סוללות ליתיום יון ואתגרי הייצור שלהן

בטריות ליתיום הם מְיוּצָר בסטים של אלקטרודות ואז מורכבים בתאים.חומר פעיל מעורבב עם קלסרים פולימריים, תוספים מוליכים וממיסים ליצירת תמיסה אשר מצופה לאחר מכן על רדיד אספן זרם ומייבשת כדי להסיר את הממס וליצור ציפוי אלקטרודה נקבובי.

אין סוללת ליתיום יון אחת.עם מגוון החומרים והזוגות האלקטרוכימיים הזמינים, ניתן לתכנן תאי סוללה ספציפיים ליישומים שלהם במונחים של מתח, מצב שימוש בטעינה, צרכי חיים ובטיחות.בחירה של זוגות אלקטרוכימיים ספציפיים גם מקלה על עיצוב יחסי הספק ואנרגיה ואנרגיה זמינה.

שילוב בתא בפורמט גדול מצריך ייצור אופטימלי של אלקטרודה מגלגל לגליל ושימוש בחומרים פעילים.אלקטרודות מצופות על רדיד אספן זרם מתכת במבנה מרוכב של חומר פעיל, קלסרים ותוספים מוליכים, הדורשים בקרה קפדנית של כימיה קולואידית, הידבקות והתמצקות.אבל החומרים הלא פעילים שנוספו ואריזת התא מפחיתים את צפיפות האנרגיה.יתרה מכך, מידת הנקבוביות והדחיסה באלקטרודה יכולה להשפיע על ביצועי הסוללה.

בנוסף לאתגרי החומרים הללו, העלות מהווה חסם משמעותי לאימוץ נרחב של טכנולוגיה זו.נבדקים מסלולים להבאת סוללות מ-100 וואט/ק"ג ו-200 ו"ש/ליטר הזמינים באופן מסחרי ב-$500/קוט"ש עד 250 ו"ש/ק"ג ו-400 ו"ש/ליטר תמורת 125$ בלבד לקוט"ש.

היסודות של סוללות ליתיום יון

סוללת הליתיום יון התאפשרה הודות לגילוי של תחמוצת קובלט ליתיום (LiCoO ₂ ), המאפשרת מיצוי יוני ליתיום ויצירת כמויות גדולות של מקומות פנויים (ללא שינוי גבישי) עד להרחקת מחצית מהיונים הקיימים.הזיווג של LiCoO ₂ עם גרפיט מאפשרת שילוב של יוני ליתיום בין שכבות הגרפן התופסות את האתר הביניים בין כל טבעת משושה של אטומי פחמן (Besenhard and Schöllhorn 1976; Mizushima et al. 1980; Whittingham 1976).

יוני הליתיום עוברים במהלך המטען מהאלקטרודה החיובית (הקתודה) דרך אלקטרוליט מוצק או נוזלי אל האלקטרודה השלילית (האנודה) ובמהלך הפריקה בכיוון ההפוך.בכל אלקטרודה, היון שומר על המטען שלו ומתערב לתוך מבנה הגביש התופס אתרים ביניים בגבישים קיימים בצד האנודה או תופס מחדש מקום פנוי בקתודה שנוצרה כאשר יון הליתיום עזב את הגביש הזה.בזמן העברת היון, מטריצת המארח מצטמצמת או מתחמצנת, מה שמשחרר או לוכד אלקטרון. ¹

מגוון חומרי קתודה

החיפוש אחר חומרים קתודה חדשים מונע בחלקו על ידי חסרונות חשובים של LiCoO ₂ .לסוללה טמפרטורת ליבה של 40-70 מעלות צלזיוס ועשויה להיות רגישים לתגובות בטמפרטורה נמוכה.אבל ב-105-135 מעלות צלזיוס הוא מאוד תגובתי ומקור חמצן מצוין לסכנה בטיחותית הנקראת תגובת בריחת תרמית , שבהם תגובות אקסותרמיות מאוד יוצרות עליות טמפרטורה ומאיצות במהירות עם שחרור חום נוסף (Roth 2000).

חומרי החלפה עבור LiCoO ₂ פחות מועדים לכישלון הזה.התרכובות מחליפות חלקים מהקובלט בניקל ומנגן ליצירת Li(Ni _איקס Mn _y שיתוף _ז )O ₂ תרכובות (עם איקס + y + ז = 1), המכונה לעתים קרובות NMC מכיוון שהם מכילים ניקל, מנגן וקובלט;או שהם מציגים מבנה חדש לחלוטין בצורה של פוספטים (למשל, LiFePO ₄ ) (דניאל וחב' 2014).כל החומרים הקתודיים הללו מציגים יכולות בטווח של 120-160 Ah/kg ב-3.5-3.7 וולט, וכתוצאה מכך צפיפות אנרגיה מקסימלית של עד 600 וואט/ק"ג.

