Ličio jonų baterijos ir jų gamybos iššūkiai

Ličio jonų baterijos yra gaminami elektrodų rinkiniuose, o po to surenkami ląstelėse.Aktyvi medžiaga sumaišoma su polimeriniais rišikliais, laidžiais priedais ir tirpikliais, kad susidarytų suspensija, kuri vėliau padengiama srovės kolektoriaus folija ir džiovinama, kad būtų pašalintas tirpiklis ir susidarytų porėta elektrodo danga.

Nėra vienos ličio jonų baterijos.Dėl įvairių medžiagų ir elektrocheminių porų galima suprojektuoti baterijų elementus, būdingus jų pritaikymui, atsižvelgiant į įtampą, įkrovimo būseną, eksploatavimo poreikius ir saugumą.Konkrečių elektrocheminių porų pasirinkimas taip pat palengvina galios ir energijos santykio bei turimos energijos projektavimą.

Norint integruoti į didelio formato elementą, reikia optimizuoti elektrodų gamybą ir naudoti aktyviąsias medžiagas.Elektrodai yra padengti ant metalinės srovės kolektoriaus folijos sudėtinėje veikliosios medžiagos, rišiklių ir laidžių priedų struktūroje, todėl reikia atidžiai kontroliuoti koloidinę chemiją, sukibimą ir kietėjimą.Tačiau pridėtos neaktyvios medžiagos ir ląstelių pakuotė sumažina energijos tankį.Be to, elektrodo poringumas ir sutankinimas gali turėti įtakos akumuliatoriaus veikimui.

Be šių medžiagų iššūkių, didelė kliūtis plačiai taikyti šią technologiją yra kaina.Nagrinėjami būdai, kaip parduoti baterijas nuo 100 Wh/kg ir 200 Wh/L po 500 Wh/kWh iki 250 Wh/kg ir 400 Wh/l tik už 125 Wh/kWh.

Ličio jonų baterijų pagrindai

Ličio jonų baterija tapo įmanoma atradus ličio kobalto oksidą (LiCoO ₂ ), leidžianti išgauti ličio jonus ir sukurti didelį kiekį laisvų darbo vietų (be kristalų pasikeitimo) iki pusės esamų jonų pašalinimo.LiCoO poravimas ₂ su grafitu leidžia įsiterpti ličio jonams tarp grafeno sluoksnių, kurie užima tarpinę vietą tarp kiekvieno šešiakampio anglies atomų žiedo (Besenhard ir Schöllhorn 1976; Mizushima ir kt. 1980; Whittingham 1976).

Įkrovimo metu ličio jonai keliauja iš teigiamo elektrodo (katodo) per kietą arba skystą elektrolitą į neigiamą elektrodą (anodą), o iškrovimo metu – priešinga kryptimi.Kiekviename elektrode jonas arba išlaiko savo krūvį ir įsiterpia į kristalų struktūrą, užimančias tarpines vietas esamuose kristaluose anodo pusėje, arba vėl užima laisvą vietą katode, susidariusioje, kai ličio jonas paliko kristalą.Perkeliant joną, šeimininko matrica redukuojasi arba oksiduojasi, o tai atpalaiduoja arba pagauna elektroną. ¹

Katodinių medžiagų įvairovė

Naujų katodinių medžiagų paiešką iš dalies lemia svarbūs LiCoO trūkumai ₂ .Akumuliatoriaus šerdies temperatūra yra 40–70 °C ir gali būti jautri kai kurioms žemos temperatūros reakcijoms.Tačiau esant 105–135 °C temperatūrai, jis yra labai reaktyvus ir puikus deguonies šaltinis saugumui, vadinamam terminė pabėgimo reakcija , kurioje labai egzoterminės reakcijos sukuria temperatūros šuolius ir greitai įsibėgėja, išsiskiriant papildomai šilumai (Roth 2000).

LiCoO pakaitinės medžiagos ₂ yra mažiau linkę į tą nesėkmę.Junginiai pakeičia dalis kobalto nikeliu ir manganu, kad susidarytų Li (Ni _x Mn _y Co _z )O ₂ junginiai (su x + y + z = 1), dažnai vadinami NMC, nes juose yra nikelio, mangano ir kobalto;arba jie turi visiškai naują struktūrą fosfatų pavidalu (pvz., LiFePO ₄ ) (Daniel ir kt., 2014).Visų šių katodinių medžiagų našumas yra 120–160 Ah/kg esant 3,5–3,7 V įtampai, todėl maksimalus energijos tankis yra iki 600 Wh/kg.

