Merancang Bateri yang Lebih Baik untuk Kenderaan Elektrik

Keperluan mendesak untuk mengurangkan pelepasan karbon mendorong langkah cepat menuju mobiliti elektrik dan pengembangan penyebaran tenaga suria dan angin di grid elektrik. Sekiranya trend itu meningkat seperti yang diharapkan, keperluan untuk kaedah menyimpan tenaga elektrik yang lebih baik akan semakin meningkat.

Jelas sekali, mengembangkan teknologi untuk penyimpanan berasaskan grid pada skala besar sangat penting. Tetapi untuk aplikasi mudah alih - khususnya, pengangkutan - banyak penyelidikan menumpukan pada menyesuaikan bateri lithium-ion hari ini untuk membuat versi yang lebih selamat, lebih kecil, dan dapat menyimpan lebih banyak tenaga untuk ukuran dan berat badan mereka.

Bateri lithium-ion tradisional terus bertambah baik, tetapi mempunyai had yang berterusan, sebahagiannya kerana strukturnya. Bateri lithium-ion terdiri daripada dua elektrod - satu positif dan satu negatif - dipasangkan di sekitar cecair organik (yang mengandungi karbon). Oleh kerana bateri diisi dan habis, zarah-zarah lithium (atau ion) yang dicas elektrik melintas dari satu elektrod ke elektrod yang lain melalui elektrolit cair.

Satu masalah dengan reka bentuk itu ialah pada voltan dan suhu tertentu, elektrolit cair dapat menjadi mudah menguap dan terbakar. Bateri umumnya selamat dalam penggunaan biasa, tetapi risikonya masih ada.

Masalah lain ialah bateri lithium-ion tidak sesuai digunakan pada kenderaan. Pek bateri besar dan berat mengambil ruang dan menambah berat keseluruhan kenderaan, mengurangkan kecekapan bahan bakar. Tetapi terbukti sukar menjadikan bateri lithium-ion hari ini lebih kecil dan lebih ringan sambil mengekalkan ketumpatan tenaga mereka - iaitu jumlah tenaga yang mereka simpan per gram berat.

Untuk menyelesaikan masalah tersebut, para penyelidik mengubah ciri utama bateri lithium-ion untuk membuat versi all-solid, atau "solid-state". Mereka menggantikan elektrolit cecair di tengahnya dengan elektrolit pepejal nipis yang stabil pada pelbagai voltan dan suhu. Dengan elektrolit padat itu, mereka menggunakan elektrod positif berkapasiti tinggi dan elektrod negatif logam litium berkapasiti tinggi yang jauh lebih nipis daripada lapisan karbon berliang biasa. Perubahan tersebut memungkinkan untuk mengecilkan bateri secara keseluruhan sambil mengekalkan kapasiti simpanan energinya, sehingga mencapai kepadatan tenaga yang lebih tinggi.

Ciri-ciri itu — keselamatan yang dipertingkatkan dan ketumpatan tenaga yang lebih besar — ​​mungkin merupakan dua kelebihan yang sering disebut-sebut dari bateri keadaan pepejal yang berpotensi.

Berdasarkan pengalaman industri dengan bateri lithium-ion semasa, para penyelidik MIT dan rakan-rakan mereka mencadangkan tiga soalan luas yang dapat membantu mengenal pasti potensi kekangan pada peningkatan masa depan sebagai hasil pemilihan bahan. Pertama, dengan reka bentuk bateri ini, mungkinkah ketersediaan bahan, rantai bekalan, atau turun naik harga menjadi masalah ketika pengeluaran meningkat? (Perhatikan bahawa kebimbangan alam sekitar dan lain-lain yang ditimbulkan oleh perlombongan yang diperluas berada di luar ruang lingkup kajian ini.) Kedua, adakah fabrikasi bateri dari bahan-bahan ini akan melibatkan langkah-langkah pembuatan yang sukar di mana bahagian-bahagian kemungkinan akan gagal? Dan ketiga, adakah langkah-langkah pembuatan yang diperlukan untuk memastikan produk berprestasi tinggi berdasarkan bahan-bahan ini akhirnya menurunkan atau menaikkan kos bateri yang dihasilkan?

Untuk menunjukkan pendekatan mereka, Olivetti, Ceder, dan Huang memeriksa beberapa kimia elektrolit dan struktur bateri yang kini sedang disiasat oleh penyelidik. Untuk memilih contoh mereka, mereka beralih ke karya sebelumnya di mana mereka dan kolaborator mereka menggunakan teknik penggambaran teks dan data untuk mengumpulkan maklumat mengenai bahan dan memproses perincian yang dilaporkan dalam literatur. Dari pangkalan data itu, mereka memilih beberapa pilihan yang sering dilaporkan yang mewakili pelbagai kemungkinan.

Bahan dan ketersediaan

Dalam dunia elektrolit bukan organik pepejal, ada dua kelas utama bahan — oksida, yang mengandungi oksigen, dan sulfida, yang mengandungi sulfur.

