Литијум-јонске батерије и изазови у њиховој производњи

Литијум-јонске батерије су произведено у сетове електрода, а затим састављени у ћелије.Активни материјал се меша са полимерним везивним средствима, проводљивим адитивима и растварачима да би се формирала суспензија која се затим облаже на фолији за колектор струје и суши да би се уклонио растварач и створио порозни премаз електроде.

Не постоји једна литијум-јонска батерија.Са разноврсношћу доступних материјала и електрохемијских парова, могуће је дизајнирати батеријске ћелије специфичне за њихову примену у смислу напона, стања напуњености, животних потреба и безбедности.Избор специфичних електрохемијских парова такође олакшава пројектовање односа снаге и енергије и расположиве енергије.

Интеграција у ћелију великог формата захтева оптимизовану производњу ролл-то-ролл електрода и употребу активних материјала.Електроде су обложене металном фолијом за колектор струје у композитној структури активног материјала, везива и проводних адитива, што захтева пажљиву контролу колоидне хемије, адхезије и очвршћавања.Али додани неактивни материјали и паковање ћелија смањују густину енергије.Штавише, степен порозности и збијености у електроди могу утицати на перформансе батерије.

Поред ових изазова са материјалима, цена је значајна препрека широком усвајању ове технологије.Истражују се путеви за довођење батерија од комерцијално доступних 100 Вх/кг и 200 Вх/Л по цени од 500 УСД/кВх до 250 Вх/кг и 400 Вх/Л за само 125 УСД/кВх.

Основе литијум-јонских батерија

Литијум-јонска батерија је омогућена открићем литијум кобалт оксида (ЛиЦоО ₂ ), који омогућава екстракцију литијум јона и стварање великих количина слободних места (без промене кристала) до уклањања половине постојећих јона.Упаривање ЛиЦоО ₂ са графитом омогућава интеркалацију литијум јона између слојева графена који заузимају интерстицијско место између сваког хексагоналног прстена атома угљеника (Бесенхард и Сцхоллхорн 1976; Мизусхима ет ал. 1980; Вхиттингхам 1976).

Јони литијума путују током пуњења од позитивне електроде (катоде) кроз чврсти или течни електролит до негативне електроде (аноде) и, током пражњења, у супротном смеру.На свакој електроди, јон или одржава свој набој и интеркалира се у кристалну структуру заузимајући интерстицијска места у постојећим кристалима на страни аноде или поново заузима празно место на катоди које се формирало када је литијум јон напустио тај кристал.Током преноса јона, матрица домаћина се редукује или оксидира, што ослобађа или хвата електрон. ¹

Разноликост катодних материјала

Потрага за новим катодним материјалима делимично је вођена важним недостацима ЛиЦоО ₂ .Батерија има температуру језгра од 40–70°Ц и може бити подложна неким реакцијама на ниским температурама.Али на 105–135°Ц је веома реактиван и одличан извор кисеоника за опасност по безбедност која се зове термичка реакција , у којој високо егзотермне реакције стварају температурне скокове и брзо се убрзавају са ослобађањем додатне топлоте (Ротх 2000).

Заменски материјали за ЛиЦоО ₂ мање су склони том неуспеху.Једињења замењују делове кобалта никлом и манганом да би се формирао Ли(Ни _Икс Мн _и Цо _з )О ₂ једињења (са Икс + и + з = 1), који се често називају НМЦ јер садрже никл, манган и кобалт;или показују потпуно нову структуру у облику фосфата (нпр. ЛиФеПО ₄ ) (Даниел ет ал. 2014).Сви ови катодни материјали показују капацитете у опсегу од 120–160 Ах/кг на 3,5–3,7 В, што резултира максималном густином енергије до 600 Вх/кг.

