Litiumion-batterier og deres produksjonsutfordringer

Litium-ion-batterier er produsert i sett med elektroder og deretter satt sammen i celler.Aktivt materiale blandes med polymerbindemidler, ledende tilsetningsstoffer og løsemidler for å danne en slurry som deretter belegges på en strømkollektorfolie og tørkes for å fjerne løsningsmidlet og skape et porøst elektrodebelegg.

Det finnes ikke et enkelt litiumionbatteri.Med mangfoldet av materialer og elektrokjemiske par tilgjengelig, er det mulig å designe battericeller spesifikke for deres applikasjoner når det gjelder spenning, ladetilstand, levetidsbehov og sikkerhet.Valg av spesifikke elektrokjemiske par letter også utformingen av kraft- og energiforhold og tilgjengelig energi.

Integrering i en storformatcelle krever optimalisert rull-til-rulle-elektrodeproduksjon og bruk av aktive materialer.Elektroder er belagt på en metallstrømkollektorfolie i en komposittstruktur av aktivt materiale, bindemidler og ledende tilsetningsstoffer, noe som krever nøye kontroll av kolloidal kjemi, adhesjon og størkning.Men de tilsatte inaktive materialene og celleemballasjen reduserer energitettheten.Dessuten kan graden av porøsitet og komprimering i elektroden påvirke batteriets ytelse.

I tillegg til disse materialutfordringene er kostnadene en betydelig barriere for utbredt bruk av denne teknologien.Veier utforskes for å bringe batterier fra kommersielt tilgjengelige 100 Wh/kg og 200 Wh/L til $500/kWh opp til 250 Wh/kg og 400 Wh/L for bare $125/kWh.

Grunnleggende om litiumionbatterier

Litiumionbatteriet ble gjort mulig ved oppdagelsen av litiumkoboltoksid (LiCoO ₂ ), som tillater utvinning av litiumioner og opprettelse av store mengder ledige plasser (uten krystallforandring) opp til fjerning av halvparten av de eksisterende ionene.Sammenkoblingen av LiCoO ₂ med grafitt tillater interkalering av litiumioner mellom grafenlagene som okkuperer det interstitielle stedet mellom hver sekskantet ring av karbonatomer (Besenhard og Schöllhorn 1976; Mizushima et al. 1980; Whittingham 1976).

Litiumionene beveger seg under ladning fra den positive elektroden (katoden) gjennom en fast eller flytende elektrolytt til den negative elektroden (anoden) og, under utladning, i motsatt retning.Ved hver elektrode opprettholder ionet enten sin ladning og interkalerer inn i krystallstrukturen som okkuperer interstitielle steder i eksisterende krystaller på anodesiden, eller okkuperer igjen et ledig sted i katoden som ble dannet da litiumionet forlot denne krystallen.Mens ionet overføres, blir vertsmatrisen redusert eller oksidert, noe som frigjør eller fanger et elektron. ¹

En rekke katodematerialer

Jakten på nye katodematerialer er delvis drevet av viktige ulemper ved LiCoO ₂ .Batteriet har en kjernetemperatur på 40–70°C og kan være utsatt for enkelte lavtemperaturreaksjoner.Men ved 105–135°C er den veldig reaktiv og en utmerket oksygenkilde for en sikkerhetsfare som kalles en termisk løpsreaksjon , der svært eksoterme reaksjoner skaper temperaturtopper og akselererer raskt med frigjøring av ekstra varme (Roth 2000).

Erstatningsmaterialer for LiCoO ₂ er mindre utsatt for den feilen.Forbindelsene erstatter deler av kobolten med nikkel og mangan for å danne Li(Ni _x Mn _y Co _z )O ₂ forbindelser (med x + y + z = 1), ofte referert til som NMC da de inneholder nikkel, mangan og kobolt;eller de viser en helt ny struktur i form av fosfater (f.eks. LiFePO ₄ ) (Daniel et al. 2014).Disse katodematerialene har alle kapasiteter i området 120–160 Ah/kg ved 3,5–3,7 V, noe som resulterer i maksimal energitetthet på opptil 600 Wh/kg.

