L'urgente necessità di ridurre le emissioni di carbonio sta spingendo a un rapido passaggio verso la mobilità elettrificata e un'ampia diffusione di energia solare ed eolica sulla rete elettrica. Se queste tendenze dovessero intensificarsi come previsto, la necessità di metodi migliori per immagazzinare l'energia elettrica si intensificherà.
Ovviamente, lo sviluppo di tecnologie per lo storage grid-based su larga scala è fondamentale. Ma per le applicazioni mobili, in particolare i trasporti, molte ricerche si stanno concentrando sull'adattamento della batteria agli ioni di litio di oggi per realizzare versioni più sicure, più piccole e in grado di immagazzinare più energia per le loro dimensioni e peso.
Le tradizionali batterie agli ioni di litio continuano a migliorare, ma hanno dei limiti che persistono, in parte a causa della loro struttura. Una batteria agli ioni di litio è costituita da due elettrodi, uno positivo e uno negativo, inseriti attorno a un liquido organico (contenente carbonio). Quando la batteria viene caricata e scaricata, le particelle (o ioni) di litio caricate elettricamente passano da un elettrodo all'altro attraverso l'elettrolita liquido.
Un problema con quel design è che a determinate tensioni e temperature, l'elettrolita liquido può diventare volatile e prendere fuoco. Le batterie sono generalmente sicure in condizioni di utilizzo normale, ma il rischio è ancora presente.
Un altro problema è che le batterie agli ioni di litio non sono adatte per l'uso nei veicoli. I pacchi batteria grandi e pesanti occupano spazio e aumentano il peso complessivo del veicolo, riducendo l'efficienza del carburante. Ma si sta rivelando difficile rendere le odierne batterie agli ioni di litio più piccole e leggere pur mantenendo la loro densità di energia, ovvero la quantità di energia che immagazzinano per grammo di peso.
Per risolvere questi problemi, i ricercatori stanno modificando le caratteristiche chiave della batteria agli ioni di litio per creare una versione completamente solida o "a stato solido". Sostituiscono l'elettrolita liquido nel mezzo con un elettrolita sottile e solido stabile a un'ampia gamma di tensioni e temperature. Con quell'elettrolita solido, usano un elettrodo positivo ad alta capacità e un elettrodo negativo in metallo al litio ad alta capacità che è molto più sottile del solito strato di carbonio poroso. Tali modifiche consentono di ridurre considerevolmente la batteria complessiva mantenendo la sua capacità di accumulo di energia, ottenendo così una maggiore densità di energia.
Queste caratteristiche, una maggiore sicurezza e una maggiore densità di energia, sono probabilmente i due vantaggi più pubblicizzati di una potenziale batteria a stato solido.
Sulla base dell'esperienza del settore con le attuali batterie agli ioni di litio, i ricercatori del MIT e i loro colleghi suggeriscono tre ampie domande che possono aiutare a identificare potenziali vincoli sul futuro aumento di scala a causa della selezione dei materiali. Innanzitutto, con questo design della batteria, la disponibilità dei materiali, le catene di approvvigionamento o la volatilità dei prezzi potrebbero diventare un problema con l'aumento della produzione? (Si noti che le preoccupazioni ambientali e di altro tipo sollevate dall'estrazione mineraria estesa esulano dallo scopo di questo studio.) In secondo luogo, la fabbricazione di batterie con questi materiali comporterà fasi di produzione difficili durante le quali è probabile che le parti si guastino? E terzo, le misure di produzione necessarie per garantire un prodotto ad alte prestazioni basato su questi materiali alla fine riducono o aumentano il costo delle batterie prodotte?
Per dimostrare il loro approccio, Olivetti, Ceder e Huang hanno esaminato alcune delle sostanze chimiche degli elettroliti e delle strutture delle batterie ora oggetto di indagine da parte dei ricercatori. Per selezionare i loro esempi, si sono rivolti a lavori precedenti in cui loro e i loro collaboratori hanno utilizzato tecniche di estrazione di testo e dati per raccogliere informazioni sui materiali e sui dettagli di elaborazione riportati in letteratura. Da quel database, hanno selezionato alcune opzioni segnalate di frequente che rappresentano una gamma di possibilità.
Materiali e disponibilità
Nel mondo degli elettroliti inorganici solidi, ci sono due classi principali di materiali: gli ossidi, che contengono ossigeno, ei solfuri, che contengono zolfo.
