ლითიუმის იონური ბატარეები და მათი წარმოების გამოწვევები

ლითიუმის იონური ბატარეები არიან წარმოებული ელექტროდების კომპლექტებში და შემდეგ იკრიბებიან უჯრედებში.აქტიურ მასალას ურევენ პოლიმერულ შემკვრელებს, გამტარ დანამატებს და გამხსნელებს, რათა წარმოიქმნას შლამი, რომელიც შემდეგ დაფარულია მიმდინარე კოლექტორის ფოლგაზე და გაშრება გამხსნელის მოსაშორებლად და ელექტროდის ფოროვანი საფარის შესაქმნელად.

არ არსებობს ერთი ლითიუმ-იონური ბატარეა.ხელმისაწვდომი მასალებისა და ელექტროქიმიური წყვილების მრავალფეროვნებით, შესაძლებელია ბატარეის უჯრედების დაპროექტება მათი აპლიკაციებისთვის სპეციფიკური ძაბვის, დატენვის მდგომარეობის, სიცოცხლის საჭიროებების და უსაფრთხოების თვალსაზრისით.სპეციფიკური ელექტროქიმიური წყვილების შერჩევა ასევე ხელს უწყობს სიმძლავრის და ენერგიის კოეფიციენტების და ხელმისაწვდომი ენერგიის დიზაინს.

დიდი ფორმატის უჯრედში ინტეგრაცია მოითხოვს ოპტიმიზირებული roll-to-roll ელექტროდის წარმოებას და აქტიური მასალების გამოყენებას.ელექტროდები დაფარულია ლითონის დენის კოლექტორის ფოლგაზე აქტიური მასალის, შემკვრელების და გამტარ დანამატების კომპოზიტური სტრუქტურით, რაც მოითხოვს კოლოიდური ქიმიის ფრთხილად კონტროლს, ადჰეზიას და გამაგრებას.მაგრამ დამატებული არააქტიური მასალები და უჯრედის შეფუთვა ამცირებს ენერგიის სიმკვრივეს.უფრო მეტიც, ელექტროდში ფორიანობისა და დატკეპნის ხარისხმა შეიძლება გავლენა მოახდინოს ბატარეის მუშაობაზე.

მასალების ამ გამოწვევების გარდა, ღირებულება მნიშვნელოვანი ბარიერია ამ ტექნოლოგიის ფართო გამოყენებისთვის.მიმდინარეობს გზების შესწავლა ბატარეების მოსატანად კომერციულად ხელმისაწვდომი 100 Wh/kg და 200 Wh/L $500/kWh-დან 250 Wh/kg-მდე და 400 Wh/L-მდე მხოლოდ $125/kWh.

ლითიუმის იონური ბატარეების საფუძვლები

ლითიუმის იონური ბატარეა შესაძლებელი გახდა ლითიუმის კობალტის ოქსიდის აღმოჩენით (LiCoO ₂ ), რაც საშუალებას იძლევა ლითიუმის იონების მოპოვება და დიდი რაოდენობით ვაკანსიების შექმნა (კრისტალების ცვლილების გარეშე) არსებული იონების ნახევრის მოცილებამდე.LiCoO-ს დაწყვილება ₂ გრაფიტით საშუალებას იძლევა ლითიუმის იონების ჩარევა გრაფენის ფენებს შორის, რომლებიც იკავებენ ინტერსტიციულ ადგილს ნახშირბადის ატომების ყოველ ექვსკუთხა რგოლს შორის (Besenhard and Schöllhorn 1976; Mizushima et al. 1980; Whittingham 1976).