Sulfida yang dipertimbangkan oleh pasukan itu adalah LGPS, yang menggabungkan litium, germanium, fosforus, dan sulfur. Berdasarkan pertimbangan ketersediaan, mereka memusatkan perhatian pada germanium, elemen yang menimbulkan kebimbangan sebagian kerana umumnya tidak ditambang sendiri. Sebaliknya, ia adalah produk sampingan yang dihasilkan semasa perlombongan arang batu dan zink.

Untuk mengkaji ketersediaannya, para penyelidik melihat berapa banyak germanium dihasilkan setiap tahun dalam enam dekad terakhir semasa perlombongan arang batu dan zink dan kemudian berapa banyak yang dapat dihasilkan. Hasilnya menunjukkan bahawa 100 kali lebih banyak germanium dapat dihasilkan, bahkan dalam beberapa tahun terakhir. Memandangkan potensi bekalan, ketersediaan germanium tidak akan mengekang peningkatan bateri keadaan pepejal berdasarkan elektrolit LGPS.

Keadaan kelihatan kurang memberangsangkan dengan oksida terpilih penyelidik, LLZO, yang terdiri daripada litium, lantanum, zirkonium, dan oksigen. Pengekstrakan dan pemprosesan lantanum banyak tertumpu di China, dan terdapat data yang terhad, jadi para penyelidik tidak berusaha menganalisis ketersediaannya. Tiga elemen lain banyak terdapat. Walau bagaimanapun, dalam praktiknya, sebilangan kecil unsur lain - disebut dopan - mesti ditambahkan untuk menjadikan LLZO mudah diproses. Oleh itu pasukan memberi tumpuan kepada tantalum, dopan yang paling kerap digunakan, sebagai elemen utama perhatian LLZO.

Tantalum dihasilkan sebagai hasil sampingan perlombongan timah dan niobium. Data sejarah menunjukkan bahawa jumlah tantalum yang dihasilkan semasa perlombongan timah dan niobium jauh lebih dekat dengan potensi maksimum daripada yang berlaku dengan germanium. Jadi ketersediaan tantalum lebih membimbangkan kemungkinan peningkatan bateri berasaskan LLZO.

Tetapi mengetahui ketersediaan elemen di tanah tidak menangani langkah-langkah yang diperlukan untuk membawanya ke pengilang. Oleh itu, para penyelidik menyiasat soalan susulan mengenai rantaian bekalan untuk elemen penting - perlombongan, pemprosesan, penapisan, penghantaran, dan sebagainya. Dengan andaian bahawa bekalan yang banyak tersedia, dapatkah rantai bekalan yang menyampaikan bahan-bahan itu berkembang dengan cukup cepat untuk memenuhi permintaan bateri yang semakin meningkat?

Dalam analisis sampel, mereka melihat berapa banyak rantai bekalan untuk germanium dan tantalum yang perlu tumbuh dari tahun ke tahun untuk menyediakan bateri untuk armada kenderaan elektrik yang diproyeksikan pada tahun 2030. Sebagai contoh, armada kenderaan elektrik sering disebut sebagai tujuan untuk 2030 memerlukan pengeluaran bateri yang cukup untuk menghasilkan tenaga 100-gigawatt berjam-jam. Untuk mencapai tujuan itu hanya dengan menggunakan bateri LGPS, rantaian bekalan untuk germanium perlu berkembang sebanyak 50 peratus dari tahun ke tahun — peregangan, kerana kadar pertumbuhan maksimum pada masa lalu adalah sekitar 7 persen. Dengan hanya menggunakan bateri LLZO, rantaian bekalan untuk tantalum perlu berkembang sekitar 30 peratus — kadar pertumbuhan jauh di atas paras sejarah sekitar 10 peratus.

Contoh-contoh tersebut menunjukkan pentingnya mempertimbangkan kedua-dua ketersediaan bahan dan rantai bekalan ketika menilai elektrolit pepejal yang berlainan untuk potensi peningkatannya. Walaupun kuantiti bahan yang ada tidak menjadi perhatian, seperti halnya germanium, meningkatkan semua langkah dalam rantai bekalan agar sesuai dengan produksi masa depan kenderaan elektrik mungkin memerlukan kadar pertumbuhan yang secara harfiah belum pernah terjadi sebelumnya.

Bahan dan pemprosesan

Dalam menilai potensi peningkatan reka bentuk bateri, faktor lain yang perlu dipertimbangkan adalah kesukaran proses pembuatan dan bagaimana ia dapat mempengaruhi kos. Pembuatan bateri keadaan pepejal pasti memerlukan banyak langkah, dan kegagalan pada setiap langkah akan menaikkan kos setiap bateri yang berjaya dihasilkan.

