Litij-ionske baterije in njihovi proizvodni izzivi

Litij-ionske baterije so proizvedeno v nizih elektrod in nato sestavljenih v celice.Aktivni material se zmeša s polimernimi vezivi, prevodnimi dodatki in topili, da se oblikuje gošča, ki se nato nanese na folijo zbiralnika toka in posuši, da se odstrani topilo in ustvari porozni premaz elektrode.

Enotne litij-ionske baterije ni.Z različnimi materiali in elektrokemičnimi pari, ki so na voljo, je mogoče oblikovati baterijske celice, specifične za njihove aplikacije v smislu napetosti, stanja napolnjenosti, potreb po življenjski dobi in varnosti.Izbira specifičnih elektrokemičnih parov olajša tudi načrtovanje razmerij moči in energije ter razpoložljive energije.

Integracija v celico velikega formata zahteva optimizirano proizvodnjo elektrod od zvitka do zvitka in uporabo aktivnih materialov.Elektrode so prevlečene na kovinsko tokovno zbiralno folijo v kompozitni strukturi aktivnega materiala, veziv in prevodnih dodatkov, kar zahteva skrben nadzor koloidne kemije, adhezije in strjevanja.Toda dodani neaktivni materiali in celična embalaža zmanjšajo energijsko gostoto.Poleg tega lahko stopnja poroznosti in zgoščenosti v elektrodi vplivata na delovanje baterije.

Poleg teh izzivov glede materialov so stroški pomembna ovira za široko uporabo te tehnologije.Raziskujejo se poti za prenos baterij s komercialno dostopnih 100 Wh/kg in 200 Wh/L pri 500 USD/kWh na 250 Wh/kg in 400 Wh/L za samo 125 USD/kWh.

Osnove litij-ionskih baterij

Litij-ionsko baterijo je omogočilo odkritje litij-kobaltovega oksida (LiCoO ₂ ), ki omogoča ekstrakcijo litijevih ionov in ustvarjanje velikih količin prostih mest (brez kristalne spremembe) do odstranitve polovice obstoječih ionov.Seznanjanje LiCoO ₂ z grafitom omogoča interkalacijo litijevih ionov med plastmi grafena, ki zasedajo intersticijsko mesto med vsakim šesterokotnim obročem ogljikovih atomov (Besenhard in Schöllhorn 1976; Mizushima et al. 1980; Whittingham 1976).

Litijevi ioni potujejo med polnjenjem od pozitivne elektrode (katoda) skozi trden ali tekoč elektrolit do negativne elektrode (anoda) in med praznjenjem v nasprotni smeri.Na vsaki elektrodi ion bodisi ohrani svoj naboj in se interkalira v kristalno strukturo, tako da zasede intersticijska mesta v obstoječih kristalih na anodni strani, ali pa ponovno zasede prazno mesto na katodi, ki je nastalo, ko je litijev ion zapustil ta kristal.Med prenosom iona se matrica gostitelja reducira ali oksidira, kar sprosti ali zajame elektron. ¹

Raznolikost katodnih materialov

Iskanje novih katodnih materialov deloma poganjajo pomembne pomanjkljivosti LiCoO ₂ .Temperatura jedra baterije je 40–70 °C in je lahko dovzetna za nekatere nizkotemperaturne reakcije.Toda pri 105–135 °C je zelo reaktiven in odličen vir kisika za varnostno nevarnost, imenovano reakcija termičnega bega , pri katerem močno eksotermne reakcije ustvarjajo temperaturne skoke in se hitro pospešijo s sproščanjem dodatne toplote (Roth 2000).

Nadomestni materiali za LiCoO ₂ so manj nagnjeni k temu neuspehu.Spojine nadomestijo dele kobalta z nikljem in manganom, da nastane Li(Ni _x Mn _l Co _z )O ₂ spojine (s x + l + z = 1), ki jih pogosto imenujemo NMC, saj vsebujejo nikelj, mangan in kobalt;ali pa imajo popolnoma novo strukturo v obliki fosfatov (npr. LiFePO ₄ ) (Daniel et al. 2014).Vsi ti katodni materiali imajo kapacitete v območju 120–160 Ah/kg pri 3,5–3,7 V, kar ima za posledico največjo gostoto energije do 600 Wh/kg.

