Süsinikdioksiidi heitkoguste vähendamise kiireloomuline vajadus ajendab kiiret liikumist transpordi elektrifitseerimise ning päikese- ja tuuleenergia kasutuselevõtu laiendamise suunas võrgus.Kui need suundumused ootuspäraselt eskaleeruvad, suureneb vajadus paremate elektrienergia salvestamise meetodite järele.
Kliimamuutuste ohuga tegelemiseks vajame kõiki strateegiaid, ütleb dr Elsa Olivetti, Estheri ja Harold E. Edgertoni materjaliteaduse ja inseneriteaduse dotsent.On selge, et võrgupõhiste massmälutehnoloogiate arendamine on ülioluline.Kuid mobiilirakenduste – eriti transpordi – puhul on suur osa uurimistööst keskendunud tänapäeva kohandamiseleliitium-ioonakudolema turvalisemad, väiksemad ja suutma salvestada oma suuruse ja kaalu jaoks rohkem energiat.
Tavalised liitium-ioonakud paranevad jätkuvalt, kuid nende piirangud jäävad osaliselt nende struktuuri tõttu alles.Liitiumioonakud koosnevad kahest elektroodist, ühest positiivsest ja teisest negatiivsest, mis on asetatud orgaanilise (süsinikku sisaldava) vedeliku sisse.Kui aku on laetud ja tühjenenud, suunatakse laetud liitiumiosakesed (või ioonid) vedela elektrolüüdi kaudu ühelt elektroodilt teisele.
Üks selle konstruktsiooni probleem on see, et teatud pingete ja temperatuuride juures võib vedel elektrolüüt muutuda lenduvaks ja süttida.Akud on tavakasutuses üldiselt ohutud, kuid risk jääb alles, ütleb Olivetti rühma teadur dr Kevin Huang Ph.D.'15.
Probleemiks on ka see, et liitiumioonakud ei sobi autodes kasutamiseks.Suured ja rasked akud võtavad ruumi, suurendavad sõiduki kogumassi ja vähendavad kütusesäästlikkust.Kuid tänapäevaste liitiumioonakude väiksemaks ja kergemaks muutmine, säilitades samal ajal nende energiatiheduse – ühe grammi kaalu kohta salvestatud energia, on aga keeruline.
Nende probleemide lahendamiseks muudavad teadlased liitium-ioonakude põhifunktsioone, et luua tahke- või tahkisversioon.Nad asendavad keskel oleva vedela elektrolüüdi õhukese tahke elektrolüüdiga, mis on stabiilne paljudes pingete ja temperatuuride vahemikus.Selle tahke elektrolüüdi puhul kasutasid nad suure võimsusega positiivset elektroodi ja suure võimsusega liitiummetallist negatiivset elektroodi, mis oli palju vähem paks kui tavaline poorne süsinikukiht.Need muudatused võimaldavad palju väiksemat üldist rakku, säilitades samal ajal selle energiasalvestusvõime, mille tulemuseks on suurem energiatihedus.
Need omadused – suurem ohutus ja suurem energiatihedus- on ilmselt kaks potentsiaalsete tahkispatareide kõige levinumat eelist, kuid kõik need asjad on tulevikku suunatud ja loodetud ning mitte tingimata saavutatavad.Sellegipoolest sunnib see võimalus paljusid uurijaid otsima materjale ja kujundusi, mis seda lubadust täidavad.
Mõeldes laborist kaugemale
Teadlased on välja pakkunud mitmeid intrigeerivaid stsenaariume, mis näivad laboris paljulubavad.Kuid Olivetti ja Huang usuvad, et kliimamuutuse väljakutse kiireloomulisust arvestades võivad täiendavad praktilised kaalutlused olla olulised.Meil, teadlastel, on laboris alati mõõdikud, et hinnata võimalikke materjale ja protsesse, ütleb Olivetti.Näited võivad hõlmata energia salvestamise mahtu ja laadimis-/tühjendamismäärasid.Kuid kui eesmärk on rakendamine, soovitame lisada mõõdikuid, mis käsitlevad konkreetselt kiire skaleerimise potentsiaali.
