تصميم بطاريات أفضل للمركبات الكهربائية

تدفع الحاجة الملحة لخفض انبعاثات الكربون إلى تحرك سريع نحو التنقل الكهربائي والتوسع في نشر الطاقة الشمسية وطاقة الرياح على الشبكة الكهربائية. إذا تصاعدت هذه الاتجاهات كما هو متوقع ، فستزداد الحاجة إلى طرق أفضل لتخزين الطاقة الكهربائية.

من الواضح أن تطوير تقنيات التخزين المعتمد على الشبكة على نطاق واسع أمر بالغ الأهمية. ولكن بالنسبة لتطبيقات الهاتف المحمول - ولا سيما النقل - تركز الكثير من الأبحاث على تكييف بطارية ليثيوم أيون اليوم لصنع إصدارات أكثر أمانًا وأصغر حجمًا ويمكنها تخزين المزيد من الطاقة لحجمها ووزنها.

تستمر بطاريات الليثيوم أيون التقليدية في التحسن ، لكن لها قيودًا لا تزال قائمة ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى هيكلها. تتكون بطارية الليثيوم أيون من قطبين - أحدهما موجب والآخر سالب - محاطين بسائل عضوي (يحتوي على الكربون). أثناء شحن البطارية وتفريغها ، تمر جزيئات (أو أيونات) الليثيوم المشحونة كهربائيًا من قطب كهربائي إلى الآخر عبر الإلكتروليت السائل.

تتمثل إحدى مشكلات هذا التصميم في أنه في بعض الفولتية ودرجات الحرارة ، يمكن أن يتطاير السائل المنحل بالكهرباء ويشتعل فيه النيران. البطاريات آمنة بشكل عام في ظل الاستخدام العادي ، ولكن الخطر لا يزال قائماً.

مشكلة أخرى هي أن بطاريات الليثيوم أيون ليست مناسبة للاستخدام في المركبات. تشغل مجموعات البطاريات الكبيرة والثقيلة مساحة وتزيد من الوزن الإجمالي للسيارة ، مما يقلل من كفاءة استهلاك الوقود. ولكن ثبت أنه من الصعب جعل بطاريات الليثيوم أيون اليوم أصغر حجمًا وأخف وزناً مع الحفاظ على كثافة طاقتها - أي كمية الطاقة التي تخزنها لكل جرام من الوزن.

لحل هذه المشكلات ، يقوم الباحثون بتغيير السمات الرئيسية لبطارية الليثيوم أيون لصنع نسخة صلبة بالكامل أو "صلبة". إنهم يستبدلون السائل المنحل بالكهرباء في المنتصف بمحلول إلكتروليت رقيق وصلب ومستقر عند نطاق واسع من الفولتية ودرجات الحرارة. باستخدام هذا الإلكتروليت الصلب ، يستخدمون قطبًا كهربائيًا إيجابيًا عالي السعة وقطبًا سالبًا من معدن الليثيوم عالي السعة ، وهو أرق بكثير من الطبقة المعتادة من الكربون المسامي. تتيح هذه التغييرات تقليص إجمالي البطارية بشكل كبير مع الحفاظ على سعة تخزين الطاقة ، وبالتالي تحقيق كثافة طاقة أعلى.

من المحتمل أن تكون هاتان الميزتان - الأمان المعزز وكثافة الطاقة الأكبر - هما أكثر المزايا التي يتم الترويج لها في الغالب لبطارية الحالة الصلبة المحتملة.

بناءً على تجربة الصناعة مع بطاريات الليثيوم أيون الحالية ، يقترح باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وزملاؤهم ثلاثة أسئلة واسعة يمكن أن تساعد في تحديد القيود المحتملة على التوسع في المستقبل نتيجة لاختيار المواد. أولاً ، مع تصميم البطارية هذا ، هل يمكن أن يصبح توافر المواد أو سلاسل التوريد أو تقلب الأسعار مشكلة مع زيادة الإنتاج؟ (لاحظ أن الاهتمامات البيئية وغيرها من المخاوف التي يثيرها التعدين الموسع تقع خارج نطاق هذه الدراسة.) ثانيًا ، هل سيتضمن تصنيع البطاريات من هذه المواد خطوات تصنيع صعبة من المحتمل أن تتعطل الأجزاء خلالها؟ وثالثاً ، هل إجراءات التصنيع اللازمة لضمان منتج عالي الأداء يعتمد على هذه المواد تخفض أو تزيد في نهاية المطاف من تكلفة البطاريات المنتجة؟