Il solfuro considerato dal team era LGPS, che combina litio, germanio, fosforo e zolfo. Sulla base di considerazioni sulla disponibilità, si sono concentrati sul germanio, un elemento che solleva preoccupazioni in parte perché generalmente non viene estratto da solo. Invece, è un sottoprodotto prodotto durante l'estrazione di carbone e zinco.
Per indagare sulla sua disponibilità, i ricercatori hanno esaminato la quantità di germanio prodotta ogni anno negli ultimi sei decenni durante l'estrazione di carbone e zinco e quindi quanto avrebbe potuto essere prodotto. Il risultato ha suggerito che si sarebbe potuto produrre 100 volte più germanio, anche negli ultimi anni. Dato questo potenziale di fornitura, è improbabile che la disponibilità di germanio limiti lo scale-up di una batteria a stato solido basata su un elettrolita LGPS.
La situazione sembrava meno promettente con l'ossido selezionato dai ricercatori, LLZO, che consiste di litio, lantanio, zirconio e ossigeno. L'estrazione e la lavorazione del lantanio sono in gran parte concentrate in Cina e i dati disponibili sono limitati, quindi i ricercatori non hanno cercato di analizzarne la disponibilità. Gli altri tre elementi sono abbondantemente disponibili. Tuttavia, in pratica, è necessario aggiungere una piccola quantità di un altro elemento, chiamato drogante, per rendere LLZO facile da elaborare. Quindi il team si è concentrato sul tantalio, il drogante più utilizzato, come principale elemento di preoccupazione per LLZO.
Il tantalio è prodotto come sottoprodotto dell'estrazione di stagno e niobio. I dati storici mostrano che la quantità di tantalio prodotta durante l'estrazione di stagno e niobio era molto più vicina al massimo potenziale rispetto al germanio. Quindi la disponibilità di tantalio è più una preoccupazione per il possibile aumento di scala di una batteria basata su LLZO.
Ma conoscere la disponibilità di un elemento nel terreno non risolve i passaggi necessari per portarlo a un produttore. Quindi i ricercatori hanno studiato una domanda successiva riguardante le catene di approvvigionamento per elementi critici: estrazione, lavorazione, raffinazione, spedizione e così via. Supponendo che siano disponibili abbondanti scorte, le catene di approvvigionamento che forniscono quei materiali possono espandersi abbastanza rapidamente da soddisfare la crescente domanda di batterie?
Nelle analisi dei campioni, hanno esaminato la quantità di catene di approvvigionamento di germanio e tantalio che dovrebbero crescere di anno in anno per fornire batterie per una flotta prevista di veicoli elettrici nel 2030. Ad esempio, una flotta di veicoli elettrici spesso citata come obiettivo per il 2030 richiederebbe la produzione di batterie sufficienti per fornire un totale di 100 gigawattora di energia. Per raggiungere questo obiettivo utilizzando solo batterie LGPS, la catena di approvvigionamento del germanio dovrebbe crescere del 50% di anno in anno, un tratto, dal momento che il tasso di crescita massimo in passato è stato di circa il 7%. Utilizzando solo batterie LLZO, la catena di approvvigionamento del tantalio dovrebbe crescere di circa il 30%, un tasso di crescita ben al di sopra del massimo storico di circa il 10%.
Questi esempi dimostrano l'importanza di considerare sia la disponibilità dei materiali che le catene di approvvigionamento quando si valutano diversi elettroliti solidi per il loro potenziale di aumento. Anche quando la quantità di materiale disponibile non è un problema, come nel caso del germanio, ridimensionare tutti i passaggi della catena di approvvigionamento per adeguarsi alla futura produzione di veicoli elettrici potrebbe richiedere un tasso di crescita letteralmente senza precedenti.
Materiali e lavorazioni
Nel valutare il potenziale di ampliamento di un progetto di batteria, un altro fattore da considerare è la difficoltà del processo di produzione e il modo in cui può influire sui costi. La fabbricazione di una batteria a stato solido comporta inevitabilmente molti passaggi e un guasto in qualsiasi fase aumenta il costo di ciascuna batteria prodotta con successo.
Come proxy per le difficoltà di produzione, i ricercatori hanno esplorato l'impatto del tasso di guasto sul costo complessivo per progetti di batterie a stato solido selezionati nel loro database. In un esempio, si sono concentrati sull'ossido LLZO. LLZO è estremamente fragile e alle alte temperature coinvolte nella produzione, è probabile che un foglio di grandi dimensioni abbastanza sottile da poter essere utilizzato in una batteria a stato solido ad alte prestazioni potrebbe rompersi o deformarsi.
