Batteriji tal-jone tal-litju u l-isfidi tal-manifattura tagħhom

Batteriji tal-jone tal-litju huma manifatturati f'settijiet ta 'elettrodi u mbagħad immuntati fiċ-ċelloli.Materjal attiv huwa mħallat ma 'legaturi tal-polimeru, addittivi konduttivi, u solventi biex jiffurmaw demel likwidu li mbagħad jiġi miksi fuq fojl tal-kollettur kurrenti u mnixxef biex jitneħħa s-solvent u jinħoloq kisi ta' elettrodu poruż.

M'hemm l-ebda batterija tal-jone tal-litju waħda.Bil-varjetà ta 'materjali u koppji elettrokimiċi disponibbli, huwa possibbli li jiġu ddisinjati ċelluli tal-batteriji speċifiċi għall-applikazzjonijiet tagħhom f'termini ta' vultaġġ, użu tal-istat ta 'ċarġ, ħtiġijiet ta' ħajja, u sikurezza.L-għażla ta 'koppji elettrokimiċi speċifiċi tiffaċilita wkoll id-disinn ta' proporzjonijiet ta 'enerġija u enerġija u enerġija disponibbli.

L-integrazzjoni f'ċellula ta 'format kbir teħtieġ manifattura ottimizzata ta' elettrodu roll-to-roll u użu ta 'materjali attivi.L-elettrodi huma miksija fuq fojl tal-kollettur tal-kurrent tal-metall fi struttura komposta ta 'materjal attiv, sustanzi li jgħaqqdu, u addittivi konduttivi, li jeħtieġu kontroll bir-reqqa tal-kimika kollojdali, adeżjoni u solidifikazzjoni.Iżda l-materjali inattivi miżjuda u l-ippakkjar taċ-ċelluli jnaqqsu d-densità tal-enerġija.Barra minn hekk, il-grad ta 'porożità u kompatt fl-elettrodu jistgħu jaffettwaw il-prestazzjoni tal-batterija.

Minbarra dawn l-isfidi materjali, l-ispiża hija ostaklu sinifikanti għall-adozzjoni mifruxa ta 'din it-teknoloġija.Qed jiġu esplorati mogħdijiet biex iġibu batteriji mill-100 Wh/kg u 200 Wh/L disponibbli kummerċjalment għal $500/kWh sa 250 Wh/kg u 400 Wh/L għal $125/kWh biss.

Fundamenti tal-batteriji tal-jone tal-litju

Il-batterija tal-jone tal-litju saret possibbli bl-iskoperta tal-ossidu tal-kobalt tal-litju (LiCoO ₂ ), li tippermetti l-estrazzjoni ta 'jonji tal-litju u l-ħolqien ta' ammonti kbar ta 'postijiet vakanti (mingħajr bidla tal-kristall) sat-tneħħija ta' nofs il-joni eżistenti.It-tqabbil ta 'LiCoO ₂ bil-grafita tippermetti l-interkalazzjoni ta 'jonji tal-litju bejn is-saffi tal-grafene li jokkupaw is-sit interstizjali bejn kull ċirku eżagonali ta' atomi tal-karbonju (Besenhard u Schöllhorn 1976; Mizushima et al. 1980; Whittingham 1976).

Il-jonji tal-litju jivvjaġġaw waqt iċ-ċarġ mill-elettrodu pożittiv (il-katodu) permezz ta 'elettrolit solidu jew likwidu għall-elettrodu negattiv (l-anodu) u, waqt l-iskarigu, fid-direzzjoni opposta.F'kull elettrodu, il-jone jew iżomm il-ħlas tiegħu u jinterkalizza fl-istruttura tal-kristall li jokkupa siti interstizjali fi kristalli eżistenti fuq in-naħa ta 'l-anodu jew jerġa' jokkupa sit vakanti fil-katodu li ffurmat meta l-jone tal-litju ħalla dak il-kristall.Waqt it-trasferiment tal-jone, il-matriċi ospitanti titnaqqas jew tiġi ossidizzata, li tirrilaxxa jew taqbad elettron. ¹

Varjetà ta 'Materjali Katodi

It-tfittxija għal materjali ta 'katodu ġodda hija mmexxija parzjalment minn żvantaġġi importanti ta' LiCoO ₂ .Il-batterija għandha temperatura tal-qalba ta '40-70 ° C u tista' tkun suxxettibbli għal xi reazzjonijiet ta 'temperatura baxxa.Iżda f'105–135°C huwa reattiv ħafna u sors eċċellenti ta' ossiġnu għal periklu għas-sigurtà msejjaħ reazzjoni termali runaway , li fiha reazzjonijiet eżotermiċi ħafna joħolqu spikes fit-temperatura u jaċċelleraw malajr bir-rilaxx ta 'sħana żejda (Roth 2000).