Når det pakkes i ekte enheter, tilsettes imidlertid mye inaktiv materialmasse og energitettheten har en tendens til å synke til 100 Wh/kg på pakkenivå.For å presse på for høyere energitetthet har forskere søkt høyere kapasitet og høyere spenning - og funnet dem i litium- og manganrike overgangsmetalloksider.Disse forbindelsene er i hovedsak de samme materialene som NMC, men et overskudd av litium og høyere mengder mangan erstatter nikkel og kobolt.De høyere mengdene litium (så mye som 20 prosent mer) gjør at forbindelsene har høyere kapasitet (Thackeray et al. 2007) og høyere spenning, noe som resulterer i katoder med opptil 280 Ah/kg når de lades opp til 4,8 V. Imidlertid Disse nye forbindelsene viser stabilitetsproblemer og har en tendens til å falme raskt.

Balansering av materialer i celler

Litiumion-batterier er laget av lag med porøse elektroder på aluminiums- og kobberstrømsamlerfolier (Daniel 2008).Kapasiteten til hvert elektrodepar må balanseres for å sikre batterisikkerhet og unngå risiko for overlading av anoden (som kan resultere i litiummetallbelegg og kortslutning) eller overutladning av katoden (som kan føre til kollaps av krystallstrukturen) og tap av ledige plasser for litium for å reinterkalere, noe som dramatisk reduserer kapasiteten).

Grafitt har en teoretisk kapasitet på 372 Ah/kg, det dobbelte av tilgjengelig litium i NMC-katoder.Så i balanserte litiumionbatterier har katodene typisk dobbel tykkelse sammenlignet med anoden.Denne iboende feilen i celledesignet forårsaker problemer med massetransport og kinetikk, og førte derfor til letingen etter katoder med høy kapasitet.

For å øke energitettheten på cellenivå, minimeres inaktive materialer i battericeller.En måte å redusere strømkollektoren på er for eksempel å øke tykkelsen på elektrodene, men dette driver ytterligere transportproblemer og krever en svært konstruert porøsitet i elektroden.

Kostnadsutfordringer ved produksjon av litiumionbatterier

Kostnadene for litiumionbatterier er mye høyere enn bilmarkedet vil bære for full penetrasjon av elektriske kjøretøy og et kostnadsnøytralt produkt sammenlignet med biler som drives av forbrenningsmotorer.Det amerikanske energidepartementets kostnadsmål for alle elektriske kjøretøybatterier er $125/kWh brukbar energi (DOE 2013).Den nåværende kostnaden for kommersielle batterier er $400–500/kWh og deres anslåtte kostnad med nåværende eksperimentelle materialer er $325/kWh.Mesteparten av kostnadsreduksjonen så langt har blitt oppnådd ved økt energitetthet til lignende kostnader som eldre generasjons produkter.

Ytterligere kostnadsreduksjon er mulig gjennom optimalisering av produksjonsopplegg.Litiumionbatterier produseres i sett med elektroder og settes deretter sammen i celler.Aktivt materiale blandes med polymerbindemidler, ledende tilsetningsstoffer og løsemidler for å danne en slurry som deretter belegges på en strømkollektorfolie og tørkes for å fjerne løsningsmidlet og skape et porøst elektrodebelegg.Det valgte løsningsmidlet, N-metylpyrrolidon (NMP), anses som et indirekte materiale (det er nødvendig for produksjon, men er ikke inkludert i den endelige enheten), men det er dyrt, har brennbare damper og er svært giftig.

De brennbare dampene til NMP krever at alt prosessutstyr under produksjonen av elektroder er eksplosjonssikkert, noe som betyr at alle gnistproduserende elektriske komponenter må skjermes fra dampene og rom må være godt ventilert for å holde dampkonsentrasjonene lave.Disse tiltakene øker kapitalkostnadene for slikt utstyr betraktelig.

I tillegg er elektrodeproduksjonsanlegget pålagt å gjenfange løsningsmidlet fra eksosstrømmen, destillere det og resirkulere det.Dette er igjen en ekstra kostnad.