Materjalid ja saadavus
Tahkete anorgaaniliste elektrolüütide maailmas on kahte peamist tüüpi materjale - hapnikku sisaldavad oksiidid ja väävlit sisaldavad sulfiidid.Tantaali toodetakse tina ja nioobiumi kaevandamise kõrvalsaadusena.Ajaloolised andmed näitavad, et tantaali tootmine on potentsiaalsele maksimumile lähemal kui germaaniumi oma tina ja nioobiumi kaevandamisel.Seetõttu valmistab tantaali kättesaadavus suuremat muret LLZO-põhiste rakkude võimaliku suurendamise pärast.
Kuid teadmine elemendi olemasolust maapinnas ei lahenda samme, mis on vajalikud selle saamiseks tootjate kätte.Seetõttu uurisid teadlased täiendavat küsimust võtmeelementide tarneahela kohta – kaevandamine, töötlemine, rafineerimine, transport jne. Kui eeldada, et tarne on külluslik, saab nende materjalide tarneahelat piisavalt kiiresti laiendada, et vastata kasvavatele vajadustele. nõudlus akude järele?
Valimianalüüsis uurisid nad, kui palju peaks germaaniumi ja tantaali tarneahel aasta-aastalt kasvama, et varustada akusid 2030. aastaks kavandatud elektrisõidukite pargi jaoks.Näiteks elektrisõidukite park, mida sageli nimetatakse 2030. aastaks eesmärgiks, peaks tootma piisavalt akusid, et pakkuda kokku 100 gigavatt-tundi energiat.Selle eesmärgi saavutamiseks, kasutades ainult LGPS-akusid, peaks germaaniumi tarneahel kasvama aasta-aastalt 50% võrra, kuna maksimaalne kasvumäär on varem olnud umbes 7%.Kasutades ainult LLZO rakke, peaks tantaali tarneahel kasvama umbes 30% – kasvutempo on tunduvalt kõrgem ajaloolisest maksimumist, umbes 10%.
Need näited näitavad, kui oluline on erinevate tahkete elektrolüütide mastaabipotentsiaali hindamisel arvesse võtta materjali kättesaadavust ja tarneahelat, ütleb Huang: Isegi kui materjali kogus ei ole probleemiks, nagu germaaniumi puhul, tuleb kogu mahu suurendamine. tarneahela sammud, mis vastavad tulevaste elektrisõidukite tootmisele, võivad nõuda peaaegu enneolematut kasvutempot.
Materjalid ja töötlemine
Teine tegur, mida aku disaini mastaapsuse potentsiaali hindamisel arvesse võtta, on tootmisprotsessi keerukus ja selle mõju kuludele.Tahkisaku valmistamisel on paratamatult palju etappe ja iga etapi ebaõnnestumine suurendab iga edukalt toodetud elemendi maksumust.
Tootmisraskuste proksina uurisid Olivetti, Ceder ja Huang oma andmebaasis tõrkemäära mõju valitud tahkisaku konstruktsioonide kogumaksumusele.Ühes näites keskendusid nad oksiidile LLZO.LLZO on väga habras ja suured lehed, mis on piisavalt õhukesed, et neid saaks kasutada suure jõudlusega tahkispatareides, tõenäoliselt pragunevad või kõverduvad tootmisprotsessiga seotud kõrgetel temperatuuridel.
Selliste rikete kulumõju kindlaksmääramiseks simuleerisid nad LLZO rakkude kokkupanemisega seotud nelja peamist töötlemisetappi.Igas etapis arvutasid nad kulud eeldatava saagise alusel, st rakkude osakaalu põhjal, mida edukalt töödeldi ilma tõrgeteta.LLZO puhul oli saagikus palju väiksem kui teiste uuritud disainilahenduste puhul;pealegi tõusis tootluse vähenedes oluliselt rakuenergia kilovatt-tunni (kWh) maksumus.Näiteks kui katoodi viimasele kuumutamisetapile lisati 5% rohkem elemente, suurenes kulu umbes 30 $/kWh – see on tühine muutus, arvestades, et selliste elementide üldtunnustatud sihtkulu on 100 $/kWh.On selge, et tootmisraskused võivad oluliselt mõjutada disaini laiaulatusliku kasutuselevõtu teostatavust.
Postitusaeg: 09.09.2022