Betri za Lithium Ion na Changamoto Zake za Utengenezaji

Betri za ioni za lithiamu ni kutengenezwa katika seti za elektroni na kisha kukusanyika katika seli.Nyenzo inayotumika huchanganywa na viunganishi vya polima, viungio vya kupitishia, na vimumunyisho ili kutengeneza tope ambalo hupakwa kwenye foili ya sasa ya kukusanya na kukaushwa ili kuondoa kiyeyushio na kuunda mipako ya elektrodi yenye vinyweleo.

Hakuna betri moja ya lithiamu ion.Kwa aina mbalimbali za nyenzo na wanandoa wa kielektroniki zinazopatikana, inawezekana kubuni seli za betri maalum kwa matumizi yao kulingana na voltage, hali ya matumizi, mahitaji ya maisha na usalama.Uchaguzi wa wanandoa maalum wa electrochemical pia huwezesha muundo wa uwiano wa nguvu na nishati na nishati inayopatikana.

Muunganisho katika muundo wa seli kubwa unahitaji utengenezaji bora wa elektrodi za kusongesha-kwa-roll na matumizi ya nyenzo amilifu.Electrodes huwekwa kwenye foil ya ushuru wa sasa wa chuma katika muundo wa mchanganyiko wa nyenzo hai, vifunga, na viungio vya conductive, vinavyohitaji udhibiti wa makini wa kemia ya colloidal, kujitoa, na kukandishwa.Lakini vifaa vilivyoongezwa visivyotumika na ufungashaji wa seli hupunguza msongamano wa nishati.Zaidi ya hayo, kiwango cha porosity na compaction katika electrode inaweza kuathiri utendaji wa betri.

Mbali na changamoto hizi za vifaa, gharama ni kikwazo kikubwa kwa kupitishwa kwa teknolojia hii.Njia zinachunguzwa ili kuleta betri kutoka kwa Wh/kg 100 na 200 Wh/L zinazouzwa kwa $500/kWh hadi 250 Wh/kg na 400 Wh/L kwa $125/kWh pekee.

Misingi ya Betri za Lithium Ion

Betri ya ioni ya lithiamu iliwezekana kwa ugunduzi wa oksidi ya lithiamu cobalt (LiCoO ₂ ), ambayo inaruhusu uchimbaji wa ioni za lithiamu na kuundwa kwa kiasi kikubwa cha nafasi (bila mabadiliko ya kioo) hadi kuondolewa kwa nusu ya ions zilizopo.Uoanishaji wa LiCoO ₂ na grafiti huruhusu muingiliano wa ioni za lithiamu kati ya tabaka za graphene ambazo huchukua tovuti ya unganishi kati ya kila pete ya hexagonal ya atomi za kaboni (Besenhard na Schöllhorn 1976; Mizushima et al. 1980; Whittingham 1976).

Ioni za lithiamu husafiri wakati wa malipo kutoka kwa electrode chanya (cathode) kupitia electrolyte imara au kioevu hadi electrode hasi (anode) na, wakati wa kutokwa, kinyume chake.Katika kila elektrodi, ayoni ama hudumisha chaji yake na kuingiliana katika muundo wa fuwele unaochukua tovuti za unganishi katika fuwele zilizopo kwenye upande wa anodi au huchukua tena tovuti iliyo wazi katika kathodi ambayo iliunda ioni ya lithiamu ilipoacha kioo hicho.Wakati wa kuhamisha ioni, matriki ya mwenyeji hupunguzwa au kuoksidishwa, ambayo hutoa au kunasa elektroni. ¹

Aina ya Vifaa vya Cathode

Utafutaji wa nyenzo mpya za cathode unaendeshwa kwa sehemu na hasara muhimu za LiCoO ₂ .Betri ina joto la msingi la 40–70°C na inaweza kuathiriwa na baadhi ya athari za halijoto ya chini.Lakini kwa 105–135°C ni tendaji sana na chanzo bora cha oksijeni kwa hatari ya usalama inayoitwa mmenyuko wa kukimbia kwa joto , ambapo athari za hali ya juu za joto huunda viwango vya joto na kuharakisha haraka na kutolewa kwa joto la ziada (Roth 2000).

