Il-ħtieġa urġenti li jitnaqqsu l-emissjonijiet tal-karbonju qed tmexxi pass rapidu lejn l-elettrifikazzjoni tat-trasport u l-espansjoni tal-użu tal-enerġija solari u mir-riħ fuq il-grilja. Jekk dawn ix-xejriet teskala kif mistenni, il-ħtieġa għal metodi aħjar ta 'ħażna ta' enerġija elettrika se tintensifika.
Neħtieġu l-istrateġiji kollha li nistgħu niksbu biex nindirizzaw it-theddida tat-tibdil fil-klima, tgħid Dr Elsa Olivetti, professur assoċjat tax-xjenza u l-inġinerija tal-materjali f’Esther u Harold E. Edgerton. Ovvjament, l-iżvilupp ta 'teknoloġiji ta' ħażna tal-massa bbażati fuq il-grilja huwa kruċjali. Iżda għall-applikazzjonijiet mobbli - speċjalment it-trasport - ħafna riċerka hija ffukata fuq l-adattament tal-lumbatteriji tal-jone tal-litjubiex ikunu aktar sikuri, iżgħar u kapaċi jaħżnu aktar enerġija għad-daqs u l-piż tagħhom.
Il-batteriji tal-jone tal-litju konvenzjonali jkomplu jitjiebu, iżda l-limitazzjonijiet tagħhom jibqgħu, parzjalment minħabba l-istruttura tagħhom.Il-batteriji tal-jone tal-litju jikkonsistu f'żewġ elettrodi, wieħed pożittiv u wieħed negattiv, imdaħħla f'likwidu organiku (li fih il-karbonju). Meta l-batterija tiġi ċċarġjata u skarikata, partiċelli tal-litju ċċarġjati (jew joni) jgħaddu minn elettrodu għall-ieħor permezz tal-elettrolit likwidu.
Problema waħda ma 'dan id-disinn hija li f'ċerti vultaġġi u temperaturi, l-elettrolit likwidu jista' jsir volatili u jaqbad in-nar. Il-batteriji huma ġeneralment sikuri taħt użu normali, iżda r-riskju jibqa ', jgħid Dr Kevin Huang Ph.D.'15, xjenzat ta 'riċerka fil-grupp ta' Olivetti.
Problema oħra hija li l-batteriji tal-jone tal-litju mhumiex adattati għall-użu fil-karozzi. Pakketti kbar u tqal tal-batteriji jieħdu spazju, iżidu l-piż ġenerali tal-vettura u jnaqqsu l-effiċjenza tal-fjuwil. Imma qed ikun diffiċli li l-batteriji tal-jone tal-litju tal-lum isiru iżgħar u eħfef filwaqt li tinżamm id-densità tal-enerġija tagħhom - l-ammont ta 'enerġija maħżuna għal kull gramma ta' piż.
Biex isolvu dawn il-problemi, ir-riċerkaturi qed ibiddlu l-karatteristiċi ewlenin tal-batteriji tal-jone tal-litju biex joħolqu verżjoni kollha solida, jew solida. Huma qed jissostitwixxu l-elettrolit likwidu fin-nofs b'elettrolit solidu rqiq li huwa stabbli fuq firxa wiesgħa ta 'vultaġġi u temperaturi. B'dan l-elettrolit solidu, użaw elettrodu pożittiv ta 'kapaċità għolja u elettrodu negattiv tal-metall tal-litju ta' kapaċità għolja li kien ferm inqas ħoxnin mis-saff tal-karbonju poruż tas-soltu. Dawn il-bidliet jippermettu ċellula ġenerali ħafna iżgħar filwaqt li żżomm il-kapaċità tal-ħażna tal-enerġija tagħha, li tirriżulta f'densità ogħla tal-enerġija.
Dawn il-karatteristiċi - sigurtà mtejba u densità akbar ta 'enerġija- huma probabbilment l-aktar żewġ benefiċċji komunement touted ta 'batteriji ta' stat solidu potenzjali, iżda dawn l-affarijiet kollha jħarsu 'l quddiem u jittamaw, u mhux neċessarjament jistgħu jintlaħqu. Madankollu, din il-possibbiltà għandha ħafna riċerkaturi jitħabtu biex isibu l-materjali u d-disinji li jwettqu din il-wegħda.
Ħsieb lil hinn mil-laboratorju
Ir-riċerkaturi ħarġu b'numru ta 'xenarji intriganti li jidhru promettenti fil-laboratorju. Iżda Olivetti u Huang jemmnu li minħabba l-urġenza tal-isfida tat-tibdil fil-klima, konsiderazzjonijiet prattiċi addizzjonali jistgħu jkunu importanti. Aħna r-riċerkaturi dejjem għandna metriċi fil-laboratorju biex nevalwaw materjali u proċessi possibbli, jgħid Olivetti. Eżempji jistgħu jinkludu l-kapaċità tal-ħażna tal-enerġija u r-rati ta' ċarġ/skariku. Imma jekk l-għan huwa l-implimentazzjoni, nissuġġerixxu li żżid metriċi li jindirizzaw speċifikament il-potenzjal għal skalar rapidu.
