Литиум-јонски батерии и нивните производни предизвици

Литиум-јонски батерии се произведени во множества електроди, а потоа собрани во ќелии.Активниот материјал се меша со полимерни врзива, спроводливи адитиви и растворувачи за да се формира кашеста маса која потоа се обложува на тековната колекторска фолија и се суши за да се отстрани растворувачот и да се создаде порозна обвивка на електродата.

Не постои ниту една литиум-јонска батерија.Со разновидните материјали и електрохемиските парови на располагање, можно е да се дизајнираат батериски ќелии специфични за нивните апликации во однос на напонот, состојбата на полнење, потребите за време на траење и безбедноста.Изборот на специфични електрохемиски парови, исто така, го олеснува дизајнот на односот на моќност и енергија и достапната енергија.

Интеграцијата во ќелија со голем формат бара оптимизирано производство на електрода од тркалање во тркалање и употреба на активни материјали.Електродите се обложени на метална струјна колекторска фолија во композитна структура од активен материјал, врзива и спроводливи адитиви, што бара внимателна контрола на колоидната хемија, адхезијата и зацврстувањето.Но, додадените неактивни материјали и пакувањето на ќелиите ја намалуваат густината на енергијата.Покрај тоа, степенот на порозност и набивање во електродата може да влијае на перформансите на батеријата.

Покрај овие предизвици со материјалите, цената е значајна бариера за широко распространето усвојување на оваа технологија.Се истражуваат патишта за да се донесат батерии од комерцијално достапните 100 Wh/kg и 200 Wh/L од 500 $/kWh до 250 Wh/kg и 400 Wh/L за само 125 $/kWh.

Основи на литиум-јонските батерии

Литиум јонската батерија беше овозможена со откривањето на литиум кобалт оксид (LiCoO ₂ ), што овозможува екстракција на јони на литиум и создавање на големи количини празни места (без промена на кристалот) до отстранување на половина од постоечките јони.Спарувањето на LiCoO ₂ со графит овозможува интеркалирање на јони на литиум помеѓу слоевите на графен кои го заземаат интерстицијалното место помеѓу секој хексагонален прстен на јаглеродни атоми (Besenhard и Schöllhorn 1976; Mizushima et al. 1980; Whittingham 1976).

Литиумските јони патуваат за време на полнењето од позитивната електрода (катодата) преку цврст или течен електролит до негативната електрода (анодата) и, за време на празнењето, во спротивна насока.На секоја електрода, јонот или го одржува својот полнеж и се интеркалира во кристалната структура зафаќајќи ги интерстицијалните места во постоечките кристали на страната на анодата или повторно зафаќа празно место во катодата што се формирала кога литиумскиот јон го напуштил тој кристал.Додека се пренесува јонот, матрицата на домаќинот се намалува или оксидира, што ослободува или заробува електрон. ¹

Разновидност на катодни материјали

Потрагата по нови катодни материјали е делумно поттикната од важните недостатоци на LiCoO ₂ .Батеријата има централна температура од 40–70°C и може да биде подложна на некои реакции на ниска температура.Но, на 105-135°C тој е многу реактивен и одличен извор на кислород за безбедносната опасност наречена термичка бегство реакција , во кои високо егзотермните реакции создаваат температурни скокови и брзо се забрзуваат со ослободување на дополнителна топлина (Roth 2000).

Материјали за замена за LiCoO ₂ се помалку склони кон тој неуспех.Соединенијата ги заменуваат деловите од кобалтот со никел и манган за да формираат Li(Ni _x Мн _y Ко _z ) О ₂ соединенија (со x + y + z = 1), честопати наречени NMC бидејќи содржат никел, манган и кобалт;или тие покажуваат сосема нова структура во форма на фосфати (на пример, LiFePO ₄ ) (Daniel et al. 2014).Сите овие катодни материјали покажуваат капацитети во опсег од 120–160 Ah/kg при 3,5–3,7 V, што резултира со максимална енергетска густина до 600 Wh/kg.