لإثبات نهجهم ، قام Olivetti و Ceder و Huang بفحص بعض كيمياء الإلكتروليت وهياكل البطاريات التي يجري البحث عنها الآن من قبل الباحثين. لاختيار أمثلةهم ، لجأوا إلى العمل السابق الذي استخدموا فيه هم والمتعاونون معهم تقنيات استخراج النص والبيانات لجمع المعلومات حول المواد وتفاصيل المعالجة الواردة في الأدبيات. من قاعدة البيانات تلك ، اختاروا عددًا قليلاً من الخيارات التي يتم الإبلاغ عنها بشكل متكرر والتي تمثل مجموعة من الاحتمالات.

المواد والتوافر

في عالم الإلكتروليتات الصلبة غير العضوية ، توجد فئتان رئيسيتان من المواد - الأكاسيد التي تحتوي على الأكسجين ، والكبريتيدات التي تحتوي على الكبريت.

كان الكبريتيد الذي اعتبره الفريق هو LGPS ، والذي يجمع بين الليثيوم والجرمانيوم والفوسفور والكبريت. بناءً على اعتبارات التوفر ، ركزوا على الجرمانيوم ، وهو عنصر يثير المخاوف جزئيًا لأنه لا يتم تعدينه بشكل عام من تلقاء نفسه. بدلاً من ذلك ، فهو منتج ثانوي يتم إنتاجه أثناء تعدين الفحم والزنك.

وللتحقق من توفره ، نظر الباحثون في كمية الجرمانيوم التي تم إنتاجها سنويًا في العقود الستة الماضية أثناء تعدين الفحم والزنك ، ثم نظروا إلى الكمية التي يمكن إنتاجها. تشير النتائج إلى أنه كان من الممكن إنتاج المزيد من الجرمانيوم 100 مرة ، حتى في السنوات الأخيرة. بالنظر إلى إمكانية العرض هذه ، من غير المرجح أن يؤدي توافر الجرمانيوم إلى تقييد توسيع نطاق بطارية الحالة الصلبة بناءً على إلكتروليت LGPS.

بدا الموقف أقل وعدًا مع أكسيد الباحثين المختار ، LLZO ، والذي يتكون من الليثيوم ، واللانثانم ، والزركونيوم ، والأكسجين. يتركز استخراج اللانثانم ومعالجته إلى حد كبير في الصين ، وهناك بيانات محدودة متاحة ، لذلك لم يحاول الباحثون تحليل مدى توفره. العناصر الثلاثة الأخرى متوفرة بكثرة. ومع ذلك ، من الناحية العملية ، يجب إضافة كمية صغيرة من عنصر آخر - تسمى dopant - لتسهيل معالجة LLZO. لذلك ركز الفريق على التنتالوم ، وهو المنشطات الأكثر استخدامًا ، باعتباره العنصر الرئيسي الذي يثير قلق LLZO.

يتم إنتاج التنتالوم كمنتج ثانوي لتعدين القصدير والنيوبيوم. تظهر البيانات التاريخية أن كمية التنتالوم المنتجة أثناء تعدين القصدير والنيوبيوم كانت أقرب بكثير إلى الحد الأقصى المحتمل مما كان عليه الحال مع الجرمانيوم. لذا فإن توفر التنتالوم يمثل مصدر قلق أكبر للتوسع المحتمل للبطارية القائمة على LLZO.

