ליטהיום יאָן באַטעריז און זייער מאַנופאַקטורינג טשאַלאַנדזשיז

ליטהיום יאָן באַטעריז זענען פּראָדוצירן אין שטעלט פון ילעקטראָודז און דעמאָלט פארזאמלט אין סעלז.אַקטיוו מאַטעריאַל איז געמישט מיט פּאָלימער בינדערס, קאַנדאַקטיוו אַדאַטיווז און סאָלוואַנץ צו פאָרעם אַ סלערי וואָס איז קאָוטאַד אויף אַ קראַנט קאַלעקטער שטער און דאַר צו באַזייַטיקן די סאַלוואַנט און שאַפֿן אַ פּאָרעז ילעקטראָוד קאָוטינג.

עס איז קיין איין ליטהיום יאָן באַטאַרייע.מיט די פאַרשיידנקייַט פון מאַטעריאַלס און עלעקטראָטשעמיקאַל קאַפּאַלז בנימצא, עס איז מעגלעך צו פּלאַן באַטאַרייע סעלז ספּעציפיש צו זייער אַפּלאַקיישאַנז אין טערמינען פון וואָולטידזש, שטאַט פון אָפּצאָל נוצן, לעבן דאַרף און זיכערקייַט.סעלעקציע פון ​​ספּעציפיש עלעקטראָטשעמיקאַל קאַפּאַלז אויך פאַסילאַטייץ די פּלאַן פון מאַכט און ענערגיע ריישיאָוז און בנימצא ענערגיע.

ינטעגראַטיאָן אין אַ גרויס פֿאָרמאַט צעל ריקווייערז אָפּטימיזעד זעמל-צו-זעמל ילעקטראָוד מאַנופאַקטורינג און נוצן פון אַקטיוו מאַטעריאַלס.ילעקטראָודז זענען קאָוטאַד אויף אַ מעטאַל קראַנט קאַלעקטער שטער אין אַ קאַמפּאַזאַט סטרוקטור פון אַקטיוו מאַטעריאַל, בינדערס און קאַנדאַקטיוו אַדאַטיווז, ריקוויירינג אָפּגעהיט קאָנטראָל פון קאַלוידאַל כעמיע, אַדכיזשאַן און סאַלידאַפאַקיישאַן.אָבער די צוגעלייגט ינאַקטיוו מאַטעריאַלס און די צעל פּאַקקאַגינג רעדוצירן ענערגיע געדיכטקייַט.דערצו, גראַד פון פּאָראָסיטי און קאָמפּאַקטיאָן אין די ילעקטראָוד קענען ווירקן באַטאַרייע פאָרשטעלונג.

אין אַדישאַן צו די מאַטעריאַלס טשאַלאַנדזשיז, פּרייַז איז אַ באַטייטיק שלאַבאַן צו וויידספּרעד אַדאַפּשאַן פון דעם טעכנאָלאָגיע.פּאַטווייז זענען יקספּלאָרד צו ברענגען באַטעריז פון די קאמערשעל בנימצא 100 ווה / קג און 200 ווה / ל ביי $ 500 / קווה אַרויף צו 250 ווה / קג און 400 ווה / ל פֿאַר בלויז $ 125 / קווה.

די יסודות פון ליטהיום יאָן באַטעריז

די ליטהיום יאָן באַטאַרייע איז געמאכט מעגלעך דורך די ופדעקונג פון ליטהיום קאָבאַלט אַקסייד (LiCoO) ₂ ), וואָס אַלאַוז די יקסטראַקשאַן פון ליטהיום ייאַנז און שאַפונג פון גרויס אַמאַונץ פון וואַקאַנסיעס (אָן אַ קריסטאַל ענדערונג) ביז די באַזייַטיקונג פון האַלב פון די יגזיסטינג ייאַנז.די קאַפּיטאַליזיישאַן פון LiCoO ₂ מיט גראַפייט אַלאַוז די ינטערקאַליישאַן פון ליטהיום ייאַנז צווישן די גראַפענע לייַערס וואָס פאַרנעמען די ינטערסטיטיאַל פּלאַץ צווישן יעדער כעקסאַגאַנאַל רינג פון טשאַד אַטאָמס (Besenhard און Schöllhorn 1976; Mizushima עט על. 1980; Whittingham 1976).