ლითიუმის იონები დამუხტვის დროს მიემართება დადებითი ელექტროდიდან (კათოდი) მყარი ან თხევადი ელექტროლიტის მეშვეობით უარყოფით ელექტროდამდე (ანოდი) და, გამონადენის დროს, საპირისპირო მიმართულებით.თითოეულ ელექტროდზე, იონი ან ინარჩუნებს თავის მუხტს და ერევა კრისტალურ სტრუქტურაში, რომელიც იკავებს ინტერსტიციულ ადგილებს არსებულ კრისტალებში ანოდის მხარეს, ან ხელახლა იკავებს ვაკანტურ ადგილს კათოდში, რომელიც ჩამოყალიბდა, როდესაც ლითიუმის იონი ტოვებდა კრისტალს.იონის გადაცემისას მასპინძელი მატრიცა მცირდება ან იჟანგება, რაც ათავისუფლებს ან იჭერს ელექტრონს. ¹

კათოდური მასალების მრავალფეროვნება

ახალი კათოდური მასალების ძიება ნაწილობრივ გამოწვეულია LiCoO-ს მნიშვნელოვანი უარყოფითი მხარეებით ₂ .ბატარეას აქვს ბირთვის ტემპერატურა 40-70°C და შეიძლება იყოს მგრძნობიარე ზოგიერთი დაბალი ტემპერატურის რეაქციების მიმართ.მაგრამ 105–135°C ტემპერატურაზე ის ძალიან რეაქტიულია და ჟანგბადის შესანიშნავი წყაროა უსაფრთხოების საფრთხისთვის, რომელსაც ე.წ. თერმული გაქცევის რეაქცია , რომელშიც უაღრესად ეგზოთერმული რეაქციები ქმნის ტემპერატურის მწვერვალებს და სწრაფად აჩქარებს დამატებითი სითბოს გამოყოფით (Roth 2000).

LiCoO-ს შემცვლელი მასალები ₂ ნაკლებად არიან მიდრეკილნი ამ წარუმატებლობისკენ.ნაერთები ცვლის კობალტის ნაწილებს ნიკელით და მანგანუმით, რათა წარმოქმნან Li(Ni _x მნ _წ Co _ზ ) ო ₂ ნაერთები (ერთად x + წ + ზ = 1), ხშირად მოიხსენიება როგორც NMC, რადგან ისინი შეიცავს ნიკელს, მანგანუმს და კობალტს;ან ისინი აჩვენებენ სრულიად ახალ სტრუქტურას ფოსფატების სახით (მაგ. LiFePO ₄ ) (დანიელი და სხვ. 2014 წ.).ყველა ეს კათოდური მასალა ავლენს სიმძლავრეს 120-160 Ah/kg დიაპაზონში 3.5-3.7 V, რაც იწვევს ენერგიის მაქსიმალურ სიმკვრივეს 600 Wh/kg-მდე.

თუმცა რეალურ მოწყობილობებში შეფუთვისას ემატება ბევრი არააქტიური მასალის მასა და ენერგიის სიმკვრივე შეფუთვის დონეზე იკლებს 100 Wh/kg-მდე.უფრო მაღალი ენერგიის სიმკვრივის მისაღწევად, მკვლევარებმა მოიძიეს უფრო მაღალი სიმძლავრე და უფრო მაღალი ძაბვა და იპოვეს ისინი ლითიუმით და მანგანუმით მდიდარ გარდამავალი ლითონის ოქსიდებში.ეს ნაერთები არსებითად იგივე მასალებია, როგორც NMC, მაგრამ ლითიუმის ჭარბი რაოდენობა და მანგანუმის უფრო მეტი რაოდენობა ცვლის ნიკელს და კობალტს.ლითიუმის უფრო მაღალი რაოდენობა (20 პროცენტით მეტი) საშუალებას აძლევს ნაერთებს ჰქონდეთ უფრო მაღალი სიმძლავრე (Thackeray et al. 2007) და უფრო მაღალი ძაბვა, რაც იწვევს კათოდებს 280 აჰ/კგ-მდე 4,8 ვ-მდე დამუხტვისას. თუმცა. , ეს ახალი ნაერთები აჩვენებენ სტაბილურობის პრობლემებს და სწრაფად ქრებიან.