لكن معرفة مدى توفر عنصر في الأرض لا يعالج الخطوات المطلوبة لإيصاله إلى الشركة المصنعة. لذلك قام الباحثون بالتحقيق في سؤال متابعة يتعلق بسلاسل التوريد للعناصر الحرجة - التعدين والمعالجة والتكرير والشحن وما إلى ذلك. بافتراض توفر إمدادات وفيرة ، هل يمكن لسلاسل التوريد التي تقدم هذه المواد أن تتوسع بسرعة كافية لتلبية الطلب المتزايد على البطاريات؟

في تحليلات العينات ، نظروا في مقدار سلاسل التوريد الخاصة بالجرمانيوم والتنتالوم التي ستحتاج إلى النمو عامًا بعد عام لتوفير البطاريات لأسطول متوقع من المركبات الكهربائية في عام 2030. على سبيل المثال ، غالبًا ما يُشار إلى أسطول المركبات الكهربائية كهدف لعام 2030 إنتاج ما يكفي من البطاريات لتوصيل ما مجموعه 100 جيجاوات ساعة من الطاقة. لتحقيق هذا الهدف باستخدام بطاريات LGPS فقط ، ستحتاج سلسلة توريد الجرمانيوم إلى النمو بنسبة 50 في المائة من سنة إلى أخرى - وهو امتداد ، حيث كان معدل النمو الأقصى في الماضي حوالي 7 في المائة. باستخدام بطاريات LLZO فقط ، ستحتاج سلسلة التوريد الخاصة بالتنتالوم إلى النمو بنحو 30 في المائة - وهو معدل نمو أعلى بكثير من أعلى مستوى تاريخي يبلغ حوالي 10 في المائة.

توضح هذه الأمثلة أهمية النظر في توافر المواد وسلاسل التوريد عند تقييم الإلكتروليتات الصلبة المختلفة لإمكانات توسيع نطاقها. حتى عندما لا تكون كمية المواد المتاحة مصدر قلق ، كما هو الحال مع الجرمانيوم ، فإن توسيع نطاق جميع الخطوات في سلسلة التوريد لتتناسب مع الإنتاج المستقبلي لـ السيارات الكهربائية قد يتطلب معدل نمو غير مسبوق حرفيًا.

المواد والمعالجة

عند تقييم إمكانية توسيع نطاق تصميم البطارية ، هناك عامل آخر يجب مراعاته وهو صعوبة عملية التصنيع وكيف يمكن أن تؤثر على التكلفة. يتطلب تصنيع بطارية صلبة لا محالة العديد من الخطوات ، والفشل في أي خطوة يرفع تكلفة كل بطارية تم إنتاجها بنجاح.

كبديل لصعوبة التصنيع ، استكشف الباحثون تأثير معدل الفشل على التكلفة الإجمالية لتصميمات بطاريات الحالة الصلبة المختارة في قاعدة بياناتهم. في أحد الأمثلة ، ركزوا على أكسيد LLZO. LLZO هش للغاية ، وفي درجات الحرارة المرتفعة التي ينطوي عليها التصنيع ، من المحتمل أن تتشقق أو تتشوه ورقة كبيرة رقيقة بما يكفي لاستخدامها في بطارية الحالة الصلبة عالية الأداء.

لتحديد تأثير مثل هذه الإخفاقات على التكلفة ، قاموا بنمذجة أربع خطوات معالجة رئيسية في تجميع البطاريات القائمة على LLZO. في كل خطوة ، قاموا بحساب التكلفة بناءً على العائد المفترض - أي جزء إجمالي الوحدات التي تمت معالجتها بنجاح دون فشل. مع LLZO ، كان العائد أقل بكثير من التصميمات الأخرى التي فحصوها ؛ ومع انخفاض العائد ، ارتفعت تكلفة كل كيلو واط / ساعة من طاقة البطارية بشكل كبير. على سبيل المثال ، عند فشل 5 في المائة من الوحدات الإضافية أثناء خطوة التسخين النهائية بالكاثود ، زادت التكلفة بنحو 30 دولارًا / كيلو وات في الساعة - وهو تغيير غير أساسي بالنظر إلى أن التكلفة المستهدفة المقبولة عمومًا لهذه البطاريات هي 100 دولار / كيلوواط ساعة. من الواضح أن صعوبات التصنيع يمكن أن يكون لها تأثير عميق على قابلية التصميم للتطبيق على نطاق واسع.