די ליטהיום ייאַנז אַרומפאָרן בעשאַס אָפּצאָל פון די positive ילעקטראָוד (די קאַטאָוד) דורך אַ האַרט אָדער פליסיק עלעקטראָליטע צו די נעגאַטיוו ילעקטראָוד (די אַנאָוד) און, בעשאַס אָפּזאָגן, אין די פאַרקערט ריכטונג.ביי יעדער ילעקטראָוד, די יאָן האלט זיין אָפּצאָל און ינטערקאַלייץ אין די קריסטאַל סטרוקטור וואָס אַקיאַפּייז ינטערסטיטיאַל זייטלעך אין יגזיסטינג קריסטאַלז אויף די אַנאָוד זייַט אָדער ריאַקאַפּייז אַ ליידיק פּלאַץ אין די קאַטאָוד וואָס איז געשאפן ווען די ליטהיום יאָן לינקס דער קריסטאַל.בשעת טראַנספערינג די יאָן, דער באַלעבאָס מאַטריץ איז רידוסט אָדער אַקסאַדייזד, וואָס ריליסיז אָדער קאַפּטשערז אַן עלעקטראָן. ¹

פאַרשיידנקייַט פון קאַטאָוד מאַטעריאַלס

די זוכן פֿאַר נייַע קאַטאָוד מאַטעריאַלס איז געטריבן טייל דורך וויכטיק דיסאַדוואַנטידזשיז פון LiCoO ₂ .די באַטאַרייע האט אַ האַרץ טעמפּעראַטור פון 40-70 ° C און קען זיין סאַסעפּטאַבאַל צו עטלעכע נידעריק-טעמפּעראַטור ריאַקשאַנז.אבער ביי 105-135 °C עס איז זייער ריאַקטיוו און אַ ויסגעצייכנט זויערשטאָף מקור פֿאַר אַ זיכערקייַט ריזיקירן גערופן אַ טערמאַל ראַנאַוויי אָפּרוף , אין וואָס העכסט עקסאָטהערמיק ריאַקשאַנז מאַכן טעמפּעראַטור ספּייקס און פאַרגיכערן ראַפּאַדלי מיט די מעלדונג פון עקסטרע היץ (ראָטה 2000).

פאַרבייַט מאַטעריאַלס פֿאַר LiCoO ₂ זענען ווייניקער פּראָנע צו דעם דורכפאַל.די קאַמפּאַונדז פאַרבייַטן טיילן פון קאָבאַלט מיט ניקאַל און מאַנגאַנעס צו פאָרעם לי(ני _{רענטגענ} םן _י קאָו _ז )או ₂ קאַמפּאַונדז (מיט רענטגענ + י + ז = 1), אָפט ריפערד צו ווי NMC ווייַל זיי אַנטהאַלטן ניקאַל, מאַנגאַנעסע און קאָבאַלט;אָדער זיי ויסשטעלונג אַ גאָר נייַע סטרוקטור אין די פאָרעם פון פאָספאַטעס (למשל, LiFePO ₄ ) (Daniel et al. 2014).די קאַטאָוד מאַטעריאַלס אַלע ויסשטעלונג קאַפּאַסאַטיז אין די קייט פון 120-160 אַה / קג ביי 3.5-3.7 וו, ריזאַלטינג אין מאַקסימום ענערגיע געדיכטקייַט פון אַרויף צו 600 ווה / קג.

