Lithium Ion rafhlöður og framleiðsluáskoranir þeirra

Lithium ion rafhlöður eru framleitt í settum af rafskautum og síðan sett saman í frumur.Virku efni er blandað saman við fjölliða bindiefni, leiðandi aukefni og leysiefni til að mynda slurry sem síðan er húðuð á straumsafnarþynnu og þurrkuð til að fjarlægja leysiefnið og búa til gljúpa rafskautshúð.

Það er engin ein litíumjónarafhlaða.Með margvíslegum efnum og rafefnafræðilegum pörum í boði, er hægt að hanna rafhlöðufrumur sérstaklega fyrir notkun þeirra með tilliti til spennu, notkunar á hleðslu, líftímaþarfa og öryggi.Val á sérstökum rafefnafræðilegum pörum auðveldar einnig hönnun afl- og orkuhlutfalla og tiltækrar orku.

Samþætting í stóru sniði krefst hámarksframleiðslu á rafskautum og notkun virkra efna.Rafskaut eru húðuð á málmstraumsafnarþynnu í samsettri uppbyggingu virks efnis, bindiefna og leiðandi aukefna, sem krefst nákvæmrar eftirlits með kvoðaefnafræði, viðloðun og storknun.En óvirku efnin sem bætt er við og frumuumbúðirnar draga úr orkuþéttleika.Þar að auki getur grop og þjöppun í rafskautinu haft áhrif á afköst rafhlöðunnar.

Til viðbótar við þessar efnisáskoranir er kostnaður veruleg hindrun fyrir víðtækri upptöku þessarar tækni.Verið er að kanna leiðir til að koma rafhlöðum frá 100 Wh/kg og 200 Wh/L í sölu á $500/kWh upp í 250 Wh/kg og 400 Wh/L fyrir aðeins $125/kWh.

Grundvallaratriði litíumjónarafhlöður

Lithium ion rafhlaðan var gerð möguleg með uppgötvun á litíum kóbalt oxíði (LiCoO) ₂ ), sem gerir kleift að draga út litíumjónir og búa til mikið magn af lausum stöðum (án kristalbreytinga) allt að því að fjarlægja helming þeirra jóna sem fyrir eru.Pörun LiCoO ₂ með grafíti gerir litíumjónir kleift að setja litíumjónir á milli grafenlaganna sem taka upp millivefssvæðið á milli hvers sexhyrndra hrings kolefnisatóma (Besenhard og Schöllhorn 1976; Mizushima o.fl. 1980; Whittingham 1976).

Litíumjónirnar ferðast á meðan á hleðslu stendur frá jákvæða rafskautinu (bakskautinu) í gegnum fastan eða fljótandi raflausn yfir í neikvæða rafskautið (skautið) og við losun í gagnstæða átt.Við hverja rafskaut heldur jónin annaðhvort hleðslu sinni og fléttast inn í kristalbygginguna sem tekur millivefsstaði í núverandi kristöllum á rafskautshliðinni eða tekur aftur upp lausan stað í bakskautinu sem myndaðist þegar litíumjónin fór frá þeim kristal.Þegar jónin er flutt minnkar eða oxast hýsilfylkin, sem losar eða fangar rafeind. ¹

Ýmis bakskautsefni

Leitin að nýjum bakskautsefnum er að hluta knúin áfram af mikilvægum ókostum LiCoO ₂ .Rafhlaðan hefur 40–70°C kjarnahita og gæti verið næm fyrir sumum lághitaviðbrögðum.En við 105–135°C er það mjög hvarfgjarnt og frábær súrefnisgjafi fyrir öryggishættu sem kallast hitauppstreymisviðbrögð , þar sem mjög útverma viðbrögð skapa hitastig og hraða hratt með losun aukahita (Roth 2000).

Uppbótarefni fyrir LiCoO ₂ eru síður hætt við þeirri bilun.Efnasamböndin koma í stað hluta kóbaltsins fyrir nikkel og mangan og mynda Li(Ni _x Mn _y Co _z )O ₂ efnasambönd (með x + y + z = 1), oft nefnd NMC þar sem þau innihalda nikkel, mangan og kóbalt;eða þeir sýna alveg nýja uppbyggingu í formi fosfata (td LiFePO ₄ ) (Daníel o.fl. 2014).Þessi bakskautsefni hafa öll afkastagetu á bilinu 120–160 Ah/kg við 3,5–3,7 V, sem leiðir til hámarks orkuþéttleika allt að 600 Wh/kg.

