Litija jonu akumulatori un to ražošanas izaicinājumi

Litija jonu akumulatori ir ražots elektrodu komplektos un pēc tam samontēti šūnās.Aktīvo materiālu sajauc ar polimēru saistvielām, vadošām piedevām un šķīdinātājiem, lai izveidotu vircu, ko pēc tam pārklāj uz strāvas kolektora folijas un žāvē, lai noņemtu šķīdinātāju un izveidotu porainu elektrodu pārklājumu.

Nav neviena litija jonu akumulatora.Izmantojot dažādus pieejamos materiālus un elektroķīmiskos pārus, ir iespējams izstrādāt akumulatoru elementus, kas ir specifiski to pielietojumam attiecībā uz spriegumu, uzlādes stāvokli, mūža vajadzībām un drošību.Konkrētu elektroķīmisko pāru izvēle atvieglo arī jaudas un enerģijas attiecību un pieejamās enerģijas projektēšanu.

Integrācijai liela formāta šūnā ir nepieciešama optimizēta ruļļa uz ruļļa elektrodu ražošana un aktīvo materiālu izmantošana.Elektrodi ir pārklāti uz metāla strāvas kolektora folijas aktīvā materiāla, saistvielu un vadošu piedevu saliktā struktūrā, kas prasa rūpīgu koloidālās ķīmijas, adhēzijas un sacietēšanas kontroli.Taču pievienotie neaktīvie materiāli un šūnu iepakojums samazina enerģijas blīvumu.Turklāt porainības pakāpe un elektroda blīvējums var ietekmēt akumulatora darbību.

Papildus šīm materiālu problēmām izmaksas ir būtisks šķērslis šīs tehnoloģijas plašai ieviešanai.Tiek pētīti veidi, kā akumulatorus no komerciāli pieejamās 100 Wh/kg un 200 Wh/L ar 500 Wh/kWh līdz 250 Wh/kg un 400 Wh/l tikai par 125 Wh/kWh.

Litija jonu akumulatoru pamati

Litija jonu akumulators kļuva iespējams, atklājot litija kobalta oksīdu (LiCoO ₂ ), kas ļauj iegūt litija jonus un radīt lielu daudzumu vakanču (bez kristāla maiņas) līdz pat pusei no esošajiem joniem.LiCoO savienošana pārī ₂ ar grafītu ļauj interkalēt litija jonus starp grafēna slāņiem, kas aizņem intersticiālu vietu starp katru oglekļa atomu sešstūra gredzenu (Besenhard un Schöllhorn 1976; Mizushima et al. 1980; Whittingham 1976).

Litija joni uzlādes laikā pārvietojas no pozitīvā elektroda (katoda) caur cietu vai šķidru elektrolītu uz negatīvo elektrodu (anodu) un izlādes laikā pretējā virzienā.Pie katra elektroda jons vai nu saglabā savu lādiņu un iekļaujas kristāla struktūrā, aizņemot intersticiālas vietas esošajos kristālos anoda pusē, vai arī atkal aizņem brīvu vietu katodā, kas izveidojās, kad litija jons atstāja šo kristālu.Pārnesot jonu, saimnieka matrica tiek reducēta vai oksidēta, kas atbrīvo vai uztver elektronu. ¹

Katoda materiālu daudzveidība

Jaunu katoda materiālu meklēšanu daļēji veicina būtiski LiCoO trūkumi ₂ .Akumulatora iekšējā temperatūra ir 40–70°C, un tā var būt jutīga pret dažām zemas temperatūras reakcijām.Bet 105–135°C temperatūrā tas ir ļoti reaģējošs un lielisks skābekļa avots drošības apdraudējumam, ko sauc par termiskā bēgšanas reakcija , kurā ļoti eksotermiskas reakcijas rada temperatūras lēcienus un strauji paātrina, izdalot papildu siltumu (Roth 2000).

LiCoO nomaiņas materiāli ₂ ir mazāk pakļauti šai neveiksmei.Savienojumi aizvieto kobalta daļas ar niķeli un mangānu, veidojot Li (Ni _x Mn _y Co _z )O ₂ savienojumi (ar x + y + z = 1), ko bieži dēvē par NMC, jo tie satur niķeli, mangānu un kobaltu;vai tiem ir pilnīgi jauna struktūra fosfātu veidā (piemēram, LiFePO ₄ ) (Daniel et al. 2014).Šo katoda materiālu jauda ir diapazonā no 120–160 Ah/kg pie 3,5–3,7 V, kā rezultātā maksimālais enerģijas blīvums ir līdz 600 Wh/kg.