Pri pakiranju v prave naprave pa se doda veliko neaktivne materialne mase in energijska gostota ponavadi pade na 100 Wh/kg na ravni paketa.Da bi si prizadevali za večjo energijsko gostoto, so raziskovalci iskali večjo zmogljivost in višjo napetost – in ju našli v oksidih prehodnih kovin, bogatih z litijem in manganom.Te spojine so v bistvu enaki materiali kot NMC, vendar presežek litija in večje količine mangana nadomestijo nikelj in kobalt.Večje količine litija (kar 20 odstotkov več) omogočajo, da imajo spojine večjo kapaciteto (Thackeray et al. 2007) in višjo napetost, kar povzroči katode z do 280 Ah/kg pri polnjenju do 4,8 V. Vendar , te nove spojine kažejo težave s stabilnostjo in ponavadi hitro zbledijo.

Uravnoteženje snovi v celicah

Litij-ionske baterije so izdelane iz plasti poroznih elektrod na aluminijastih in bakrenih folijah za zbiranje toka (Daniel 2008).Zmogljivost vsakega para elektrod mora biti uravnotežena, da se zagotovi varnost baterije in prepreči tveganje prenapolnjenosti anode (kar lahko povzroči prevleko z litijem in kratek stik) ali prekomerno izpraznitev katode (kar lahko povzroči propad kristalne strukture in izguba prostih mest za ponovno interkalacijo litija, kar dramatično zmanjša zmogljivost).

Grafit ima teoretično zmogljivost 372 Ah/kg, kar je dvakrat več od razpoložljivega litija v katodah NMC.V uravnoteženih litij-ionskih baterijah imajo katode običajno dvojno debelino v primerjavi z anodo.Ta inherentna napaka v zasnovi celice povzroča težave z masnim transportom in kinetiko ter je tako spodbudila iskanje katod z visoko zmogljivostjo.

Da bi povečali energijsko gostoto na ravni celice, se neaktivni materiali v baterijskih celicah minimizirajo.Na primer, eden od načinov za zmanjšanje tokovnega zbiralnika je povečanje debeline elektrod, vendar to dodatno povzroča težave pri transportu in zahteva visoko inženirsko poroznost v elektrodi.

Stroškovni izzivi pri proizvodnji litij-ionskih baterij

Stroški litij-ionskih baterij so veliko višji, kot jih bo avtomobilski trg nosil za popoln prodor električnih vozil in so stroškovno nevtralen izdelek v primerjavi z avtomobili, ki jih poganjajo motorji z notranjim zgorevanjem.Cilj ministrstva za energijo ZDA glede stroškov za vse baterije električnih vozil je 125 USD/kWh uporabne energije (DOE 2013).Trenutni stroški komercialnih baterij znašajo 400–500 USD/kWh, njihova predvidena cena s trenutnimi eksperimentalnimi materiali pa je 325 USD/kWh.Večina znižanja stroškov je bila doslej dosežena s povečanjem gostote energije ob podobnih stroških kot pri izdelkih starejše generacije.

Dodatno znižanje stroškov je možno z optimizacijo proizvodnih shem.Litij-ionske baterije so izdelane v sklopih elektrod in nato sestavljene v celice.Aktivni material se zmeša s polimernimi vezivi, prevodnimi dodatki in topili, da se oblikuje gošča, ki se nato nanese na folijo zbiralnika toka in posuši, da se odstrani topilo in ustvari porozni premaz elektrode.Izbrano topilo, N-metilpirolidon (NMP), velja za posredni material (potreben je za proizvodnjo, vendar ni v končni napravi), vendar je drag, vsebuje vnetljive hlape in je zelo strupen.

Vnetljivi hlapi NMP zahtevajo, da je vsa oprema za obdelavo med proizvodnjo elektrod odporna proti eksploziji, kar pomeni, da morajo biti vse električne komponente, ki proizvajajo iskre, zaščitene pred hlapi, prostori pa morajo biti dobro prezračeni, da ostanejo koncentracije hlapov nizke.Ti ukrepi znatno povečajo kapitalske stroške takšne opreme.

Poleg tega mora obrat za proizvodnjo elektrod ponovno zajeti topilo iz izpušnega toka, ga destilirati in reciklirati.To je spet dodaten strošek.