עם זאת, כאשר ארוזים במכשירים אמיתיים, מתווספת מסת חומר לא פעיל רבה וצפיפות האנרגיה נוטה לרדת ל-100 וואט/ק"ג ברמת האריזה.כדי לדחוף לצפיפות אנרגיה גבוהה יותר, חוקרים חיפשו קיבולת גבוהה יותר ומתח גבוה יותר - ומצאו אותם בתחמוצות מתכות מעבר עשירות בליתיום ובמנגן.תרכובות אלו הן בעצם אותם חומרים כמו NMC אך עודף של ליתיום וכמויות גבוהות יותר של מנגן מחליפים ניקל וקובלט.הכמויות הגבוהות יותר של ליתיום (כ-20 אחוז יותר) מאפשרות לתרכובות קיבולת גבוהה יותר (Thackeray et al. 2007) ומתח גבוה יותר, וכתוצאה מכך לקתודות עם עד 280 Ah/kg כאשר הם טעונים עד 4.8 V. עם זאת. , התרכובות החדשות הללו מראות בעיות יציבות ונוטות לדעוך מהר.

איזון חומרים בתאים

סוללות ליתיום יון עשויות משכבות של אלקטרודות נקבוביות על גבי רדיד אספן זרם אלומיניום ונחושת (דניאל 2008).יש לאזן את הקיבולת של כל זוג אלקטרודות כדי להבטיח את בטיחות הסוללה ולהימנע מסיכון של טעינת יתר של האנודה (שיכולה לגרום לציפוי מתכת ליתיום וקצר חשמלי) או פריקת יתר של הקתודה (שיכולה לגרום לקריסה של מבנה הגביש). ואובדן מקומות פנויים לליתיום להשתלב מחדש, מה שמפחית באופן דרמטי את הקיבולת).

לגרפיט קיבולת תיאורטית של 372 Ah/kg, כפול מזה של הליתיום הזמין בקתודות NMC.אז בסוללות ליתיום יון מאוזנות, הקתודות בדרך כלל מציגות עובי כפול בהשוואה לאנודה.פגם מובנה זה בתכנון התא גורם לבעיות בהובלת מסה וקינטיקה, ובכך גרם לחיפוש אחר קתודות בעלות קיבולת גבוהה.

כדי להגביר את צפיפות האנרגיה ברמת התא, חומרים לא פעילים ממוזערים בתאי הסוללה.לדוגמה, אחת הדרכים להקטין את קולט הזרם היא להגדיל את עובי האלקטרודות, אך הדבר מניע עוד יותר בעיות תחבורה ודורש נקבוביות מהונדסת ביותר באלקטרודה.

אתגרי עלות בייצור סוללות ליתיום יון

העלויות של סוללות ליתיום יון גבוהות בהרבה ממה ששוק הרכב ישא עבור חדירה מלאה של כלי רכב חשמליים ומוצר נטולי עלות בהשוואה למכוניות המנוהלות על ידי מנועי בעירה פנימית.יעד עלות משרד האנרגיה של ארה"ב עבור כל סוללות הרכב החשמלי הוא $125 לקוט"ש של אנרגיה שמיש (DOE 2013).העלות הנוכחית של סוללות מסחריות היא 400-500 דולר לקוט"ש והעלות החזויה שלהן עם חומרי ניסוי נוכחיים היא 325 דולר לקוט"ש.רוב הפחתת העלויות עד כה הושגה על ידי הגדלת צפיפות האנרגיה בעלות דומה למוצרים מהדור הישן.

הפחתת עלויות נוספת אפשרית באמצעות אופטימיזציה של תוכניות הייצור.סוללות ליתיום יון מיוצרות בסטים של אלקטרודות ולאחר מכן מורכבות בתאים.חומר פעיל מעורבב עם קלסרים פולימריים, תוספים מוליכים וממיסים ליצירת תמיסה אשר מצופה לאחר מכן על רדיד אספן זרם ומייבשת כדי להסיר את הממס וליצור ציפוי אלקטרודה נקבובי.הממס המועדף, N-methylpyrrolidone (NMP), נחשב לממס חומר עקיף (הוא נחוץ לייצור אך אינו כלול במכשיר הסופי), אך הוא יקר, מציג אדים דליקים ורעיל מאוד.

האדים הדליקים של NMP דורשים שכל ציוד העיבוד במהלך ייצור האלקטרודות יהיה חסין פיצוץ, כלומר כל הרכיבים החשמליים המייצרים ניצוצות צריכים להיות מוגנים מהאדים והחללים צריכים להיות מאווררים היטב כדי לשמור על ריכוזי אדים נמוכים.אמצעים אלה מייקרים את עלות ההון של ציוד כזה במידה ניכרת.

בנוסף, המפעל לייצור האלקטרודות נדרש ללכוד מחדש את הממס מזרם הפליטה שלו, לזקק אותו ולמחזר אותו.זו שוב עלות נוספת.