ווען פּאַקידזשד אין פאַקטיש דעוויסעס, אָבער, פיל ינאַקטיוו מאַטעריאַל מאַסע איז צוגעגעבן און די ענערגיע געדיכטקייַט טענדז צו פאַלן צו 100 ווה / קג אויף די פּאַק מדרגה.צו שטופּן פֿאַר העכער ענערגיע געדיכטקייַט, ריסערטשערז האָבן געזוכט העכער קאַפּאַציטעט און העכער וואָולטידזש - און געפֿונען זיי אין ליטהיום- און מאַנגאַנעס-רייַך יבערגאַנג מעטאַל אַקסיידז.די קאַמפּאַונדז זענען יסענשאַלי די זעלבע מאַטעריאַלס ווי NMC אָבער אַ וידעפדיק פון ליטהיום און העכער אַמאַונץ פון מאַנגאַנעסע פאַרבייַטן ניקאַל און קאָבאַלט.די העכער אַמאַונץ פון ליטהיום (אַזוי פיל ווי 20 פּראָצענט מער) לאָזן די קאַמפּאַונדז צו האָבן העכער קאַפּאַציטעט (Thackeray et al. 2007) און אַ העכער וואָולטידזש, ריזאַלטינג אין קאַטאָודז מיט אַרויף צו 280 אַה / קג ווען טשאַרדזשינג אַרויף צו 4.8 V. אָבער , די נייַע קאַמפּאַונדז ווייַזן פעסטקייַט פּראָבלעמס און טענד צו וועלקן שנעל.

באַלאַנסינג פון מאַטעריאַלס אין סעלז

ליטהיום יאָן באַטעריז זענען געמאכט פון לייַערס פון פּאָרעז ילעקטראָודז אויף אַלומינום און קופּער קראַנט קאַלעקטער פאָילס (Daniel 2008).די קאַפּאַציטעט פון יעדער ילעקטראָוד פּאָר דאַרף זיין באַלאַנסט צו ענשור באַטאַרייע זיכערקייַט און ויסמיידן ריזיקירן פון אָוווערטשאַרדזשינג פון די אַנאָוד (וואָס קענען רעזולטאַט אין ליטהיום מעטאַל פּלייטינג און קורץ סערקאַץ) אָדער אָוווערדיטשאַרדזשינג פון די קאַטאָוד (וואָס קענען פירן צו אַ ייַנבראָך פון די קריסטאַל סטרוקטור) און אָנווער פון וואַקאַנסיעס פֿאַר ליטהיום צו ריינטערקאַלייט, דראַמאַטיקלי רידוסינג קאַפּאַציטעט).

גראַפיטע האט אַ טעאָרעטיש קאַפּאַציטעט פון 372 אַה / קג, טאָפּל אַז פון די בנימצא ליטהיום אין NMC קאַטאָודז.אַזוי אין באַלאַנסט ליטהיום יאָן באַטעריז, די קאַטאָודז טיפּיקלי ויסשטעלונג טאָפּל די גרעב קאַמפּערד מיט די אַנאָוד.דעם טאָכיק פלאָ פון דער צעל פּלאַן ז פּראָבלעמס מיט מאַסע אַריבערפירן און קינעטיק, און אַזוי פּראַמפּטיד די זוכן פֿאַר הויך-קאַפּאַציטעט קאַטאָודז.

צו פאַרגרעסערן צעל-מדרגה ענערגיע געדיכטקייַט, ינאַקטיוו מאַטעריאַלס זענען מינאַמייזד אין באַטאַרייע סעלז.פֿאַר בייַשפּיל, איין וועג צו רעדוצירן די קראַנט קאַלעקטער איז צו פאַרגרעסערן די גרעב פון די ילעקטראָודז, אָבער דאָס ווייַטער דרייווז אַריבערפירן פּראָבלעמס און ריקווייערז אַ העכסט ענדזשאַנירד פּאָראָסיטי אין די ילעקטראָוד.

