Litiumjonbatterier och deras tillverkningsutmaningar

Litiumjonbatterier är tillverkad i uppsättningar av elektroder och sedan monterade i celler.Aktivt material blandas med polymerbindemedel, ledande tillsatser och lösningsmedel för att bilda en slurry som sedan beläggs på en strömkollektorfolie och torkas för att avlägsna lösningsmedlet och skapa en porös elektrodbeläggning.

Det finns inget enskilt litiumjonbatteri.Med de olika material och elektrokemiska kopplingar som finns tillgängliga, är det möjligt att designa battericeller specifika för deras applikationer när det gäller spänning, laddningstillstånd, livslängdsbehov och säkerhet.Val av specifika elektrokemiska par underlättar också utformningen av effekt- och energiförhållanden och tillgänglig energi.

Integrering i en storformatcell kräver optimerad roll-to-roll elektrodtillverkning och användning av aktiva material.Elektroder är belagda på en metallströmkollektorfolie i en sammansatt struktur av aktivt material, bindemedel och ledande tillsatser, vilket kräver noggrann kontroll av kolloidal kemi, vidhäftning och stelning.Men de tillsatta inaktiva materialen och cellförpackningen minskar energitätheten.Dessutom kan graden av porositet och komprimering i elektroden påverka batteriets prestanda.

Utöver dessa materialutmaningar är kostnaden ett betydande hinder för utbredd användning av denna teknik.Vägar undersöks för att få batterier från de kommersiellt tillgängliga 100 Wh/kg och 200 Wh/L för 500 USD/kWh upp till 250 Wh/kg och 400 Wh/L för bara 125 USD/kWh.

Grunderna för litiumjonbatterier

Litiumjonbatteriet möjliggjordes genom upptäckten av litiumkoboltoxid (LiCoO) ₂ ), vilket möjliggör extraktion av litiumjoner och skapande av stora mängder lediga platser (utan en kristallförändring) upp till att hälften av de befintliga jonerna avlägsnas.Parningen av LiCoO ₂ med grafit möjliggör interkalering av litiumjoner mellan grafenskikten som upptar den interstitiella platsen mellan varje hexagonal ring av kolatomer (Besenhard och Schöllhorn 1976; Mizushima et al. 1980; Whittingham 1976).

Litiumjonerna färdas under laddning från den positiva elektroden (katoden) genom en fast eller flytande elektrolyt till den negativa elektroden (anoden) och, under urladdning, i motsatt riktning.Vid varje elektrod bibehåller jonen antingen sin laddning och interkaleras in i kristallstrukturen som upptar interstitiala platser i befintliga kristaller på anodsidan eller återupptar en ledig plats i katoden som bildades när litiumjonen lämnade den kristallen.När jonen överförs reduceras eller oxideras värdmatrisen, vilket frigör eller fångar en elektron. ¹

Olika katodmaterial

Sökandet efter nya katodmaterial drivs delvis av viktiga nackdelar med LiCoO ₂ .Batteriet har en kärntemperatur på 40–70°C och kan vara känsligt för vissa lågtemperaturreaktioner.Men vid 105–135°C är den mycket reaktiv och en utmärkt syrekälla för en säkerhetsrisk som kallas en termisk flyktreaktion , där starkt exoterma reaktioner skapar temperaturspikar och accelererar snabbt med utsläpp av extra värme (Roth 2000).

Ersättningsmaterial för LiCoO ₂ är mindre benägna att misslyckas.Föreningarna ersätter delar av kobolten med nickel och mangan för att bilda Li(Ni _x Mn _y Co _z )O ₂ föreningar (med x + y + z = 1), ofta kallad NMC eftersom de innehåller nickel, mangan och kobolt;eller så uppvisar de en helt ny struktur i form av fosfater (t.ex. LiFePO ₄ ) (Daniel et al. 2014).Dessa katodmaterial uppvisar alla kapaciteter i intervallet 120–160 Ah/kg vid 3,5–3,7 V, vilket resulterar i maximal energitäthet på upp till 600 Wh/kg.

