Bateritë litium-jon dhe sfidat e tyre në prodhim

Bateritë me jon litium janë të prodhuara në grupe elektrodash dhe më pas montohen në qeliza.Materiali aktiv përzihet me lidhës polimer, aditivë përçues dhe tretës për të formuar një pluhur që më pas lyhet në një fletë kolektori aktual dhe thahet për të hequr tretësin dhe për të krijuar një shtresë poroze të elektrodës.

Nuk ka asnjë bateri të vetme litium-jon.Me shumëllojshmërinë e materialeve dhe çifteve elektrokimike të disponueshme, është e mundur të dizajnohen qelizat e baterive specifike për aplikimet e tyre për sa i përket tensionit, gjendjes së përdorimit të karikimit, nevojave gjatë gjithë jetës dhe sigurisë.Përzgjedhja e çifteve të veçanta elektrokimike lehtëson gjithashtu hartimin e raporteve të fuqisë dhe energjisë dhe energjisë në dispozicion.

Integrimi në një qelizë të formatit të madh kërkon prodhim të optimizuar të elektrodës rrotull-për-rrotull dhe përdorimin e materialeve aktive.Elektrodat janë të veshura në një fletë metalike kolektori me rrymë metalike në një strukturë të përbërë të materialit aktiv, lidhësve dhe aditivëve përçues, që kërkojnë kontroll të kujdesshëm të kimisë koloidale, ngjitjes dhe ngurtësimit.Por materialet joaktive të shtuara dhe paketimi i qelizave reduktojnë densitetin e energjisë.Për më tepër, shkalla e porozitetit dhe ngjeshjes në elektrodë mund të ndikojë në performancën e baterisë.

Përveç këtyre sfidave të materialeve, kostoja është një pengesë e rëndësishme për adoptimin e gjerë të kësaj teknologjie.Rrugët janë duke u eksploruar për të sjellë bateri nga 100 Wh/kg dhe 200 Wh/L në treg me 500 $/kWh deri në 250 Wh/kg dhe 400 Wh/L për vetëm 125 $/kWh.

Bazat e baterive litium-jon

Bateria e joneve të litiumit u bë e mundur nga zbulimi i oksidit të litiumit të kobaltit (LiCoO ₂ ), i cili lejon nxjerrjen e joneve të litiumit dhe krijimin e sasive të mëdha të boshllëqeve (pa ndryshim kristalor) deri në heqjen e gjysmës së joneve ekzistuese.Çiftimi i LiCoO ₂ me grafit lejon ndërthurjen e joneve të litiumit midis shtresave të grafenit që zënë vendin intersticial midis çdo unaze gjashtëkëndore të atomeve të karbonit (Besenhard dhe Schöllhorn 1976; Mizushima et al. 1980; Whittingham 1976).

Jonet e litiumit udhëtojnë gjatë ngarkesës nga elektroda pozitive (katoda) përmes një elektroliti të ngurtë ose të lëngët në elektrodën negative (anoda) dhe, gjatë shkarkimit, në drejtim të kundërt.Në secilën elektrodë, joni ose ruan ngarkesën e tij dhe ndërthuret në strukturën kristalore duke zënë vende intersticiale në kristalet ekzistuese në anën e anodës ose ripushton një vend të lirë në katodë që u formua kur joni i litiumit u largua nga ai kristal.Gjatë transferimit të jonit, matrica pritës reduktohet ose oksidohet, gjë që lëshon ose kap një elektron. ¹

Shumëllojshmëri materialesh katodë

Kërkimi për materiale të reja katodike nxitet pjesërisht nga disavantazhet e rëndësishme të LiCoO ₂ .Bateria ka një temperaturë bazë prej 40–70°C dhe mund të jetë e ndjeshme ndaj disa reaksioneve në temperaturë të ulët.Por në 105-135°C është shumë reaktiv dhe një burim i shkëlqyer oksigjeni për një rrezik sigurie të quajtur reaksioni i arratisjes termike , në të cilat reaksionet tepër ekzotermike krijojnë pika të temperaturës dhe përshpejtohen me shpejtësi me çlirimin e nxehtësisë shtesë (Roth 2000).

Materialet zëvendësuese për LiCoO ₂ janë më pak të prirur për atë dështim.Komponimet zëvendësojnë pjesë të kobaltit me nikel dhe mangan për të formuar Li(Ni _x Mn _y Co _z ) O ₂ komponimet (me x + y + z = 1), të referuara shpesh si NMC pasi ato përmbajnë nikel, mangan dhe kobalt;ose shfaqin një strukturë krejtësisht të re në formën e fosfateve (p.sh. LiFePO ₄ ) (Daniel et al. 2014).Të gjitha këto materiale katodike shfaqin kapacitete në intervalin 120-160 Ah/kg në 3,5-3,7 V, duke rezultuar në densitetin maksimal të energjisë deri në 600 Wh/kg.

