Keperluan mendesak untuk mengurangkan pelepasan karbon memacu langkah pantas ke arah pengangkutan elektrik dan meluaskan penggunaan tenaga suria dan angin pada grid.Jika trend ini meningkat seperti yang dijangkakan, keperluan untuk kaedah yang lebih baik untuk menyimpan tenaga elektrik akan meningkat.
Kami memerlukan semua strategi yang boleh kami perolehi untuk menangani ancaman perubahan iklim, kata Dr Elsa Olivetti, profesor bersekutu sains bahan dan kejuruteraan di Esther dan Harold E. Edgerton.Jelas sekali, pembangunan teknologi storan massa berasaskan grid adalah penting.Tetapi untuk aplikasi mudah alih - terutamanya pengangkutan - banyak penyelidikan tertumpu pada penyesuaian hari inibateri litium-ionmenjadi lebih selamat, lebih kecil dan dapat menyimpan lebih banyak tenaga untuk saiz dan beratnya.
Bateri litium-ion konvensional terus bertambah baik, tetapi hadnya kekal, sebahagiannya disebabkan oleh strukturnya.Bateri litium-ion terdiri daripada dua elektrod, satu positif dan satu negatif, diapit dalam cecair organik (mengandungi karbon).Apabila bateri dicas dan dinyahcas, zarah litium yang dicas (atau ion) dihantar dari satu elektrod ke elektrod yang lain melalui elektrolit cecair.
Satu masalah dengan reka bentuk ini ialah pada voltan dan suhu tertentu, cecair elektrolit boleh menjadi tidak menentu dan terbakar.Bateri secara amnya selamat di bawah penggunaan biasa, tetapi risikonya kekal, kata Dr Kevin Huang Ph.D.'15, seorang saintis penyelidikan dalam kumpulan Olivetti.
Masalah lain ialah bateri lithium-ion tidak sesuai digunakan dalam kereta.Pek bateri yang besar dan berat mengambil ruang, meningkatkan berat keseluruhan kenderaan dan mengurangkan kecekapan bahan api.Tetapi ternyata sukar untuk menjadikan bateri litium-ion hari ini lebih kecil dan ringan sambil mengekalkan ketumpatan tenaganya - jumlah tenaga yang disimpan setiap gram berat.
Untuk menyelesaikan masalah ini, penyelidik menukar ciri utama bateri litium-ion untuk mencipta versi pepejal atau keadaan pepejal.Mereka menggantikan elektrolit cecair di tengah dengan elektrolit pepejal nipis yang stabil pada julat voltan dan suhu yang luas.Dengan elektrolit pepejal ini, mereka menggunakan elektrod positif berkapasiti tinggi dan elektrod negatif logam litium berkapasiti tinggi yang jauh lebih tebal daripada lapisan karbon berliang biasa.Perubahan ini membolehkan sel keseluruhan yang lebih kecil sambil mengekalkan kapasiti penyimpanan tenaganya, menghasilkan ketumpatan tenaga yang lebih tinggi.
Ciri-ciri ini - keselamatan yang dipertingkatkan dan ketumpatan tenaga yang lebih besar- mungkin merupakan dua faedah yang paling sering disebut-sebut bagi bateri keadaan pepejal yang berpotensi, namun semua perkara ini berpandangan ke hadapan dan diharapkan, dan tidak semestinya boleh dicapai.Namun begitu, kemungkinan ini menyebabkan ramai penyelidik berebut-rebut mencari bahan dan reka bentuk yang akan memenuhi janji ini.
Berfikir di luar makmal
Penyelidik telah menghasilkan beberapa senario menarik yang kelihatan menjanjikan di makmal.Tetapi Olivetti dan Huang percaya bahawa memandangkan cabaran perubahan iklim yang mendesak, pertimbangan praktikal tambahan mungkin penting.Kami penyelidik sentiasa mempunyai metrik dalam makmal untuk menilai bahan dan proses yang mungkin, kata Olivetti.Contohnya mungkin termasuk kapasiti penyimpanan tenaga dan kadar caj/nyahcas.Tetapi jika matlamatnya ialah pelaksanaan, kami cadangkan menambah metrik yang khusus menangani potensi penskalaan pantas.