Vid förpackning i riktiga enheter tillsätts dock mycket inaktiv materialmassa och energitätheten tenderar att sjunka till 100 Wh/kg på förpackningsnivån.För att driva på för högre energitäthet har forskare sökt högre kapacitet och högre spänning – och hittat dem i litium- och manganrika övergångsmetalloxider.Dessa föreningar är i huvudsak samma material som NMC men ett överskott av litium och högre mängder mangan ersätter nickel och kobolt.De högre mängderna litium (så mycket som 20 procent mer) gör att föreningarna får högre kapacitet (Thackeray et al. 2007) och en högre spänning, vilket resulterar i katoder med upp till 280 Ah/kg när de laddas upp till 4,8 V. , visar dessa nya föreningar stabilitetsproblem och tenderar att blekna snabbt.

Balansering av material i celler

Litiumjonbatterier är gjorda av lager av porösa elektroder på aluminium- och kopparströmkollektorfolier (Daniel 2008).Kapaciteten hos varje elektrodpar måste balanseras för att säkerställa batterisäkerhet och undvika risk för överladdning av anoden (vilket kan resultera i litiummetallplätering och kortslutning) eller överurladdning av katoden (vilket kan resultera i en kollaps av kristallstrukturen och förlust av vakanser för litium att återintegrera, vilket dramatiskt minskar kapaciteten).

Grafit har en teoretisk kapacitet på 372 Ah/kg, dubbelt så stor som tillgängligt litium i NMC-katoder.Så i balanserade litiumjonbatterier uppvisar katoderna vanligtvis dubbel tjocklek jämfört med anoden.Denna inneboende brist i celldesignen orsakar problem med masstransport och kinetik, och föranledde därför sökandet efter högkapacitetskatoder.

För att öka energitätheten på cellnivå minimeras inaktiva material i battericeller.Till exempel är ett sätt att minska strömavtagaren att öka tjockleken på elektroderna, men detta driver ytterligare transportproblem och kräver en mycket konstruerad porositet i elektroden.

Kostnadsutmaningar vid tillverkning av litiumjonbatterier

Kostnaderna för litiumjonbatterier är mycket högre än vad fordonsmarknaden kommer att bära för full penetration av elfordon och en kostnadsneutral produkt jämfört med bilar som drivs av förbränningsmotorer.Det amerikanska energidepartementets kostnadsmål för alla elfordonsbatterier är 125 USD/kWh användbar energi (DOE 2013).Den nuvarande kostnaden för kommersiella batterier är $400–500/kWh och deras beräknade kostnad med nuvarande experimentmaterial är $325/kWh.Merparten av kostnadsminskningen hittills har uppnåtts genom ökningar av energitätheten till liknande kostnader som den äldre generationens produkter.

Ytterligare kostnadsreduktion är möjlig genom optimering av tillverkningsscheman.Litiumjonbatterier tillverkas i uppsättningar av elektroder och monteras sedan i celler.Aktivt material blandas med polymerbindemedel, ledande tillsatser och lösningsmedel för att bilda en slurry som sedan beläggs på en strömkollektorfolie och torkas för att avlägsna lösningsmedlet och skapa en porös elektrodbeläggning.Det valda lösningsmedlet, N-metylpyrrolidon (NMP), anses vara ett indirekt material (det behövs för produktion men ingår inte i den slutliga enheten), men det är dyrt, uppvisar brandfarliga ångor och är mycket giftigt.

De brandfarliga ångorna av NMP kräver att all processutrustning under tillverkningen av elektroder är explosionssäker, vilket innebär att alla gnistproducerande elektriska komponenter måste skyddas från ångorna och utrymmen måste vara mycket ventilerade för att hålla ångkoncentrationerna låga.Dessa åtgärder ökar kapitalkostnaden för sådan utrustning avsevärt.

Dessutom måste elektrodtillverkningsanläggningen återfånga lösningsmedlet från dess avgasström, destillera det och återvinna det.Detta är återigen en extra kostnad.

