Lityum İyon Piller ve Üretim Zorlukları

Lityum iyon piller öyle üretilmiş elektrot takımları halinde ve daha sonra hücrelerde birleştirilir. Aktif malzeme, polimer bağlayıcılar, iletken katkı maddeleri ve solventlerle karıştırılarak bir bulamaç oluşturulur ve bu daha sonra akım toplayıcı folyo üzerine kaplanır ve solventi çıkarmak ve gözenekli bir elektrot kaplaması oluşturmak için kurutulur.

Tek bir lityum iyon pil yoktur. Mevcut malzeme ve elektrokimyasal çiftlerin çeşitliliği sayesinde akü hücrelerini voltaj, şarj durumu, kullanım ömrü, kullanım ömrü ve güvenlik açısından uygulamalarına özel olarak tasarlamak mümkündür. Belirli elektrokimyasal çiftlerin seçimi aynı zamanda güç ve enerji oranlarının ve mevcut enerjinin tasarımını da kolaylaştırır.

Geniş formatlı bir hücreye entegrasyon, optimize edilmiş rulodan ruloya elektrot üretimini ve aktif malzemelerin kullanımını gerektirir. Elektrotlar, kolloidal kimyanın, yapışmanın ve katılaşmanın dikkatli bir şekilde kontrol edilmesini gerektiren, aktif malzeme, bağlayıcılar ve iletken katkı maddelerinden oluşan kompozit bir yapıdaki metal akım toplayıcı folyo üzerine kaplanır. Ancak eklenen inaktif malzemeler ve hücre ambalajı enerji yoğunluğunu azaltır. Ayrıca elektrottaki gözeneklilik ve sıkışma derecesi pil performansını etkileyebilir.

Bu malzeme zorluklarına ek olarak maliyet de bu teknolojinin yaygın olarak benimsenmesinin önünde önemli bir engeldir. Piyasada satılan 100 Wh/kg ve 200 Wh/L pilleri 500 $/kWh'den 250 Wh/kg ve 400 Wh/L'ye yalnızca 125 $/kWh karşılığında getirmenin yolları araştırılıyor.

Lityum İyon Pillerin Temelleri

Lityum iyon pil, lityum kobalt oksidin (LiCoO) keşfiyle mümkün oldu. ₂ ), bu da lityum iyonlarının çıkarılmasına ve mevcut iyonların yarısının çıkarılmasına kadar büyük miktarlarda boşlukların (kristal değişikliği olmadan) oluşturulmasına olanak tanır. LiCoO'nun eşleştirilmesi ₂ Grafit ile karbon atomlarının her bir altıgen halkası arasındaki ara bölgeyi işgal eden grafen katmanları arasına lityum iyonlarının eklenmesine izin verir (Besenhard ve Schöllhorn 1976; Mizushima ve diğerleri 1980; Whittingham 1976).

Lityum iyonları, şarj sırasında pozitif elektrottan (katot) katı veya sıvı bir elektrolit yoluyla negatif elektrota (anot) ve deşarj sırasında ters yönde hareket eder. Her elektrotta, iyon ya yükünü korur ve anot tarafındaki mevcut kristallerdeki ara yerleri işgal ederek kristal yapıya girer ya da lityum iyonu o kristali terk ettiğinde oluşan katottaki boş bir alanı yeniden işgal eder. İyonu aktarırken, konakçı matris azalır veya oksitlenir, bu da bir elektronu serbest bırakır veya yakalar. ¹

Çeşitli Katot Malzemeleri

Yeni katot malzemeleri arayışı kısmen LiCoO'nun önemli dezavantajlarından kaynaklanmaktadır. ₂ . Pilin çekirdek sıcaklığı 40–70°C'dir ve bazı düşük sıcaklık reaksiyonlarına karşı duyarlı olabilir. Ancak 105–135°C'de çok reaktiftir ve güvenlik tehlikesi olarak adlandırılan mükemmel bir oksijen kaynağıdır. termal kaçak reaksiyonu Yüksek düzeyde ekzotermik reaksiyonların sıcaklık artışları yarattığı ve ekstra ısının açığa çıkmasıyla hızla hızlandığı bir reaksiyondur (Roth 2000).

