Entwicklung besserer Batterien für Elektrofahrzeuge

Die dringende Notwendigkeit, die COXNUMX-Emissionen zu senken, führt zu einer raschen Entwicklung hin zu einer elektrifizierten Mobilität und einem erweiterten Einsatz von Solar- und Windkraft im Stromnetz. Wenn diese Trends wie erwartet eskalieren, wird der Bedarf an besseren Methoden zur Speicherung elektrischer Energie zunehmen.

Offensichtlich ist die Entwicklung von Technologien für netzbasierte Speicher in großem Maßstab von entscheidender Bedeutung. Aber für mobile Anwendungen – insbesondere im Transportwesen – konzentrieren sich viele Forschungen darauf, die heutigen Lithium-Ionen-Batterien so anzupassen, dass sie sicherer und kleiner sind und für ihre Größe und ihr Gewicht mehr Energie speichern können.

Herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien werden weiter verbessert, haben jedoch Einschränkungen, die teilweise aufgrund ihrer Struktur bestehen bleiben. Eine Lithium-Ionen-Batterie besteht aus zwei Elektroden – einer positiven und einer negativen – die um eine organische (kohlenstoffhaltige) Flüssigkeit herum angeordnet sind. Beim Laden und Entladen der Batterie gelangen elektrisch geladene Lithiumpartikel (oder Ionen) durch den flüssigen Elektrolyten von einer Elektrode zur anderen.

Ein Problem bei dieser Konstruktion besteht darin, dass der flüssige Elektrolyt bei bestimmten Spannungen und Temperaturen flüchtig werden und Feuer fangen kann. Batterien sind bei normalem Gebrauch im Allgemeinen sicher, aber das Risiko besteht immer noch.

Ein weiteres Problem ist, dass Lithium-Ionen-Batterien für den Einsatz in Fahrzeugen nicht gut geeignet sind. Große, schwere Batteriepakete beanspruchen Platz und erhöhen das Gesamtgewicht eines Fahrzeugs, wodurch die Kraftstoffeffizienz verringert wird. Aber es erweist sich als schwierig, die heutigen Lithium-Ionen-Batterien kleiner und leichter zu machen und dabei ihre Energiedichte – also die Menge an Energie, die sie pro Gramm Gewicht speichern – beizubehalten.

Um diese Probleme zu lösen, ändern Forscher die Hauptmerkmale der Lithium-Ionen-Batterie, um eine All-Solid- oder „Solid-State“-Version herzustellen. Sie ersetzen den flüssigen Elektrolyten in der Mitte durch einen dünnen Festelektrolyten, der in einem weiten Spannungs- und Temperaturbereich stabil ist. Bei diesem Festelektrolyten verwenden sie eine positive Elektrode mit hoher Kapazität und eine negative Elektrode aus Lithiummetall mit hoher Kapazität, die viel dünner ist als die übliche Schicht aus porösem Kohlenstoff. Durch diese Änderungen ist es möglich, die Gesamtbatterie unter Beibehaltung ihrer Energiespeicherkapazität erheblich zu verkleinern und dadurch eine höhere Energiedichte zu erreichen.

Diese Eigenschaften – erhöhte Sicherheit und höhere Energiedichte – sind wahrscheinlich die beiden am häufigsten angepriesenen Vorteile einer potenziellen Festkörperbatterie.

Basierend auf den Erfahrungen der Industrie mit aktuellen Lithium-Ionen-Batterien schlagen die MIT-Forscher und ihre Kollegen drei allgemeine Fragen vor, die helfen können, potenzielle Einschränkungen bei der zukünftigen Skalierung aufgrund der Materialauswahl zu identifizieren. Erstens könnten bei diesem Batteriedesign Materialverfügbarkeit, Lieferketten oder Preisvolatilität zu einem Problem werden, wenn die Produktion skaliert wird? (Beachten Sie, dass die Umwelt- und andere Bedenken, die durch den erweiterten Bergbau aufgeworfen werden, nicht in den Rahmen dieser Studie fallen.) Zweitens, wird die Herstellung von Batterien aus diesen Materialien schwierige Herstellungsschritte erfordern, bei denen Teile wahrscheinlich ausfallen? Und drittens, senken oder erhöhen die Fertigungsmaßnahmen, die für ein Hochleistungsprodukt auf Basis dieser Materialien erforderlich sind, letztendlich die Kosten der produzierten Batterien?