Меѓутоа, кога се спакувани во вистински уреди, се додава многу неактивна маса на материјалот и густината на енергијата има тенденција да се намали до 100 Wh/kg на ниво на пакување.За да поттикнат поголема густина на енергија, истражувачите бараа поголем капацитет и повисок напон - и ги пронајдоа во оксидите на преодните метали богати со литиум и манган.Овие соединенија се во суштина исти материјали како NMC, но вишокот на литиум и повисоките количини на манган ги заменуваат никелот и кобалтот.Поголемите количества на литиум (дури 20 проценти повеќе) им овозможуваат на соединенијата да имаат поголем капацитет (Thackeray et al. 2007) и повисок напон, што резултира со катоди со до 280 Ah/kg при полнење до 4,8 V. , овие нови соединенија покажуваат проблеми со стабилноста и имаат тенденција брзо да бледнеат.

Балансирање на материјали во клетките

Литиум јонските батерии се направени од слоеви на порозни електроди на алуминиумски и бакарни струјни колекторски фолии (Daniel 2008).Капацитетот на секој пар електроди треба да биде избалансиран за да се обезбеди безбедност на батеријата и да се избегне ризик од преполнување на анодата (што може да резултира со обложување со метал од литиум и краток спој) или прекумерно празнење на катодата (што може да резултира со колапс на кристалната структура и губење на слободни работни места за повторно вкрстување на литиумот, што драматично го намалува капацитетот).

Графитот има теоретски капацитет од 372 Ah/kg, двојно повеќе од достапниот литиум во NMC катодите.Така, во избалансирани литиум-јонски батерии, катодите обично покажуваат двојно поголема дебелина во споредба со анодата.Оваа инхерентна мана на дизајнот на ќелијата предизвикува проблеми со масовниот транспорт и кинетика, и на тој начин поттикна потрага по катоди со висок капацитет.

За да се зголеми густината на енергија на ниво на ќелија, неактивните материјали се минимизираат во ќелиите на батериите.На пример, еден начин да се намали струјниот колектор е да се зголеми дебелината на електродите, но ова дополнително предизвикува проблеми со транспортот и бара високо инженерска порозност во електродата.

Предизвици за трошоците во производството на литиум-јонски батерии

Трошоците за литиум-јонските батерии се многу повисоки отколку што ќе ги сноси автомобилскиот пазар за целосна пенетрација на електрични возила и производ неутрален за трошоците во споредба со автомобилите што работат со мотори со внатрешно согорување.Целната цена на американското Министерство за енергија за сите батерии на електрични возила е 125 $/kWh употреблива енергија (DOE 2013).Тековната цена на комерцијалните батерии е 400–500 $/kWh, а нивната проектирана цена со тековните експериментални материјали е 325 $/kWh.Најголем дел од намалувањето на трошоците досега е постигнато со зголемување на густината на енергијата по слични трошоци како производите од постарата генерација.

Понатамошно намалување на трошоците е можно преку оптимизација на производните шеми.Литиум јонските батерии се произведуваат во комплети електроди, а потоа се собираат во ќелии.Активниот материјал се меша со полимерни врзива, спроводливи адитиви и растворувачи за да се формира кашеста маса која потоа се обложува на тековната колекторска фолија и се суши за да се отстрани растворувачот и да се создаде порозна обвивка на електродата.Растворувачот на избор, N-метилпиролидон (NMP), се смета за индиректен материјал (потребен е за производство, но не е содржан во финалниот уред), но е скап, покажува запаливи пареи и е многу токсичен.

Запаливите пареи на NMP бараат целата опрема за обработка за време на производството на електродите да биде отпорна на експлозија, што значи дека сите електрични компоненти што произведуваат искра треба да бидат заштитени од пареата и просторите треба да бидат високо проветрени за да се одржуваат ниски концентрации на пареа.Овие мерки значително ја зголемуваат капиталната цена на таквата опрема.

Дополнително, од фабриката за производство на електроди се бара повторно да го фати растворувачот од издувниот тек, да го дестилира и да го рециклира.Ова е повторно дополнителен трошок.