פּרייַז טשאַלאַנדזשיז אין מאַנופאַקטורינג ליטהיום יאָן באַטעריז

די קאָס פון ליטהיום יאָן באַטעריז זענען פיל העכער ווי די אָטאַמאָוטיוו מאַרק וועט טראָגן פֿאַר פול דורכדרונג פון עלעקטריק וועהיקלעס און אַ פּרייַז-נייטראַל פּראָדוקט קאַמפּערד מיט קאַרס לויפן דורך ינערלעך קאַמבאַסטשאַן ענדזשאַנז.די יו. עס. דעפּאַרטמענט פון ענערגיע פּרייַז ציל פֿאַר אַלע עלעקטריק פאָרמיטל באַטעריז איז $ 125 / קוו פון ניצלעך ענערגיע (DOE 2013).די קראַנט פּרייַז פון געשעפט באַטעריז איז $ 400-500 / קווה און זייער פּראַדזשעקטאַד פּרייַז מיט קראַנט יקספּערמענאַל מאַטעריאַלס איז $ 325 / קווה.רובֿ פון די פּרייַז רעדוקציע ביז איצט איז אַטשיווד דורך ינקריסאַז פון ענערגיע געדיכטקייַט אין ענלעך קאָס צו די עלטערע דור פּראָדוקטן.

ווייַטער פּרייַז רעדוקציע איז מעגלעך דורך אַפּטאַמאַזיישאַן פון מאַנופאַקטורינג סקימז.ליטהיום יאָן באַטעריז זענען מאַניאַפאַקטשערד אין שטעלט פון ילעקטראָודז און דעמאָלט אַסעמבאַלד אין סעלז.אַקטיוו מאַטעריאַל איז געמישט מיט פּאָלימער בינדערס, קאַנדאַקטיוו אַדאַטיווז און סאָלוואַנץ צו פאָרעם אַ סלערי וואָס איז קאָוטאַד אויף אַ קראַנט קאַלעקטער שטער און דאַר צו באַזייַטיקן די סאַלוואַנט און שאַפֿן אַ פּאָרעז ילעקטראָוד קאָוטינג.די סאַלוואַנט פון ברירה, ען-מעטהילפּירראָלידאָנע (נמפּ), איז געהאלטן אַן ומדירעקט מאַטעריאַל (עס איז דארף פֿאַר פּראָדוקציע אָבער נישט קאַנטיינד אין די לעצט מיטל), אָבער עס איז טייַער, יגזיבאַץ ברענעוודיק וואַפּערז און איז העכסט טאַקסיק.

די ברענעוודיק וואַפּערז פון NMP דאַרפן אַלע פּראַסעסינג עקוויפּמענט בעשאַס די פּראָדוקציע פון ​​ילעקטראָודז צו זיין יקספּלאָוזשאַן דערווייַז, טייַטש אַז אַלע אָנצינדן-פּראַדוסינג עלעקטריקאַל קאַמפּאָונאַנץ דאַרפֿן צו זיין שילדיד פון די וואַפּערז און ספּייסאַז דאַרפֿן צו זיין העכסט ווענאַלייטיד צו האַלטן פארע קאַנסאַנטריישאַנז נידעריק.די מיטלען פאַרגרעסערן די קאַפּיטאַל פּרייַז פון אַזאַ ויסריכט באטייטיק.

אין דערצו, די ילעקטראָוד מאַנופאַקטורינג פאַבריק איז פארלאנגט צו צוריקקריגן די סאַלוואַנט פון זיין ויסמאַטערן טייַך, דיסטילד עס און ריסייקאַל עס.דאס איז ווידער אַן נאָך פּרייַז.