Nyenzo za kubadilisha LiCoO ₂ wana uwezekano mdogo wa kushindwa.Michanganyiko hiyo hubadilisha sehemu za kobalti na nikeli na manganese kuunda Li(Ni _x Mhe _y Co _z )O ₂ misombo (pamoja na x + y + z = 1), mara nyingi hujulikana kama NMC kwa vile zina nikeli, manganese, na kobalti;au zinaonyesha muundo mpya kabisa katika mfumo wa fosfeti (kwa mfano, LiFePO ₄ ) (Daniel et al. 2014).Nyenzo hizi za cathode zote zinaonyesha uwezo katika safu ya 120-160 Ah/kg katika 3.5–3.7 V, na kusababisha msongamano wa juu wa nishati wa hadi 600 Wh/kg.

Hata hivyo, inapowekwa katika vifaa halisi, wingi wa nyenzo zisizotumika huongezwa na msongamano wa nishati huelekea kushuka hadi 100 Wh/kg kwenye kiwango cha pakiti.Ili kushinikiza msongamano wa juu wa nishati, watafiti wametafuta uwezo wa juu na voltage ya juu-na wakapata katika oksidi za mpito za lithiamu-na manganese-tajiri.Michanganyiko hii kimsingi ni nyenzo sawa na NMC lakini ziada ya lithiamu na viwango vya juu vya manganese hubadilisha nikeli na kobalti.Kiasi cha juu cha lithiamu (kiasi cha asilimia 20 zaidi) huruhusu misombo kuwa na uwezo wa juu (Thackeray et al. 2007) na voltage ya juu, na kusababisha cathodes yenye hadi 280 Ah/kg inapochajiwa hadi 4.8 V. Hata hivyo , misombo hii mpya inaonyesha matatizo ya utulivu na huwa na kufifia haraka.

Usawazishaji wa Nyenzo katika Seli

Betri za ioni za lithiamu hutengenezwa kwa tabaka za elektrodi za vinyweleo kwenye foili za sasa za alumini na shaba (Danieli 2008).Uwezo wa kila jozi ya elektrodi unahitaji kusawazishwa ili kuhakikisha usalama wa betri na kuzuia hatari ya kutozwa kupita kiasi kwa anode (ambayo inaweza kusababisha uwekaji wa chuma cha lithiamu na mzunguko mfupi) au kutokwa kwa cathode (ambayo inaweza kusababisha kuporomoka kwa muundo wa fuwele. na upotevu wa nafasi za kazi kwa lithiamu kuingiliana tena, kupunguza uwezo kwa kiasi kikubwa).

Graphite ina uwezo wa kinadharia wa 372 Ah/kg, mara mbili ya ile ya lithiamu inayopatikana katika kathodi za NMC.Kwa hivyo katika betri za ioni za lithiamu zilizosawazishwa, kathodi kawaida huonyesha unene mara mbili ikilinganishwa na anode.Hitilafu hii ya asili ya muundo wa seli husababisha matatizo na usafiri wa wingi na kinetics, na hivyo ilisababisha utafutaji wa cathodes yenye uwezo wa juu.

Ili kuongeza msongamano wa nishati katika kiwango cha seli, nyenzo zisizotumika zinapunguzwa katika seli za betri.Kwa mfano, njia moja ya kupunguza mtozaji wa sasa ni kuongeza unene wa electrodes, lakini hii inasababisha zaidi matatizo ya usafiri na inahitaji porosity yenye uhandisi katika electrode.

