Lithium-ionbatterijen en hun fabricage-uitdagingen

Lithium-ion batterijen zijn vervaardigd in sets van elektroden en vervolgens geassembleerd in cellen.Actief materiaal wordt gemengd met polymeerbindmiddelen, geleidende additieven en oplosmiddelen om een ​​suspensie te vormen die vervolgens op een stroomcollectorfolie wordt gecoat en gedroogd om het oplosmiddel te verwijderen en een poreuze elektrodecoating te creëren.

Er is geen enkele lithium-ionbatterij.Met de verscheidenheid aan materialen en elektrochemische koppels die beschikbaar zijn, is het mogelijk om batterijcellen te ontwerpen die specifiek zijn voor hun toepassingen in termen van spanning, gebruikstoestand, levensbehoeften en veiligheid.Selectie van specifieke elektrochemische koppels vergemakkelijkt ook het ontwerp van vermogens- en energieverhoudingen en beschikbare energie.

Integratie in een cel van groot formaat vereist geoptimaliseerde roll-to-roll elektrodeproductie en gebruik van actieve materialen.Elektroden zijn gecoat op een metalen stroomcollectorfolie in een samengestelde structuur van actief materiaal, bindmiddelen en geleidende additieven, die zorgvuldige controle van colloïdale chemie, adhesie en stolling vereisen.Maar de toegevoegde inactieve materialen en de celverpakking verminderen de energiedichtheid.Bovendien kan de mate van porositeit en verdichting in de elektrode de prestaties van de batterij beïnvloeden.

Naast deze materiaaluitdagingen vormen de kosten een belangrijke belemmering voor een wijdverbreide acceptatie van deze technologie.Er worden wegen verkend om batterijen van de in de handel verkrijgbare 100 Wh/kg en 200 Wh/L voor $ 500/kWh tot 250 Wh/kg en 400 Wh/L voor slechts $ 125/kWh te brengen.

Grondbeginselen van lithium-ionbatterijen

De lithium-ionbatterij is mogelijk gemaakt door de ontdekking van lithiumkobaltoxide (LiCoO ₂ ), die de extractie van lithiumionen mogelijk maakt en grote hoeveelheden vacatures creëert (zonder kristalverandering) tot de verwijdering van de helft van de bestaande ionen.De koppeling van LiCoO ₂ met grafiet maakt de intercalatie mogelijk van lithiumionen tussen de grafeenlagen die de interstitiële plaats bezetten tussen elke zeshoekige ring van koolstofatomen (Besenhard en Schöllhorn 1976; Mizushima et al. 1980; Whittingham 1976).

De lithiumionen reizen tijdens het opladen van de positieve elektrode (de kathode) door een vaste of vloeibare elektrolyt naar de negatieve elektrode (de anode) en tijdens het ontladen in de tegenovergestelde richting.Bij elke elektrode behoudt het ion ofwel zijn lading en intercaleert het in de kristalstructuur en bezet interstitiële plaatsen in bestaande kristallen aan de anodezijde of bezet opnieuw een lege plaats in de kathode die gevormd werd toen het lithiumion dat kristal verliet.Tijdens het overbrengen van het ion wordt de gastheermatrix gereduceerd of geoxideerd, waardoor een elektron vrijkomt of wordt gevangen. ¹

Verscheidenheid aan kathodematerialen

De zoektocht naar nieuwe kathodematerialen wordt mede gedreven door belangrijke nadelen van LiCoO ₂ .De batterij heeft een kerntemperatuur van 40–70 °C en kan gevoelig zijn voor bepaalde reacties bij lage temperaturen.Maar bij 105–135 °C is het zeer reactief en een uitstekende zuurstofbron voor een veiligheidsrisico dat a wordt genoemd. thermische op hol geslagen reactie , waarin zeer exotherme reacties temperatuurpieken veroorzaken en snel versnellen met het vrijkomen van extra warmte (Roth 2000).

Vervangende materialen voor LiCoO ₂ zijn minder vatbaar voor dat falen.De verbindingen vervangen delen van het kobalt door nikkel en mangaan om Li(Ni _x Mn _j Co _z )O ₂ samenstellingen (met x + j + z = 1), vaak NMC genoemd omdat ze nikkel, mangaan en kobalt bevatten;of ze vertonen een geheel nieuwe structuur in de vorm van fosfaten (bijv. LiFePO ₄ ) (Daniel et al. 2014).Deze kathodematerialen hebben allemaal een capaciteit van 120–160 Ah/kg bij 3,5–3,7 V, wat resulteert in een maximale energiedichtheid tot 600 Wh/kg.

