Bateri Litium Ion dan Cabaran Pengilangannya

Bateri litium ion adalah dikilangkan dalam set elektrod dan kemudian dipasang dalam sel.Bahan aktif dicampur dengan pengikat polimer, aditif konduktif, dan pelarut untuk membentuk buburan yang kemudiannya disalut pada kerajang pengumpul arus dan dikeringkan untuk mengeluarkan pelarut dan mencipta salutan elektrod berliang.

Tiada bateri litium ion tunggal.Dengan pelbagai bahan dan pasangan elektrokimia yang tersedia, adalah mungkin untuk mereka bentuk sel bateri khusus untuk aplikasinya dari segi voltan, keadaan penggunaan cas, keperluan seumur hidup dan keselamatan.Pemilihan pasangan elektrokimia tertentu juga memudahkan reka bentuk nisbah kuasa dan tenaga serta tenaga yang ada.

Penyepaduan dalam sel format besar memerlukan pembuatan elektrod roll-to-roll yang dioptimumkan dan penggunaan bahan aktif.Elektrod disalut pada kerajang pengumpul arus logam dalam struktur komposit bahan aktif, pengikat, dan bahan tambahan konduktif, yang memerlukan kawalan berhati-hati terhadap kimia koloid, lekatan dan pemejalan.Tetapi bahan tidak aktif tambahan dan pembungkusan sel mengurangkan ketumpatan tenaga.Selain itu, tahap keliangan dan pemadatan dalam elektrod boleh menjejaskan prestasi bateri.

Sebagai tambahan kepada cabaran bahan ini, kos merupakan penghalang yang ketara kepada penggunaan meluas teknologi ini.Laluan sedang diterokai untuk membawa bateri daripada 100 Wh/kg dan 200 Wh/L yang tersedia secara komersil pada $500/kWj sehingga 250 Wh/kg dan 400 Wh/L untuk hanya $125/kWj.

Asas Bateri Litium Ion

Bateri litium ion dimungkinkan oleh penemuan litium kobalt oksida (LiCoO ₂ ), yang membolehkan pengekstrakan ion litium dan penciptaan sejumlah besar kekosongan (tanpa perubahan kristal) sehingga penyingkiran separuh daripada ion sedia ada.Gandingan LiCoO ₂ dengan grafit membolehkan interkalasi ion litium antara lapisan graphene yang menduduki tapak interstisial antara setiap gelang heksagon atom karbon (Besenhard dan Schöllhorn 1976; Mizushima et al. 1980; Whittingham 1976).

Ion litium bergerak semasa cas dari elektrod positif (katod) melalui elektrolit pepejal atau cecair ke elektrod negatif (anod) dan, semasa nyahcas, dalam arah yang bertentangan.Pada setiap elektrod, ion sama ada mengekalkan casnya dan berinterkalasi ke dalam struktur kristal yang menduduki tapak interstisial dalam kristal sedia ada di bahagian anod atau menduduki semula tapak kosong dalam katod yang terbentuk apabila ion litium meninggalkan kristal tersebut.Semasa memindahkan ion, matriks perumah akan berkurangan atau teroksida, yang membebaskan atau menangkap elektron. ¹

Kepelbagaian Bahan Katod

Pencarian bahan katod baharu sebahagiannya didorong oleh kelemahan penting LiCoO ₂ .Bateri mempunyai suhu teras 40–70°C dan mungkin terdedah kepada beberapa tindak balas suhu rendah.Tetapi pada 105–135°C ia sangat reaktif dan sumber oksigen yang sangat baik untuk bahaya keselamatan yang dipanggil tindak balas pelarian haba , di mana tindak balas yang sangat eksotermik menghasilkan lonjakan suhu dan memecut dengan pantas dengan pembebasan haba tambahan (Roth 2000).

Bahan gantian untuk LiCoO ₂ kurang terdedah kepada kegagalan itu.Sebatian menggantikan bahagian kobalt dengan nikel dan mangan untuk membentuk Li(Ni _x Mn _y Co _z )O ₂ sebatian (dengan x + y + z = 1), sering dirujuk sebagai NMC kerana ia mengandungi nikel, mangan dan kobalt;atau mereka mempamerkan struktur baru sepenuhnya dalam bentuk fosfat (cth, LiFePO ₄ ) (Daniel et al. 2014).Bahan katod ini kesemuanya mempamerkan kapasiti dalam julat 120–160 Ah/kg pada 3.5–3.7 V, menghasilkan ketumpatan tenaga maksimum sehingga 600 Wh/kg.

