Новини от индустрията

Проектиране на по-добри батерии за електрически превозни средства

2021-10-22

Тъй като изследователите обмислят материали за твърдотелни батерии, те също може да искат да обмислят как тези материали могат да повлияят на широкомащабното производство.

 

Нанси У. Стауфър | Енергийна инициатива на MIT


 

 

Спешната необходимост от намаляване на въглеродните емисии подтиква бързо преминаване към електрифицирана мобилност и разширено използване на слънчева и вятърна енергия в електрическата мрежа. Ако тези тенденции ескалират, както се очаква, необходимостта от по-добри методи за съхранение на електрическа енергия ще се засили.

 

„Нуждаем се от всички стратегии, които можем да получим, за да се справим със заплахата от изменението на климата“, казва д-р Елза Оливети â07, доцент по материалознание и инженерство на Естер и Харолд Е. Еджертън. „Очевидно разработването на технологии за базирано на мрежа съхранение в голям мащаб е от решаващо значение. Но за мобилни приложения â по-специално, транспорт â много изследвания се фокусират върху адаптирането на днешната литиево-йонна батерия, за да се направят версии, които са по-безопасни, по-малки и могат да съхраняват повече енергия за техния размер и тегло.â ,

 

Традиционните литиево-йонни батерии продължават да се подобряват, но имат ограничения, които продължават, отчасти поради тяхната структура. Литиево-йонната батерия се състои от два електрода â един положителен и един отрицателен â поставени около органична (съдържаща въглерод) течност. Докато батерията се зарежда и разрежда, електрически заредени частици (или йони) на лития преминават от единия електрод към другия през течния електролит.

 

Един проблем с този дизайн е, че при определени напрежения и температури течният електролит може да стане летлив и да се запали. „Батериите като цяло са безопасни при нормална употреба, но рискът все още съществува“, казва д-р Кевин Хуанг №15, учен изследовател в групата на Olivetti.

 

Друг проблем е, че литиево-йонните батерии не са подходящи за използване в превозни средства. Големите, тежки пакети батерии заемат място и увеличават общото тегло на превозното средство, намалявайки горивната ефективност. Но се оказва трудно да се направят днешните литиево-йонни батерии по-малки и по-леки, като същевременно се запази енергийната им плътност – тоест количеството енергия, което съхраняват на грам тегло.

 

За да разрешат тези проблеми, изследователите променят ключовите характеристики на литиево-йонната батерия, за да направят изцяло твърда, или „твърдотелна“ версия. Те заменят течния електролит в средата с тънък, твърд електролит, който е стабилен в широк диапазон от напрежения и температури. С този твърд електролит те използват положителен електрод с голям капацитет и отрицателен електрод от литиев метал с голям капацитет, който е много по-тънък от обичайния слой от порест въглерод. Тези промени позволяват да се свие значително общата батерия, като същевременно се запази нейният капацитет за съхранение на енергия, като по този начин се постигне по-висока енергийна плътност.

 

„Тези характеристики – повишена безопасност и по-голяма енергийна плътност – са може би двете най-често рекламирани предимства на потенциална твърда батерия“, казва Хуанг. След това той бързо пояснява, че „всички тези неща са перспективни, очаквани и не непременно реализирани.“ Въпреки това тази възможност кара много изследователи да се борят да намерят материали и дизайни, които могат да изпълнят това обещание.

 

Мислене отвъд лабораторията

Изследователите са измислили много интригуващи опции, които изглеждат обещаващи â в лабораторията. Но Оливети и Хуанг смятат, че допълнителни практически съображения може да са важни, предвид неотложността на предизвикателството, свързано с изменението на климата. „Винаги има показатели, които ние, изследователите, използваме в лабораторията, за да оценим възможни материали и процеси“, казва Оливети. Примерите могат да включват капацитет за съхранение на енергия и скорост на зареждане/разреждане. При извършване на основни изследвания â, които тя смята за необходими и важни â тези показатели са подходящи. „Но ако целта е внедряване, предлагаме да добавите няколко показателя, които конкретно се отнасят до потенциала за бързо мащабиране“, казва тя.

 

Въз основа на опита на индустрията с настоящите литиево-йонни батерии, изследователите от MIT и техният колега Gerbrand Ceder, Даниел М. Телеп, уважаван професор по инженерство в Калифорнийския университет в Бъркли, предлагат три широки въпроса, които могат да помогнат за идентифицирането на потенциални ограничения за бъдещо разширяване в резултат на избор на материали. Първо, с този дизайн на батерията, може ли наличието на материали, веригите за доставки или нестабилността на цените да се превърнат в проблем с нарастването на мащаба на производството? (Имайте предвид, че опасенията за околната среда и други проблеми, породени от разширения добив, са извън обхвата на това проучване.) Второ, производството на батерии от тези материали ще включва ли трудни производствени стъпки, по време на които има вероятност частите да се повредят? И трето, дали производствените мерки, необходими за осигуряване на продукт с висока производителност, базиран на тези материали, в крайна сметка намаляват или повишават цената на произведените батерии?