Megjithatë, kur paketohet në pajisje reale, shtohet shumë masë materiale joaktive dhe densiteti i energjisë tenton të bjerë në 100 Wh/kg në nivelin e paketimit.Për të nxitur për densitet më të lartë të energjisë, studiuesit kanë kërkuar kapacitet më të lartë dhe tension më të lartë - dhe i gjetën ato në oksidet e metaleve të tranzicionit të pasura me litium dhe mangan.Këto komponime janë në thelb të njëjtat materiale si NMC, por një tepricë e litiumit dhe sasi më të larta të manganit zëvendësojnë nikelin dhe kobaltin.Sasitë më të larta të litiumit (deri në 20 përqind më shumë) lejojnë që komponimet të kenë kapacitet më të lartë (Thackeray et al. 2007) dhe një tension më të lartë, duke rezultuar në katoda me deri në 280 Ah/kg kur ngarkohen deri në 4.8 V. Megjithatë , këto komponime të reja tregojnë probleme stabiliteti dhe priren të zbehen shpejt.

Balancimi i materialeve në qeliza

Bateritë e joneve të litiumit janë bërë nga shtresa elektrodash poroze në fletët e grumbullimit të rrymës prej alumini dhe bakri (Daniel 2008).Kapaciteti i çdo çifti elektrode duhet të jetë i balancuar për të garantuar sigurinë e baterisë dhe për të shmangur rrezikun e mbingarkesës së anodës (që mund të rezultojë në veshjen me metal litium dhe qark të shkurtër) ose shkarkimin e tepërt të katodës (që mund të rezultojë në një kolaps të strukturës kristalore dhe humbja e vendeve të lira të litiumit për t'u rindërtuar, duke reduktuar në mënyrë dramatike kapacitetin).

Grafiti ka një kapacitet teorik prej 372 Ah/kg, dyfishi i litiumit të disponueshëm në katoda NMC.Pra, në bateritë e balancuara të joneve të litiumit, katoda zakonisht shfaq trashësinë e dyfishtë në krahasim me anodën.Kjo e metë e qenësishme e dizajnit të qelizës shkakton probleme me transportin masiv dhe kinetikën, dhe kështu nxiti kërkimin për katoda me kapacitet të lartë.

Për të rritur densitetin e energjisë në nivelin e qelizës, materialet joaktive po minimizohen në qelizat e baterisë.Për shembull, një mënyrë për të reduktuar kolektorin aktual është rritja e trashësisë së elektrodave, por kjo çon më tej problemet e transportit dhe kërkon një porozitet shumë të projektuar në elektrodë.

Sfidat e kostos në prodhimin e baterive me jon litium

Kostot e baterive të litium-jonit janë shumë më të larta se sa do të përballojë tregu i automobilave për depërtimin e plotë të automjeteve elektrike dhe një produkt neutral ndaj kostos në krahasim me makinat e drejtuara nga motorë me djegie të brendshme.Objektivi i kostos së Departamentit Amerikan të Energjisë për të gjitha bateritë e automjeteve elektrike është 125 $/kWh energji e përdorshme (DOE 2013).Kostoja aktuale e baterive komerciale është 400–500 $/kWh dhe kostoja e tyre e parashikuar me materialet aktuale eksperimentale është 325 $/kWh.Pjesa më e madhe e uljes së kostos deri më tani është arritur nga rritja e densitetit të energjisë me kosto të ngjashme me produktet e gjeneratës së vjetër.

Ulja e mëtejshme e kostos është e mundur përmes optimizimit të skemave të prodhimit.Bateritë e joneve të litiumit prodhohen në grupe elektrodash dhe më pas montohen në qeliza.Materiali aktiv përzihet me lidhës polimer, aditivë përçues dhe tretës për të formuar një pluhur që më pas lyhet në një fletë kolektori aktual dhe thahet për të hequr tretësin dhe për të krijuar një shtresë poroze të elektrodës.Tretësi i zgjedhur, N-metilpirrolidoni (NMP), konsiderohet si një material indirekt (është i nevojshëm për prodhim, por nuk gjendet në pajisjen përfundimtare), por është i shtrenjtë, shfaq avuj të ndezshëm dhe është shumë toksik.

Avujt e ndezshëm të NMP kërkojnë që të gjitha pajisjet e përpunimit gjatë prodhimit të elektrodave të jenë rezistente ndaj shpërthimit, që do të thotë se të gjithë përbërësit elektrikë që prodhojnë shkëndija duhet të mbrohen nga avujt dhe hapësirat duhet të ajrosen shumë për të mbajtur përqendrimet e avullit të ulëta.Këto masa rrisin ndjeshëm koston kapitale të pajisjeve të tilla.

Përveç kësaj, fabrika e prodhimit të elektrodave kërkohet të rimarrë tretësin nga rrjedha e tij e shkarkimit, ta distilojë atë dhe ta riciklojë.Kjo është përsëri një kosto shtesë.

Ulja e kostos nga përpunimi me bazë uji

Zëvendësimi i NMP me ujë është një mundësi e jashtëzakonshme për të ulur koston në prodhimin e baterive me jon litium.Kostoja e ujit është e papërfillshme në krahasim me atë të NMP;uji nuk është i ndezshëm dhe nuk prodhon avuj të ndezshëm;dhe uji është i mirë për mjedisin.Megjithatë, uji është një tretës polar dhe sjellja e tij është krejtësisht e ndryshme nga ajo e NMP jopolare.Për më tepër, materialet aktive priren të grumbullohen dhe sipërfaqet e kolektorit të rrymës metalike janë hidrofobike, duke e bërë më të vështirë procesin e veshjes.