მასალების დაბალანსება უჯრედებში

ლითიუმ-იონური ბატარეები დამზადებულია ფოროვანი ელექტროდების ფენებისგან ალუმინის და სპილენძის დენის კოლექციონერის ფოლგაზე (დანიელი 2008).თითოეული ელექტროდის წყვილის სიმძლავრე უნდა იყოს დაბალანსებული, რათა უზრუნველყოს ბატარეის უსაფრთხოება და თავიდან იქნას აცილებული ანოდის გადატვირთვის რისკი (რაც შეიძლება გამოიწვიოს ლითიუმის ლითონის მოპირკეთება და მოკლე ჩართვა) ან კათოდის გადატვირთვა (რაც შეიძლება გამოიწვიოს კრისტალური სტრუქტურის კოლაფსი). და ლითიუმის ვაკანსიების დაკარგვა რეინტერკალაციისთვის, რაც მკვეთრად ამცირებს სიმძლავრეს).

გრაფიტს აქვს თეორიული სიმძლავრე 372 აჰ/კგ, რაც ორჯერ აღემატება NMC კათოდებში არსებულ ლითიუმს.ასე რომ, დაბალანსებულ ლითიუმის იონურ ბატარეებში, კათოდები ჩვეულებრივ აჩვენებენ ორმაგ სისქეს ანოდთან შედარებით.უჯრედის დიზაინის ეს თანდაყოლილი ხარვეზი იწვევს მასის ტრანსპორტირებასთან და კინეტიკასთან დაკავშირებულ პრობლემებს და ამით აიძულა მაღალი ტევადობის კათოდების ძიება.

უჯრედის დონის ენერგეტიკული სიმკვრივის გაზრდის მიზნით, ბატარეის უჯრედებში არააქტიური მასალები მინიმუმამდეა დაყვანილი.მაგალითად, დენის კოლექტორის შემცირების ერთ-ერთი გზაა ელექტროდების სისქის გაზრდა, მაგრამ ეს კიდევ უფრო იწვევს ტრანსპორტის პრობლემებს და მოითხოვს ელექტროდში მაღალტექნოლოგიურ ფორიანობას.

ფასის გამოწვევები ლითიუმ-იონური ბატარეების წარმოებაში

ლითიუმ-იონური ბატარეების ხარჯები გაცილებით მაღალია, ვიდრე საავტომობილო ბაზარი ეკისრება ელექტრომობილების სრულ შეღწევას და ხარჯების ნეიტრალურ პროდუქტს შიდა წვის ძრავებით მომუშავე მანქანებთან შედარებით.აშშ-ს ენერგეტიკის დეპარტამენტის სამიზნე ღირებულება ყველა ელექტრომობილის ბატარეისთვის არის $125/კვტ/სთ გამოსაყენებელი ენერგია (DOE 2013).კომერციული ბატარეების ამჟამინდელი ღირებულებაა $400–500/kWh და მათი სავარაუდო ღირებულება მიმდინარე ექსპერიმენტული მასალებით არის $325/kWh.აქამდე ღირებულების შემცირების უმეტესი ნაწილი მიღწეულია ენერგიის სიმკვრივის ზრდით ძველი თაობის პროდუქტების მსგავსი ღირებულებით.

ღირებულების შემდგომი შემცირება შესაძლებელია წარმოების სქემების ოპტიმიზაციის გზით.ლითიუმის იონური ბატარეები იწარმოება ელექტროდების კომპლექტებში და შემდეგ იკრიბება უჯრედებში.აქტიურ მასალას ურევენ პოლიმერულ შემკვრელებს, გამტარ დანამატებს და გამხსნელებს, რათა წარმოიქმნას შლამი, რომელიც შემდეგ დაფარულია მიმდინარე კოლექტორის ფოლგაზე და გაშრება გამხსნელის მოსაშორებლად და ელექტროდის ფოროვანი საფარის შესაქმნელად.არჩეული გამხსნელი, N-მეთილპიროლიდონი (NMP), ითვლება არაპირდაპირი მასალა (ეს საჭიროა წარმოებისთვის, მაგრამ არ შეიცავს საბოლოო მოწყობილობას), მაგრამ ძვირია, ავლენს აალებადი ორთქლებს და ძალიან ტოქსიკურია.