Намалување на трошоците со обработка на база на вода

Замената на NMP со вода е огромна можност за намалување на трошоците за производство на литиум-јонски батерии.Цената на водата е занемарлива во споредба со онаа на NMP;водата не е запалива и не произведува запаливи пареи;а водата е еколошки бенигна.Меѓутоа, водата е поларен растворувач и нејзиното однесување е сосема различно од она на неполарниот NMP.Понатаму, активните материјали имаат тенденција да се агломерираат, а металните струјни колекторски површини се хидрофобни, што го отежнува процесот на обложување.

Познавањето на површинските полнежи на честичките (со мерење на зета потенцијалот) овозможува дизајнирање на површинскиот поларитет во присуство на вода со воведување на мали количини на сурфактанти.Во случај на соединенија за интеркалирање на катоди, полиетилен имидот е успешно искористен за воведување на површински полнеж доволно голем за да ги одбие честичките за да не формираат неприфатливи агломерати (Li et al. 2013).

Разбирањето на површинската енергија на металите и површинскиот напон на кашеста маса, како и нивната интеракција овозможува оптимизација на парот.Третманот со атмосферска плазма на металната површина преку изложување на корона плазма ги отстранува органските соединенија на површината и овозможува мало офорт и оксидација, што драматично ја намалува површинската енергија на вредности под површинскиот напон на кашеста маса.Ова овозможува совршено навлажнување на површината со кашеста маса и создава облога со оптимизирана адхезија (Li et al. 2012).Резултатот е 75 проценти намалување на трошоците за работа и материјали во производството на електроди и потенцијално намалување на трошоците до 20 проценти на ниво на батерии за автомобилски апликации (Wood et al. 2014).Ова не ги вклучува пониските трошоци за опремата: трошоците поврзани со опремата за обработка на плазма се многу пониски од оние за системот за обновување на растворувачи и барањето отпорно на експлозија.

Идни можности за намалување на трошоците

Понатамошно намалување на трошоците ќе се постигне преку поголемо познавање на транспортните механизми и импликациите на архитектурата на електродите за електрохемиските перформанси.Тековните истражувања во голема мера се фокусирани на моделирање и симулација за да се разберат молекуларните механизми и да се подобри дизајнот на електродите, куповите електроди и ќелиите на батериите.Подебелите електроди и огромното намалување на неактивни материјали ќе ја подобрат енергетската густина по пониска цена, ќе ги намалат директните трошоци и можеби ќе овозможат многу пократок и помалку енергетски интензивен циклус на формирање на батерии.

Заклучок

Литиум јонските батерии имаат огромен потенцијал да овозможат делумна до целосна електрификација на автомобилската флота, диверзификација на изворите на енергија за транспорт и поддршка на складирање на енергија од големи размери за поголема пенетрација на наизменичното снабдување со обновлива енергија.Сепак, цената и понатаму е проблем и ќе треба да се реши со развој на силен синџир на снабдување, стандарди во производството, висока производствена пропусност и рационализирани методи за обработка со ниска цена.Покрај намалувањето на трошоците, истражувањето може да го подобри знаењето за молекуларните процеси и транспортните прашања со цел да се оптимизира дизајнот и употребата на достапната енергија во батериите и да се зголеми нивниот животен век.

Како што е прикажано во овој труд, зголемувањето на енергетската содржина и капацитетот во материјалите на активните електроди и намалувањето на индиректните материјали во производството се два начини за влијание врз цената.

Признанија

Делови од ова истражување во Националната лабораторија Oak Ridge (ORNL; управувано од UT Battelle, LLC) за Министерството за енергија на САД (по договор DE-AC05-00OR22725) беа спонзорирани од Канцеларијата за енергетска ефикасност и обновлива енергија (EERE) Vehicle Technologies Подпрограма на Office (VTO) Applied Battery Research (ABR) (програмски менаџери: Питер Фагуј и Дејвид Хауел).Авторот признава многу плодни дискусии и придонеси од Дејвид Вуд, Џианлин Ли и Дебашиш Моханти од DOE Battery Manufacturing R&D Facility во ORNL и Бет Армстронг во Одделот за наука и технологија за материјали на ORNL.

Извор на статија: Пролетен мост: Од границите на инженерството и пошироко