Walau bagaimanapun, apabila dibungkus dalam peranti sebenar, banyak jisim bahan tidak aktif ditambah dan ketumpatan tenaga cenderung menurun kepada 100 Wj/kg pada tahap pek.Untuk mendorong ketumpatan tenaga yang lebih tinggi, penyelidik telah mencari kapasiti yang lebih tinggi dan voltan yang lebih tinggi-dan menemuinya dalam oksida logam peralihan yang kaya dengan litium dan mangan.Sebatian ini pada asasnya adalah bahan yang sama seperti NMC tetapi lebihan litium dan jumlah mangan yang lebih tinggi menggantikan nikel dan kobalt.Jumlah litium yang lebih tinggi (sebanyak 20 peratus lebih) membolehkan sebatian mempunyai kapasiti yang lebih tinggi (Thackeray et al. 2007) dan voltan yang lebih tinggi, menghasilkan katod dengan sehingga 280 Ah/kg apabila dicas sehingga 4.8 V. Walau bagaimanapun , sebatian baharu ini menunjukkan masalah kestabilan dan cenderung cepat pudar.

Pengimbangan Bahan dalam Sel

Bateri litium ion diperbuat daripada lapisan elektrod berliang pada aluminium dan kerajang pengumpul arus kuprum (Daniel 2008).Kapasiti setiap pasangan elektrod perlu seimbang untuk memastikan keselamatan bateri dan mengelakkan risiko cas berlebihan anod (yang boleh mengakibatkan penyaduran logam litium dan litar pintas) atau pelepasan berlebihan katod (yang boleh mengakibatkan keruntuhan struktur kristal dan kehilangan kekosongan untuk litium untuk meninterkalasikan semula, secara mendadak mengurangkan kapasiti).

Grafit mempunyai kapasiti teori 372 Ah/kg, dua kali ganda daripada litium yang tersedia dalam katod NMC.Jadi dalam bateri ion litium yang seimbang, katod biasanya mempamerkan ketebalan dua kali ganda berbanding dengan anod.Kecacatan yang wujud pada reka bentuk sel ini menyebabkan masalah dengan pengangkutan massa dan kinetik, dan dengan itu mendorong pencarian katod berkapasiti tinggi.

Untuk meningkatkan ketumpatan tenaga peringkat sel, bahan tidak aktif sedang diminimumkan dalam sel bateri.Sebagai contoh, satu cara untuk mengurangkan pengumpul semasa adalah dengan meningkatkan ketebalan elektrod, tetapi ini seterusnya mendorong masalah pengangkutan dan memerlukan keliangan yang sangat direkayasa dalam elektrod.

Cabaran Kos dalam Pembuatan Bateri Litium Ion

Kos bateri litium ion jauh lebih tinggi daripada pasaran automotif akan menanggung untuk penembusan penuh kenderaan elektrik dan produk neutral kos berbanding kereta yang dikendalikan oleh enjin pembakaran dalaman.Sasaran kos Jabatan Tenaga AS untuk semua bateri kenderaan elektrik ialah $125/kWj tenaga boleh guna (DOE 2013).Kos semasa bateri komersial ialah $400–500/kWj dan kos unjurannya dengan bahan eksperimen semasa ialah $325/kWj.Kebanyakan pengurangan kos setakat ini telah dicapai melalui peningkatan ketumpatan tenaga pada kos yang sama dengan produk generasi lama.

Pengurangan kos selanjutnya boleh dilakukan melalui pengoptimuman skim pembuatan.Bateri litium ion dihasilkan dalam set elektrod dan kemudian dipasang dalam sel.Bahan aktif dicampur dengan pengikat polimer, aditif konduktif, dan pelarut untuk membentuk buburan yang kemudiannya disalut pada kerajang pengumpul arus dan dikeringkan untuk mengeluarkan pelarut dan mencipta salutan elektrod berliang.Pelarut pilihan, N-methylpyrrolidone (NMP), dianggap sebagai bahan tidak langsung (ia diperlukan untuk pengeluaran tetapi tidak terkandung dalam peranti akhir), tetapi ia mahal, mempamerkan wap mudah terbakar, dan sangat toksik.

Wap mudah terbakar NMP memerlukan semua peralatan pemprosesan semasa pengeluaran elektrod menjadi kalis letupan, bermakna semua komponen elektrik yang menghasilkan percikan perlu dilindungi daripada wap dan ruang perlu mempunyai pengudaraan yang tinggi untuk memastikan kepekatan wap rendah.Langkah-langkah ini meningkatkan kos modal peralatan tersebut dengan ketara.

Di samping itu, kilang pembuatan elektrod diperlukan untuk menangkap semula pelarut daripada aliran ekzosnya, menyulingnya, dan mengitar semulanya.Ini sekali lagi merupakan kos tambahan.