Zmanjšanje stroškov s predelavo na vodni osnovi

Zamenjava NMP z vodo je izjemna priložnost za zmanjšanje stroškov pri proizvodnji litij-ionskih baterij.Strošek vode je v primerjavi z NMP zanemarljiv;voda ni vnetljiva in ne proizvaja vnetljivih hlapov;in voda je okolju prijazna.Vendar je voda polarno topilo in njeno obnašanje je popolnoma drugačno od obnašanja nepolarnega NMP.Poleg tega se aktivni materiali nagibajo k aglomeraciji, kovinske površine zbiralnikov toka pa so hidrofobne, zaradi česar je postopek nanašanja premaza težji.

Poznavanje površinskih nabojev na delcih (z merjenjem zeta potenciala) omogoča načrtovanje površinske polarnosti v prisotnosti vode z vnosom majhnih količin površinsko aktivnih snovi.V primeru katodnih interkalacijskih spojin je bil polietilenimid uspešno uporabljen za uvedbo površinskega naboja, ki je dovolj velik, da odbija delce, tako da ti ne tvorijo nesprejemljivih aglomeratov (Li et al. 2013).

Razumevanje površinske energije kovin in površinske napetosti mešanice ter njune interakcije omogoča optimizacijo para.Atmosferska plazemska obdelava kovinske površine z izpostavljenostjo koronski plazmi odstrani organske spojine na površini in omogoči rahlo jedkanje in oksidacijo, kar dramatično zmanjša površinsko energijo na vrednosti pod površinsko napetostjo zmesi.To omogoča popolno omočenje površine z gnojevko in ustvarja premaz z optimiziranim oprijemom (Li et al. 2012).Rezultat je 75-odstotno zmanjšanje operativnih stroškov in stroškov materiala pri izdelavi elektrod ter potencialno zmanjšanje stroškov do 20 odstotkov na ravni paketa baterij za avtomobilske aplikacije (Wood et al. 2014).To ne vključuje nižjih stroškov opreme: stroški, povezani z opremo za plazemsko obdelavo, so veliko nižji od tistih za sistem za rekuperacijo topil in zahteve glede eksplozijske zaščite.

Prihodnje priložnosti za zmanjšanje stroškov

Nadaljnje znižanje stroškov bo doseženo z boljšim poznavanjem transportnih mehanizmov in implikacij arhitekture elektrod za elektrokemično delovanje.Sedanje raziskave so v veliki meri osredotočene na modeliranje in simulacijo za razumevanje molekularnih mehanizmov in izboljšanje zasnove elektrod, sklopov elektrod in baterijskih celic.Debelejše elektrode in izjemno zmanjšanje neaktivnih materialov bodo izboljšali energijsko gostoto z nižjimi stroški, zmanjšali neposredne stroške in morda omogočili veliko krajše in manj energetsko intenzivno cikličnost nastajanja baterije.

Zaključek

Litij-ionske baterije imajo izjemen potencial za omogočanje delne do popolne elektrifikacije avtomobilskega voznega parka, diverzifikacijo virov energije za transport in podporo obsežnemu shranjevanju energije za večji prodor občasne oskrbe z obnovljivo energijo.Vendar pa so stroški še vedno problem in jih bo treba obravnavati z razvojem robustne dobavne verige, standardov v proizvodnji, visoke proizvodne zmogljivosti in poenostavljenih nizkocenovnih metod obdelave.Poleg zmanjšanja stroškov lahko raziskave izboljšajo znanje o molekularnih procesih in transportnih vprašanjih, da bi optimizirali zasnovo in uporabo razpoložljive energije v baterijah ter podaljšali njihovo življenjsko dobo.

Kot je prikazano v tem dokumentu, sta povečanje vsebnosti energije in zmogljivosti v materialih aktivnih elektrod ter zmanjšanje posrednih materialov v proizvodnji dva načina vplivanja na stroške.

Zahvala

Dele te raziskave v Oak Ridge National Laboratory (ORNL; upravlja UT Battelle, LLC) za ameriško ministrstvo za energijo (po pogodbi DE-AC05-00OR22725) je sponzoriral Urad za energetsko učinkovitost in obnovljivo energijo (EERE) Vehicle Technologies Podprogram Office (VTO) Applied Battery Research (ABR) (vodja programa: Peter Faguy in David Howell).Avtor se zahvaljuje številnim plodnim razpravam in prispevkom Davida Wooda, Jianlin Lija in Debasisha Mohantyja iz raziskovalno-razvojnega obrata DOE za proizvodnjo baterij pri ORNL ter Beth Armstrong iz oddelka za znanost in tehnologijo materialov ORNL.

Vir članka: Spring Bridge: Od meja inženirstva in naprej