קאָס רעדוקציע דורך וואַסער-באזירט פּראַסעסינג

די פאַרבייַט פון NMP דורך וואַסער איז אַ ריזיק געלעגנהייט צו רעדוצירן די פּרייַז אין די פּראָדוקציע פון ​​ליטהיום יאָן באַטעריז.די פּרייַז פון וואַסער איז נעגלאַדזשאַבאַל קאַמפּערד מיט אַז פון נמפּ;וואַסער איז נישט ברענעוודיק און טוט נישט פּראָדוצירן ברענעוודיק פארע;און וואַסער איז ינווייראַנמענאַלי גוט.אָבער, וואַסער איז אַ פּאָליאַר סאַלוואַנט און זייַן נאַטור איז גאָר אַנדערש פון די ניט-פּאָלאַר נמפּ.דערצו, אַקטיוו מאַטעריאַלס טענד צו אַגגלאָמערייט און מעטאַל קראַנט קאַלעקטער סערפאַסיז זענען כיידראָפאָביק, וואָס מאכט די קאָוטינג פּראָצעס מער שווער.

וויסן פון ייבערפלאַך טשאַרדזשיז אויף פּאַרטיקאַלז (דורך מעסטן זעטאַ פּאָטענציעל) ינייבאַלז די פּלאַן פון ייבערפלאַך פּאָולעראַטי אין דעם בייַזייַן פון וואַסער דורך ינטראָודוסינג קליין אַמאַונץ פון סורפאַקטאַנץ.אין דעם פאַל פון קאַטאָוד ינטערקאַליישאַן קאַמפּאַונדז, פּאַליעטאַלין ימידע איז הצלחה געניצט צו באַקענען אַ ייבערפלאַך אָפּצאָל גרויס גענוג צו אָפּשטויסן פּאַרטיקאַלז אַזוי אַז זיי טאָן ניט פאָרעם אַנאַקסעפּטאַבאַל אַגגלאָמעראַטעס (Li et al. 2013).

פארשטאנד פון די ייבערפלאַך ענערגיע פון ​​מעטאַלס ​​און די ייבערפלאַך שפּאַנונג פון די סלערי, ווי געזונט ווי זייער ינטעראַקשאַן אַלאַוז אַפּטאַמאַזיישאַן פון די פּאָר.אַטמאַספעריק פּלאַזמע באַהאַנדלונג פון די מעטאַל ייבערפלאַך דורך ויסשטעלן צו אַ קאָראָנאַ פּלאַזמע רימוווז אָרגאַניק קאַמפּאַונדז אויף די ייבערפלאַך און ינייבאַלז אַ קליין עטשינג און אַקסאַדיישאַן, וואָס דראַמאַטיקלי ראַדוסאַז די ייבערפלאַך ענערגיע צו וואַלועס אונטער די ייבערפלאַך שפּאַנונג פון די סלערי.דעם אַלאַוז שליימעסדיק וועטינג פון די ייבערפלאַך דורך די סלערי און קריייץ אַ קאָוטינג מיט אָפּטימיזעד אַדכיזשאַן (לי עט על. 2012).דער רעזולטאַט איז אַ 75 פּראָצענט אַפּעריישאַנאַל און מאַטעריאַלס קאָס רעדוקציע אין די ילעקטראָוד מאַנופאַקטורינג און אַ פּאָטענציעל פּרייַז רעדוקציע פון ​​אַרויף צו 20 פּראָצענט אין די באַטאַרייע פּאַק מדרגה פֿאַר אָטאַמאָוטיוו אַפּלאַקיישאַנז (Wood et al. 2014).דאָס ינקלודז נישט די נידעריקער ויסריכט קאָס: הוצאות פֿאַר פּלאַזמע פּראַסעסינג עקוויפּמענט זענען פיל נידעריקער ווי די פֿאַר די סאַלוואַנט אָפּזוך סיסטעם און יקספּלאָוזשאַן-דערווייַז פאָדערונג.