المواد والأداء

أحد التحديات الرئيسية في تصميم بطارية صلبة بالكامل يأتي من "واجهات" - أي حيث يلتقي أحد المكونات مع الآخر. أثناء التصنيع أو التشغيل ، يمكن أن تصبح المواد الموجودة في تلك الواجهات غير مستقرة. تبدأ الذرات بالذهاب إلى أماكن لا ينبغي لها ، وينخفض ​​أداء البطارية.

نتيجة لذلك ، يتم تخصيص الكثير من الأبحاث للتوصل إلى طرق لتثبيت الواجهات في تصميمات مختلفة للبطاريات. العديد من الأساليب المقترحة تعمل على زيادة الأداء ؛ ونتيجة لذلك ، تنخفض تكلفة البطارية بالدولار لكل كيلو وات في الساعة. لكن تنفيذ مثل هذه الحلول يتضمن عمومًا مواد ووقتًا مضافين ، مما يزيد التكلفة لكل كيلو وات ساعة أثناء التصنيع على نطاق واسع.

لتوضيح هذه المقايضة ، قام الباحثون أولاً بفحص أكسيدهم LLZO. هنا ، الهدف هو تثبيت الواجهة بين المنحل بالكهرباء LLZO والقطب السالب عن طريق إدخال طبقة رقيقة من القصدير بين الاثنين. قاموا بتحليل التأثيرات - الإيجابية والسلبية - على تكلفة تنفيذ هذا الحل. وجدوا أن إضافة فاصل القصدير يزيد من سعة تخزين الطاقة ويحسن الأداء ، مما يقلل من تكلفة الوحدة بالدولار / كيلوواط ساعة. لكن تكلفة تضمين طبقة القصدير تتجاوز المدخرات بحيث تكون التكلفة النهائية أعلى من التكلفة الأصلية.

في تحليل آخر ، نظروا في إلكتروليت كبريتيد يسمى LPSCl ، والذي يتكون من الليثيوم والفوسفور والكبريت مع قليل من الكلور المضاف. في هذه الحالة ، يشتمل القطب الموجب على جسيمات مادة الإلكتروليت - وهي طريقة للتأكد من أن أيونات الليثيوم يمكن أن تجد مسارًا عبر الإلكتروليت إلى القطب الآخر. ومع ذلك ، فإن جسيمات الإلكتروليت المضافة لا تتوافق مع الجسيمات الأخرى في القطب الموجب - وهي مشكلة واجهة أخرى. في هذه الحالة ، الحل القياسي هو إضافة مادة "رابطة" ، وهي مادة أخرى تجعل الجسيمات تلتصق ببعضها البعض.

أكد تحليلهم أنه بدون الموثق ، يكون الأداء ضعيفًا ، وتكلفة البطارية القائمة على LPSCl تزيد عن 500 دولار / كيلوواط ساعة. تؤدي إضافة الرابط إلى تحسين الأداء بشكل كبير ، وتنخفض التكلفة بحوالي 300 دولار / كيلوواط ساعة. في هذه الحالة ، تكون تكلفة إضافة الموثق أثناء التصنيع منخفضة جدًا بحيث يتم تحقيق كل انخفاض التكلفة بشكل أساسي من إضافة الموثق. هنا ، الطريقة التي تم تنفيذها لحل مشكلة الواجهة تؤتي ثمارها بتكاليف أقل.

أجرى الباحثون دراسات مماثلة لبطاريات أخرى ذات حالة صلبة واعدة تم الإبلاغ عنها في الأدبيات ، وكانت نتائجهم متسقة: اختيار مواد البطاريات والعمليات يمكن أن يؤثر ليس فقط على النتائج على المدى القريب في المختبر ولكن أيضًا على جدوى وتكلفة تصنيع بطارية الحالة الصلبة المقترحة بالمقياس المطلوب لتلبية الطلب المستقبلي. أظهرت النتائج أيضًا أن النظر في العوامل الثلاثة معًا - التوافر واحتياجات المعالجة وأداء البطارية - أمر مهم لأنه قد تكون هناك تأثيرات جماعية ومقايضات متضمنة.