תכנון סוללות טובות יותר לרכבים חשמליים

הצורך הדחוף בהפחתת פליטת הפחמן מעורר צעד מהיר לעבר ניידות מחשמלת והרחבה של פריסת שמש ורוח ברשת החשמל. אם מגמות אלו יסלימו כצפוי, הצורך בשיטות טובות יותר לאחסון אנרגיה חשמלית יתעצם.

ברור שפיתוח טכנולוגיות לאחסון מבוסס רשת בקנה מידה גדול הוא קריטי. אך ביישומים ניידים-בפרט בתחבורה-מחקר רב מתמקד בהתאמת סוללת הליתיום-יון של היום כך שיהיו גרסאות בטוחות יותר, קטנות יותר ויכולות לאחסן יותר אנרגיה לגודלן ולמשקלן.

סוללות ליתיום-יון מסורתיות ממשיכות להשתפר, אך יש להן מגבלות שנמשכות, בין השאר בגלל המבנה שלהן. סוללת ליתיום-יון מורכבת משתי אלקטרודות-אחת חיובית ואחת שלילית-המצוידות סביב נוזל אורגני (המכיל פחמן). כאשר הסוללה טעונה ופורקת, חלקיקים (או יונים) של ליתיום טעונים חשמלית עוברים מאלקטרודה אחת לשנייה דרך האלקטרוליט הנוזלי.

בעיה אחת בעיצוב זה היא שבמתחים וטמפרטורות מסוימים, האלקטרוליט הנוזלי עלול להפוך לתנודתי ולהתלקח. מצברים בדרך כלל בטוחים בשימוש רגיל, אך הסיכון עדיין קיים.

בעיה נוספת היא שסוללות ליתיום-יון אינן מתאימות לשימוש ברכבים. מארזי סוללות גדולים וכבדים תופסים מקום ומעלים את המשקל הכולל של הרכב, ומפחיתים את יעילות הדלק. אבל קשה להפוך את סוללות הליתיום-יון של היום לקלות וקלות יותר תוך שמירה על צפיפות האנרגיה שלהן-כלומר כמות האנרגיה שהן אוגרות לגרם משקל.

כדי לפתור את הבעיות הללו, חוקרים משנים את תכונות המפתח של סוללת הליתיום-יון בכדי ליצור גרסה של כל מוצק או "מצב מוצק". הם מחליפים את האלקטרוליט הנוזלי באמצע באלקטרוליט דק ומוצק יציב בטווח רחב של מתח וטמפרטורות. עם האלקטרוליט המוצק הזה, הם משתמשים באלקטרודה חיובית בעלת קיבולת גבוהה ובאלקטרודה שלילית מתכת שלילית ממתכת ליתיום הדקה בהרבה מהשכבה הרגילה של פחמן נקבובי. שינויים אלה מאפשרים לכווץ את הסוללה הכוללת במידה ניכרת תוך שמירה על כושר אחסון האנרגיה שלה, ובכך להשיג צפיפות אנרגיה גבוהה יותר.

תכונות אלה-בטיחות משופרת וצפיפות אנרגיה גדולה יותר-הן כנראה שני היתרונות הנפוצים ביותר של סוללה פוטנציאלית במצב מוצק.

בהתבסס על הניסיון של התעשייה עם סוללות ליתיום-יון עדכניות, חוקרי ה- MIT ועמיתיהם מציעים שלוש שאלות רחבות שיכולות לסייע בזיהוי מגבלות פוטנציאליות להיקף עתידי כתוצאה מבחירת חומרים. ראשית, עם עיצוב הסוללה הזה, האם זמינות חומרים, שרשראות אספקה ​​או תנודתיות במחירים עלולים להפוך לבעיה ככל שהייצור עולה? (שים לב כי החששות הסביבתיים והחשובים האחרים שמעוררות כרייה מורחבת הם מחוץ להיקף מחקר זה.) שנית, האם ייצור סוללות מחומרים אלה יכלול שלבי ייצור קשים שבמהלכם חלקים עלולים להיכשל? ושלישית, האם אמצעי ייצור הדרושים להבטחת מוצר בעל ביצועים גבוהים המבוססים על חומרים אלה בסופו של דבר מורידים או מעלים את עלות הסוללות המיוצרות?

כדי להדגים את גישתם, אוליבטי, סדר והואנג בחנו כמה מהכימיקלים ומבני הסוללות של האלקטרוליטים הנחקרים כעת על ידי חוקרים. כדי לבחור את הדוגמאות שלהם, הם פנו לעבודה קודמת שבה הם ומשתפי הפעולה שלהם השתמשו בטכניקות כריית טקסט ונתונים כדי לאסוף מידע על חומרים ועיבוד פרטים שדווחו בספרות. מתוך מסד הנתונים הזה, הם בחרו כמה אפשרויות המדווחות לעתים קרובות המייצגות מגוון אפשרויות.

חומרים וזמינות

בעולם האלקטרוליטים האורגניים המוצקים קיימות שתי סוגים עיקריים של חומרים - התחמוצות המכילות חמצן והגופליות המכילות גופרית.