LiCoO için yedek malzemeler ₂ bu başarısızlığa daha az eğilimlidirler. Bileşikler kobaltın bazı kısımlarını nikel ve manganez ile değiştirerek Li(Ni) oluşturur. _X Mn _sen ortak _z )O ₂ bileşikler (ile X + sen + z = 1), nikel, manganez ve kobalt içerdikleri için sıklıkla NMC olarak anılırlar; veya fosfatlar formunda tamamen yeni bir yapı sergilerler (örn. LiFePO ₄ ) (Daniel ve ark. 2014). Bu katot malzemelerinin tümü 3,5–3,7 V'de 120–160 Ah/kg aralığında kapasite sergiler ve bu da 600 Wh/kg'a kadar maksimum enerji yoğunluğuna neden olur.

Ancak gerçek cihazlarda paketlendiğinde çok fazla aktif olmayan malzeme kütlesi eklenir ve enerji yoğunluğu paket seviyesinde 100 Wh/kg'a düşme eğilimi gösterir. Daha yüksek enerji yoğunluğunu zorlamak için araştırmacılar daha yüksek kapasite ve daha yüksek voltaj aradılar ve bunları lityum ve manganez açısından zengin geçiş metal oksitlerinde buldular. Bu bileşikler aslında NMC ile aynı malzemelerdir ancak nikel ve kobaltın yerini aşırı miktarda lityum ve daha yüksek miktarlarda manganez alır. Daha yüksek miktardaki lityum (yüzde 20'ye kadar daha fazla), bileşiklerin daha yüksek kapasiteye (Thackeray ve diğerleri 2007) ve daha yüksek bir voltaja sahip olmasını sağlar, bu da 4,8 V'a kadar şarj edildiğinde 280 Ah/kg'a kadar katotlarla sonuçlanır. Ancak Bu yeni bileşikler stabilite sorunları gösterir ve hızla solma eğilimindedir.

Hücrelerdeki Malzemelerin Dengelenmesi

Lityum iyon piller, alüminyum ve bakır akım toplayıcı folyolar üzerindeki gözenekli elektrot katmanlarından yapılmıştır (Daniel 2008). Pil güvenliğini sağlamak ve anodun aşırı şarj edilmesi (lityum metal kaplama ve kısa devre ile sonuçlanabilecek) veya katodun aşırı deşarjı (kristal yapının çökmesine neden olabilecek) riskini önlemek için her elektrot çiftinin kapasitesinin dengelenmesi gerekir. ve lityumun yeniden eklenmesi için boş yerlerin kaybı, kapasiteyi önemli ölçüde azaltır).

Grafitin teorik kapasitesi 372 Ah/kg olup, NMC katotlarında mevcut lityumun iki katıdır. Yani dengeli lityum iyon pillerde katotlar genellikle anotla karşılaştırıldığında iki kat daha fazla kalınlık gösterir. Hücre tasarımındaki bu doğal kusur, kütle aktarımı ve kinetikte sorunlara neden oldu ve bu nedenle yüksek kapasiteli katot arayışına yol açtı.

Hücre düzeyinde enerji yoğunluğunu artırmak için pil hücrelerinde aktif olmayan maddeler en aza indiriliyor. Örneğin, akım toplayıcıyı azaltmanın bir yolu, elektrotların kalınlığını arttırmaktır, ancak bu, taşıma sorunlarını daha da artırır ve elektrotta yüksek düzeyde tasarlanmış gözeneklilik gerektirir.

