Bateriile litiu-ion și provocările lor de fabricație

Baterii litiu-ion sunteți fabricat în seturi de electrozi și apoi asamblate în celule.Materialul activ este amestecat cu lianți polimerici, aditivi conductivi și solvenți pentru a forma o suspensie care este apoi acoperită pe o folie colector de curent și uscată pentru a îndepărta solventul și a crea o acoperire poroasă a electrodului.

Nu există o singură baterie litiu-ion.Cu varietatea de materiale și cupluri electrochimice disponibile, este posibilă proiectarea celulelor bateriei specifice aplicațiilor lor în ceea ce privește tensiunea, starea de încărcare, nevoile de viață și siguranța.Selectarea unor cupluri electrochimice specifice facilitează, de asemenea, proiectarea raporturilor de putere și energie și energia disponibilă.

Integrarea într-o celulă de format mare necesită fabricarea optimizată a electrodului roll-to-roll și utilizarea materialelor active.Electrozii sunt acoperiți pe o folie metalică colectoare de curent într-o structură compozită de material activ, lianți și aditivi conductivi, care necesită un control atent al chimiei coloidale, aderenței și solidificării.Dar materialele inactive adăugate și ambalajul celulelor reduc densitatea energetică.Mai mult, gradul de porozitate și compactare a electrodului poate afecta performanța bateriei.

Pe lângă aceste provocări legate de materiale, costul reprezintă o barieră semnificativă în calea adoptării pe scară largă a acestei tehnologii.Sunt explorate căi pentru a aduce baterii de la 100 Wh/kg și 200 Wh/L disponibile comercial la 500 USD/kWh până la 250 Wh/kg și 400 Wh/L pentru doar 125 USD/kWh.

Fundamentele bateriilor litiu-ion

Bateria cu ioni de litiu a fost posibilă prin descoperirea oxidului de litiu cobalt (LiCoO ₂ ), care permite extragerea ionilor de litiu și crearea unor cantități mari de locuri libere (fără schimbarea cristalului) până la îndepărtarea a jumătate din ionii existenți.Împerecherea LiCoO ₂ cu grafit permite intercalarea ionilor de litiu între straturile de grafen care ocupă locul interstițial dintre fiecare inel hexagonal de atomi de carbon (Besenhard și Schöllhorn 1976; Mizushima și colab. 1980; Whittingham 1976).

Ionii de litiu se deplasează în timpul încărcării de la electrodul pozitiv (catodul) printr-un electrolit solid sau lichid la electrodul negativ (anodul) și, în timpul descărcării, în direcția opusă.La fiecare electrod, ionul fie își menține sarcina și se intercalează în structura cristalină ocupând locuri interstițiale în cristalele existente pe partea anodului, fie reocupă un loc liber în catod care s-a format când ionul de litiu a părăsit acel cristal.În timpul transferului ionului, matricea gazdă se reduce sau se oxidează, ceea ce eliberează sau captează un electron. ¹

Varietate de materiale catodice

Căutarea de noi materiale catodice este condusă parțial de dezavantaje importante ale LiCoO ₂ .Bateria are o temperatură centrală de 40–70°C și poate fi susceptibilă la unele reacții la temperatură scăzută.Dar la 105–135°C este foarte reactiv și o sursă excelentă de oxigen pentru un pericol de siguranță numit reacție termică de evadare , în care reacțiile extrem de exoterme creează vârfuri de temperatură și accelerează rapid odată cu eliberarea de căldură suplimentară (Roth 2000).

Materiale de înlocuire pentru LiCoO ₂ sunt mai puțin predispuse la acest eșec.Compușii înlocuiesc părți ale cobaltului cu nichel și mangan pentru a forma Li(Ni _X Mn _y Co _z )O ₂ compuși (cu X + y + z = 1), adesea denumite NMC deoarece conțin nichel, mangan și cobalt;sau prezintă o structură complet nouă sub formă de fosfați (de exemplu, LiFePO ₄ ) (Daniel et al. 2014).Toate aceste materiale catodice prezintă capacități în intervalul 120–160 Ah/kg la 3,5–3,7 V, rezultând o densitate maximă de energie de până la 600 Wh/kg.