Kostnadsreduksjon ved vannbasert prosessering

Erstatningen av NMP med vann er en enorm mulighet til å redusere kostnadene ved produksjon av litiumionbatterier.Kostnaden for vann er ubetydelig sammenlignet med NMP;vann er ikke brennbart og produserer ikke brennbare damper;og vann er miljøvennlig.Vann er imidlertid et polart løsningsmiddel og dets oppførsel er helt forskjellig fra den ikke-polare NMP.Videre har aktive materialer en tendens til å agglomerere og metallstrømkollektoroverflater er hydrofobe, noe som gjør belegningsprosessen vanskeligere.

Kunnskap om overflateladninger på partikler (ved å måle zeta-potensial) muliggjør utforming av overflatepolaritet i nærvær av vann ved å introdusere små mengder overflateaktive stoffer.Når det gjelder katodeinterkaleringsforbindelser, har polyetylenimid blitt brukt med hell for å introdusere en overflateladning som er stor nok til å frastøte partikler slik at de ikke danner uakseptable agglomerater (Li et al. 2013).

Å forstå overflateenergien til metaller og overflatespenningen til slurryen så vel som deres interaksjon muliggjør optimalisering av paret.Atmosfærisk plasmabehandling av metalloverflaten gjennom eksponering for et koronaplasma fjerner organiske forbindelser på overflaten og muliggjør en lett etsing og oksidasjon, noe som dramatisk reduserer overflateenergien til verdier under overflatespenningen til slurryen.Dette tillater perfekt fukting av overflaten av slurryen og skaper et belegg med optimert vedheft (Li et al. 2012).Resultatet er en 75 prosent drifts- og materialkostnadsreduksjon i elektrodeproduksjonen og en potensiell kostnadsreduksjon på opptil 20 prosent på batteripakkenivå for bilapplikasjoner (Wood et al. 2014).Dette inkluderer ikke de lavere utstyrskostnadene: utgiftene forbundet med plasmabehandlingsutstyret er mye lavere enn for løsningsmiddelgjenvinningssystemet og det eksplosjonssikre kravet.

Fremtidige muligheter for kostnadsreduksjon

Ytterligere kostnadsreduksjoner vil oppnås gjennom større kunnskap om transportmekanismer og elektrodearkitekturimplikasjoner for elektrokjemisk ytelse.Nåværende forskning er i stor grad fokusert på modellering og simulering for å forstå molekylære mekanismer og forbedre utformingen av elektroder, elektrodestabler og battericeller.Tykkere elektroder og en enorm reduksjon i inaktive materialer vil forbedre energitettheten til lavere kostnad, redusere direkte kostnader og muligens muliggjøre mye kortere og mindre energikrevende batteridannelsessyklus.

Konklusjon

Litiumionbatterier har et enormt potensial for å muliggjøre delvis til full elektrifisering av bilparken, diversifisere energikilder for transport og støtte storskala energilagring for en høyere penetrasjon av intermitterende fornybar energiforsyning.Kostnader fortsetter imidlertid å være et problem og vil måtte håndteres av utviklingen av en robust forsyningskjede, standarder innen produksjon, høy produksjonsgjennomstrømning og strømlinjeformede lavkostbehandlingsmetoder.I tillegg til å redusere kostnadene, kan forskning øke kunnskapen om molekylære prosesser og transportspørsmål for å optimere design og bruk av tilgjengelig energi i batterier og øke levetiden deres.

Som vist i denne artikkelen er en økning i energiinnhold og kapasitet i aktive elektrodematerialer og en reduksjon av indirekte materialer i produksjon to måter å påvirke kostnadene på.

Anerkjennelser

Deler av denne forskningen ved Oak Ridge National Laboratory (ORNL; administrert av UT Battelle, LLC) for US Department of Energy (under kontrakt DE-AC05-00OR22725) ble sponset av Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE) Vehicle Technologies Office (VTO) Applied Battery Research (ABR) underprogram (programledere: Peter Faguy og David Howell).Forfatteren erkjenner mange fruktbare diskusjoner med og bidrag fra David Wood, Jianlin Li og Debasish Mohanty fra DOE Battery Manufacturing R&D Facility ved ORNL og Beth Armstrong i ORNLs Materials Science and Technology Division.

Artikkelkilde：Spring Bridge： Fra ingeniørens grenser og utover