Pengurangan Kos oleh Pemprosesan Berasaskan Air

Penggantian NMP dengan air adalah peluang yang besar untuk mengurangkan kos dalam pengeluaran bateri lithium ion.Kos air boleh diabaikan berbanding dengan NMP;air tidak mudah terbakar dan tidak menghasilkan wap mudah terbakar;dan air adalah jinak alam sekitar.Walau bagaimanapun, air adalah pelarut polar dan kelakuannya berbeza sama sekali daripada NMP nonpolar.Tambahan pula, bahan aktif cenderung untuk menggumpal dan permukaan pengumpul arus logam adalah hidrofobik, menjadikan proses salutan lebih sukar.

Pengetahuan tentang cas permukaan pada zarah (dengan mengukur potensi zeta) membolehkan reka bentuk kekutuban permukaan dengan kehadiran air dengan memperkenalkan sejumlah kecil surfaktan.Dalam kes sebatian interkalasi katod, polietilena imida telah berjaya digunakan untuk memperkenalkan cas permukaan yang cukup besar untuk menangkis zarah supaya ia tidak membentuk aglomerat yang tidak boleh diterima (Li et al. 2013).

Memahami tenaga permukaan logam dan tegangan permukaan buburan serta interaksinya membolehkan pengoptimuman pasangan.Rawatan plasma atmosfera permukaan logam melalui pendedahan kepada plasma korona menghilangkan sebatian organik pada permukaan dan membolehkan sedikit goresan dan pengoksidaan, yang secara mendadak mengurangkan tenaga permukaan kepada nilai di bawah tegangan permukaan buburan.Ini membolehkan pembasahan sempurna permukaan oleh buburan dan mencipta salutan dengan lekatan yang dioptimumkan (Li et al. 2012).Hasilnya ialah pengurangan kos operasi dan bahan sebanyak 75 peratus dalam pembuatan elektrod dan potensi pengurangan kos sehingga 20 peratus pada tahap pek bateri untuk aplikasi automotif (Wood et al. 2014).Ini tidak termasuk kos peralatan yang lebih rendah: perbelanjaan yang berkaitan dengan peralatan pemprosesan plasma adalah jauh lebih rendah daripada perbelanjaan untuk sistem pemulihan pelarut dan keperluan kalis letupan.

Peluang Masa Depan untuk Pengurangan Kos

Pengurangan kos selanjutnya akan dicapai melalui pengetahuan yang lebih besar tentang mekanisme pengangkutan dan implikasi seni bina elektrod untuk prestasi elektrokimia.Penyelidikan semasa banyak tertumpu pada pemodelan dan simulasi untuk memahami mekanisme molekul dan menambah baik reka bentuk elektrod, susunan elektrod dan sel bateri.Elektrod yang lebih tebal dan pengurangan besar dalam bahan tidak aktif akan meningkatkan ketumpatan tenaga pada kos yang lebih rendah, mengurangkan kos langsung, dan mungkin membolehkan kitaran pembentukan bateri intensif tenaga yang lebih pendek dan kurang intensif.

Kesimpulan

Bateri litium ion mempunyai potensi yang besar untuk membolehkan elektrifikasi separa hingga penuh bagi armada automotif, mempelbagaikan sumber tenaga untuk pengangkutan, dan menyokong storan tenaga berskala besar untuk penembusan yang lebih tinggi bagi bekalan tenaga boleh diperbaharui sekejap-sekejap.Walau bagaimanapun, kos terus menjadi isu dan perlu ditangani dengan pembangunan rantaian bekalan yang teguh, piawaian dalam pembuatan, daya pengeluaran yang tinggi dan kaedah pemprosesan kos rendah yang diperkemas.Selain mengurangkan kos, penyelidikan boleh meningkatkan pengetahuan tentang proses molekul dan isu pengangkutan untuk mengoptimumkan reka bentuk dan penggunaan tenaga yang ada dalam bateri dan meningkatkan masa hayatnya.

Seperti yang ditunjukkan dalam kertas ini, peningkatan dalam kandungan tenaga dan kapasiti dalam bahan elektrod aktif dan pengurangan bahan tidak langsung dalam pengeluaran adalah dua cara untuk memberi kesan kepada kos.

Ucapan terima kasih

Sebahagian daripada penyelidikan ini di Makmal Kebangsaan Oak Ridge (ORNL; diuruskan oleh UT Battelle, LLC) untuk Jabatan Tenaga AS (di bawah kontrak DE-AC05-00OR22725) telah ditaja oleh Pejabat Kecekapan Tenaga dan Tenaga Boleh Diperbaharui (EERE) Teknologi Kenderaan Subprogram Office (VTO) Applied Battery Research (ABR) (pengurus program: Peter Faguy dan David Howell).Penulis mengiktiraf banyak perbincangan yang bermanfaat dan sumbangan daripada David Wood, Jianlin Li, dan Debasish Mohanty dari Kemudahan R&D Pembuatan Bateri DOE di ORNL dan Beth Armstrong dalam Bahagian Sains dan Teknologi Bahan ORNL.

Sumber artikel：Jambatan Spring： Dari Sempadan kejuruteraan dan seterusnya