Tačiau supakavus į tikrus įrenginius, pridedama daug neaktyvios medžiagos masės, o energijos tankis pakuotės lygmenyje linkęs nukristi iki 100 Wh/kg.Siekdami didesnio energijos tankio, mokslininkai siekė didesnio pajėgumo ir didesnės įtampos – ir rado juos pereinamųjų metalų oksiduose, kuriuose gausu ličio ir mangano.Šie junginiai iš esmės yra tos pačios medžiagos kaip ir NMC, tačiau nikelį ir kobaltą pakeičia ličio perteklius ir didesnis mangano kiekis.Didesni ličio kiekiai (net 20 proc. daugiau) leidžia junginiams turėti didesnę talpą (Thackeray ir kt., 2007) ir įtampą, todėl katodai, įkraunant iki 4,8 V, pasiekia 280 Ah/kg. , šie nauji junginiai turi stabilumo problemų ir greitai išnyksta.

Medžiagų balansavimas ląstelėse

Ličio jonų baterijos yra pagamintos iš akytų elektrodų sluoksnių ant aliuminio ir vario srovės kolektoriaus folijos (Daniel 2008).Kiekvienos elektrodų poros talpa turi būti subalansuota, kad būtų užtikrintas akumuliatoriaus saugumas ir išvengta anodo perkrovimo (dėl to gali atsirasti ličio metalo dengimas ir trumpasis jungimas) arba per didelio katodo iškrovimo (dėl to gali sugriūti kristalinė struktūra). ir laisvų darbo vietų praradimas ličiui, kad jis vėl įsiterptų, o tai labai sumažina pajėgumą).

Teorinė grafito talpa yra 372 Ah/kg, dvigubai didesnė nei turimo ličio NMC katoduose.Taigi subalansuotose ličio jonų baterijose katodai paprastai yra dvigubai didesni nei anodas.Šis neatskiriamas elemento konstrukcijos trūkumas sukelia masės pernešimo ir kinetikos problemų, todėl paskatino ieškoti didelės talpos katodų.

Siekiant padidinti elementų lygio energijos tankį, baterijų elementuose sumažinamas neaktyvių medžiagų kiekis.Pavyzdžiui, vienas iš būdų sumažinti srovės kolektorių yra padidinti elektrodų storį, tačiau tai dar labiau padidina transportavimo problemas ir reikalauja labai suprojektuoto elektrodo poringumo.

Išlaidų iššūkiai gaminant ličio jonų baterijas

Ličio jonų baterijų sąnaudos yra daug didesnės nei automobilių rinka, kad visiškai įsiskverbtų į elektromobilius ir būtų ekonomiškai neutralus produktas, palyginti su automobiliais, varomais vidaus degimo varikliais.JAV Energetikos departamento visų elektrinių transporto priemonių akumuliatorių sąnaudų tikslas yra 125 USD už kWh naudingos energijos (DOE 2013).Dabartinė komercinių baterijų kaina yra 400–500 USD / kWh, o numatoma jų kaina, naudojant dabartines eksperimentines medžiagas, yra 325 USD / kWh.Iki šiol didžioji dalis sąnaudų sumažinimo buvo pasiekta padidinus energijos tankį panašiomis sąnaudomis kaip ir senesnės kartos gaminiams.

Optimizavus gamybos schemas galima sumažinti išlaidas.Ličio jonų baterijos gaminamos elektrodų rinkiniuose ir surenkamos į elementus.Aktyvi medžiaga sumaišoma su polimeriniais rišikliais, laidžiais priedais ir tirpikliais, kad susidarytų suspensija, kuri vėliau padengiama srovės kolektoriaus folija ir džiovinama, kad būtų pašalintas tirpiklis ir susidarytų porėta elektrodo danga.Pasirinktas tirpiklis N-metilpirolidonas (NMP) laikomas netiesioginė medžiaga (jis reikalingas gamybai, bet jo nėra galutiniame įrenginyje), tačiau jis yra brangus, turi degių garų ir yra labai toksiškas.

Dėl degių NMP garų, gaminant elektrodus, visa apdorojimo įranga turi būti atspari sprogimui, o tai reiškia, kad visi kibirkštį sukeliantys elektriniai komponentai turi būti apsaugoti nuo garų, o patalpos turi būti gerai vėdinamos, kad garų koncentracija būtų žema.Šios priemonės žymiai padidina tokios įrangos kapitalo sąnaudas.

Be to, elektrodų gamybos įmonė turi surinkti tirpiklį iš išmetamųjų dujų srauto, jį distiliuoti ir perdirbti.Tai vėlgi papildomos išlaidos.