Lityum İyon Pillerin Üretiminde Maliyet Zorlukları

Lityum iyon pillerin maliyetleri, elektrikli araçların tam yaygınlaşması ve içten yanmalı motorlarla çalışan arabalarla karşılaştırıldığında maliyet açısından nötr bir ürün olması nedeniyle otomotiv pazarının karşılayabileceğinden çok daha yüksek. ABD Enerji Bakanlığı'nın tüm elektrikli araç aküleri için maliyet hedefi 125 $/kWh kullanılabilir enerjidir (DOE 2013). Ticari pillerin mevcut maliyeti 400-500 $/kWh olup, mevcut deneysel malzemelerle öngörülen maliyeti 325 $/kWh'dir. Şu ana kadarki maliyet düşüşlerinin çoğu, eski nesil ürünlere benzer maliyette enerji yoğunluğu artışlarıyla sağlandı.

Üretim planlarının optimizasyonu yoluyla maliyetlerin daha da düşürülmesi mümkündür. Lityum iyon piller elektrot setleri halinde üretilir ve daha sonra hücrelere monte edilir. Aktif malzeme, polimer bağlayıcılar, iletken katkı maddeleri ve solventlerle karıştırılarak bir bulamaç oluşturulur ve bu daha sonra akım toplayıcı folyo üzerine kaplanır ve solventi çıkarmak ve gözenekli bir elektrot kaplaması oluşturmak için kurutulur. Tercih edilen çözücü, N-metilpirolidon (NMP), bir dolaylı malzeme (üretim için gereklidir ancak son cihazda yer almaz), ancak pahalıdır, yanıcı buharlar sergiler ve oldukça toksiktir.

NMP'nin yanıcı buharları, elektrotların üretimi sırasındaki tüm işleme ekipmanlarının patlamaya dayanıklı olmasını gerektirir; bu, kıvılcım üreten tüm elektrikli bileşenlerin buharlardan korunması gerektiği ve buhar konsantrasyonlarını düşük tutmak için alanların yüksek düzeyde havalandırılması gerektiği anlamına gelir. Bu önlemler, bu tür ekipmanların sermaye maliyetini önemli ölçüde artırır.

Ek olarak, elektrot üretim tesisinin solventi egzoz akışından yeniden yakalaması, damıtması ve geri dönüştürmesi gerekmektedir. Bu yine ek bir maliyettir.

Su Bazlı İşleme ile Maliyet Azaltma

NMP'nin su ile değiştirilmesi, lityum iyon pillerin üretiminde maliyeti azaltmak için muazzam bir fırsattır. Suyun maliyeti NMP'ye kıyasla ihmal edilebilir düzeydedir; su yanıcı değildir ve yanıcı buharlar üretmez; ve su çevreye zararsızdır. Ancak su polar bir çözücüdür ve davranışı polar olmayan NMP'ninkinden tamamen farklıdır. Ayrıca aktif maddeler topaklanma eğilimindedir ve metal akım toplayıcı yüzeyleri hidrofobiktir, bu da kaplama işlemini daha da zorlaştırır.

Parçacıklar üzerindeki yüzey yüklerinin bilgisi (zeta potansiyelinin ölçülmesiyle), küçük miktarlarda yüzey aktif maddelerin eklenmesiyle suyun varlığında yüzey polaritesinin tasarlanmasına olanak sağlar. Katot interkalasyon bileşikleri durumunda, polietilen imid, kabul edilemez topaklanmalar oluşturmamaları için parçacıkları itmeye yetecek kadar büyük bir yüzey yükü sağlamak üzere başarıyla kullanılmıştır (Li ve diğerleri, 2013).