Materjali ta 'sostituzzjoni għal LiCoO ₂ huma inqas suxxettibbli għal dak in-nuqqas.Il-komposti jissostitwixxu partijiet tal-kobalt b'nikil u manganiż biex jiffurmaw Li (Ni _x Mn _y Co _z )O ₂ komposti (bil x + y + z = 1), spiss imsejħa NMC peress li fihom nikil, manganiż, u kobalt;jew juru struttura kompletament ġdida fil-forma ta’ fosfati (eż., LiFePO ₄ ) (Daniel et al. 2014).Dawn il-materjali tal-katodu kollha juru kapaċitajiet fil-medda ta '120-160 Ah/kg f'3.5-3.7 V, li jirriżultaw f'densità massima ta' enerġija sa 600 Wh/kg.

Meta ppakkjat f'apparat reali, madankollu, tiżdied ħafna massa materjali inattiva u d-densità tal-enerġija għandha t-tendenza li tinżel għal 100 Wh/kg fuq il-livell tal-pakkett.Biex timbotta għal densità ogħla ta 'enerġija, ir-riċerkaturi fittxew kapaċità ogħla u vultaġġ ogħla—u sabuhom f'ossidi tal-metall ta' transizzjoni b'ħafna litju u manganiż.Dawn il-komposti huma essenzjalment l-istess materjali bħal NMC iżda eċċess ta 'litju u ammonti ogħla ta' manganiż jissostitwixxu n-nikil u l-kobalt.L-ammonti ogħla ta 'litju (sa 20 fil-mija aktar) jippermettu li l-komposti jkollhom kapaċità ogħla (Thackeray et al. 2007) u vultaġġ ogħla, li jirriżulta f'katodi sa 280 Ah/kg meta ċċarġjati sa 4.8 V. Madankollu , dawn il-komposti ġodda juru problemi ta 'stabbiltà u għandhom it-tendenza li jisparixxu malajr.

Ibbilanċjar ta 'Materjali fiċ-Ċelloli

Il-batteriji tal-jone tal-litju huma magħmula minn saffi ta 'elettrodi porużi fuq fuljetti tal-kolletturi tal-kurrent tal-aluminju u tar-ram (Daniel 2008).Il-kapaċità ta 'kull par ta' elettrodi jeħtieġ li tkun ibbilanċjata biex tiżgura s-sigurtà tal-batterija u tevita riskju ta 'ħlas żejjed ta' l-anodu (li jista 'jirriżulta fi kisi tal-metall tal-litju u short circuiting) jew skariku eċċessiv tal-katodu (li jista' jirriżulta f'kollass tal-istruttura tal-kristall u telf ta’ postijiet vakanti biex il-litju jerġa’ jinterkalizza, u jnaqqas b’mod drammatiku l-kapaċità).

Il-grafita għandha kapaċità teoretika ta '372 Ah/kg, id-doppju ta' dik tal-litju disponibbli fil-katodi NMC.Allura f'batteriji tal-jone tal-litju bilanċjati, il-katodi tipikament juru d-doppju tal-ħxuna meta mqabbla mal-anodu.Dan id-difett inerenti tad-disinn taċ-ċellula jikkawża problemi fit-trasport tal-massa u l-kinetika, u għalhekk wassal għat-tfittxija għal katodi ta 'kapaċità għolja.

Biex tiżdied id-densità tal-enerġija fil-livell taċ-ċelluli, materjali inattivi qed jiġu minimizzati fiċ-ċelloli tal-batterija.Pereżempju, mod wieħed biex jitnaqqas il-kollettur tal-kurrent huwa li tiżdied il-ħxuna tal-elettrodi, iżda dan ikompli jmexxi problemi ta 'trasport u jeħtieġ porożità ta' inġinerija għolja fl-elettrodu.