Išlaidų sumažinimas naudojant vandens pagrindu pagamintą apdorojimą

NMP pakeitimas vandeniu yra didžiulė galimybė sumažinti ličio jonų baterijų gamybos sąnaudas.Vandens kaina yra nereikšminga, palyginti su NMP kaina;vanduo nėra degus ir neišskiria degių garų;ir vanduo yra nekenksmingas aplinkai.Tačiau vanduo yra polinis tirpiklis ir jo elgsena visiškai skiriasi nuo nepolinio NMP.Be to, aktyvios medžiagos linkusios aglomeruotis, o metalo srovės kolektoriaus paviršiai yra hidrofobiniai, todėl dengimo procesas tampa sunkesnis.

Žinios apie dalelių paviršiaus krūvius (matuojant zeta potencialą) leidžia suprojektuoti paviršiaus poliškumą, esant vandeniui, įvedant nedidelius paviršinio aktyvumo medžiagų kiekius.Katodinių interkaliacijos junginių atveju polietileno imidas buvo sėkmingai naudojamas įvesti pakankamai didelį paviršiaus krūvį, kad atstumtų daleles, kad jos nesudarytų nepriimtinų aglomeratų (Li ir kt., 2013).

Metalų paviršiaus energijos ir srutos paviršiaus įtempimo bei jų sąveikos supratimas leidžia optimizuoti porą.Atmosferos plazmos apdorojimas metalo paviršiuje, veikiant vainikinės plazmos paviršiui, pašalina organinius junginius ant paviršiaus ir įgalina nedidelį ėsdinimą bei oksidaciją, o tai smarkiai sumažina paviršiaus energiją iki verčių, žemesnių už srutos paviršiaus įtempimą.Tai leidžia puikiai sudrėkinti paviršių srutomis ir sukuria optimizuoto sukibimo dangą (Li ir kt., 2012).Rezultatas – 75 proc. sumažintos eksploatacinės ir medžiagų sąnaudos gaminant elektrodus ir iki 20 procentų galimas baterijų paketo sąnaudos, skirtos automobiliams (Wood ir kt., 2014).Tai neapima mažesnės įrangos kainos: išlaidos, susijusios su plazmos apdorojimo įranga, yra daug mažesnės nei tirpiklių regeneravimo sistemos ir sprogimui atsparaus reikalavimo.

Ateities galimybės sumažinti išlaidas

Tolesnis sąnaudų mažinimas bus pasiektas geriau žinant transportavimo mechanizmus ir elektrodų architektūros poveikį elektrocheminiam veikimui.Dabartiniai tyrimai daugiausia orientuoti į modeliavimą ir modeliavimą, siekiant suprasti molekulinius mechanizmus ir pagerinti elektrodų, elektrodų krūvų ir baterijų elementų dizainą.Storesni elektrodai ir nepaprastai sumažintas neaktyvių medžiagų kiekis pagerins energijos tankį mažesnėmis sąnaudomis, sumažins tiesiogines išlaidas ir galbūt leis daug trumpiau ir mažiau energijos imlią baterijų formavimo ciklą.

Išvada

Ličio jonų baterijos turi didžiulį potencialą iš dalies arba visiškai elektrifikuoti automobilių parką, įvairinti transporto energijos šaltinius ir remti didelio masto energijos kaupimą, kad padidėtų nuolatinio atsinaujinančios energijos tiekimo skverbtis.Tačiau sąnaudos tebėra problema ir jas reikės spręsti kuriant tvirtą tiekimo grandinę, gamybos standartus, didelį gamybos našumą ir supaprastintus nebrangius apdorojimo metodus.Be išlaidų mažinimo, moksliniai tyrimai gali pagerinti žinias apie molekulinius procesus ir transporto problemas, siekiant optimizuoti baterijų energijos projektavimą ir naudojimą bei pailginti jų naudojimo laiką.

Kaip parodyta šiame dokumente, energijos kiekio ir talpos padidėjimas aktyviosiose elektrodų medžiagose ir netiesioginių medžiagų mažinimas gamyboje yra du būdai paveikti išlaidas.

Padėkos

Dalis šio tyrimo Oak Ridge nacionalinėje laboratorijoje (ORNL; valdo UT Battelle, LLC) JAV Energetikos departamentui (pagal sutartį DE-AC05-00OR22725) rėmė Energijos efektyvumo ir atsinaujinančios energijos (EERE) transporto priemonių technologijų biuras. Biuro (VTO) taikomųjų baterijų tyrimų (ABR) paprogramė (programos vadovai: Peter Faguy ir David Howell).Autorius pripažįsta daug vaisingų diskusijų su David Wood, Jianlin Li ir Debasish Mohanty iš DOE baterijų gamybos tyrimų ir plėtros padalinio ORNL ir Beth Armstrong iš ORNL medžiagų mokslo ir technologijų skyriaus bei jų indėlių.

Straipsnio šaltinis: Pavasario tiltas: Iš inžinerijos sienų ir už jos ribų