Changamoto za Gharama katika Utengenezaji wa Betri za Ioni za Lithium

Gharama za betri za lithiamu ion ni kubwa zaidi kuliko soko la magari litachukua kwa kupenya kamili kwa magari ya umeme na bidhaa isiyo na gharama ikilinganishwa na magari yanayoendeshwa na injini za mwako wa ndani.Lengo la gharama ya Idara ya Nishati ya Marekani kwa betri zote za magari ya umeme ni $125/kWh ya nishati inayoweza kutumika (DOE 2013).Gharama ya sasa ya betri za kibiashara ni $400–500/kWh na makadirio ya gharama yake yenye nyenzo za sasa za majaribio ni $325/kWh.Upunguzaji mwingi wa gharama hadi sasa umefikiwa na ongezeko la msongamano wa nishati kwa gharama sawa na bidhaa za kizazi cha zamani.

Kupunguza gharama zaidi kunawezekana kupitia uboreshaji wa miradi ya utengenezaji.Betri za ioni za lithiamu hutengenezwa katika seti za elektrodi na kisha kukusanywa katika seli.Nyenzo inayotumika huchanganywa na viunganishi vya polima, viungio vya kupitishia, na vimumunyisho ili kutengeneza tope ambalo hupakwa kwenye foili ya sasa ya kukusanya na kukaushwa ili kuondoa kiyeyushio na kuunda mipako ya elektrodi yenye vinyweleo.Kimumunyisho cha chaguo, N-methylpyrrolidone (NMP), inachukuliwa kuwa nyenzo zisizo za moja kwa moja (inahitajika kwa ajili ya uzalishaji lakini haijajumuishwa kwenye kifaa cha mwisho), lakini ni ghali, inaonyesha mivuke inayoweza kuwaka, na ni sumu kali.

Mivuke inayoweza kuwaka ya NMP inahitaji vifaa vyote vya uchakataji wakati wa utengenezaji wa elektrodi visiweze kulipuka, kumaanisha kuwa vijenzi vyote vya umeme vinavyotoa cheche vinahitaji kulindwa dhidi ya mivuke na nafasi zinahitaji kuwekewa hewa ya kutosha ili kuweka viwango vya mvuke kuwa chini.Hatua hizi huongeza gharama ya mtaji wa vifaa hivyo kwa kiasi kikubwa.

Kwa kuongezea, kiwanda cha kutengeneza elektrodi kinahitajika ili kukamata tena kiyeyushio kutoka kwa mkondo wake wa kutolea moshi, kukitikisa, na kuurejesha tena.Hii ni gharama ya ziada tena.

Kupunguza Gharama kwa Usindikaji wa Maji

Uingizwaji wa NMP na maji ni fursa kubwa ya kupunguza gharama katika utengenezaji wa betri za lithiamu ion.Gharama ya maji ni kidogo ikilinganishwa na ile ya NMP;maji hayawezi kuwaka na haitoi mvuke zinazowaka;na maji hayana madhara kwa mazingira.Hata hivyo, maji ni kutengenezea polar na tabia yake ni tofauti kabisa na ile ya NMP nonpolar.Zaidi ya hayo, nyenzo zinazofanya kazi huwa na agglomerate na nyuso za ushuru wa sasa wa chuma ni hydrophobic, na kufanya mchakato wa mipako kuwa mgumu zaidi.

Ujuzi wa malipo ya uso kwenye chembe (kwa kupima uwezo wa zeta) huwezesha muundo wa polarity ya uso mbele ya maji kwa kuanzisha kiasi kidogo cha surfactants.Kwa upande wa michanganyiko ya cathode, imide ya polyethilini imetumiwa kwa mafanikio kuanzisha chaji ya uso yenye ukubwa wa kutosha kufukuza chembe ili zisifanye agglomerati zisizokubalika (Li et al. 2013).