Um ihren Ansatz zu demonstrieren, untersuchten Olivetti, Ceder und Huang einige der Elektrolytchemien und Batteriestrukturen, die derzeit von Forschern untersucht werden. Um ihre Beispiele auszuwählen, griffen sie auf frühere Arbeiten zurück, in denen sie und ihre Mitarbeiter Text- und Data-Mining-Techniken verwendeten, um Informationen über Materialien und Verarbeitungsdetails zu sammeln, die in der Literatur berichtet wurden. Aus dieser Datenbank wählten sie einige häufig berichtete Optionen aus, die eine Reihe von Möglichkeiten darstellen.

Materialien und Verfügbarkeit

In der Welt der anorganischen Festelektrolyte gibt es zwei Hauptklassen von Materialien – die Oxide, die Sauerstoff enthalten, und die Sulfide, die Schwefel enthalten.

Das vom Team in Betracht gezogene Sulfid war LGPS, das Lithium, Germanium, Phosphor und Schwefel kombiniert. Aus Gründen der Verfügbarkeit konzentrierten sie sich auf Germanium, ein Element, das teilweise Bedenken aufwirft, weil es im Allgemeinen nicht allein abgebaut wird. Stattdessen ist es ein Nebenprodukt, das beim Abbau von Kohle und Zink entsteht.

Um seine Verfügbarkeit zu untersuchen, untersuchten die Forscher, wie viel Germanium in den letzten sechs Jahrzehnten beim Kohle- und Zinkbergbau jährlich produziert wurde und wie viel dann hätte produziert werden können. Das Ergebnis deutete darauf hin, dass sogar in den letzten Jahren 100-mal mehr Germanium hergestellt werden könnte. Angesichts dieses Angebotspotenzials dürfte die Verfügbarkeit von Germanium das Scale-up einer Festkörperbatterie auf Basis eines LGPS-Elektrolyten nicht einschränken.

Weniger vielversprechend sah die Situation mit dem von den Forschern ausgewählten Oxid LLZO aus, das aus Lithium, Lanthan, Zirkonium und Sauerstoff besteht. Die Gewinnung und Verarbeitung von Lanthan konzentriert sich größtenteils auf China, und es stehen nur begrenzte Daten zur Verfügung, daher haben die Forscher nicht versucht, seine Verfügbarkeit zu analysieren. Die anderen drei Elemente sind reichlich vorhanden. In der Praxis muss jedoch eine geringe Menge eines anderen Elements – Dotierstoff genannt – hinzugefügt werden, um LLZO leicht zu verarbeiten. Daher konzentrierte sich das Team auf Tantal, den am häufigsten verwendeten Dotierstoff, als Hauptanliegen von LLZO.

Tantal wird als Nebenprodukt beim Zinn- und Niobabbau gewonnen. Historische Daten zeigen, dass die beim Zinn- und Niobabbau produzierte Tantalmenge viel näher am potentiellen Maximum lag als dies bei Germanium der Fall war. Die Verfügbarkeit von Tantal ist daher eher ein Problem für die mögliche Skalierung einer LLZO-basierten Batterie.

Aber das Wissen um die Verfügbarkeit eines Elements im Boden behandelt nicht die Schritte, die erforderlich sind, um es zu einem Hersteller zu bringen. Daher untersuchten die Forscher eine Folgefrage zu den Lieferketten für kritische Elemente – Bergbau, Verarbeitung, Raffination, Versand und so weiter. Können die Lieferketten, die diese Materialien liefern, schnell genug erweitert werden, um die wachsende Nachfrage nach Batterien zu decken, vorausgesetzt, dass reichlich Vorräte verfügbar sind?