Када се пакују у стварне уређаје, међутим, додаје се велика маса неактивног материјала и густина енергије има тенденцију да падне на 100 Вх/кг на нивоу паковања.Да би се залагали за већу густину енергије, истраживачи су тражили већи капацитет и већи напон - и пронашли их у оксидима прелазних метала богатим литијумом и манганом.Ова једињења су у суштини исти материјали као НМЦ, али вишак литијума и веће количине мангана замењују никл и кобалт.Веће количине литијума (чак 20 одсто више) омогућавају једињењима већи капацитет (Тхацкераи ет ал. 2007) и већи напон, што резултира катодама са до 280 Ах/кг када се напуне до 4,8 В. Међутим , ова нова једињења показују проблеме са стабилношћу и имају тенденцију да брзо бледе.

Балансирање материјала у ћелијама

Литијум-јонске батерије су направљене од слојева порозних електрода на алуминијумским и бакарним струјним колекторским фолијама (Даниел 2008).Капацитет сваког пара електрода треба да буде избалансиран како би се осигурала сигурност батерије и избегао ризик од прекомерног пуњења аноде (што може довести до литијумске металне облоге и кратког споја) или прекомерног пражњења катоде (што може довести до колапса кристалне структуре и губитак слободних места за реинтеркалацију литијума, драматично смањујући капацитет).

Графит има теоретски капацитет од 372 Ах/кг, двоструко већи од доступног литијума у ​​НМЦ катодама.Дакле, у балансираним литијум-јонским батеријама, катоде обично показују двоструку дебљину у поређењу са анодом.Ова инхерентна мана дизајна ћелије узрокује проблеме са транспортом масе и кинетиком, и на тај начин је подстакла потрагу за катодама високог капацитета.

Да би се повећала густина енергије на нивоу ћелије, неактивни материјали се минимизирају у ћелијама батерија.На пример, један од начина да се смањи струјни колектор је повећање дебљине електрода, али то додатно доводи до проблема транспорта и захтева високо пројектовану порозност у електроди.

Изазови трошкова у производњи литијум-јонских батерија

Трошкови литијум-јонских батерија су много већи него што ће аутомобилско тржиште сносити за потпуни продор електричних возила и производ који је неутралан у односу на аутомобиле са моторима са унутрашњим сагоревањем.Циљни трошак америчког Министарства енергетике за све батерије електричних возила је 125 УСД/кВх употребљиве енергије (ДОЕ 2013).Тренутна цена комерцијалних батерија је 400-500 УСД/кВх, а њихова пројектована цена са тренутним експерименталним материјалима је 325 УСД/кВх.Већина смањења трошкова до сада је постигнута повећањем густине енергије по сличној цени као код производа старије генерације.

Даље смањење трошкова могуће је кроз оптимизацију производних шема.Литијум-јонске батерије се производе у сетовима електрода, а затим се склапају у ћелије.Активни материјал се меша са полимерним везивним средствима, проводљивим адитивима и растварачима да би се формирала суспензија која се затим облаже на фолији за колектор струје и суши да би се уклонио растварач и створио порозни премаз електроде.Растварач избора, Н-метилпиролидон (НМП), се сматра ан индиректног материјала (потребан је за производњу, али није садржан у коначном уређају), али је скуп, показује запаљиве паре и веома је токсичан.

Запаљиве паре НМП-а захтевају да сва опрема за обраду током производње електрода буде отпорна на експлозију, што значи да све електричне компоненте које производе варнице морају бити заштићене од испарења, а простори морају бити добро проветрени да би се одржале ниске концентрације паре.Ове мере значајно повећавају капиталне трошкове такве опреме.

Поред тога, од фабрике за производњу електрода се захтева да поново ухвати растварач из свог издувног тока, дестилује га и рециклира.Ово је опет додатни трошак.