Sfidi tal-Ispejjeż fil-Manifattura ta' Batteriji tal-Ion tal-litju

L-ispejjeż tal-batteriji tal-jone tal-litju huma ħafna ogħla milli s-suq tal-karozzi se jġorr għal penetrazzjoni sħiħa ta 'vetturi elettriċi u prodott newtrali għall-ispiża meta mqabbel ma' karozzi mmexxija minn magni tal-kombustjoni interna.Il-mira tal-ispiża tad-Dipartiment tal-Enerġija tal-Istati Uniti għall-batteriji kollha tal-vetturi elettriċi hija ta '$ 125/kWh ta' enerġija li tista 'tintuża (DOE 2013).L-ispiża attwali tal-batteriji kummerċjali hija $400–500/kWh u l-ispiża proġettata tagħhom b'materjali sperimentali attwali hija $325/kWh.Il-biċċa l-kbira tat-tnaqqis fl-ispejjeż s'issa nkiseb b'żidiet fid-densità tal-enerġija bi spiża simili għall-prodotti tal-ġenerazzjoni l-antika.

Aktar tnaqqis fl-ispejjeż huwa possibbli permezz tal-ottimizzazzjoni tal-iskemi tal-manifattura.Il-batteriji tal-jone tal-litju huma manifatturati f'settijiet ta 'elettrodi u mbagħad immuntati f'ċelloli.Materjal attiv huwa mħallat ma 'legaturi tal-polimeru, addittivi konduttivi, u solventi biex jiffurmaw demel likwidu li mbagħad jiġi miksi fuq fojl tal-kollettur kurrenti u mnixxef biex jitneħħa s-solvent u jinħoloq kisi ta' elettrodu poruż.Is-solvent tal-għażla, N-methylpyrrolidone (NMP), huwa meqjus bħala an materjal indirett (huwa meħtieġ għall-produzzjoni iżda mhux fl-apparat finali), iżda huwa għali, juri fwar li jaqbad, u huwa tossiku ħafna.

Il-fwar fjammabbli ta 'NMP jeħtieġu li t-tagħmir kollu ta' l-ipproċessar matul il-produzzjoni ta 'elettrodi jkun prova ta' splużjoni, li jfisser li l-komponenti elettriċi kollha li jipproduċu l-ispark jeħtieġ li jkunu protetti mill-fwar u l-ispazji jeħtieġ li jkunu ventilati ħafna biex iżommu l-konċentrazzjonijiet tal-fwar baxxi.Dawn il-miżuri jżidu l-ispiża kapitali ta' tagħmir bħal dan b'mod konsiderevoli.

Barra minn hekk, l-impjant tal-manifattura ta 'l-elettrodu huwa meħtieġ li jerġa' jaqbad is-solvent mill-fluss ta 'l-exhaust tiegħu, jiddistillah, u jirriċiklah.Din hija għal darb'oħra spiża addizzjonali.

Tnaqqis tal-Ispejjeż permezz tal-Ipproċessar ibbażat fuq l-Ilma

Is-sostituzzjoni ta 'NMP bl-ilma hija opportunità tremenda biex titnaqqas l-ispiża fil-produzzjoni ta' batteriji tal-jone tal-litju.L-ispiża ta 'l-ilma hija negliġibbli meta mqabbla ma' dik ta 'NMP;l-ilma ma jaqbadx u ma jipproduċix fwar li jaqbad;u l-ilma huwa ambjentalment beninni.Madankollu, l-ilma huwa solvent polari u l-imġieba tiegħu hija kompletament differenti minn dik tal-NMP mhux polari.Barra minn hekk, materjali attivi għandhom it-tendenza li jgħaqqdu u l-uċuħ tal-kolletturi tal-kurrent tal-metall huma idrofobiċi, u jagħmlu l-proċess tal-kisi aktar diffiċli.

L-għarfien tal-piżijiet tal-wiċċ fuq il-partiċelli (bil-kejl tal-potenzjal zeta) jippermetti d-disinn tal-polarità tal-wiċċ fil-preżenza tal-ilma billi jintroduċi ammonti żgħar ta 'surfactants.Fil-każ ta 'komposti ta' interkatazzjoni tal-katodi, il-polyethylene imide intuża b'suċċess biex jintroduċi ħlas tal-wiċċ kbir biżżejjed biex iwarrab partiċelli sabiex ma jiffurmawx agglomerati inaċċettabbli (Li et al. 2013).