Kuelewa nishati ya uso wa metali na mvutano wa uso wa tope pamoja na mwingiliano wao huruhusu uboreshaji wa jozi.Matibabu ya plasma ya anga ya uso wa chuma kwa njia ya kufichuliwa kwa plasma ya corona huondoa misombo ya kikaboni juu ya uso na kuwezesha etching kidogo na oxidation, ambayo hupunguza kwa kiasi kikubwa nishati ya uso kwa maadili chini ya mvutano wa uso wa tope.Hii huruhusu unyevunyevu kamili wa uso kwa tope na huunda mipako yenye mshikamano ulioboreshwa (Li et al. 2012).Matokeo yake ni kupunguzwa kwa gharama ya uendeshaji na vifaa kwa asilimia 75 katika utengenezaji wa elektroni na uwezekano wa kupunguza gharama hadi asilimia 20 katika kiwango cha pakiti ya betri kwa matumizi ya magari (Wood et al. 2014).Hii haijumuishi gharama ya chini ya vifaa: gharama zinazohusiana na vifaa vya usindikaji wa plasma ni chini sana kuliko zile za mfumo wa kurejesha viyeyusho na mahitaji ya kuzuia mlipuko.

Fursa za Baadaye za Kupunguza Gharama

Upunguzaji zaidi wa gharama utapatikana kupitia ujuzi zaidi wa taratibu za usafiri na athari za usanifu wa electrode kwa utendaji wa electrochemical.Utafiti wa sasa unalenga kwa kiasi kikubwa uigaji na uigaji ili kuelewa mifumo ya molekuli na kuboresha muundo wa elektrodi, rundo la elektrodi na seli za betri.Elektrodi nene na upungufu mkubwa wa nyenzo zisizotumika kutaboresha msongamano wa nishati kwa gharama ya chini, kupunguza gharama za moja kwa moja, na ikiwezekana kuwezesha uundaji wa betri kwa muda mfupi zaidi na usiotumia nishati.

Hitimisho

Betri za ioni za lithiamu zina uwezo mkubwa wa kuwezesha usambazaji wa umeme kwa kiasi kamili hadi kamili wa meli za magari, vyanzo vya nishati mseto kwa usafirishaji, na kusaidia uhifadhi mkubwa wa nishati kwa upenyezaji wa juu wa usambazaji wa nishati mbadala kwa vipindi.Hata hivyo, gharama inaendelea kuwa tatizo na itahitaji kushughulikiwa na uundaji wa mnyororo thabiti wa ugavi, viwango katika utengenezaji, uzalishaji wa juu wa utengenezaji, na njia rahisi za usindikaji wa bei ya chini.Kando na kupunguza gharama, utafiti unaweza kuongeza ujuzi wa michakato ya molekuli na masuala ya usafiri ili kuboresha muundo na matumizi ya nishati inayopatikana katika betri na kuongeza muda wa maisha yao.

Kama inavyoonyeshwa katika karatasi hii, ongezeko la maudhui ya nishati na uwezo katika nyenzo zinazotumika za elektrodi na kupunguza nyenzo zisizo za moja kwa moja katika uzalishaji ni njia mbili za kuathiri gharama.

Shukrani

Sehemu za utafiti huu katika Maabara ya Kitaifa ya Oak Ridge (ORNL; inayosimamiwa na UT Battelle, LLC) kwa Idara ya Nishati ya Marekani (chini ya mkataba DE-AC05-00OR22725) ilifadhiliwa na Ofisi ya Ufanisi wa Nishati na Nishati Mbadala (EERE) Vehicle Technologies. Programu ndogo ya Utafiti wa Betri Inayotumika ya Ofisi (VTO) (ABR) (wasimamizi wa programu: Peter Faguy na David Howell).Mwandishi anakubali mijadala mingi yenye manufaa na michango kutoka kwa David Wood, Jianlin Li, na Debasish Mohanty wa Kituo cha Utengenezaji wa Betri cha DOE huko ORNL na Beth Armstrong katika Kitengo cha Sayansi na Teknolojia cha ORNL.

Chanzo cha kifungu:Spring Bridge: Kutoka Mipaka ya uhandisi na kwingineko