismét többletköltség.

Költségcsökkentés vízalapú feldolgozás révén

Az NMP vízzel való helyettesítése óriási lehetőség a lítium-ion akkumulátorok gyártási költségeinek csökkentésére.A víz költsége elhanyagolható az NMP-éhez képest;a víz nem gyúlékony és nem termel gyúlékony gőzöket;és a víz környezetbarát.A víz azonban poláris oldószer, és viselkedése teljesen eltér a nem poláris NMP-étől.Ezenkívül az aktív anyagok hajlamosak agglomerálódni, és a fém áramkollektor felületei hidrofóbok, ami megnehezíti a bevonási folyamatot.

A részecskék felületi töltéseinek ismerete (a zéta-potenciál mérésével) lehetővé teszi a felületi polaritás tervezését víz jelenlétében kis mennyiségű felületaktív anyag bejuttatásával.A katódos interkalációs vegyületek esetében a polietilén-imidet sikeresen alkalmazták olyan felületi töltés bevezetésére, amely elég nagy ahhoz, hogy taszítsa a részecskéket, így azok ne képezzenek elfogadhatatlan agglomerátumokat (Li et al. 2013).

A fémek felületi energiájának és a zagy felületi feszültségének, valamint ezek kölcsönhatásának megértése lehetővé teszi a pár optimalizálását.A fémfelület atmoszférikus plazmakezelése a koronaplazmával való érintkezés révén eltávolítja a felületről a szerves vegyületeket, és enyhe maratást és oxidációt tesz lehetővé, ami drámaian csökkenti a felületi energiát a szuszpenzió felületi feszültsége alatti értékekre.Ez lehetővé teszi a felület tökéletes nedvesítését az iszap által, és optimalizált tapadású bevonatot hoz létre (Li et al. 2012).Az eredmény 75 százalékos működési és anyagköltség-csökkenés az elektródagyártásban, és akár 20 százalékos potenciális költségcsökkenés az akkumulátorcsomag szintjén az autóipari alkalmazásokban (Wood et al. 2014).Ez nem tartalmazza az alacsonyabb berendezésköltséget: a plazmafeldolgozó berendezések költségei sokkal alacsonyabbak, mint az oldószervisszanyerő rendszer költségei és a robbanásbiztos követelmény.

Költségcsökkentési lehetőségek a jövőben

További költségcsökkentés érhető el a szállítási mechanizmusok és az elektródák felépítésének az elektrokémiai teljesítményre gyakorolt ​​hatásainak nagyobb ismeretében.A jelenlegi kutatások nagyrészt a modellezésre és szimulációra összpontosítanak, hogy megértsék a molekuláris mechanizmusokat és javítsák az elektródák, elektródák és akkumulátorcellák tervezését.A vastagabb elektródák és az inaktív anyagok óriási csökkenése alacsonyabb költségek mellett javítja az energiasűrűséget, csökkenti a közvetlen költségeket, és valószínűleg sokkal rövidebb és kevésbé energiaigényes akkumulátorképző ciklust tesz lehetővé.

Következtetés

A lítium-ion akkumulátorok óriási potenciállal rendelkeznek az autópark részleges vagy teljes villamosításában, a közlekedés energiaforrásainak diverzifikálásában, valamint a nagyszabású energiatárolás támogatásában az időszakos megújuló energiaellátás nagyobb penetrációja érdekében.A költségek azonban továbbra is problémát jelentenek, és ezt egy robusztus ellátási lánc, a gyártási szabványok, a nagy gyártási teljesítmény és az egyszerűsített, alacsony költségű feldolgozási módszerek kialakításával kell kezelni.A költségek csökkentése mellett a kutatás bővítheti a molekuláris folyamatokkal és a szállítási problémákkal kapcsolatos ismereteket az akkumulátorokban rendelkezésre álló energia tervezésének és felhasználásának optimalizálása, valamint élettartamuk növelése érdekében.

Amint az ebben a dokumentumban látható, az aktív elektródaanyagok energiatartalmának és kapacitásának növelése, valamint a gyártásban a közvetett anyagok csökkentése a költségek befolyásolásának két módja.

Köszönetnyilvánítás

Az Oak Ridge Nemzeti Laboratóriumban (ORNL; irányító UT Battelle, LLC) az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma (a DE-AC05-00OR22725 szerződés alapján) kutatás egy részét az Energiahatékonysági és Megújuló Energia Hivatal (EERE) Járműtechnológiai Hivatal támogatta. Irodai (VTO) Alkalmazott akkumulátorkutatás (ABR) alprogram (programvezetők: Peter Faguy és David Howell).A szerző elismeri David Wooddal, Jianlin Li-vel és Debasish Mohanty-val, az ORNL DOE akkumulátorgyártó kutatási-fejlesztési részlegének munkatársaival folytatott gyümölcsöző megbeszéléseket és hozzájárulásokat, valamint Beth Armstrongot az ORNL anyagtudományi és technológiai részlegében.

Cikk forrása: Spring Bridge: A mérnöki tudomány határairól és azon túlról