Tomēr, iepakojot reālās ierīcēs, tiek pievienota liela neaktīvā materiāla masa, un enerģijas blīvumam ir tendence samazināties līdz 100 Wh/kg iepakojuma līmenī.Lai panāktu lielāku enerģijas blīvumu, pētnieki ir meklējuši lielāku jaudu un augstāku spriegumu un atraduši tos pārejas metālu oksīdos, kas bagāti ar litiju un mangānu.Šie savienojumi būtībā ir tādi paši materiāli kā NMC, bet litija pārpalikums un lielāks mangāna daudzums aizstāj niķeli un kobaltu.Lielāks litija daudzums (pat par 20 procentiem vairāk) ļauj savienojumiem iegūt lielāku jaudu (Thackeray et al. 2007) un augstāku spriegumu, kā rezultātā katodiem ir līdz 280 Ah/kg, kad tie tiek uzlādēti līdz 4,8 V. Tomēr , šiem jaunajiem savienojumiem ir stabilitātes problēmas un tiem ir tendence ātri izbalināt.

Materiālu līdzsvarošana šūnās

Litija jonu akumulatori ir izgatavoti no porainu elektrodu slāņiem uz alumīnija un vara strāvas kolektora folijām (Daniel 2008).Katra elektrodu pāra kapacitāte ir jāsabalansē, lai nodrošinātu akumulatora drošību un izvairītos no anoda pārslodzes (kas var izraisīt litija metāla pārklājumu un īssavienojumu) vai katoda pārmērīgas izlādes (kas var izraisīt kristāla struktūras sabrukšanu). un vakanču zaudēšana litijam, lai tās varētu atkārtoti interkalēties, ievērojami samazinot jaudu).

Grafīta teorētiskā jauda ir 372 Ah/kg, kas ir divreiz lielāka nekā pieejamajam litijam NMC katodos.Tātad līdzsvarotās litija jonu baterijās katodu biezums parasti ir divreiz lielāks nekā anodam.Šis šūnu dizaina raksturīgais trūkums rada problēmas ar masu transportu un kinētiku, un tādējādi pamudināja meklēt lieljaudas katodus.

Lai palielinātu šūnu līmeņa enerģijas blīvumu, akumulatoru elementos tiek samazināti neaktīvie materiāli.Piemēram, viens no veidiem, kā samazināt strāvas kolektoru, ir palielināt elektrodu biezumu, taču tas vēl vairāk rada transporta problēmas un prasa ļoti izstrādātu elektrodu porainību.

Izmaksu problēmas litija jonu akumulatoru ražošanā

Litija jonu akumulatoru izmaksas ir daudz augstākas nekā automobiļu tirgus, lai nodrošinātu pilnīgu elektrisko transportlīdzekļu izplatību un izmaksu ziņā neitrālu produktu, salīdzinot ar automašīnām, kuras darbina iekšdedzes dzinēji.ASV Enerģētikas departamenta izmaksu mērķis visiem elektrisko transportlīdzekļu akumulatoriem ir 125 USD/kWh izmantojamās enerģijas (DOE 2013).Pašreizējās komerciālo akumulatoru izmaksas ir 400–500 USD/kWh, un to prognozētās izmaksas ar pašreizējiem eksperimentālajiem materiāliem ir 325 USD/kWh.Lielākā daļa izmaksu samazinājuma līdz šim ir panākta, palielinot enerģijas blīvumu par līdzīgām izmaksām kā vecākās paaudzes produktiem.

Papildu izmaksu samazināšana ir iespējama, optimizējot ražošanas shēmas.Litija jonu baterijas tiek ražotas elektrodu komplektos un pēc tam saliktas šūnās.Aktīvo materiālu sajauc ar polimēru saistvielām, vadošām piedevām un šķīdinātājiem, lai izveidotu vircu, ko pēc tam pārklāj uz strāvas kolektora folijas un žāvē, lai noņemtu šķīdinātāju un izveidotu porainu elektrodu pārklājumu.Izvēlētais šķīdinātājs N-metilpirolidons (NMP) tiek uzskatīts par netiešs materiāls (tas ir vajadzīgs ražošanai, bet nav iekļauts gala ierīcē), taču tas ir dārgs, tajā ir viegli uzliesmojoši tvaiki un tas ir ļoti toksisks.

NMP uzliesmojošiem tvaikiem elektrodu ražošanas laikā visām apstrādes iekārtām ir jābūt sprādziendrošām, kas nozīmē, ka visām dzirksteļojošajām elektriskajām sastāvdaļām jābūt aizsargātām no tvaikiem, un telpām ir jābūt labi vēdinātām, lai tvaiku koncentrācija būtu zema.Šie pasākumi ievērojami palielina šādu iekārtu kapitāla izmaksas.

Turklāt elektrodu ražošanas rūpnīcai ir nepieciešams atkārtoti uztvert šķīdinātāju no izplūdes gāzu plūsmas, to destilēt un pārstrādāt.Tas atkal ir papildu izmaksas.