הגופרית שאותה הצוות חשב הייתה LGPS, המשלבת ליתיום, גרמניום, זרחן וגופרית. בהתבסס על שיקולי זמינות, הם התמקדו בגרמניום, אלמנט שמעורר חששות בין היתר כי הוא אינו ממוקש בדרך כלל בכוחות עצמו. במקום זאת, זהו תוצר לוואי המיוצר במהלך כריית פחם ואבץ.

כדי לחקור את זמינותו, החוקרים בדקו כמה גרמניום הופק מדי שנה בששת העשורים האחרונים במהלך כריית פחם ואבץ ולאחר מכן בכמה אפשר היה לייצר. התוצאה הצביעה על כך שניתן היה לייצר גרמניום פי 100 אפילו בשנים האחרונות. בהתחשב בפוטנציאל האספקה, זמינות הגרמניום לא צפויה להגביל את קנה המידה של סוללה במצב מוצק המבוסס על אלקטרוליט LGPS.

המצב נראה פחות מבטיח עם התחמוצת הנבחרת של החוקרים, LLZO, המורכבת מליתיום, לנתן, זירקוניום וחמצן. החילוץ והעיבוד של הלנתנום מתרכזים בעיקר בסין, ויש נתונים מוגבלים, כך שהחוקרים לא ניסו לנתח את זמינותו. שלושת האלמנטים האחרים זמינים בשפע. עם זאת, בפועל, יש להוסיף כמות קטנה של אלמנט אחר - הנקרא דופנט - בכדי להפוך את LLZO לקל לעיבוד. אז הצוות התמקד בטנטלום, התרופה הדופנטית הנפוצה ביותר, כמרכיב הדאגה העיקרי עבור LLZO.

טנטלום מיוצר כתוצר לוואי של כריית פח וניוביום. נתונים היסטוריים מראים שכמות הטנטלום המיוצרת במהלך כריית פח וניוביום הייתה קרובה הרבה יותר למקסימום הפוטנציאלי מאשר במקרה של גרמניום. אז הזמינות של טנטלום היא יותר דאגה להיקף אפשרי של סוללה מבוססת LLZO.

אך הידיעה על זמינותו של אלמנט באדמה אינה מתייחסת לשלבים הנדרשים כדי להביא אותו ליצרן. אז החוקרים בדקו שאלת המשך הנוגעת לרשתות האספקה ​​של אלמנטים קריטיים-כרייה, עיבוד, זיקוק, משלוח וכן הלאה. בהנחה שיש מספיק אספקה, האם רשתות האספקה ​​שמספקות את החומרים האלה יכולות להתרחב מספיק מהר כדי לענות על הביקוש הגובר לסוללות?

בניתוח מדגמים, הם בחנו כמה שרשראות אספקה ​​לגרמניום וטנטלום יצטרכו לגדול משנה לשנה כדי לספק סוללות לצי רכב חשמלי שצפוי בשנת 2030. כדוגמה, צי רכב חשמלי מצוין לעתים קרובות כיעד לשנת 2030. ידרוש ייצור מספיק סוללות כדי לספק אנרגיה בסך הכל 100 ג'יגה-ואט. כדי לעמוד ביעד זה באמצעות סוללות LGPS בלבד, שרשרת האספקה ​​של גרמניום תצטרך לגדול ב -50 % משנה לשנה - מתיחה, שכן קצב הצמיחה המרבי בעבר היה כ -7 %. באמצעות סוללות LLZO בלבד, שרשרת האספקה ​​של טנטלום תצטרך לגדול בכ -30 אחוזים - שיעור צמיחה הרבה מעל השיא ההיסטורי של כ -10 אחוזים.

דוגמאות אלה מדגימות את החשיבות של התחשבות בזמינות חומרים ושרשראות אספקה ​​בעת הערכת אלקטרוליטים מוצקים שונים עבור פוטנציאל ההיקף שלהם. גם כאשר כמות החומרים הזמינה אינה מהווה דאגה, כמו במקרה של גרמניום, דירוג כל השלבים בשרשרת האספקה ​​כך שיתאים לייצור העתידי של כלי רכב חשמליים עשוי לדרוש קצב צמיחה שהוא פשוט חסר תקדים.

חומרים ועיבוד

בהערכת פוטנציאל ההרחבה של עיצוב סוללות, גורם נוסף שיש לקחת בחשבון הוא הקושי של תהליך הייצור וכיצד הוא עשוי להשפיע על העלות. ייצור מצבר במצב מוצק כרוך בהכרח בצעדים רבים, וכישלון בכל שלב מעלה את עלות כל סוללה המיוצרת בהצלחה.

כמיופה כוח לקשיים בייצור חוקרים בחנו את ההשפעה של שיעור הכישלון על העלות הכוללת של עיצובי סוללות במצב מוצק שנבחר במסד הנתונים שלהם. בדוגמה אחת, הם התמקדו בתחמוצת LLZO. LLZO שביר במיוחד, ובטמפרטורות הגבוהות הכרוכות בייצור, סדין גדול ודק מספיק לשימוש בסוללה במצב מוצק בעל ביצועים גבוהים עלול להיסדק או להתעוות.