Cu toate acestea, atunci când sunt ambalate în dispozitive reale, se adaugă multă masă de material inactiv, iar densitatea de energie tinde să scadă la 100 Wh/kg la nivelul pachetului.Pentru a promova o densitate de energie mai mare, cercetătorii au căutat o capacitate mai mare și o tensiune mai mare - și le-au găsit în oxizi de metale tranziționale bogate în litiu și mangan.Acești compuși sunt în esență aceleași materiale ca NMC, dar un exces de litiu și cantități mai mari de mangan înlocuiesc nichelul și cobaltul.Cantitățile mai mari de litiu (cu până la 20 la sută mai mult) permit compușilor să aibă o capacitate mai mare (Thackeray și colab. 2007) și o tensiune mai mare, rezultând catozi cu până la 280 Ah/kg când sunt încărcați până la 4,8 V. Cu toate acestea , acești noi compuși prezintă probleme de stabilitate și tind să se estompeze rapid.

Echilibrarea materialelor din celule

Bateriile litiu-ion sunt formate din straturi de electrozi porosi pe folii colectoare de curent din aluminiu si cupru (Daniel 2008).Capacitatea fiecărei perechi de electrozi trebuie echilibrată pentru a asigura siguranța bateriei și pentru a evita riscul de supraîncărcare a anodului (care poate duce la placarea cu metal cu litiu și scurtcircuitarea) sau supradescărcarea catodului (care poate duce la prăbușirea structurii cristaline). și pierderea locurilor vacante pentru reintercalarea litiului, reducând dramatic capacitatea).

Grafitul are o capacitate teoretică de 372 Ah/kg, dublu față de litiul disponibil în catozii NMC.Deci, în bateriile echilibrate cu ioni de litiu, catozii prezintă de obicei o grosime dublă în comparație cu anodul.Acest defect inerent al designului celulei cauzează probleme cu transportul în masă și cinetică și, astfel, a determinat căutarea catozilor de mare capacitate.

Pentru a crește densitatea de energie la nivel de celule, materialele inactive sunt reduse la minimum în celulele bateriei.De exemplu, o modalitate de a reduce colectorul de curent este creșterea grosimii electrozilor, dar acest lucru duce și mai mult la probleme de transport și necesită o porozitate înalt proiectată a electrodului.

Provocări de cost în fabricarea bateriilor cu ioni de litiu

Costurile bateriilor litiu-ion sunt mult mai mari decât va suporta piața auto pentru pătrunderea completă a vehiculelor electrice și a unui produs neutru din punct de vedere al costurilor, în comparație cu mașinile conduse de motoare cu ardere internă.Obiectivul de cost al Departamentului de Energie al SUA pentru toate bateriile de vehicule electrice este de 125 USD/kWh de energie utilizabilă (DOE 2013).Costul actual al bateriilor comerciale este de 400–500 USD/kWh, iar costul proiectat al acestora cu materialele experimentale actuale este de 325 USD/kWh.Cea mai mare parte a reducerii costurilor de până acum a fost realizată prin creșterea densității energetice la un cost similar cu cel al produselor de generație mai veche.

O reducere suplimentară a costurilor este posibilă prin optimizarea schemelor de producție.Bateriile litiu-ion sunt fabricate în seturi de electrozi și apoi asamblate în celule.Materialul activ este amestecat cu lianți polimerici, aditivi conductivi și solvenți pentru a forma o suspensie care este apoi acoperită pe o folie colector de curent și uscată pentru a îndepărta solventul și a crea o acoperire poroasă a electrodului.Solventul de alegere, N-metilpirolidona (NMP), este considerat un material indirect (este necesar pentru producție, dar nu este conținut în dispozitivul final), dar este scump, prezintă vapori inflamabili și este foarte toxic.

Vaporii inflamabili ai NMP necesită ca toate echipamentele de procesare din timpul producției de electrozi să fie rezistente la explozie, ceea ce înseamnă că toate componentele electrice producătoare de scântei trebuie să fie protejate de vapori și spațiile trebuie să fie puternic ventilate pentru a menține concentrațiile de vapori scăzute.Aceste măsuri măresc considerabil costul de capital al unor astfel de echipamente.

În plus, fabrica de electrozi trebuie să recaptureze solventul din fluxul său de evacuare, să-l distileze și să-l recicleze.Acesta este din nou un cost suplimentar.