Il-fehim tal-enerġija tal-wiċċ tal-metalli u t-tensjoni tal-wiċċ tad-demel likwidu kif ukoll l-interazzjoni tagħhom tippermetti l-ottimizzazzjoni tal-par.Trattament tal-plażma atmosferika tal-wiċċ tal-metall permezz ta 'espożizzjoni għal plażma tal-korona jneħħi komposti organiċi fuq il-wiċċ u jippermetti inċiżjoni żgħira u ossidazzjoni, li tnaqqas b'mod drammatiku l-enerġija tal-wiċċ għal valuri taħt it-tensjoni tal-wiċċ tad-demel likwidu.Dan jippermetti tixrib perfett tal-wiċċ mid-demel likwidu u joħloq kisja b'adeżjoni ottimizzata (Li et al. 2012).Ir-riżultat huwa tnaqqis fl-ispiża operattiva u tal-materjali ta '75 fil-mija fil-manifattura tal-elettrodu u tnaqqis potenzjali tal-ispiża sa 20 fil-mija fil-livell tal-pakkett tal-batteriji għal applikazzjonijiet tal-karozzi (Wood et al. 2014).Dan ma jinkludix l-ispiża tat-tagħmir aktar baxxa: l-ispejjeż assoċjati mat-tagħmir tal-ipproċessar tal-plażma huma ħafna aktar baxxi minn dawk għas-sistema ta 'rkupru tas-solvent u r-rekwiżit ta' splużjoni.

Opportunitajiet Futuri għat-Tnaqqis tal-Ispejjeż

Aktar tnaqqis fl-ispejjeż se jinkiseb permezz ta 'għarfien akbar tal-mekkaniżmi tat-trasport u l-implikazzjonijiet tal-arkitettura tal-elettrodu għall-prestazzjoni elettrokimika.Ir-riċerka attwali hija ffukata fil-biċċa l-kbira fuq l-immudellar u s-simulazzjoni biex tifhem mekkaniżmi molekulari u ttejjeb id-disinn ta 'elettrodi, munzelli ta' elettrodi u ċelloli tal-batterija.Elettrodi eħxen u tnaqqis tremend f'materjali inattivi se jtejbu d-densità tal-enerġija bi prezz aktar baxx, inaqqsu l-ispejjeż diretti, u possibbilment jippermettu ċikliżmu ta 'formazzjoni ta' batteriji ħafna iqsar u inqas intensiv fl-enerġija.

Konklużjoni

Il-batteriji tal-jone tal-litju għandhom potenzjal tremend biex jippermettu elettrifikazzjoni parzjali għal sħiħa tal-flotta tal-karozzi, jiddiversifikaw is-sorsi tal-enerġija għat-trasport, u jappoġġaw ħażna tal-enerġija fuq skala kbira għal penetrazzjoni ogħla ta 'provvista intermittenti ta' enerġija rinnovabbli.Madankollu, l-ispiża tkompli tkun kwistjoni u se teħtieġ li tiġi indirizzata bl-iżvilupp ta 'katina ta' provvista robusta, standards fil-manifattura, throughput għoli ta 'manifattura, u metodi ta' pproċessar simplifikati bi prezz baxx.Minbarra li tnaqqas l-ispejjeż, ir-riċerka tista 'ssaħħaħ l-għarfien tal-proċessi molekulari u l-kwistjonijiet tat-trasport sabiex tottimizza d-disinn u l-użu tal-enerġija disponibbli fil-batteriji u żżid il-ħajja tagħhom.

Kif muri f'dan id-dokument, żieda fil-kontenut tal-enerġija u l-kapaċità f'materjali tal-elettrodi attivi u tnaqqis ta 'materjali indiretti fil-produzzjoni huma żewġ modi kif l-ispiża tal-impatt.

Rikonoxximenti

Partijiet minn din ir-riċerka fil-Laboratorju Nazzjonali Oak Ridge (ORNL; immexxi minn UT Battelle, LLC) għad-Dipartiment tal-Enerġija tal-Istati Uniti (taħt il-kuntratt DE-AC05-00OR22725) ġew sponsorjati mill-Uffiċċju tat-Teknoloġiji tal-Vetturi tal-Effiċjenza tal-Enerġija u l-Enerġija Rinnovabbli (EERE). Uffiċċju (VTO) Applied Battery Research (ABR) sottoprogramm (maniġers tal-programmi: Peter Faguy u David Howell).L-awtur jirrikonoxxi ħafna diskussjonijiet produttivi ma 'u kontribuzzjonijiet minn David Wood, Jianlin Li, u Debasish Mohanty tal-Faċilità R&D tal-Manifattura tal-Batterija DOE f'ORNL u Beth Armstrong fid-Diviżjoni tax-Xjenza u t-Teknoloġija tal-Materjali tal-ORNL.

Sors tal-artikolu: Pont tar-Rebbiegħa: Mill-Fruntieri tal-inġinerija u lil hinn