Per determinare l'impatto di tali guasti sui costi, hanno modellato quattro fasi di elaborazione chiave nell'assemblaggio delle batterie basate su LLZO. Ad ogni passaggio, hanno calcolato il costo in base a un rendimento presunto, ovvero la frazione di unità totali che sono state elaborate correttamente senza fallire. Con LLZO, la resa è stata di gran lunga inferiore rispetto agli altri progetti esaminati; e, man mano che la resa diminuiva, il costo di ogni kilowattora (kWh) di energia della batteria aumentava notevolmente. Ad esempio, quando il 5% in più di unità si è guastato durante la fase finale di riscaldamento del catodo, il costo è aumentato di circa $ 30/kWh, un cambiamento non banale considerando che un costo target comunemente accettato per tali batterie è di $ 100/kWh. Chiaramente, le difficoltà di produzione possono avere un profondo impatto sulla fattibilità di un progetto per l'adozione su larga scala.
Materiali e prestazioni
Una delle principali sfide nella progettazione di una batteria completamente solida deriva dalle "interfacce", ovvero dove un componente incontra un altro. Durante la produzione o il funzionamento, i materiali in corrispondenza di tali interfacce possono diventare instabili. Gli atomi iniziano ad andare dove non dovrebbero e le prestazioni della batteria diminuiscono.
Di conseguenza, molte ricerche sono dedicate alla ricerca di metodi per stabilizzare le interfacce in diversi modelli di batterie. Molti dei metodi proposti aumentano le prestazioni; e, di conseguenza, il costo della batteria in dollari per kWh diminuisce. Ma l'implementazione di tali soluzioni generalmente comporta l'aggiunta di materiali e tempo, aumentando il costo per kWh durante la produzione su larga scala.
Per illustrare questo compromesso, i ricercatori hanno prima esaminato il loro ossido, LLZO. Qui, l'obiettivo è stabilizzare l'interfaccia tra l'elettrolita LLZO e l'elettrodo negativo inserendo un sottile strato di stagno tra i due. Hanno analizzato gli impatti, sia positivi che negativi, sul costo dell'implementazione di quella soluzione. Hanno scoperto che l'aggiunta del separatore di stagno aumenta la capacità di accumulo di energia e migliora le prestazioni, riducendo il costo unitario in dollari/kWh. Ma il costo dell'inclusione dello strato di stagno supera i risparmi in modo che il costo finale sia superiore al costo originale.
In un'altra analisi, hanno esaminato un elettrolita solfuro chiamato LPSCl, che consiste di litio, fosforo e zolfo con un po' di cloro aggiunto. In questo caso, l'elettrodo positivo incorpora particelle del materiale elettrolitico, un metodo per garantire che gli ioni di litio possano trovare un percorso attraverso l'elettrolita verso l'altro elettrodo. Tuttavia, le particelle di elettrolita aggiunte non sono compatibili con altre particelle nell'elettrodo positivo, un altro problema di interfaccia. In questo caso, una soluzione standard consiste nell'aggiungere un "legante", un altro materiale che fa aderire le particelle tra loro.
La loro analisi ha confermato che senza il legante, le prestazioni sono scarse e il costo della batteria a base di LPSCl è superiore a $ 500/kWh. L'aggiunta del legante migliora notevolmente le prestazioni e il costo scende di quasi $ 300/kWh. In questo caso, il costo dell'aggiunta del legante durante la produzione è così basso che essenzialmente si realizza tutta la diminuzione del costo derivante dall'aggiunta del legante. Qui, il metodo implementato per risolvere il problema dell'interfaccia ripaga a costi inferiori.
I ricercatori hanno eseguito studi simili su altre promettenti batterie a stato solido riportate in letteratura e i loro risultati sono stati coerenti: la scelta dei materiali e dei processi delle batterie può influenzare non solo i risultati a breve termine in laboratorio, ma anche la fattibilità e il costo di produzione del proposto batteria a stato solido alla scala necessaria per soddisfare la domanda futura. I risultati hanno anche mostrato che considerare tutti e tre i fattori insieme (disponibilità, esigenze di elaborazione e prestazioni della batteria) è importante perché potrebbero esserci effetti collettivi e compromessi coinvolti.
MIT
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