Pilna potrzeba ograniczenia emisji gazów cieplarnianych napędza szybki ruch w kierunku elektryfikacji transportu i szerszego wykorzystania energii słonecznej i wiatrowej w sieci. Jeśli tendencje te będą się nasilać zgodnie z oczekiwaniami, zapotrzebowanie na lepsze metody magazynowania energii elektrycznej będzie się nasilać.
Potrzebujemy wszystkich strategii, jakie możemy opracować, aby zaradzić zagrożeniu zmianami klimatycznymi, mówi dr Elsa Olivetti, profesor nadzwyczajny nauk o materiałach i inżynierii w Esther i Harold E. Edgerton. Nie ulega wątpliwości, że rozwój technologii pamięci masowych opartych na sieci ma kluczowe znaczenie. Jednak w przypadku zastosowań mobilnych – zwłaszcza w transporcie – wiele badań koncentruje się na dostosowaniu dzisiejszych rozwiązańakumulatory litowo-jonoweaby były bezpieczniejsze, mniejsze i zdolne do magazynowania większej ilości energii w stosunku do ich rozmiaru i wagi.
Konwencjonalne akumulatory litowo-jonowe są stale udoskonalane, ale ich ograniczenia pozostają, częściowo ze względu na ich strukturę.Baterie litowo-jonowe składają się z dwóch elektrod, jednej dodatniej i jednej ujemnej, umieszczonych w cieczy organicznej (zawierającej węgiel). Kiedy akumulator jest ładowany i rozładowywany, naładowane cząsteczki litu (lub jony) przechodzą z jednej elektrody na drugą poprzez ciekły elektrolit.
Jednym z problemów związanych z tą konstrukcją jest to, że przy pewnych napięciach i temperaturach ciekły elektrolit może stać się lotny i zapalić się. Baterie są ogólnie bezpieczne przy normalnym użytkowaniu, ale ryzyko pozostaje, mówi dr Kevin Huang Ph.D.'15, pracownik naukowy w grupie Olivettiego.
Kolejnym problemem jest to, że akumulatory litowo-jonowe nie nadają się do stosowania w samochodach. Duże i ciężkie zestawy akumulatorów zajmują miejsce, zwiększają całkowitą masę pojazdu i zmniejszają zużycie paliwa. Jednak okazuje się, że trudno jest zmniejszyć i zmniejszyć masę dzisiejszych akumulatorów litowo-jonowych, zachowując jednocześnie ich gęstość energetyczną – ilość energii zmagazynowanej na gram wagi.
Aby rozwiązać te problemy, badacze zmieniają kluczowe cechy akumulatorów litowo-jonowych, tworząc wersję całkowicie stałą lub półprzewodnikową. Zastępują ciekły elektrolit w środku cienkim stałym elektrolitem, który jest stabilny w szerokim zakresie napięć i temperatur. W przypadku tego stałego elektrolitu zastosowali elektrodę dodatnią o dużej pojemności i metaliczną elektrodę ujemną o dużej pojemności, która była znacznie mniej gruba niż zwykła porowata warstwa węgla. Zmiany te pozwalają na uzyskanie znacznie mniejszego ogniwa przy jednoczesnym zachowaniu jego pojemności magazynowania energii, co skutkuje wyższą gęstością energii.
Te cechy - zwiększone bezpieczeństwo i większa gęstość energii- to prawdopodobnie dwie najczęściej reklamowane zalety potencjalnych baterii półprzewodnikowych, jednak wszystkie te rzeczy są wybiegające w przyszłość i na które mamy nadzieję, ale niekoniecznie osiągalne. Niemniej jednak możliwość ta skłania wielu badaczy do poszukiwania materiałów i projektów, które spełnią tę obietnicę.
Myślenie wykraczające poza laboratorium
Naukowcy opracowali szereg intrygujących scenariuszy, które w laboratorium wyglądają obiecująco. Olivetti i Huang uważają jednak, że biorąc pod uwagę pilność wyzwania związanego ze zmianą klimatu, ważne mogą być dodatkowe względy praktyczne. My, badacze, zawsze mamy w laboratorium mierniki umożliwiające ocenę możliwych materiałów i procesów, mówi Olivetti. Przykładami mogą być pojemność magazynowania energii i szybkość ładowania/rozładowania. Jeśli jednak celem jest wdrożenie, sugerujemy dodanie wskaźników, które konkretnie uwzględniają potencjał szybkiego skalowania.