Metallerin yüzey enerjisini ve bulamacın yüzey gerilimini ve bunların etkileşimini anlamak, çiftin optimizasyonuna olanak tanır. Metal yüzeyinin bir korona plazmasına maruz bırakılması yoluyla atmosferik plazma işlemi, yüzeydeki organik bileşikleri uzaklaştırır ve hafif bir aşındırma ve oksidasyona olanak tanır; bu, yüzey enerjisini, bulamacın yüzey geriliminin altındaki değerlere önemli ölçüde azaltır. Bu, yüzeyin bulamaç tarafından mükemmel şekilde ıslatılmasına olanak tanır ve optimize edilmiş yapışma özelliğine sahip bir kaplama oluşturur (Li ve ark. 2012). Sonuç, elektrot üretiminde yüzde 75'lik operasyonel ve malzeme maliyetinde azalma ve otomotiv uygulamaları için pil paketi düzeyinde yüzde 20'ye kadar potansiyel maliyet azalmasıdır (Wood ve ark. 2014). Buna daha düşük ekipman maliyeti dahil değildir: plazma işleme ekipmanıyla ilgili harcamalar, solvent geri kazanım sistemi ve patlamaya dayanıklılık gereksiniminden çok daha düşüktür.

Maliyet Azaltma İçin Gelecekteki Fırsatlar

Elektrokimyasal performans için taşıma mekanizmaları ve elektrot mimarisinin etkileri hakkında daha fazla bilgi edinilmesiyle maliyette daha fazla azalma sağlanacaktır. Mevcut araştırmalar büyük ölçüde moleküler mekanizmaları anlamak ve elektrotların, elektrot yığınlarının ve pil hücrelerinin tasarımını geliştirmek için modelleme ve simülasyona odaklanmıştır. Daha kalın elektrotlar ve aktif olmayan malzemelerde büyük bir azalma, daha düşük maliyetle enerji yoğunluğunu artıracak, doğrudan maliyetleri azaltacak ve muhtemelen çok daha kısa ve daha az enerji yoğun pil oluşum döngüsünü mümkün kılacaktır.

Çözüm

Lityum iyon piller, otomotiv filosunun kısmi ila tam elektrifikasyonunu sağlamak, ulaşım için enerji kaynaklarını çeşitlendirmek ve aralıklı yenilenebilir enerji tedarikinin daha yüksek bir penetrasyonu için büyük ölçekli enerji depolamasını desteklemek için muazzam bir potansiyele sahiptir. Ancak maliyet bir sorun olmaya devam ediyor ve sağlam bir tedarik zincirinin, üretimdeki standartların, yüksek üretim hacminin ve modernleştirilmiş düşük maliyetli işleme yöntemlerinin geliştirilmesiyle ele alınması gerekecek. Araştırma, maliyetleri düşürmenin yanı sıra, pillerdeki mevcut enerjinin tasarımını ve kullanımını optimize etmek ve pillerin ömrünü uzatmak için moleküler süreçler ve taşıma sorunlarına ilişkin bilgileri geliştirebilir.

Bu yazıda gösterildiği gibi, aktif elektrot malzemelerindeki enerji içeriği ve kapasitesindeki artış ve üretimdeki dolaylı malzemelerin azaltılması, maliyeti etkilemenin iki yoludur.

Teşekkür

ABD Enerji Bakanlığı için Oak Ridge Ulusal Laboratuvarı'nda (ORNL; UT Battelle, LLC tarafından yönetilen) bu araştırmanın bir kısmı (DE-AC05-00OR22725 sözleşmesi kapsamında) Enerji Verimliliği ve Yenilenebilir Enerji Ofisi (EERE) Araç Teknolojileri tarafından desteklenmiştir. Ofis (VTO) Uygulamalı Pil Araştırması (ABR) alt programı (program yöneticileri: Peter Faguy ve David Howell). Yazar, ORNL'deki DOE Pil Üretim Ar-Ge Tesisi'nden David Wood, Jianlin Li ve Debasish Mohanty ve ORNL'nin Malzeme Bilimi ve Teknolojisi Bölümü'nden Beth Armstrong ile yapılan birçok verimli tartışmayı ve katkılarını kabul eder.

Makale kaynağı: Bahar Köprüsü: Mühendisliğin Sınırlarından ve Ötesinden