NMP-ის აალებადი ორთქლი მოითხოვს, რომ ელექტროდების წარმოების დროს ყველა გადამამუშავებელი მოწყობილობა იყოს აფეთქებაგამძლე, რაც ნიშნავს, რომ ნაპერწკლების გამომწვევი ყველა ელექტრო კომპონენტი უნდა იყოს დაცული ორთქლისაგან და სივრცეები უნდა იყოს მაღალი ვენტილაცია, რათა ორთქლის კონცენტრაცია დაბალი იყოს.ეს ზომები მნიშვნელოვნად ზრდის ასეთი აღჭურვილობის კაპიტალურ ღირებულებას.

გარდა ამისა, ელექტროდების მწარმოებელ ქარხანას მოეთხოვება გამხსნელის ხელახლა აღება მისი გამონაბოლქვი ნაკადიდან, გამოხდილი და გადამუშავება.ეს ისევ დამატებითი ღირებულებაა.

ხარჯების შემცირება წყალზე დაფუძნებული დამუშავებით

NMP-ის წყლით ჩანაცვლება არის უზარმაზარი შესაძლებლობა ლითიუმ-იონური ბატარეების წარმოების ხარჯების შესამცირებლად.წყლის ღირებულება უმნიშვნელოა NMP-თან შედარებით;წყალი არ არის აალებადი და არ წარმოქმნის აალებადი ორთქლს;და წყალი ეკოლოგიურად სუფთაა.თუმცა, წყალი არის პოლარული გამხსნელი და მისი ქცევა სრულიად განსხვავდება არაპოლარული NMP-ისგან.გარდა ამისა, აქტიური მასალები მიდრეკილია აგლომერაციისკენ და ლითონის დენის კოლექტორის ზედაპირები ჰიდროფობიურია, რაც ართულებს საფარის პროცესს.

ნაწილაკებზე ზედაპირული მუხტების ცოდნა (ზეტა პოტენციალის გაზომვით) საშუალებას გაძლევთ შექმნათ ზედაპირის პოლარობა წყლის თანდასწრებით, ზედაპირული აქტიური ნივთიერებების მცირე რაოდენობით შეყვანის გზით.კათოდური ინტერკალაციის ნაერთების შემთხვევაში, პოლიეთილენის იმიდი წარმატებით იქნა გამოყენებული ნაწილაკების მოსაგერიებლად საკმარისად დიდი ზედაპირული მუხტის დასანერგად, რათა მათ არ წარმოქმნან მიუღებელი აგლომერატები (Li et al. 2013).

ლითონების ზედაპირის ენერგიისა და შლაპის ზედაპირული დაძაბულობის გაგება, ისევე როგორც მათი ურთიერთქმედება, საშუალებას იძლევა წყვილის ოპტიმიზაცია.ლითონის ზედაპირის ატმოსფერული პლაზმური დამუშავება კორონა პლაზმის ზემოქმედების გზით აშორებს ორგანულ ნაერთებს ზედაპირზე და იძლევა მსუბუქ ამოკვეთას და დაჟანგვას, რაც მკვეთრად ამცირებს ზედაპირულ ენერგიას ნალექის ზედაპირული დაძაბულობის ქვემოთ მნიშვნელობებამდე.ეს საშუალებას იძლევა ზედაპირის სრულყოფილად დატენიანება შლამით და ქმნის საფარს ოპტიმიზებული ადჰეზიით (Li et al. 2012).შედეგი არის 75 პროცენტით ოპერაციული და მასალების ღირებულების შემცირება ელექტროდის წარმოებაში და პოტენციური ღირებულების შემცირება 20 პროცენტამდე ბატარეის პაკეტის დონეზე საავტომობილო აპლიკაციებისთვის (Wood et al. 2014).ეს არ მოიცავს აღჭურვილობის დაბალ ღირებულებას: პლაზმის გადამამუშავებელ მოწყობილობასთან დაკავშირებული ხარჯები გაცილებით დაბალია, ვიდრე გამხსნელების აღდგენის სისტემისა და აფეთქების საწინააღმდეგო მოთხოვნა.