 

За да демонстрират своя подход, Olivetti, Ceder и Huang изследваха някои от електролитните химии и структурите на батериите, които сега се изследват от изследователите. За да изберат своите примери, те се обърнаха към предишна работа, в която те и техните сътрудници използваха техники за извличане на текст и данни, за да съберат информация за материали и подробности за обработката, докладвани в литературата. От тази база данни те избраха няколко често съобщавани опции, които представляват набор от възможности.

 

Материали и наличност

В света на твърдите неорганични електролити има два основни класа материали â оксиди, които съдържат кислород, и сулфиди, които съдържат сяра. Olivetti, Ceder и Huang се съсредоточиха върху една обещаваща опция за електролит във всеки клас и разгледаха ключови елементи, които предизвикват загриженост за всеки от тях.

 

Сулфидът, който смятаха, беше LGPS, който комбинира литий, германий, фосфор и сяра. Въз основа на съображения за наличност, те се съсредоточиха върху германия, елемент, който поражда опасения отчасти, защото обикновено не се добива сам. Вместо това, това е вторичен продукт, произведен по време на добива на въглища и цинк.

 

За да проучат неговата наличност, изследователите разгледаха колко германий се произвежда годишно през последните шест десетилетия по време на добива на въглища и цинк и след това какво количество би могло да бъде произведено. Резултатът предполага, че е можело да се произведе 100 пъти повече германий дори през последните години. Като се има предвид този потенциал за доставки, наличието на германий няма вероятност да ограничи мащаба на твърда батерия, базирана на LGPS електролит.

 

Ситуацията изглеждаше по-малко обещаваща с избрания от изследователите оксид, LLZO, който се състои от литий, лантан, цирконий и кислород. Добивът и обработката на лантан са съсредоточени до голяма степен в Китай и има ограничени налични данни, така че изследователите не са се опитали да анализират наличността му. Останалите три елемента са в изобилие. Въпреки това, на практика трябва да се добави малко количество от друг елемент - наречен добавка - за да се направи LLZO лесен за обработка. Така че екипът се фокусира върху тантала, най-често използваната добавка, като основен елемент, който предизвиква загриженост за LLZO.

 

Танталът се произвежда като страничен продукт от добива на калай и ниобий. Историческите данни показват, че количеството тантал, произведено по време на добива на калай и ниобий, е много по-близо до потенциалния максимум, отколкото в случая с германия. Така че наличието на тантал е по-голямо безпокойство за възможното увеличаване на мащаба на батерия, базирана на LLZO.

 

Но знанието за наличността на даден елемент в земята не се отнася до стъпките, необходими за доставянето му на производителя. Така че изследователите проучиха допълнителен въпрос относно веригите за доставка на критични елементи – добив, обработка, рафиниране, доставка и т.н. Ако приемем, че са налични изобилни доставки, могат ли веригите за доставки, които доставят тези материали, да се разширят достатъчно бързо, за да отговорят на нарастващото търсене на батерии?

 

В примерни анализи те разгледаха колко веригите за доставка на германий и тантал ще трябва да растат всяка година, за да осигурят батерии за планирания парк от електрически превозни средства през 2030 г. Като пример, паркът от електрически превозни средства често се цитира като цел за 2030 г. ще изисква производството на достатъчно батерии, за да достави общо 100 гигаватчаса енергия. За да се постигне тази цел, като се използват само LGPS батерии, веригата за доставки на германий ще трябва да расте с 50 процента от година на година – голямо усилие, тъй като максималният темп на растеж в миналото е бил около 7 процента. Използвайки само батерии LLZO, веригата за доставки на тантал ще трябва да нарасне с около 30 процента – темп на растеж доста над историческия връх от около 10 процента.

 

Тези примери показват колко е важно да се вземат предвид както наличността на материалите, така и веригите за доставка, когато се оценяват различни твърди електролити за техния потенциал за увеличаване на мащаба. „Дори когато количеството на наличния материал не е проблем, какъвто е случаят с германия, мащабирането на всички стъпки във веригата на доставки, за да съответства на бъдещото производство на електрически превозни средства, може да изисква темп на растеж, който буквално безпрецедентно“, казва Хуанг.

 

Материали и обработка

При оценката на потенциала за разширяване на дизайна на батерията друг фактор, който трябва да се вземе предвид, е трудността на производствения процес и как той може да повлияе на цената. Производството на твърда батерия неизбежно включва много стъпки и повреда на която и да е стъпка повишава цената на всяка успешно произведена батерия. Както обяснява Хуанг, „Вие не изпращате тези повредени батерии; вие ги изхвърляте. Но все пак сте похарчили пари за материали, време и обработка.â

 

Като заместител на производствените трудности, Olivetti, Ceder и Huang проучиха влиянието на процента на отказ върху общите разходи за избрани дизайни на твърдотелни батерии в тяхната база данни. В един пример те се фокусираха върху оксида LLZO. LLZO е изключително крехък и при високите температури, свързани с производството, голям лист, който е достатъчно тънък, за да се използва във високоефективна твърда батерия, има вероятност да се спука или изкриви.