Izmaksu samazināšana, izmantojot apstrādi uz ūdens bāzes

NMP aizstāšana ar ūdeni ir lieliska iespēja samazināt litija jonu akumulatoru ražošanas izmaksas.Ūdens izmaksas ir niecīgas salīdzinājumā ar NMP;ūdens nav uzliesmojošs un nerada uzliesmojošus tvaikus;un ūdens ir videi nekaitīgs.Tomēr ūdens ir polārs šķīdinātājs, un tā uzvedība pilnīgi atšķiras no nepolārā NMP uzvedības.Turklāt aktīviem materiāliem ir tendence aglomerēties, un metāla strāvas kolektora virsmas ir hidrofobas, padarot pārklāšanas procesu grūtāku.

Zināšanas par daļiņu virsmas lādiņiem (mērot zeta potenciālu) ļauj noteikt virsmas polaritāti ūdens klātbūtnē, ievadot nelielu daudzumu virsmaktīvo vielu.Katodu interkalācijas savienojumu gadījumā polietilēna imīds ir veiksmīgi izmantots, lai ieviestu pietiekami lielu virsmas lādiņu, lai atvairītu daļiņas, lai tās neveidotu nepieņemamus aglomerātus (Li et al. 2013).

Izpratne par metālu virsmas enerģiju un vircas virsmas spraigumu, kā arī to mijiedarbību ļauj optimizēt pāri.Metāla virsmas atmosfēras plazmas apstrāde, iedarbojoties uz korona plazmu, noņem virsmas organiskos savienojumus un nodrošina nelielu kodināšanu un oksidēšanu, kas krasi samazina virsmas enerģiju līdz vērtībām, kas ir zemākas par vircas virsmas spraigumu.Tas ļauj perfekti samitrināt virsmu ar vircu un rada pārklājumu ar optimizētu adhēziju (Li et al. 2012).Rezultāts ir par 75 procentiem samazinātas ekspluatācijas un materiālu izmaksas elektrodu ražošanā un potenciālais izmaksu samazinājums līdz pat 20 procentiem akumulatora bloka līmenī automobiļu lietojumiem (Wood et al. 2014).Tas neietver zemākas aprīkojuma izmaksas: izdevumi, kas saistīti ar plazmas apstrādes aprīkojumu, ir daudz zemāki nekā izdevumi par šķīdinātāja reģenerācijas sistēmu un sprādziendrošas prasības.

Nākotnes izmaksu samazināšanas iespējas

Turpmāki izmaksu samazinājumi tiks sasniegti, uzlabojot zināšanas par transporta mehānismiem un elektrodu arhitektūras ietekmi uz elektroķīmisko veiktspēju.Pašreizējie pētījumi galvenokārt ir vērsti uz modelēšanu un simulāciju, lai izprastu molekulāros mehānismus un uzlabotu elektrodu, elektrodu skursteņu un akumulatoru elementu dizainu.Biezāki elektrodi un milzīgs neaktīvo materiālu samazinājums uzlabos enerģijas blīvumu ar zemākām izmaksām, samazinās tiešās izmaksas un, iespējams, nodrošinās daudz īsāku un mazāk energoietilpīgu bateriju veidošanas ciklu.

Secinājums

Litija jonu akumulatoriem ir milzīgs potenciāls, lai nodrošinātu daļēju vai pilnīgu automobiļu flotes elektrifikāciju, dažādotu enerģijas avotus transportam un atbalstītu liela mēroga enerģijas uzglabāšanu, lai palielinātu periodiskas atjaunojamās enerģijas piegādes iespiešanos.Tomēr izmaksas joprojām ir problēma, un tās būs jārisina, izstrādājot stabilu piegādes ķēdi, ražošanas standartus, augstu ražošanas jaudu un racionalizētas zemu izmaksu apstrādes metodes.Papildus izmaksu samazināšanai pētniecība var uzlabot zināšanas par molekulārajiem procesiem un transporta jautājumiem, lai optimizētu akumulatoros pieejamās enerģijas dizainu un izmantošanu un palielinātu to kalpošanas laiku.

Kā parādīts šajā dokumentā, enerģijas satura un jaudas palielināšana aktīvajos elektrodu materiālos un netiešo materiālu samazināšana ražošanā ir divi veidi, kā ietekmēt izmaksas.

Pateicības

Daļu no šī pētījuma Oak Ridge National Laboratory (ORNL; pārvalda UT Battelle, LLC) ASV Enerģētikas departamentam (saskaņā ar līgumu DE-AC05-00OR22725) sponsorēja Energoefektivitātes un atjaunojamās enerģijas (EERE) transportlīdzekļu tehnoloģiju birojs. Biroja (VTO) Applied Battery Research (ABR) apakšprogramma (programmas vadītāji: Pīters Fagijs un Deivids Hovels).Autore atzīst daudzas auglīgas diskusijas ar Deividu Vudu, Dzjanlinu Li un Debašu Mohanti no DOE akumulatoru ražošanas pētniecības un attīstības centra ORNL un Betu Ārmstrongu ORNL Materiālu zinātnes un tehnoloģiju nodaļā.

Raksta avots: Pavasara tilts: No inženierzinātņu robežām un ne tikai