Bahan dan ketersediaan
Dalam dunia elektrolit tak organik pepejal, terdapat dua jenis bahan utama - oksida yang mengandungi oksigen dan sulfida yang mengandungi sulfur.Tantalum dihasilkan sebagai hasil sampingan perlombongan bijih timah dan niobium.Data sejarah menunjukkan bahawa pengeluaran tantalum lebih hampir kepada potensi maksimum berbanding germanium semasa perlombongan bijih timah dan niobium.Oleh itu, ketersediaan tantalum adalah kebimbangan yang lebih besar untuk kemungkinan peningkatan sel berasaskan LLZO.
Walau bagaimanapun, mengetahui ketersediaan unsur dalam tanah tidak menyelesaikan langkah-langkah yang diperlukan untuk mendapatkannya ke tangan pengeluar.Oleh itu para penyelidik menyiasat soalan susulan tentang rantaian bekalan elemen utama - perlombongan, pemprosesan, penapisan, pengangkutan, dll. Dengan mengandaikan terdapat bekalan yang banyak, bolehkah rantaian bekalan untuk menghantar bahan ini diperluaskan dengan cukup cepat untuk memenuhi pertumbuhan yang semakin meningkat. permintaan untuk bateri?
Dalam analisis sampel, mereka melihat berapa banyak rantaian bekalan untuk germanium dan tantalum perlu berkembang dari tahun ke tahun untuk menyediakan bateri untuk unjuran armada kenderaan elektrik 2030.Sebagai contoh, kumpulan kenderaan elektrik, sering disebut sebagai sasaran untuk 2030, perlu menghasilkan bateri yang mencukupi untuk menyediakan sejumlah 100 gigawatt jam tenaga.Untuk mencapai matlamat ini, hanya menggunakan bateri LGPS, rantaian bekalan germanium perlu berkembang sebanyak 50% tahun ke tahun - satu regangan, kerana kadar pertumbuhan maksimum adalah sekitar 7% pada masa lalu.Dengan hanya menggunakan sel LLZO, rantaian bekalan untuk tantalum perlu berkembang sekitar 30% - kadar pertumbuhan jauh melebihi maksimum sejarah sekitar 10%.
Contoh-contoh ini menunjukkan kepentingan untuk mempertimbangkan ketersediaan bahan dan rantaian bekalan apabila menilai potensi penskalaan elektrolit pepejal yang berbeza, kata Huang: Walaupun kuantiti bahan tidak menjadi isu, seperti dalam kes germanium, meningkatkan semua langkah-langkah dalam rantaian bekalan untuk memadankan pengeluaran kenderaan elektrik masa hadapan mungkin memerlukan kadar pertumbuhan yang hampir tidak pernah berlaku sebelum ini.
Bahan dan pemprosesan
Faktor lain yang perlu dipertimbangkan semasa menilai potensi kebolehskalaan reka bentuk bateri ialah kesukaran proses pembuatan dan kesannya terhadap kos.Tidak dapat dielakkan terdapat banyak langkah yang terlibat dalam pembuatan bateri keadaan pepejal, dan kegagalan mana-mana langkah meningkatkan kos setiap sel yang berjaya dihasilkan.
Sebagai proksi untuk kesukaran pembuatan, Olivetti, Ceder dan Huang meneroka kesan kadar kegagalan ke atas jumlah kos reka bentuk bateri keadaan pepejal terpilih dalam pangkalan data mereka.Dalam satu contoh, mereka memberi tumpuan kepada LLZO oksida.LLZO sangat rapuh dan kepingan besar cukup nipis untuk digunakan dalam bateri keadaan pepejal prestasi tinggi berkemungkinan retak atau meledingkan pada suhu tinggi yang terlibat dalam proses pembuatan.
Untuk menentukan implikasi kos kegagalan tersebut, mereka mensimulasikan empat langkah pemprosesan utama yang terlibat dalam memasang sel LLZO.Pada setiap langkah, mereka mengira kos berdasarkan hasil yang diandaikan, iaitu perkadaran jumlah sel yang berjaya diproses tanpa kegagalan.Untuk LLZO, hasil adalah jauh lebih rendah daripada reka bentuk lain yang mereka pelajari;tambahan pula, apabila hasil berkurangan, kos setiap kilowatt-jam (kWj) tenaga sel meningkat dengan ketara.Sebagai contoh, apabila 5% lagi sel ditambahkan pada langkah pemanasan katod terakhir, kos meningkat kira-kira $30/kWj - perubahan yang boleh diabaikan memandangkan kos sasaran yang diterima umum untuk sel tersebut ialah $100/kWj.Jelas sekali, kesukaran pembuatan boleh memberi kesan yang mendalam terhadap kebolehlaksanaan penggunaan reka bentuk secara besar-besaran.
Masa siaran: Sep-09-2022