Sebagai proksi untuk kesukaran pembuatan penyelidik meneroka kesan kadar kegagalan pada kos keseluruhan untuk reka bentuk bateri keadaan pepejal terpilih dalam pangkalan data mereka. Dalam satu contoh, mereka memberi tumpuan kepada oksida LLZO. LLZO sangat rapuh, dan pada suhu tinggi yang terlibat dalam pembuatan, kepingan besar yang cukup nipis untuk digunakan dalam bateri keadaan pepejal berprestasi tinggi cenderung retak atau melengkung.

Untuk menentukan kesan kegagalan tersebut terhadap kos, mereka memodelkan empat langkah pemprosesan utama dalam memasang bateri berasaskan LLZO. Pada setiap langkah, mereka menghitung biaya berdasarkan hasil yang diandaikan — yaitu, pecahan dari total unit yang berhasil diproses tanpa gagal. Dengan LLZO, hasilnya jauh lebih rendah daripada dengan reka bentuk lain yang mereka kaji; dan, ketika hasilnya turun, kos setiap bateri tenaga kilowatt-jam (kWh) meningkat dengan ketara. Sebagai contoh, apabila 5 peratus lebih banyak unit gagal semasa langkah pemanasan katod terakhir, kos meningkat sekitar $ 30 / kWh - perubahan yang tidak biasa memandangkan kos sasaran yang biasa diterima untuk bateri tersebut adalah $ 100 / kWh. Jelasnya, kesukaran pembuatan boleh memberi kesan mendalam terhadap daya maju reka bentuk untuk penggunaan skala besar.

Bahan dan prestasi

Salah satu cabaran utama dalam merancang bateri yang padat berasal dari "antaramuka" - iaitu, di mana satu komponen bertemu dengan yang lain. Semasa pembuatan atau operasi, bahan di antara muka tersebut menjadi tidak stabil. Atom mula pergi ke tempat yang tidak sepatutnya, dan prestasi bateri menurun.

Akibatnya, banyak penyelidikan dikhaskan untuk menghasilkan kaedah menstabilkan antara muka dalam reka bentuk bateri yang berbeza. Banyak kaedah yang dicadangkan meningkatkan prestasi; dan akibatnya, kos bateri dalam dolar per kWh turun. Tetapi melaksanakan penyelesaian seperti itu biasanya melibatkan bahan dan masa tambahan, meningkatkan kos per kWh semasa pembuatan berskala besar.

Untuk menggambarkan pertukaran itu, para penyelidik pertama kali memeriksa oksida mereka, LLZO. Di sini, tujuannya adalah untuk menstabilkan antara muka elektrolit LLZO dan elektrod negatif dengan memasukkan lapisan timah nipis di antara keduanya. Mereka menganalisis kesan - positif dan negatif - terhadap kos pelaksanaan penyelesaian itu. Mereka mendapati bahawa menambahkan pemisah timah meningkatkan kapasiti penyimpanan tenaga dan meningkatkan prestasi, yang mengurangkan kos unit dalam dolar / kWh. Tetapi kos memasukkan lapisan timah melebihi penjimatan sehingga kos akhir lebih tinggi daripada kos asal.

Dalam analisis lain, mereka melihat elektrolit sulfida yang disebut LPSCl, yang terdiri daripada litium, fosfor, dan sulfur dengan sedikit klorin tambahan. Dalam kes ini, elektrod positif menggabungkan zarah-zarah bahan elektrolit - kaedah untuk memastikan bahawa ion litium dapat menemui jalan masuk melalui elektrolit ke elektrod lain. Walau bagaimanapun, zarah elektrolit tambahan tidak serasi dengan zarah lain dalam elektrod positif - masalah antara muka yang lain. Dalam kes ini, penyelesaian standard adalah dengan menambahkan "pengikat," bahan lain yang menjadikan zarah-zarah itu saling melekat.

Analisis mereka mengesahkan bahawa tanpa pengikat, prestasi buruk, dan kos bateri berasaskan LPSCl lebih dari $ 500 / kWh. Menambah pengikat meningkatkan prestasi dengan ketara, dan kosnya turun hampir $ 300 / kWh. Dalam kes ini, kos penambahan pengikat semasa pembuatan sangat rendah sehingga pada dasarnya semua penurunan kos dari penambahan pengikat dapat dilaksanakan. Di sini, kaedah yang dilaksanakan untuk menyelesaikan masalah antara muka terbayar dengan kos yang lebih rendah.

Para penyelidik melakukan kajian serupa terhadap bateri keadaan pepejal yang menjanjikan lain yang dilaporkan dalam literatur, dan hasilnya konsisten: Pemilihan bahan dan proses bateri tidak hanya dapat mempengaruhi hasil jangka pendek di makmal tetapi juga kelayakan dan kos pembuatan bateri keadaan pepejal yang dicadangkan pada skala yang diperlukan untuk memenuhi permintaan masa depan. Hasilnya juga menunjukkan bahawa mempertimbangkan ketiga-tiga faktor bersama-sama - ketersediaan, keperluan pemprosesan, dan prestasi bateri - penting kerana mungkin ada kesan kolektif dan pertukaran yang terlibat.