Kiireellinen tarve vähentää hiilidioksidipäästöjä ajaa nopeaa siirtymistä kohti liikenteen sähköistämistä ja aurinko- ja tuulivoiman käytön laajentamista verkossa. Jos nämä trendit eskaloituvat odotetusti, tarve parempiin sähköenergian varastointimenetelmiin voimistuu.
Tarvitsemme kaikki strategiat, joita voimme saada ilmastonmuutoksen uhan torjumiseksi, sanoo tohtori Elsa Olivetti, materiaalitieteen ja tekniikan apulaisprofessori Esther and Harold E. Edgertonista. On selvää, että verkkopohjaisten massamuistitekniikoiden kehittäminen on ratkaisevan tärkeää. Mutta mobiilisovellusten – erityisesti liikenteen – osalta monet tutkimukset keskittyvät nykyajan mukauttamiseenlitiumioniakutolla turvallisempia, pienempiä ja pystyä varastoimaan enemmän energiaa kokoon ja painoon nähden.
Perinteiset litiumioniakut kehittyvät edelleen, mutta niiden rajoitukset säilyvät, osittain niiden rakenteesta johtuen.Litiumioniakut koostuvat kahdesta elektrodista, yksi positiivinen ja yksi negatiivinen, kerrostettuna orgaaniseen (hiiltä sisältävään) nesteeseen. Kun akku ladataan ja puretaan, ladatut litiumhiukkaset (tai ionit) siirtyvät elektrodilta toiselle nestemäisen elektrolyytin läpi.
Yksi tämän rakenteen ongelma on, että tietyillä jännitteillä ja lämpötiloissa nestemäinen elektrolyytti voi muuttua haihtuvaksi ja syttyä tuleen. Akut ovat yleensä turvallisia normaalikäytössä, mutta riski säilyy, sanoo tohtori Kevin Huang Ph.D.'15, Olivettin ryhmän tutkija.
Toinen ongelma on, että litiumioniakut eivät sovellu käytettäväksi autoissa. Suuret, raskaat akut vievät tilaa, lisäävät ajoneuvon kokonaispainoa ja vähentävät polttoainetehokkuutta. Mutta on osoittautunut vaikeaksi tehdä nykypäivän litiumioniakuista pienempiä ja kevyempiä säilyttäen samalla niiden energiatiheys - painogrammaa kohti varastoidun energian määrä.
Näiden ongelmien ratkaisemiseksi tutkijat muuttavat litiumioniakkujen keskeisiä ominaisuuksia luodakseen täysin solid- tai solid-state-version. Ne korvaavat keskellä olevan nestemäisen elektrolyytin ohuella kiinteällä elektrolyytillä, joka on vakaa useilla jännitteillä ja lämpötiloilla. Tämän kiinteän elektrolyytin kanssa he käyttivät suurikapasiteettista positiivista elektrodia ja suurikapasiteettista litiummetalli negatiivista elektrodia, joka oli paljon vähemmän paksu kuin tavallinen huokoinen hiilikerros. Nämä muutokset mahdollistavat paljon pienemmän kokonaiskennon säilyttäen samalla energian varastointikapasiteetin, mikä johtaa korkeampaan energiatiheyteen.
Nämä ominaisuudet - parempi turvallisuus ja suurempi energiatiheys- ovat luultavasti kaksi yleisimmin mainostettua etua mahdollisista solid-state-akuista, mutta kaikki nämä asiat ovat tulevaisuuteen katsovia ja toivottuja eivätkä välttämättä saavutettavissa. Tästä huolimatta monet tutkijat yrittävät löytää materiaaleja ja malleja, jotka täyttävät tämän lupauksen.
Ajatteleminen laboratorion ulkopuolella
Tutkijat ovat keksineet useita kiehtovia skenaarioita, jotka näyttävät lupaavilta laboratoriossa. Mutta Olivetti ja Huang uskovat, että ilmastonmuutoshaasteen kiireellisyyden vuoksi muut käytännön näkökohdat voivat olla tärkeitä. Meillä tutkijoilla on aina laboratoriossa mittareita mahdollisten materiaalien ja prosessien arvioimiseksi, Olivetti sanoo. Esimerkkejä voivat olla energian varastointikapasiteetti ja lataus-/purkausnopeudet. Mutta jos tavoitteena on toteutus, suosittelemme lisäämään mittareita, jotka käsittelevät erityisesti nopean skaalausmahdollisuutta.