Þegar pakkað er í raunveruleg tæki bætist hins vegar mikill óvirkur efnismassi við og orkuþéttleiki hefur tilhneigingu til að lækka í 100 Wh/kg á pakkningastigi.Til að ýta undir meiri orkuþéttleika hafa vísindamenn leitað að meiri getu og hærri spennu - og fundið þá í litíum- og manganríkum umbreytingarmálmoxíðum.Þessi efnasambönd eru í meginatriðum sömu efni og NMC en ofgnótt af litíum og meira magn af mangan kemur í stað nikkels og kóbalts.Hærra magn af litíum (allt að 20 prósent meira) gerir efnasamböndunum kleift að hafa meiri afkastagetu (Thackeray o.fl. 2007) og hærri spennu, sem leiðir til bakskauta með allt að 280 Ah/kg þegar hlaðið er allt að 4,8 V. Hins vegar , þessi nýju efnasambönd sýna stöðugleikavandamál og hafa tilhneigingu til að hverfa hratt.

Jafnvægi á efnum í frumum

Lithium ion rafhlöður eru gerðar úr lögum af gljúpum rafskautum á ál- og koparstraumsafnarþynnum (Daniel 2008).Afkastagetu hvers rafskautspars þarf að vera í jafnvægi til að tryggja öryggi rafhlöðunnar og forðast hættu á ofhleðslu rafskautsins (sem getur leitt til litíummálmhúðun og skammhlaups) eða ofhleðslu bakskautsins (sem getur leitt til hruns á kristalbyggingunni). og tap á lausum stöðum fyrir litíum til að sameinast aftur, sem dregur verulega úr getu).

Grafít hefur fræðilega afkastagetu upp á 372 Ah/kg, tvöfalt meira en fáanlegt litíum í NMC bakskautum.Þannig að í jafnvægislitíumjónarafhlöðum sýna bakskautin venjulega tvöfalda þykkt miðað við rafskautið.Þessi eðlislægi galli frumuhönnunarinnar veldur vandamálum með massaflutninga og hreyfihvörf og varð því leitt að bakskautum með mikla afkastagetu.

Til að auka orkuþéttleika frumunnar er verið að lágmarka óvirk efni í rafhlöðufrumum.Til dæmis er ein leið til að draga úr straumsafnaranum að auka þykkt rafskautanna, en það ýtir enn frekar undir flutningsvandamál og krefst mjög hönnuðs grops í rafskautinu.

Kostnaðaráskoranir við framleiðslu á litíumjónarafhlöðum

Kostnaður við litíumjónarafhlöður er mun hærri en bílamarkaðurinn mun bera fyrir fulla skarpskyggni rafknúinna ökutækja og kostnaðarhlutlausa vöru miðað við bíla sem keyrðir eru með brunahreyflum.Markmið bandaríska orkumálaráðuneytisins fyrir allar rafhlöður rafbíla er $125/kWh af nothæfri orku (DOE 2013).Núverandi kostnaður við rafhlöður í atvinnuskyni er $400–500/kWh og áætlaður kostnaður þeirra með núverandi tilraunaefni er $325/kWh.Megnið af kostnaðarlækkuninni hingað til hefur náðst fram með aukningu orkuþéttleika á svipuðum kostnaði og eldri kynslóðar vörur.

Frekari lækkun kostnaðar er möguleg með hagræðingu á framleiðslukerfum.Lithium ion rafhlöður eru framleiddar í settum af rafskautum og síðan settar saman í frumur.Virku efni er blandað saman við fjölliða bindiefni, leiðandi aukefni og leysiefni til að mynda slurry sem síðan er húðuð á straumsafnarþynnu og þurrkuð til að fjarlægja leysiefnið og búa til gljúpa rafskautshúð.Valinn leysir, N-metýlpýrrólídón (NMP), er talinn vera óbeint efni (það er nauðsynlegt til framleiðslu en er ekki að finna í lokabúnaðinum), en það er dýrt, hefur eldfimar gufur og er mjög eitrað.

Eldfimar gufur NMP krefjast þess að allur vinnslubúnaður við framleiðslu rafskauta sé sprengivörn, sem þýðir að allir neistaframleiðandi rafmagnsíhlutir þurfa að vera varðir fyrir gufunum og rými þurfa að vera mjög loftræst til að halda gufustyrk lágum.Þessar aðgerðir auka fjármagnskostnað slíks búnaðar verulega.

Að auki þarf rafskautaframleiðslan að ná leysinum aftur úr útblástursstraumnum, eima hann og endurvinna hann.Þetta er aftur aukakostnaður.