In Stichprobenanalysen untersuchten sie, wie stark die Lieferketten für Germanium und Tantal von Jahr zu Jahr wachsen müssten, um Batterien für eine prognostizierte Flotte von Elektrofahrzeugen im Jahr 2030 bereitzustellen. Als Beispiel wird eine Elektrofahrzeugflotte oft als Ziel für 2030 genannt würde die Produktion von genügend Batterien erfordern, um insgesamt 100 Gigawattstunden Energie zu liefern. Um dieses Ziel nur mit LGPS-Batterien zu erreichen, müsste die Lieferkette für Germanium von Jahr zu Jahr um 50 Prozent wachsen – eine Strecke, da die maximale Wachstumsrate in der Vergangenheit bei etwa 7 Prozent lag. Allein mit LLZO-Batterien müsste die Lieferkette für Tantal um etwa 30 Prozent wachsen – eine Wachstumsrate, die deutlich über dem historischen Höchststand von etwa 10 Prozent liegt.

Diese Beispiele zeigen, wie wichtig es ist, sowohl die Materialverfügbarkeit als auch die Lieferketten zu berücksichtigen, wenn verschiedene Festelektrolyte auf ihr Scale-up-Potenzial untersucht werden. Auch wenn die verfügbare Materialmenge keine Rolle spielt, wie es bei Germanium der Fall ist, skalieren Sie alle Schritte in der Lieferkette, um die zukünftige Produktion von Elektrofahrzeuge kann eine Wachstumsrate erfordern, die buchstäblich beispiellos ist.

Materialien und Verarbeitung

Bei der Bewertung des Potenzials für das Scale-up eines Batteriedesigns ist ein weiterer zu berücksichtigender Faktor die Schwierigkeit des Herstellungsprozesses und wie sich dieser auf die Kosten auswirken kann. Die Herstellung einer Festkörperbatterie umfasst unweigerlich viele Schritte, und ein Fehler bei jedem Schritt erhöht die Kosten jeder erfolgreich hergestellten Batterie.

Als Proxy für die Schwierigkeiten bei der Herstellung untersuchten die Forscher die Auswirkungen der Ausfallrate auf die Gesamtkosten für ausgewählte Festkörperbatteriedesigns in ihrer Datenbank. In einem Beispiel konzentrierten sie sich auf das Oxid LLZO. LLZO ist extrem spröde, und bei den hohen Temperaturen, die bei der Herstellung auftreten, kann eine große Platte, die dünn genug ist, um in einer Hochleistungs-Festkörperbatterie verwendet zu werden, wahrscheinlich reißen oder sich verziehen.

Um die Auswirkungen solcher Ausfälle auf die Kosten zu bestimmen, modellierten sie vier wichtige Verarbeitungsschritte bei der Montage von LLZO-basierten Batterien. Bei jedem Schritt berechneten sie die Kosten basierend auf einem angenommenen Ertrag, d. h. dem Anteil der Gesamteinheiten, die erfolgreich ohne Fehler verarbeitet wurden. Beim LLZO war der Ertrag weitaus geringer als bei den anderen untersuchten Designs; und mit sinkenden Erträgen stiegen die Kosten pro Kilowattstunde (kWh) Batterieenergie deutlich an. Wenn beispielsweise 5 Prozent mehr Einheiten während des letzten Kathodenheizschritts ausfielen, stiegen die Kosten um etwa 30 US-Dollar/kWh – eine nicht triviale Änderung, wenn man bedenkt, dass ein allgemein akzeptierter Zielpreis für solche Batterien 100 US-Dollar/kWh beträgt. Natürlich können Herstellungsschwierigkeiten einen tiefgreifenden Einfluss auf die Realisierbarkeit eines Entwurfs für eine großangelegte Einführung haben.