Wanneer verpakt in echte apparaten, wordt er echter veel inactieve materiaalmassa toegevoegd en neigt de energiedichtheid te dalen tot 100 Wh/kg op het niveau van de verpakking.Om te streven naar een hogere energiedichtheid, hebben onderzoekers gezocht naar een hogere capaciteit en een hogere spanning - en die gevonden in lithium- en mangaanrijke overgangsmetaaloxiden.Deze verbindingen zijn in wezen dezelfde materialen als NMC, maar een overmaat aan lithium en grotere hoeveelheden mangaan vervangen nikkel en kobalt.Door de grotere hoeveelheden lithium (tot wel 20 procent meer) hebben de verbindingen een hogere capaciteit (Thackeray et al. 2007) en een hogere spanning, wat resulteert in kathodes met maximaal 280 Ah/kg bij opladen tot 4,8 V. vertonen deze nieuwe verbindingen stabiliteitsproblemen en hebben ze de neiging snel te vervagen.

Balanceren van materialen in cellen

Lithium-ionbatterijen zijn gemaakt van lagen poreuze elektroden op aluminium en koperen stroomcollectorfolies (Daniel 2008).De capaciteit van elk elektrodepaar moet in balans zijn om de veiligheid van de batterij te waarborgen en het risico van overlading van de anode (wat kan leiden tot lithiummetaalplating en kortsluiting) of overmatige ontlading van de kathode (wat kan resulteren in een ineenstorting van de kristalstructuur) te voorkomen en verlies van vacatures voor lithium om opnieuw te intercaleren, waardoor de capaciteit drastisch afneemt).

Grafiet heeft een theoretische capaciteit van 372 Ah/kg, het dubbele van de beschikbare lithium in NMC-kathodes.Dus in gebalanceerde lithium-ionbatterijen vertonen de kathoden doorgaans een dubbele dikte in vergelijking met de anode.Deze inherente fout van het celontwerp veroorzaakt problemen met massatransport en kinetiek, en leidde zo tot de zoektocht naar kathoden met hoge capaciteit.

Om de energiedichtheid op celniveau te verhogen, worden inactieve materialen in batterijcellen geminimaliseerd.Een manier om bijvoorbeeld de stroomcollector te verkleinen, is het vergroten van de dikte van de elektroden, maar dit leidt verder tot transportproblemen en vereist een hoogontwikkelde porositeit in de elektrode.

Kostenuitdagingen bij de productie van lithium-ionbatterijen

De kosten van lithium-ionbatterijen zijn veel hoger dan de automarkt zal dragen voor volledige penetratie van elektrische voertuigen en een kostenneutraal product in vergelijking met auto's met verbrandingsmotoren.De kostendoelstelling van het Amerikaanse ministerie van Energie voor alle batterijen van elektrische voertuigen is $ 125/kWh bruikbare energie (DOE 2013).De huidige kosten van commerciële batterijen zijn $ 400-500 / kWh en hun verwachte kosten met de huidige experimentele materialen zijn $ 325 / kWh.Het grootste deel van de kostenverlaging tot nu toe is bereikt door verhogingen van de energiedichtheid tegen vergelijkbare kosten als de producten van de oudere generatie.

Verdere kostenreductie is mogelijk door optimalisatie van productieschema's.Lithium-ionbatterijen worden vervaardigd in sets elektroden en vervolgens in cellen geassembleerd.Actief materiaal wordt gemengd met polymeerbindmiddelen, geleidende additieven en oplosmiddelen om een ​​suspensie te vormen die vervolgens op een stroomcollectorfolie wordt gecoat en gedroogd om het oplosmiddel te verwijderen en een poreuze elektrodecoating te creëren.Het favoriete oplosmiddel, N-methylpyrrolidon (NMP), wordt beschouwd als een indirect materiaal (het is nodig voor productie maar zit niet in het uiteindelijke apparaat), maar het is duur, vertoont ontvlambare dampen en is zeer giftig.

De ontvlambare dampen van NMP vereisen dat alle verwerkingsapparatuur tijdens de productie van elektroden explosieveilig is, wat betekent dat alle vonkproducerende elektrische componenten moeten worden afgeschermd van de dampen en dat ruimtes sterk geventileerd moeten zijn om de dampconcentraties laag te houden.Deze maatregelen verhogen de kapitaalkosten van dergelijke apparatuur aanzienlijk.

Bovendien moet de elektrodenfabriek het oplosmiddel uit de uitlaatstroom terugwinnen, destilleren en recyclen.Dit is weer een meerprijs.