ხარჯების შემცირების მომავალი შესაძლებლობები

შემდგომი ხარჯების შემცირება მიიღწევა სატრანსპორტო მექანიზმების და ელექტროდის არქიტექტურის ზეგავლენის მეტი ცოდნით ელექტროქიმიურ მუშაობაზე.მიმდინარე კვლევა ძირითადად ორიენტირებულია მოდელირებასა და სიმულაციაზე მოლეკულური მექანიზმების გასაგებად და ელექტროდების, ელექტროდების წყობისა და ბატარეის უჯრედების დიზაინის გასაუმჯობესებლად.სქელი ელექტროდები და არააქტიური მასალების უზარმაზარი შემცირება გააუმჯობესებს ენერგიის სიმკვრივეს დაბალ ფასად, შეამცირებს პირდაპირ ხარჯებს და, შესაძლოა, საშუალებას მისცემს ბევრად უფრო მოკლე და ნაკლებ ენერგიაზე ინტენსიური ბატარეის ფორმირებას.

დასკვნა

ლითიუმის იონურ ბატარეებს აქვთ უზარმაზარი პოტენციალი საავტომობილო ფლოტის ნაწილობრივ ან სრულ ელექტროფიკაციაში, ტრანსპორტირებისთვის ენერგიის წყაროების დივერსიფიკაციისა და ენერგიის ფართომასშტაბიანი შენახვის მხარდასაჭერად განახლებადი ენერგიის წყვეტილი მიწოდების უფრო მაღალი შეღწევისთვის.თუმცა, ღირებულება კვლავ პრობლემად რჩება და მისი გადაწყვეტა საჭირო იქნება მიწოდების ძლიერი ჯაჭვის შემუშავებით, წარმოებაში სტანდარტებით, წარმოების მაღალი გამტარუნარიანობით და დაბალფასიანი დამუშავების მეთოდებით.ხარჯების შემცირების გარდა, კვლევამ შეიძლება გააძლიეროს ცოდნა მოლეკულური პროცესებისა და ტრანსპორტის საკითხების შესახებ, რათა მოხდეს ბატარეებში არსებული ენერგიის დიზაინისა და გამოყენების ოპტიმიზაცია და გაზარდოს მათი სიცოცხლის ხანგრძლივობა.

როგორც ამ ნაშრომშია ნაჩვენები, ენერგიის შემცველობისა და სიმძლავრის ზრდა აქტიურ ელექტროდულ მასალებში და არაპირდაპირი მასალების შემცირება წარმოებაში არის ორი გზა, რომ გავლენა მოახდინოს ღირებულებაზე.

მადლიერებები

ამ კვლევის ნაწილები Oak Ridge National Laboratory-ში (ORNL; მართულია UT Battelle, LLC) აშშ-ს ენერგეტიკის დეპარტამენტისთვის (ხელშეკრულებით DE-AC05-00OR22725) დაფინანსებული იყო ენერგოეფექტურობისა და განახლებადი ენერგიის ოფისის (EERE) Vehicle Technologies. Office (VTO) Applied Battery Research (ABR) ქვეპროგრამა (პროგრამის მენეჯერები: პიტერ ფაგუი და დევიდ ჰოუელი).ავტორი აღიარებს ბევრ ნაყოფიერ დისკუსიას და წვლილს დევიდ ვუდთან, ჯიანლინ ლისთან და დებაშიშ მოჰანტისთან DOE Battery Manufacturing R&D Facility-დან ORNL-ში და ბეთ არმსტრონგთან ORNL-ის მასალების მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების განყოფილებაში.

სტატიის წყარო:გაზაფხულის ხიდი: ინჟინერიის საზღვრებიდან და მის ფარგლებს გარეთ