Kostnadsminskning genom vattenbaserad bearbetning

Ersättningen av NMP med vatten är en fantastisk möjlighet att minska kostnaderna för produktionen av litiumjonbatterier.Kostnaden för vatten är försumbar jämfört med den för NMP;vatten är inte brandfarligt och producerar inte brandfarliga ångor;och vatten är miljövänligt.Vatten är dock ett polärt lösningsmedel och dess beteende skiljer sig helt från det opolära NMP.Dessutom tenderar aktiva material att agglomerera och metallströmkollektorytor är hydrofoba, vilket gör beläggningsprocessen svårare.

Kunskap om ytladdningar på partiklar (genom att mäta zeta-potential) möjliggör design av ytpolaritet i närvaro av vatten genom att införa små mängder ytaktiva ämnen.När det gäller katodinterkalationsföreningar har polyetylenimid framgångsrikt använts för att introducera en ytladdning som är tillräckligt stor för att stöta bort partiklar så att de inte bildar oacceptabla agglomerat (Li et al. 2013).

Att förstå ytenergin hos metaller och slurryns ytspänning samt deras interaktion möjliggör optimering av paret.Atmosfärisk plasmabehandling av metallytan genom exponering för en koronaplasma tar bort organiska föreningar på ytan och möjliggör en lätt etsning och oxidation, vilket dramatiskt minskar ytenergin till värden under slammets ytspänning.Detta möjliggör perfekt vätning av ytan av slammet och skapar en beläggning med optimerad vidhäftning (Li et al. 2012).Resultatet är en 75 procents drifts- och materialkostnadsminskning i elektrodtillverkningen och en potentiell kostnadsminskning på upp till 20 procent på batteripaketsnivå för fordonstillämpningar (Wood et al. 2014).Detta inkluderar inte den lägre utrustningskostnaden: kostnader förknippade med plasmabehandlingsutrustningen är mycket lägre än för lösningsmedelsåtervinningssystemet och det explosionssäkra kravet.

Framtida möjligheter för kostnadsminskning

Ytterligare kostnadsminskningar kommer att uppnås genom ökad kunskap om transportmekanismer och elektrodarkitekturimplikationer för elektrokemisk prestanda.Aktuell forskning är till stor del inriktad på modellering och simulering för att förstå molekylära mekanismer och förbättra designen av elektroder, elektrodstaplar och battericeller.Tjockare elektroder och en enorm minskning av inaktiva material kommer att förbättra energitätheten till lägre kostnad, minska direkta kostnader och möjligen möjliggöra mycket kortare och mindre energikrävande batteribildningscykler.

Slutsats

Litiumjonbatterier har en enorm potential för att möjliggöra partiell till full elektrifiering av fordonsflottan, diversifiera energikällor för transporter och stödja storskalig energilagring för en högre penetration av intermittent förnybar energiförsörjning.Kostnader fortsätter dock att vara ett problem och kommer att behöva åtgärdas genom utvecklingen av en robust försörjningskedja, standarder inom tillverkning, hög tillverkningskapacitet och strömlinjeformade lågkostnadsbearbetningsmetoder.Förutom att sänka kostnaderna kan forskning öka kunskapen om molekylära processer och transportfrågor för att optimera design och användning av tillgänglig energi i batterier och öka deras livslängd.

Som visas i denna artikel är en ökning av energiinnehåll och kapacitet i aktiva elektrodmaterial och en minskning av indirekta material i produktionen två sätt att påverka kostnaden.

Erkännanden

Delar av denna forskning vid Oak Ridge National Laboratory (ORNL; förvaltas av UT Battelle, LLC) för US Department of Energy (enligt kontrakt DE-AC05-00OR22725) sponsrades av Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE) Vehicle Technologies Office (VTO) underprogram Applied Battery Research (ABR) (programledare: Peter Faguy och David Howell).Författaren erkänner många givande diskussioner med och bidrag från David Wood, Jianlin Li och Debasish Mohanty från DOE Battery Manufacturing R&D Facility vid ORNL och Beth Armstrong i ORNL:s Materials Science and Technology Division.

Artikelkälla：Spring Bridge： Från teknikens gränser och bortom