Materiaalit ja saatavuus
Kiinteiden epäorgaanisten elektrolyyttien maailmassa on kahta päätyyppiä materiaalia - happea sisältävät oksidit ja rikkiä sisältävät sulfidit. Tantaalia syntyy tinan ja niobiumin louhinnan sivutuotteena. Historialliset tiedot osoittavat, että tantaalin tuotanto on lähempänä potentiaalista maksimitasoa kuin germaniumin tuotanto tinan ja niobiumin louhinnan aikana. Tantaalin saatavuus on siksi suurempi huolenaihe LLZO-pohjaisten solujen mahdollisen skaalauksen vuoksi.
Elementin saatavuuden tietäminen maassa ei kuitenkaan ratkaise vaiheita, jotka vaaditaan sen saamiseksi valmistajien käsiin. Tutkijat tutkivat siksi jatkokysymystä avainelementtien toimitusketjusta - louhinta, jalostus, jalostus, kuljetus jne. Jos tarjontaa on runsaasti, voidaanko näiden materiaalien toimitusketjua laajentaa tarpeeksi nopeasti vastaamaan kasvavaan tarpeeseen. akkujen kysyntä?
Otosanalyysissä he tarkastelivat, kuinka paljon germaniumin ja tantaalin toimitusketjun pitäisi kasvaa vuosi vuodelta, jotta se toimittaisi akkuja vuodelle 2030 suunniteltuun sähköajoneuvoon. Esimerkiksi vuoden 2030 tavoitteeksi usein mainittu sähköajoneuvokanta tarvitsee tarpeeksi akkuja tuottaakseen yhteensä 100 gigawattituntia energiaa. Tämän tavoitteen saavuttamiseksi, käyttämällä vain LGPS-akkuja, germaniumin toimitusketjun pitäisi kasvaa 50 % vuodessa - mikä on pikkuhiljaa, sillä suurin kasvuvauhti on ollut aiemmin noin 7 %. Vain LLZO-kennoja käytettäessä tantaalin toimitusketjun pitäisi kasvaa noin 30 % – kasvuvauhti ylittää selvästi historiallisen maksimin, noin 10 %.
Nämä esimerkit osoittavat materiaalin saatavuuden ja toimitusketjun huomioimisen tärkeyden arvioitaessa eri kiinteiden elektrolyyttien skaalauspotentiaalia, Huang sanoo: Vaikka materiaalin määrällä ei olekaan merkitystä, kuten germaniumin tapauksessa, kaiken skaalaaminen toimitusketjun vaiheet, jotka vastaavat tulevaisuuden sähköajoneuvojen tuotantoa, saattavat edellyttää kasvuvauhtia, joka on lähes ennennäkemätön.
Materiaalit ja käsittely
Toinen tekijä, joka on otettava huomioon arvioitaessa akun suunnittelun skaalautuvuutta, on valmistusprosessin vaikeus ja sen mahdollinen vaikutus kustannuksiin. Solid-state-akun valmistukseen liittyy väistämättä monia vaiheita, ja minkä tahansa vaiheen epäonnistuminen nostaa jokaisen onnistuneesti tuotetun kennon kustannuksia.
Olivetti, Ceder ja Huang selvittivät valmistusvaikeuksia, mikä vaikutus epäonnistumisprosentilla oli valittujen solid-state-akkumallien kokonaiskustannuksiin tietokannassaan. Yhdessä esimerkissä he keskittyivät LLZO-oksidiin. LLZO on erittäin hauras ja riittävän ohuet suuret levyt käytettäviksi tehokkaissa solid-state-akuissa, jotka todennäköisesti halkeilevat tai vääntyvät valmistusprosessiin liittyvissä korkeissa lämpötiloissa.
Tällaisten vikojen kustannusvaikutusten määrittämiseksi he simuloivat neljää keskeistä käsittelyvaihetta, jotka liittyvät LLZO-kennojen kokoamiseen. Jokaisessa vaiheessa he laskivat kustannukset oletetun tuoton perusteella, eli sen osuuden kokonaissoluista, jotka on käsitelty onnistuneesti ilman epäonnistumista. LLZO:n tuotto oli paljon pienempi kuin muiden tutkittujen mallien; lisäksi tuoton pienentyessä soluenergian kilowattitunnin (kWh) hinta nousi merkittävästi. Esimerkiksi kun viimeiseen katodin lämmitysvaiheeseen lisättiin 5 % enemmän kennoja, kustannukset nousivat noin 30 dollaria/kWh - mikä on merkityksetön muutos, kun otetaan huomioon, että tällaisten kennojen yleisesti hyväksytty tavoitehinta on 100 dollaria/kWh. On selvää, että valmistusvaikeuksilla voi olla syvällinen vaikutus suunnittelun laajamittaisen käyttöönoton toteutettavuuteen.
Postitusaika: 9.9.2022