Njohja e ngarkesave sipërfaqësore të grimcave (duke matur potencialin zeta) mundëson projektimin e polaritetit të sipërfaqes në prani të ujit duke futur sasi të vogla surfaktantësh.Në rastin e komponimeve të ndërthurjes së katodës, imidi i polietilenit është përdorur me sukses për të futur një ngarkesë sipërfaqësore mjaft të madhe për të zmbrapsur grimcat në mënyrë që ato të mos formojnë aglomerate të papranueshme (Li et al. 2013).

Kuptimi i energjisë sipërfaqësore të metaleve dhe tensionit sipërfaqësor të slurit si dhe ndërveprimi i tyre mundëson optimizimin e çiftit.Trajtimi me plazmë atmosferike i sipërfaqes së metalit nëpërmjet ekspozimit ndaj një plazme korona heq komponimet organike në sipërfaqe dhe mundëson një gravje dhe oksidim të lehtë, i cili redukton në mënyrë dramatike energjinë sipërfaqësore në vlera nën tensionin sipërfaqësor të slurit.Kjo lejon njomjen e përsosur të sipërfaqes nga pluhuri dhe krijon një shtresë me ngjitje të optimizuar (Li et al. 2012).Rezultati është një reduktim 75 për qind i kostos operacionale dhe materialeve në prodhimin e elektrodave dhe një reduktim i mundshëm i kostos deri në 20 për qind në nivelin e paketës së baterive për aplikimet e automobilave (Wood et al. 2014).Kjo nuk përfshin koston më të ulët të pajisjes: shpenzimet e lidhura me pajisjet e përpunimit të plazmës janë shumë më të ulëta se ato për sistemin e rikuperimit të tretësve dhe kërkesat për rezistencë ndaj shpërthimit.

Mundësitë e ardhshme për uljen e kostos

Ulje të mëtejshme të kostos do të arrihen përmes njohurive më të mëdha të mekanizmave të transportit dhe implikimeve të arkitekturës së elektrodave për performancën elektrokimike.Hulumtimi aktual është fokusuar kryesisht në modelimin dhe simulimin për të kuptuar mekanizmat molekularë dhe për të përmirësuar dizajnin e elektrodave, pirgjeve të elektrodave dhe qelizave të baterive.Elektrodat më të trasha dhe një reduktim i jashtëzakonshëm i materialeve joaktive do të përmirësojnë densitetin e energjisë me kosto më të ulët, do të zvogëlojnë kostot direkte dhe ndoshta do të mundësojnë çiklizëm shumë më të shkurtër dhe më pak energji intensiv të formimit të baterive.

konkluzioni

Bateritë e joneve të litiumit kanë një potencial të jashtëzakonshëm për të mundësuar elektrifikimin e pjesshëm në të plotë të flotës së automobilave, diversifikimin e burimeve të energjisë për transport dhe mbështetjen e ruajtjes së energjisë në shkallë të gjerë për një depërtim më të lartë të furnizimit me energji të rinovueshme me ndërprerje.Megjithatë, kostoja vazhdon të jetë një problem dhe do të duhet të adresohet nga zhvillimi i një zinxhiri të fuqishëm furnizimi, standardet në prodhim, xhiroja e lartë e prodhimit dhe metodat e thjeshta të përpunimit me kosto të ulët.Përveç reduktimit të kostove, kërkimi mund të përmirësojë njohuritë për proceset molekulare dhe çështjet e transportit në mënyrë që të optimizohet dizajni dhe përdorimi i energjisë së disponueshme në bateri dhe të rritet koha e jetës së tyre.

Siç tregohet në këtë punim, një rritje në përmbajtjen e energjisë dhe kapacitetin në materialet e elektrodës aktive dhe një reduktim i materialeve indirekte në prodhim janë dy mënyra për të ndikuar në kosto.

Mirënjohje

Pjesë të këtij hulumtimi në Laboratorin Kombëtar Oak Ridge (ORNL; menaxhuar nga UT Battelle, LLC) për Departamentin e Energjisë të SHBA (sipas kontratës DE-AC05-00OR22725) u sponsorizuan nga Zyra e Teknologjive të Automjeteve të Efiçiencës së Energjisë dhe Energjisë së Rinovueshme (EERE). Nënprogrami i Zyrës (VTO) të Kërkimit të Aplikuar të Baterisë (ABR) (menaxherët e programit: Peter Faguy dhe David Howell).Autori pranon shumë diskutime të frytshme dhe kontribute nga David Wood, Jianlin Li dhe Debasish Mohanty nga DOE Battery Manufacturing R&D Facility në ORNL dhe Beth Armstrong në Divizionin e Shkencës dhe Teknologjisë së Materialeve të ORNL.

Burimi i artikullit: Ura e Pranverës: Nga Kufijtë e inxhinierisë dhe më gjerë