Materjali u disponibbiltà
Fid-dinja ta 'elettroliti inorganiċi solidi, hemm żewġ tipi ewlenin ta' materjal - ossidi li fihom l-ossiġnu u sulfidi li fihom il-kubrit. It-tantalu huwa prodott bħala prodott sekondarju tal-minjieri tal-landa u n-nijobju. Dejta storika turi li l-produzzjoni tat-tantalu hija eqreb lejn il-massimu potenzjali minn dak tal-ġermanju waqt it-tħaffir tal-landa u n-nijobju. Id-disponibbiltà tat-tantalu hija għalhekk ta 'tħassib akbar għall-iskala possibbli ta' ċelloli bbażati fuq LLZO.
Madankollu, li tkun taf id-disponibbiltà ta 'element fl-art ma ssolvix il-passi meħtieġa biex iġġibha f'idejn il-manifatturi. Ir-riċerkaturi għalhekk investigaw mistoqsija ta 'segwitu dwar il-katina tal-provvista ta' elementi ewlenin - tħaffir, ipproċessar, raffinar, trasport, eċċ. Jekk wieħed jassumi li hemm provvista abbundanti, tista 'l-katina tal-provvista għat-twassil ta' dawn il-materjali tiġi estiża malajr biżżejjed biex tilħaq it-tkabbir li qed jikber domanda għall-batteriji?
F'analiżi ta 'kampjun, ħarsu lejn kemm il-katina tal-provvista għall-ġermanju u t-tantalu jkollha bżonn tikber sena wara sena biex tipprovdi batteriji għall-flotta ta' vetturi elettriċi proġettata tal-2030. Bħala eżempju, flotta ta' vetturi elettriċi, spiss ikkwotati bħala mira għall-2030, ikollha bżonn tipproduċi biżżejjed batteriji biex tipprovdi total ta' 100 gigawatt siegħa ta' enerġija. Biex jintlaħaq dan il-għan, bl-użu ta 'batteriji LGPS biss, il-katina tal-provvista tal-ġermanju jkollha bżonn tikber b'50% sena wara sena - medda, peress li r-rata massima ta' tkabbir kienet ta 'madwar 7% fil-passat. Bl-użu ta' ċelloli LLZO biss, il-katina tal-provvista għat-tantalu jkollha bżonn tikber b'madwar 30% - rata ta' tkabbir ferm ogħla mill-massimu storiku ta' madwar 10%.
Dawn l-eżempji juru l-importanza li jitqiesu d-disponibbiltà tal-materjal u l-katina tal-provvista meta jiġi vvalutat il-potenzjal ta’ żieda ta’ elettroliti solidi differenti, jgħid Huang: Anke jekk il-kwantità ta’ materjal mhix kwistjoni, bħal fil-każ tal-ġermanju, it-tkabbir kollu il-passi fil-katina tal-provvista biex jaqblu mal-produzzjoni ta 'vetturi elettriċi futuri jistgħu jeħtieġu rata ta' tkabbir li hija prattikament bla preċedent.
Materjali u pproċessar
Fattur ieħor li għandek tikkonsidra meta jiġi vvalutat il-potenzjal ta 'skalabbiltà ta' disinn ta 'batterija huwa d-diffikultà tal-proċess tal-manifattura u l-impatt li jista' jkollu fuq l-ispiża. Inevitabbilment hemm ħafna passi involuti fil-manifattura ta 'batterija ta' stat solidu, u l-falliment ta 'kwalunkwe pass iżid l-ispiża ta' kull ċellula prodotta b'suċċess.
Bħala prokura għad-diffikultà tal-manifattura, Olivetti, Ceder u Huang esploraw l-impatt tar-rata ta 'falliment fuq l-ispiża totali ta' disinji magħżula ta 'batteriji ta' stat solidu fid-database tagħhom. F'eżempju wieħed, huma ffukaw fuq l-ossidu LLZO. LLZO huwa fraġli ħafna u folji kbar irqaq biżżejjed biex jintużaw f'batteriji ta 'stat solidu ta' prestazzjoni għolja x'aktarx li jinqasam jew jitgħawweġ fit-temperaturi għoljin involuti fil-proċess tal-manifattura.
Biex jiddeterminaw l-implikazzjonijiet tal-ispiża ta 'fallimenti bħal dawn, huma simulaw l-erba' passi ewlenin tal-ipproċessar involuti fl-assemblaġġ ta 'ċelloli LLZO. F'kull pass, huma kkalkulaw l-ispiża bbażata fuq rendiment preżunt, jiġifieri l-proporzjon taċ-ċelloli totali li ġew ipproċessati b'suċċess mingħajr falliment. Għal LLZO, ir-rendiment kien ħafna inqas milli għad-disinji l-oħra li studjaw; barra minn hekk, hekk kif ir-rendiment naqas, l-ispiża għal kull kilowatt-siegħa (kWh) tal-enerġija taċ-ċelluli żdiedet b'mod sinifikanti. Pereżempju, meta ġew miżjuda 5% aktar ċelloli mal-pass finali tat-tisħin tal-katodu, l-ispiża żdiedet b'madwar $ 30/kWh - bidla negliġibbli meta wieħed iqis li l-ispiża fil-mira ġeneralment aċċettata għal tali ċelloli hija $ 100/kWh. Ovvjament, id-diffikultajiet tal-manifattura jista 'jkollhom impatt profond fuq il-fattibilità ta' adozzjoni fuq skala kbira tad-disinn.
Ħin tal-post: 09-Settembru 2022