 

За да определят въздействието на такива повреди върху разходите, те моделираха четири ключови стъпки на обработка при сглобяването на базирани на LLZO батерии. На всяка стъпка те изчисляваха разходите на базата на предполагаем добив, т.е. частта от общите единици, които бяха успешно обработени без неуспех. С LLZO, добивът беше много по-нисък, отколкото с другите дизайни, които те изследваха; и тъй като добивът намаля, цената на всеки киловатчас (kWh) енергия от батерията се повиши значително. Например, когато 5 процента повече единици се повредят по време на крайната стъпка на нагряване на катода, разходите се увеличават с около $30/kWh â нетривиална промяна, като се има предвид, че общоприетата целева цена за такива батерии е $100/kWh. Ясно е, че производствените трудности могат да имат дълбоко въздействие върху жизнеспособността на дизайна за широкомащабно приемане.

 

Материали и изпълнение

Едно от основните предизвикателства при проектирането на изцяло солидна батерия идва от âинтерфейситеâ â, тоест мястото, където един компонент среща друг. По време на производство или работа материалите в тези интерфейси могат да станат нестабилни. „Атомите започват да ходят на места, където не би трябвало, и производителността на батерията намалява“, казва Хуанг.

 

В резултат на това много изследвания са посветени на намирането на методи за стабилизиране на интерфейсите в различни дизайни на батерии. Много от предложените методи наистина повишават производителността; и в резултат на това цената на батерията в долари за kWh намалява. Но прилагането на такива решения обикновено включва добавени материали и време, което увеличава цената на kWh по време на широкомащабно производство.

 

За да илюстрират този компромис, изследователите първо изследваха своя оксид, LLZO. Тук целта е да се стабилизира интерфейсът между електролита LLZO и отрицателния електрод чрез вмъкване на тънък слой калай между двата. Те анализираха въздействията – както положителни, така и отрицателни – върху разходите за внедряване на това решение. Те установиха, че добавянето на калаен сепаратор увеличава капацитета за съхранение на енергия и подобрява производителността, което намалява единичната цена в долари/kWh. Но разходите за включване на калаения слой надвишават спестяванията, така че крайната цена е по-висока от първоначалната цена.

 

В друг анализ те разглеждат сулфиден електролит, наречен LPSCl, който се състои от литий, фосфор и сяра с малко добавен хлор. В този случай положителният електрод включва частици от електролитния материал â метод, който гарантира, че литиевите йони могат да намерят път през електролита към другия електрод. Въпреки това, добавените електролитни частици не са съвместими с други частици в положителния електрод â друг проблем с интерфейса. В този случай стандартно решение е да добавите „свързващо вещество“, друг материал, който кара частиците да се слепват.

 

Техният анализ потвърди, че без свързващото вещество производителността е лоша и цената на базираната на LPSCl батерия е повече от $500/kWh. Добавянето на свързващото вещество подобрява значително производителността и цената пада с почти $300/kWh. В този случай разходите за добавяне на свързващото вещество по време на производството са толкова ниски, че по същество се реализира цялото намаление на разходите от добавянето на свързващото вещество. Тук методът, приложен за решаване на проблема с интерфейса, се отплаща с по-ниски разходи.

 

Изследователите извършиха подобни проучвания на други обещаващи твърдотелни батерии, докладвани в литературата, и техните резултати бяха последователни: Изборът на материали и процеси на батерията може да повлияе не само на краткосрочните резултати в лабораторията, но също така и на осъществимостта и разходите за производство на предложена твърда батерия в мащаба, необходим за посрещане на бъдещото търсене. Резултатите също показаха, че разглеждането на трите фактора заедно – наличност, нужди от обработка и производителност на батерията – е важно, тъй като може да има колективни ефекти и компромиси.

 

Olivetti се гордее с набора от опасения, които подходът на екипа може да изследва. Но тя подчертава, че това не е предназначено да замени традиционните показатели, използвани за насочване на избора на материали и обработка в лабораторията. „Вместо това, той има за цел да допълни тези показатели, като разглежда широко видовете неща, които биха могли да попречат на мащабирането – важно съображение, като се има предвид това, което Хуанг нарича „спешно тиктакащ часовник“ на чиста енергия и изменение на климата.

 

Това изследване беше подкрепено отПрограма за начален фондна Енергийната инициатива на MIT (MITEI)Център за нисковъглеродна енергия за съхранение на енергия; от Shell, член-основател на MITEI; и от Службата за енергийна ефективност и възобновяема енергия на Министерството на енергетиката на САЩ, Служба за технологии за превозни средства, в рамките на Програмата за напреднали изследвания на материалите за батерии. Работата по копаене на текст беше подкрепена от Националната научна фондация, Службата за военноморски изследвания и MITEI.

 

Тази статия се появява вПролет 2021 гброй на Energy Futures, списанието на MIT Energy Initiative.