Materiały i dostępność
W świecie stałych elektrolitów nieorganicznych istnieją dwa główne rodzaje materiałów - tlenki zawierające tlen i siarczki zawierające siarkę. Tantal powstaje jako produkt uboczny wydobycia cyny i niobu. Dane historyczne pokazują, że produkcja tantalu jest bliższa potencjalnemu maksimum niż germanu podczas wydobycia cyny i niobu. Dostępność tantalu budzi zatem większe obawy w związku z możliwym zwiększaniem skali ogniw opartych na LLZO.
Jednak wiedza o dostępności pierwiastka w ziemi nie rozwiązuje kroków wymaganych do dostarczenia go w ręce producentów. W związku z tym badacze zbadali kolejne pytanie dotyczące łańcucha dostaw kluczowych elementów – wydobycia, przetwarzania, rafinacji, transportu itp. Zakładając, że podaż jest obfita, czy łańcuch dostaw dostarczający te materiały można rozszerzyć wystarczająco szybko, aby sprostać rosnącym potrzebom zapotrzebowanie na baterie?
W analizie próbki sprawdzili, o ile łańcuch dostaw germanu i tantalu musiałby rosnąć z roku na rok, aby zapewnić akumulatory dla floty pojazdów elektrycznych przewidywanej na rok 2030. Na przykład flota pojazdów elektrycznych, często wymieniana jako cel na rok 2030, musiałaby wyprodukować wystarczającą liczbę akumulatorów, aby zapewnić łącznie 100 gigawatogodzin energii. Aby osiągnąć ten cel, przy użyciu wyłącznie akumulatorów LGPS łańcuch dostaw germanu musiałby rosnąć o 50% rok do roku, co jest dużym osiągnięciem, ponieważ w przeszłości maksymalna stopa wzrostu wynosiła około 7%. Wykorzystując wyłącznie ogniwa LLZO, łańcuch dostaw tantalu musiałby wzrosnąć o około 30%, co oznacza tempo wzrostu znacznie powyżej historycznego maksimum wynoszącego około 10%.
Przykłady te pokazują, jak ważne jest uwzględnienie dostępności materiałów i łańcucha dostaw przy ocenie potencjału zwiększania skali różnych elektrolitów stałych, mówi Huang: Nawet jeśli ilość materiału nie stanowi problemu, jak w przypadku germanu, zwiększenie skali wszystkich etapy łańcucha dostaw mające na celu dopasowanie produkcji przyszłych pojazdów elektrycznych mogą wymagać stopy wzrostu, która jest praktycznie bezprecedensowa.
Materiały i obróbka
Kolejnym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę przy ocenie potencjału skalowalności projektu akumulatora, jest złożoność procesu produkcyjnego i wpływ, jaki może on mieć na koszty. Produkcja akumulatora półprzewodnikowego składa się z wielu etapów, a niepowodzenie na którymkolwiek etapie zwiększa koszt każdego pomyślnie wyprodukowanego ogniwa.
Jako wskaźnik trudności w produkcji Olivetti, Ceder i Huang zbadali w swojej bazie danych wpływ wskaźnika awaryjności na całkowity koszt wybranych projektów akumulatorów półprzewodnikowych. W jednym przykładzie skupili się na tlenku LLZO. LLZO jest bardzo kruchy, a duże arkusze, wystarczająco cienkie, aby można je było stosować w wysokowydajnych akumulatorach półprzewodnikowych, mogą pękać lub wypaczać się pod wpływem wysokich temperatur występujących w procesie produkcyjnym.
Aby określić koszty takich awarii, przeprowadzono symulację czterech kluczowych etapów przetwarzania związanych z montażem ogniw LLZO. Na każdym etapie obliczali koszt w oparciu o założoną wydajność, tj. odsetek wszystkich komórek, które zostały pomyślnie przetworzone bez awarii. W przypadku LLZO wydajność była znacznie niższa niż w przypadku innych badanych projektów; co więcej, wraz ze spadkiem wydajności koszt kilowatogodziny (kWh) energii ogniwa znacznie wzrósł. Na przykład, gdy do końcowego etapu ogrzewania katody dodano 5% więcej ogniw, koszt wzrósł o około 30 USD/kWh – co jest nieistotną zmianą, biorąc pod uwagę, że ogólnie przyjęty docelowy koszt takich ogniw wynosi 100 USD/kWh. Jest oczywiste, że trudności produkcyjne mogą mieć głęboki wpływ na możliwość przyjęcia projektu na dużą skalę.
Czas publikacji: 9 września 2022 r