Lækkun kostnaðar með vatnsbundinni vinnslu

Að skipta um NMP fyrir vatni er gríðarlegt tækifæri til að draga úr kostnaði við framleiðslu á litíumjónarafhlöðum.Kostnaður við vatn er hverfandi miðað við NMP;vatn er ekki eldfimt og framleiðir ekki eldfimar gufur;og vatn er umhverfisvænt.Hins vegar er vatn skautaður leysir og hegðun þess er allt önnur en óskautaða NMP.Ennfremur hafa virk efni tilhneigingu til að þéttast og yfirborð málmstraumsafnara eru vatnsfælin, sem gerir húðunarferlið erfiðara.

Þekking á yfirborðshleðslum á ögnum (með því að mæla zeta-getu) gerir kleift að hanna yfirborðsskautun í nærveru vatns með því að setja inn lítið magn af yfirborðsvirkum efnum.Þegar um er að ræða bakskautsfléttusambönd hefur pólýetýlenimíð verið notað með góðum árangri til að koma á yfirborðshleðslu sem er nógu stór til að hrinda frá sér ögnum þannig að þær myndi ekki óviðunandi þyrpingar (Li o.fl. 2013).

Skilningur á yfirborðsorku málma og yfirborðsspennu slurrysins sem og samspil þeirra gerir kleift að hagræða parinu.Meðhöndlun andrúmsloftsplasma á málmyfirborði með útsetningu fyrir kórónuplasma fjarlægir lífræn efnasambönd á yfirborðinu og gerir örlítið ætingu og oxun kleift, sem dregur verulega úr yfirborðsorku niður í gildi undir yfirborðsspennu slurrys.Þetta gerir grugglausninni kleift að bleyta yfirborðið fullkomlega og myndar húðun með hámarks viðloðun (Li o.fl. 2012).Niðurstaðan er 75 prósenta rekstrar- og efniskostnaðarlækkun í rafskautaframleiðslunni og möguleg kostnaðarlækkun upp á allt að 20 prósent á rafhlöðupakkastigi fyrir bifreiðanotkun (Wood o.fl. 2014).Þetta felur ekki í sér lægri búnaðarkostnað: kostnaður í tengslum við plasmavinnslubúnaðinn er mun lægri en fyrir endurheimtarkerfið fyrir leysiefni og sprengivörn krafan.

Framtíðartækifæri til lækkunar kostnaðar

Frekari kostnaðarlækkun verður náð með aukinni þekkingu á flutningsaðferðum og áhrifum rafskautaarkitektúrs á rafefnafræðilegan árangur.Núverandi rannsóknir beinast að miklu leyti að líkanagerð og uppgerð til að skilja sameindakerfi og bæta hönnun rafskauta, rafskautsstafla og rafhlöðufrumna.Þykkari rafskaut og gríðarleg minnkun á óvirkum efnum munu bæta orkuþéttleika með lægri kostnaði, draga úr beinum kostnaði og mögulega gera mun styttri og minni orkufrekari rafhlöðumyndunarhjólreiðar.

Niðurstaða

Lithium ion rafhlöður hafa gríðarlega möguleika til að gera bílaflotanum kleift að rafvæða bílaflotan að hluta til að fullu, auka fjölbreytni í orkugjöfum til flutninga og styðja við stórfellda orkugeymslu til að ná meiri útbreiðslu endurnýjanlegrar orkugjafa með hléum.Hins vegar heldur kostnaður áfram að vera vandamál og verður að bregðast við því með þróun öflugrar aðfangakeðju, stöðlum í framleiðslu, mikilli framleiðsluafköstum og straumlínulagðri vinnsluaðferðum með litlum tilkostnaði.Auk þess að draga úr kostnaði geta rannsóknir aukið þekkingu á sameindaferlum og flutningsmálum til að hámarka hönnun og notkun á tiltækri orku í rafhlöðum og auka endingartíma þeirra.

Eins og sýnt er í þessari grein eru aukning á orkuinnihaldi og getu í virkum rafskautsefnum og lækkun óbeinna efna í framleiðslu tvær leiðir til að hafa áhrif á kostnað.

Viðurkenningar

Hlutar þessarar rannsóknar á Oak Ridge National Laboratory (ORNL; stjórnað af UT Battelle, LLC) fyrir bandaríska orkumálaráðuneytið (samkvæmt samningi DE-AC05-00OR22725) voru styrktir af Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE) Vehicle Technologies Office (VTO) Applied Battery Research (ABR) undirforrit (dagskrárstjórar: Peter Faguy og David Howell).Höfundurinn viðurkennir margar frjóar umræður við og framlag frá David Wood, Jianlin Li og Debasish Mohanty frá DOE rafhlöðuframleiðslu R&D Facility hjá ORNL og Beth Armstrong í efnisvísinda- og tæknideild ORNL.

Heimild greinar: Spring Bridge: Frá landamærum verkfræðinnar og víðar