Смањење трошкова прерадом на бази воде

Замена НМП-а водом је огромна прилика за смањење трошкова у производњи литијум-јонских батерија.Цена воде је занемарљива у поређењу са НМП;вода није запаљива и не производи запаљиве паре;а вода је еколошки бенигна.Међутим, вода је поларни растварач и њено понашање је потпуно другачије од понашања неполарног НМП.Штавише, активни материјали имају тенденцију да се агломерирају и металне површине колектора струје су хидрофобне, што отежава процес премазивања.

Познавање површинских наелектрисања на честицама (мерењем зета потенцијала) омогућава пројектовање површинског поларитета у присуству воде увођењем малих количина сурфактаната.У случају катодних интеркалационих једињења, полиетилен имид је успешно коришћен за увођење површинског набоја довољно великог да одбије честице тако да оне не формирају неприхватљиве агломерате (Ли ет ал. 2013).

Разумевање површинске енергије метала и површинског напона суспензије као и њихове интеракције омогућава оптимизацију пара.Атмосферска обрада површине метала плазмом кроз излагање корона плазми уклања органска једињења са површине и омогућава благо нагризање и оксидацију, што драматично смањује површинску енергију на вредности испод површинског напона суспензије.Ово омогућава савршено влажење површине суспензијом и ствара премаз са оптимизованом адхезију (Ли ет ал. 2012).Резултат је смањење оперативних трошкова и трошкова материјала за 75 процената у производњи електрода и потенцијално смањење трошкова до 20 процената на нивоу батерије за аутомобилске апликације (Воод ет ал. 2014).Ово не укључује ниже трошкове опреме: трошкови повезани са опремом за обраду плазме су много нижи од оних за систем за обнављање растварача и захтеви за заштиту од експлозије.

Будуће могућности за смањење трошкова

Даља смањења трошкова ће се постићи кроз боље познавање механизама транспорта и импликација архитектуре електрода на електрохемијске перформансе.Тренутна истраживања су углавном фокусирана на моделирање и симулацију како би се разумели молекуларни механизми и побољшао дизајн електрода, снопова електрода и ћелија батерије.Дебље електроде и огромно смањење неактивних материјала ће побољшати густину енергије по нижој цени, смањити директне трошкове и можда омогућити много краћи и мање енергетски интензиван циклус формирања батерија.

Закључак

Литијум-јонске батерије имају огроман потенцијал за омогућавање делимичне до потпуне електрификације аутомобилског возног парка, диверзификацију извора енергије за транспорт и подршку за складиштење енергије великих размера за већи продор повременог снабдевања обновљивим изворима енергије.Међутим, трошкови и даље представљају проблем и мораће да се позабаве развојем робусног ланца снабдевања, стандардима у производњи, великом производном пропусношћу и модернизованим методама ниске цене обраде.Поред смањења трошкова, истраживање може побољшати знање о молекуларним процесима и питањима транспорта како би се оптимизовао дизајн и употреба расположиве енергије у батеријама и продужио њихов животни век.

Као што је приказано у овом раду, повећање садржаја енергије и капацитета у активним електродним материјалима и смањење индиректних материјала у производњи су два начина да утичу на трошкове.

Признања

Делове овог истраживања у Националној лабораторији Оак Риџ (ОРНЛ; управља УТ Баттелле, ЛЛЦ) за Министарство енергетике САД (по уговору ДЕ-АЦ05-00ОР22725) спонзорисала је Канцеларија за енергетску ефикасност и обновљиву енергију (ЕЕРЕ) за технологије возила Потпрограм Оффице (ВТО) Апплиед Баттери Ресеарцх (АБР) (менаџери програма: Петер Фагуи и Давид Ховелл).Аутор признаје многе плодне дискусије и доприносе са Дејвидом Вудом, Ђианлином Лијем и Дебасишем Мохантијем из Завода за истраживање и развој ДОЕ за производњу батерија у ОРНЛ-у и Бетх Армстронг из ОРНЛ-овог Одељења за науку о материјалима и технологију.

Извор чланка: Пролећни мост: Са граница инжењерства и даље