צוקונפֿט אַפּערטונאַטיז פֿאַר קאָס רעדוקציע

ווייַטער פּרייַז רידאַקשאַנז וועט זיין אַטשיווד דורך מער וויסן פון אַריבערפירן מעקאַניזאַמז און ילעקטראָוד אַרקאַטעקטשער ימפּלאַקיישאַנז פֿאַר עלעקטראָטשעמיקאַל פאָרשטעלונג.קראַנט פאָרשונג איז לאַרגעלי פאָוקיסט אויף מאָדעלינג און סימיאַליישאַן צו פֿאַרשטיין מאָלעקולאַר מעקאַניזאַמז און פֿאַרבעסערן די פּלאַן פון ילעקטראָודז, ילעקטראָוד סטאַקס און באַטאַרייע סעלז.טיקער ילעקטראָודז און אַ ריזיק רעדוקציע אין ינאַקטיוו מאַטעריאַלס וועט פֿאַרבעסערן ענערגיע געדיכטקייַט צו נידעריקער פּרייַז, רעדוצירן דירעקט קאָס און עפשער געבן פיל קירצער און ווייניקער ענערגיע-ינטענסיווע באַטאַרייע פאָרמירונג סייקלינג.

מסקנא

ליטהיום יאָן באַטעריז האָבן אַ ריזיק פּאָטענציעל צו געבן אַ פּאַרטיייש צו פול ילעקטראַפיקיישאַן פון די אָטאַמאָוטיוו פליט, דיווערסאַפייינג ענערגיע קוואלן פֿאַר טראַנספּערטיישאַן און שטיצן גרויס-וואָג ענערגיע סטאָרידזש פֿאַר אַ העכער דורכדרונג פון ינטערמיטאַנט רינואַבאַל ענערגיע צושטעלן.אָבער, קאָס האלט צו זיין אַן אַרויסגעבן און וועט זיין אַדזשאַסטיד דורך די אַנטוויקלונג פון אַ געזונט צושטעלן קייט, סטאַנדאַרדס אין מאַנופאַקטורינג, הויך מאַנופאַקטורינג טרופּוט און סטרימליינד נידעריק-פּרייַז פּראַסעסינג מעטהאָדס.אין אַדישאַן צו רידוסינג קאָס, פאָרשונג קענען פאַרבעסערן וויסן פון מאָלעקולאַר פּראַסעסאַז און אַריבערפירן ישוז אין סדר צו אַפּטאַמייז די פּלאַן און נוצן פון בנימצא ענערגיע אין באַטעריז און פאַרגרעסערן זייער לעבן צייט.

ווי געוויזן אין דעם פּאַפּיר, אַ פאַרגרעסערן אין ענערגיע אינהאַלט און קאַפּאַציטעט אין אַקטיוו ילעקטראָוד מאַטעריאַלס און אַ רעדוקציע פון ​​ומדירעקט מאַטעריאַלס אין פּראָדוקציע זענען צוויי וועגן צו פּראַל די פּרייַז.

דערקענטענישן

פּאַרץ פון דעם פאָרשונג אין Oak Ridge National Laboratory (ORNL; געראטן דורך UT Battelle, LLC) פֿאַר די יו. עס. דעפּאַרטמענט פון ענערגיע (אונטער קאָנטראַקט DE-AC05-00OR22725) זענען באצאלטע דורך די אָפפיסע פון ​​ענערגיע עפיקאַסי און רינואַבאַל ענערגיע (EERE) פאָרמיטל טעטשנאָלאָגיעס אָפפיסע (VTO) אַפּפּליעד באַטערי פאָרשונג (אַבר) סאַבפּראָגראַם (פּראָגראַם מאַנאַדזשערז: Peter Faguy און David Howell).דער מחבר אנערקענט פילע פרוכטיק דיסקוסיעס מיט און קאַנטראַביושאַנז פון David Wood, Jianlin Li און Debasish Mohanty פון די DOE באַטערי מאַנופאַקטורינג ר & די פאַסיליטי אין ORNL און Bet Armstrong אין ORNL ס מאַטעריאַלס וויסנשאַפֿט און טעכנאָלאָגיע דיוויזשאַן.

אַרטיקל מקור: פרילינג בריק: פון די פראָנטיער פון ינזשעניעריע און ווייַטער