כדי לקבוע את ההשפעה של כשלים כאלה על העלות, הם דגמנו ארבעה שלבי עיבוד מרכזיים בהרכבת סוללות מבוססות LLZO. בכל שלב, הם חישבו את העלות על סמך התשואה המשוערת - כלומר חלק מכלל היחידות שעובדו בהצלחה מבלי להיכשל. עם LLZO, התשואה הייתה נמוכה בהרבה מאשר בעיצובים האחרים שבדקו; וככל שהתשואה ירדה, העלות של כל קילוואט-שעה (קוט"ש) של אנרגיית הסוללה עלתה משמעותית. לדוגמה, כאשר 5 אחוזים יותר יחידות נכשלו במהלך שלב החימום הסופי של הקתודה, העלות עלתה בכ -30 דולר לקוט"ש - שינוי לא -פרטי בהתחשב בכך שעלות היעד המקובלת לסוללות כאלה היא 100 דולר לקוט"ש. ברור שלקשיים בייצור יכולות להיות השפעה עמוקה על כדאיות עיצוב לאימוץ בקנה מידה גדול.

חומרים וביצועים

אחד האתגרים העיקריים בעיצוב סוללה בעלת כל מוצק מגיע מ"ממשקים "-כלומר, היכן שרכיב אחד פוגש רכיב אחר. במהלך הייצור או ההפעלה, חומרים בממשקים אלה עלולים להפוך ליציבים. אטומים מתחילים ללכת למקומות שאסור להם, וביצועי הסוללה יורדים.

כתוצאה מכך, מחקר רב מוקדש לבניית שיטות לייצוב ממשקים בעיצובים שונים של סוללות. רבות מהשיטות המוצעות אכן מגבירות את הביצועים; וכתוצאה מכך, עלות הסוללה בדולרים לקוט"ש יורדת. אך יישום פתרונות כאלה כרוך בדרך כלל בתוספת חומרים וזמן, מה שמגדיל את העלות לקוט"ש במהלך ייצור בקנה מידה גדול.

כדי להמחיש את ההחלפה הזו, החוקרים בחנו תחילה את תחמוצתם, LLZO. כאן, המטרה היא לייצב את הממשק בין האלקטרוליט LLZO לאלקטרודה השלילית על ידי החדרת שכבת פח דקה בין השניים. הם ניתחו את ההשפעות - הן חיוביות והן שליליות - על עלות יישום הפתרון. הם מצאו כי הוספת מפריד הפח מגבירה את קיבולת אחסון האנרגיה ומשפרת את הביצועים, מה שמוריד את עלות היחידה בדולרים/קוט"ש. אך עלות הכללת שכבת הפח עולה על החיסכון כך שהעלות הסופית גבוהה מהעלות המקורית.

בניתוח אחר, הם בחנו אלקטרוליט גופרתי בשם LPSCl, המורכב מליתיום, זרחן וגופרית עם מעט כלור מוסף. במקרה זה, האלקטרודה החיובית משלבת חלקיקים מחומר האלקטרוליט - שיטה לוודא שיוני הליתיום יכולים למצוא מסלול דרך האלקטרוליט לאלקטרודה השנייה. עם זאת, חלקיקי האלקטרוליט הנוספים אינם תואמים לחלקיקים אחרים באלקטרודה החיובית - עוד בעיה בממשק. במקרה זה, פתרון סטנדרטי הוא הוספת "קלסר", חומר נוסף שגורם לחלקיקים להידבק זה לזה.

הניתוח שלהם אישר כי ללא הקלסר הביצועים ירודים ועלות הסוללה המבוססת על LPSCl היא יותר מ -500 דולר לקוט"ש. הוספת הקלסר משפרת את הביצועים באופן משמעותי והעלות יורדת בכמעט 300 $ לקוט"ש. במקרה זה, עלות הוספת הקלסר במהלך הייצור היא כה נמוכה עד כי למעשה כל ירידת העלות מהוספת קלסר מתממשת. כאן, השיטה המיושמת לפתרון בעיית הממשק משתלמת בעלויות נמוכות יותר.

החוקרים ביצעו מחקרים דומים על מצברים מבטיחים אחרים של מצב מוצק שדווחו בספרות, ותוצאותיהם היו עקביות: בחירת חומרי הסוללה ותהליכים יכולה להשפיע לא רק על תוצאות לטווח הקרוב במעבדה, אלא גם על היתכנות ועלות הייצור של הציע סוללת מצב מוצק בקנה מידה הדרוש כדי לענות על הביקוש העתידי. התוצאות הראו גם כי התחשבות בכל שלושת הגורמים יחד-זמינות, צרכי עיבוד וביצועי סוללה-היא חשובה מאחר וייתכן שישנן השפעות קולקטיביות ובין פשרות.