Reducerea costurilor prin procesarea pe bază de apă

Înlocuirea NMP cu apă este o oportunitate extraordinară de a reduce costurile de producție a bateriilor cu ioni de litiu.Costul apei este neglijabil în comparație cu cel al NMP;apa nu este inflamabilă și nu produce vapori inflamabili;iar apa este benefică pentru mediu.Cu toate acestea, apa este un solvent polar și comportamentul său este complet diferit de cel al NMP nepolar.Mai mult, materialele active tind să se aglomereze, iar suprafețele colectoarelor de curent metalic sunt hidrofobe, ceea ce face procesul de acoperire mai dificil.

Cunoașterea sarcinilor de suprafață pe particule (prin măsurarea potențialului zeta) permite proiectarea polarității suprafeței în prezența apei prin introducerea de cantități mici de agenți tensioactivi.În cazul compușilor de intercalare catozică, polietilenimida a fost folosită cu succes pentru a introduce o sarcină de suprafață suficient de mare pentru a respinge particulele, astfel încât acestea să nu formeze aglomerate inacceptabile (Li et al. 2013).

Înțelegerea energiei de suprafață a metalelor și a tensiunii superficiale a suspensiei, precum și a interacțiunii acestora permite optimizarea perechii.Tratamentul cu plasmă atmosferică a suprafeței metalului prin expunerea la o plasmă corona elimină compușii organici de pe suprafață și permite o ușoară gravare și oxidare, care reduce dramatic energia de suprafață la valori sub tensiunea superficială a suspensiei.Acest lucru permite umezirea perfectă a suprafeței de către nămol și creează o acoperire cu aderență optimizată (Li et al. 2012).Rezultatul este o reducere de 75 la sută a costurilor operaționale și ale materialelor în fabricarea electrodului și o reducere potențială a costurilor de până la 20 la sută la nivelul pachetului de baterii pentru aplicații auto (Wood et al. 2014).Aceasta nu include costul mai mic al echipamentului: cheltuielile asociate cu echipamentul de procesare cu plasmă sunt mult mai mici decât cele pentru sistemul de recuperare a solvenților și cerința de rezistență la explozie.

Oportunități viitoare pentru reducerea costurilor

Reduceri suplimentare ale costurilor vor fi realizate printr-o mai bună cunoaștere a mecanismelor de transport și a implicațiilor arhitecturii electrozilor pentru performanța electrochimică.Cercetările actuale se concentrează în mare măsură pe modelare și simulare pentru a înțelege mecanismele moleculare și pentru a îmbunătăți proiectarea electrozilor, stivelor de electrozi și a celulelor bateriei.Electrozii mai groși și o reducere extraordinară a materialelor inactive vor îmbunătăți densitatea energiei la costuri mai mici, vor reduce costurile directe și, posibil, vor permite cicluri de formare a bateriei mult mai scurte și mai puțin consumatoare de energie.

Concluzie

Bateriile cu ioni de litiu au un potențial extraordinar de a permite electrificarea parțială până la totală a flotei de automobile, de a diversifica sursele de energie pentru transport și de a sprijini stocarea de energie la scară largă pentru o penetrare mai mare a aprovizionării intermitente cu energie regenerabilă.Cu toate acestea, costurile continuă să fie o problemă și va trebui abordată prin dezvoltarea unui lanț de aprovizionare robust, standarde în producție, producție ridicată de producție și metode raționalizate de procesare cu costuri reduse.Pe lângă reducerea costurilor, cercetarea poate îmbunătăți cunoștințele despre procesele moleculare și problemele de transport pentru a optimiza proiectarea și utilizarea energiei disponibile în baterii și pentru a crește durata de viață a acestora.

După cum se arată în această lucrare, o creștere a conținutului de energie și a capacității în materialele electrozilor activi și o reducere a materialelor indirecte în producție sunt două modalități de a afecta costul.

Mulțumiri

Părți din această cercetare de la Laboratorul Național Oak Ridge (ORNL; gestionat de UT Battelle, LLC) pentru Departamentul de Energie al SUA (sub contractul DE-AC05-00OR22725) au fost sponsorizate de Biroul pentru Tehnologii pentru Eficiență Energetică și Energie Regenerabilă (EERE) Subprogramul Office (VTO) Applied Battery Research (ABR) (directori de program: Peter Faguy și David Howell).Autorul recunoaște multe discuții fructuoase și contribuții din partea lui David Wood, Jianlin Li și Debasish Mohanty de la DOE Battery Manufacturing R&D Facility de la ORNL și Beth Armstrong din ORNL Materials Science and Technology Division.

Sursa articolului: Spring Bridge: De la frontierele ingineriei și nu numai