Kostenbesparing door verwerking op waterbasis

De vervanging van NMP door water is een geweldige kans om de productiekosten van lithium-ionbatterijen te verlagen.De kosten van water zijn verwaarloosbaar in vergelijking met die van NMP;water is niet brandbaar en produceert geen brandbare dampen;en water is milieuvriendelijk.Water is echter een polair oplosmiddel en zijn gedrag is totaal anders dan dat van het niet-polaire NMP.Bovendien neigen actieve materialen tot agglomeratie en zijn metalen stroomcollectoroppervlakken hydrofoob, wat het coatingproces bemoeilijkt.

Kennis van oppervlakteladingen op deeltjes (door zeta-potentiaal te meten) maakt het ontwerp van oppervlaktepolariteit in aanwezigheid van water mogelijk door kleine hoeveelheden oppervlakteactieve stoffen te introduceren.In het geval van kathode-intercalatieverbindingen is polyethyleenimide met succes gebruikt om een ​​oppervlaktelading te introduceren die groot genoeg is om deeltjes af te stoten zodat ze geen onaanvaardbare agglomeraten vormen (Li et al. 2013).

Inzicht in de oppervlakte-energie van metalen en de oppervlaktespanning van de slurry, evenals hun interactie, maakt optimalisatie van het paar mogelijk.Atmosferische plasmabehandeling van het metaaloppervlak door blootstelling aan een coronaplasma verwijdert organische verbindingen op het oppervlak en maakt een lichte etsing en oxidatie mogelijk, waardoor de oppervlakte-energie drastisch wordt verlaagd tot waarden onder de oppervlaktespanning van de slurry.Dit maakt een perfecte bevochtiging van het oppervlak door de slurry mogelijk en creëert een coating met optimale hechting (Li et al. 2012).Het resultaat is een 75 procent operationele en materiaalkostenreductie bij de elektrodeproductie en een potentiële kostenreductie tot 20 procent op batterijpakketniveau voor automobieltoepassingen (Wood et al. 2014).Dit omvat niet de lagere apparatuurkosten: de kosten voor de plasmaverwerkingsapparatuur zijn veel lager dan die voor het oplosmiddelterugwinningssysteem en de explosieveilige eis.

Toekomstige mogelijkheden voor kostenverlaging

Verdere kostenbesparingen zullen worden bereikt door meer kennis van transportmechanismen en implicaties voor de elektrochemische architectuur van de elektrode.Het huidige onderzoek is grotendeels gericht op modellering en simulatie om moleculaire mechanismen te begrijpen en het ontwerp van elektroden, elektrodestapels en batterijcellen te verbeteren.Dikkere elektroden en een enorme vermindering van inactieve materialen zullen de energiedichtheid tegen lagere kosten verbeteren, de directe kosten verlagen en mogelijk een veel kortere en minder energie-intensieve batterijvormingscyclus mogelijk maken.

Conclusie

Lithium-ionbatterijen hebben een enorm potentieel om gedeeltelijke tot volledige elektrificatie van het wagenpark mogelijk te maken, energiebronnen voor transport te diversifiëren en grootschalige energieopslag te ondersteunen voor een hogere penetratie van intermitterende hernieuwbare energievoorziening.De kosten blijven echter een probleem en zullen moeten worden aangepakt door de ontwikkeling van een robuuste toeleveringsketen, productiestandaarden, een hoge productiedoorvoer en gestroomlijnde, goedkope verwerkingsmethoden.Naast het verlagen van de kosten, kan onderzoek de kennis van moleculaire processen en transportkwesties vergroten om het ontwerp en het gebruik van beschikbare energie in batterijen te optimaliseren en hun levensduur te verlengen.

Zoals in dit artikel wordt aangetoond, zijn een toename van de energie-inhoud en capaciteit van actieve elektrodematerialen en een vermindering van indirecte materialen in de productie twee manieren om de kosten te beïnvloeden.

Dankbetuigingen

Delen van dit onderzoek bij Oak Ridge National Laboratory (ORNL; beheerd door UT Battelle, LLC) voor het Amerikaanse ministerie van Energie (onder contract DE-AC05-00OR22725) werden gesponsord door het Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE) Vehicle Technologies Bureau (VTO) Subprogramma Applied Battery Research (ABR) (programmamanagers: Peter Faguy en David Howell).De auteur erkent vele vruchtbare discussies met en bijdragen van David Wood, Jianlin Li en Debasish Mohanty van de DOE Battery Manufacturing R&D Facility bij ORNL en Beth Armstrong in de Materials Science and Technology Division van ORNL.

Artikelbron：Spring Bridge： Van de grenzen van techniek en daarbuiten