Materialien und Leistung

Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung einer Festkörperbatterie ergibt sich aus „Schnittstellen“ – also dort, wo eine Komponente auf eine andere trifft. Während der Herstellung oder des Betriebs können Materialien an diesen Grenzflächen instabil werden. Atome gehen an Orte, an denen sie nicht sollten, und die Akkuleistung lässt nach.

Daher wird viel geforscht, um Methoden zur Stabilisierung von Grenzflächen in verschiedenen Batteriedesigns zu entwickeln. Viele der vorgeschlagenen Methoden steigern die Leistung; Dadurch sinken die Kosten der Batterie in Dollar pro kWh. Die Implementierung solcher Lösungen erfordert jedoch im Allgemeinen zusätzliche Materialien und zusätzliche Zeit, was die Kosten pro kWh während der Großserienfertigung erhöht.

Um diesen Kompromiss zu veranschaulichen, untersuchten die Forscher zunächst ihr Oxid, LLZO. Hier besteht das Ziel darin, die Grenzfläche zwischen dem LLZO-Elektrolyten und der negativen Elektrode zu stabilisieren, indem eine dünne Zinnschicht dazwischen eingefügt wird. Sie analysierten die positiven und negativen Auswirkungen auf die Kosten der Implementierung dieser Lösung. Sie fanden heraus, dass das Hinzufügen des Zinnseparators die Energiespeicherkapazität erhöht und die Leistung verbessert, was die Stückkosten in Dollar/kWh senkt. Aber die Kosten für den Einbau der Zinnschicht übersteigen die Einsparungen, so dass die Endkosten höher sind als die ursprünglichen Kosten.

In einer anderen Analyse untersuchten sie einen Sulfidelektrolyten namens LPSCl, der aus Lithium, Phosphor und Schwefel mit etwas zugesetztem Chlor besteht. In diesem Fall enthält die positive Elektrode Partikel des Elektrolytmaterials – ein Verfahren, um sicherzustellen, dass die Lithiumionen einen Weg durch den Elektrolyten zur anderen Elektrode finden können. Die zugesetzten Elektrolytpartikel sind jedoch mit anderen Partikeln in der positiven Elektrode nicht kompatibel – ein weiteres Grenzflächenproblem. In diesem Fall besteht eine Standardlösung darin, ein „Bindemittel“ hinzuzufügen, ein anderes Material, das die Partikel zusammenkleben lässt.

Ihre Analyse bestätigte, dass die Leistung ohne das Bindemittel schlecht ist und die Kosten der LPSCl-basierten Batterie mehr als 500 USD/kWh betragen. Das Hinzufügen des Bindemittels verbessert die Leistung erheblich und die Kosten sinken um fast 300 USD/kWh. In diesem Fall sind die Kosten des Hinzufügens des Bindemittels während der Herstellung so gering, dass im Wesentlichen die gesamte Kostensenkung durch das Hinzufügen des Bindemittels realisiert wird. Hier zahlt sich die implementierte Methode zur Lösung des Schnittstellenproblems zu geringeren Kosten aus.

Die Forscher führten ähnliche Studien zu anderen vielversprechenden Festkörperbatterien durch, über die in der Literatur berichtet wurde, und ihre Ergebnisse waren konsistent: Die Wahl der Batteriematerialien und -prozesse kann nicht nur die kurzfristigen Ergebnisse im Labor beeinflussen, sondern auch die Durchführbarkeit und die Kosten der Herstellung der vorgeschlagenen Festkörperbatterie in der Größenordnung, die erforderlich ist, um die zukünftige Nachfrage zu decken. Die Ergebnisse zeigten auch, dass die gemeinsame Betrachtung aller drei Faktoren – Verfügbarkeit, Verarbeitungsbedarf und Batterieleistung – wichtig ist, da es zu kollektiven Effekten und Kompromissen kommen kann.