הפחתת עלויות על ידי עיבוד על בסיס מים

החלפת NMP במים היא הזדמנות אדירה להוזיל עלויות בייצור סוללות ליתיום יון.עלות המים זניחה בהשוואה לזו של NMP;מים אינם דליקים ואינם מייצרים אדים דליקים;והמים טובים לסביבה.עם זאת, מים הם ממס קוטבי והתנהגותם שונה לחלוטין מזו של ה-NMP הלא קוטבי.יתר על כן, חומרים פעילים נוטים להצטבר ומשטחי קולט זרם מתכת הינם הידרופוביים, מה שמקשה על תהליך הציפוי.

הידע של מטענים פני השטח על חלקיקים (על ידי מדידת פוטנציאל זיטה) מאפשר עיצוב קוטביות פני השטח בנוכחות מים על ידי החדרת כמויות קטנות של חומרים פעילי שטח.במקרה של תרכובות אינטרקלציה של קתודה, נעשה שימוש מוצלח בפוליאתילן אימיד להחדרת מטען פני השטח גדול מספיק כדי להדוף חלקיקים כך שלא יווצרו אגרופים בלתי קבילים (Li et al. 2013).

הבנת אנרגיית פני השטח של מתכות ומתח הפנים של התרחיץ כמו גם האינטראקציה ביניהן מאפשרת אופטימיזציה של הזוג.טיפול בפלזמה אטמוספרית של פני המתכת באמצעות חשיפה לפלזמה קורונה מסיר תרכובות אורגניות על פני השטח ומאפשר חריטה קלה וחמצון, מה שמפחית באופן דרמטי את אנרגיית פני השטח לערכים מתחת למתח הפנים של התרחיץ.זה מאפשר הרטבה מושלמת של פני השטח על ידי התרחיץ ויוצר ציפוי עם הידבקות מיטבית (Li et al. 2012).התוצאה היא הפחתה של 75 אחוז בעלויות התפעול והחומרים בייצור האלקטרודות והפחתת עלות פוטנציאלית של עד 20 אחוז ברמת ערכת הסוללות עבור יישומי רכב (Wood et al. 2014).זה לא כולל את עלות הציוד הנמוכה יותר: ההוצאות הכרוכות בציוד לעיבוד פלזמה נמוכות בהרבה מאלו של מערכת שחזור הממס והדרישה להגנה מפני פיצוץ.

הזדמנויות עתידיות להפחתת עלויות

הפחתת עלויות נוספת תושג באמצעות ידע רב יותר של מנגנוני הובלה והשלכות ארכיטקטורת אלקטרודות על ביצועים אלקטרוכימיים.המחקר הנוכחי מתמקד במידה רבה במודלים ובסימולציה כדי להבין מנגנונים מולקולריים ולשפר את העיצוב של אלקטרודות, ערימות אלקטרודות ותאי סוללה.אלקטרודות עבות יותר והפחתה אדירה בחומרים לא פעילים ישפרו את צפיפות האנרגיה בעלות נמוכה יותר, יפחיתו עלויות ישירות, ואולי יאפשרו רכיבה קצרה בהרבה ופחות אינטנסיבית באנרגיה.

סיכום

לסוללות ליתיום יון יש פוטנציאל אדיר לאפשר חשמול חלקי עד מלא של צי הרכב, גיוון מקורות אנרגיה לתחבורה ותמיכה באחסון אנרגיה בקנה מידה גדול לחדירה גבוהה יותר של אספקת אנרגיה מתחדשת לסירוגין.עם זאת, העלות ממשיכה להוות בעיה וצריך לטפל בה על ידי פיתוח שרשרת אספקה ​​איתנה, סטנדרטים בייצור, תפוקה גבוהה של ייצור ושיטות עיבוד בעלות נמוכה.בנוסף להפחתת עלויות, מחקר יכול לשפר את הידע של תהליכים מולקולריים ונושאי תחבורה על מנת לייעל את התכנון והשימוש באנרגיה זמינה בסוללות ולהגדיל את זמן חייהן.

כפי שמוצג במאמר זה, עלייה בתכולת האנרגיה ובקיבולת בחומרי האלקטרודה הפעילים והפחתה של חומרים עקיפים בייצור הן שתי דרכים להשפיע על העלות.

תודות

חלקים ממחקר זה במעבדה הלאומית של Oak Ridge (ORNL; מנוהלת על ידי UT Battelle, LLC) עבור משרד האנרגיה של ארה"ב (תחת חוזה DE-AC05-00OR22725) נתמכו על ידי המשרד ליעילות אנרגיה ואנרגיה מתחדשת (EERE) טכנולוגיות רכב. תוכנית המשנה של Office (VTO) Applied Battery Research (ABR) (מנהלי תוכנית: פיטר פאגי ודיוויד האוול).המחבר מכיר בדיונים פוריים רבים עם ותרומתם של דיוויד ווד, ג'יאנלין לי ודבסיס מוהנטי ממתקן המו"פ לייצור סוללות של DOE ב-ORNL ובת' ארמסטרונג בחטיבת המדע והטכנולוגיה של החומרים של ORNL.

מקור המאמר: גשר האביב: מגבולות ההנדסה והלאה