Betere batterijen ontwerpen voor elektrische voertuigen

De dringende noodzaak om de COXNUMX-uitstoot te verminderen, leidt tot een snelle overgang naar elektrische mobiliteit en een uitgebreidere inzet van zonne- en windenergie op het elektriciteitsnet. Als die trends escaleren zoals verwacht, zal de behoefte aan betere methoden voor het opslaan van elektrische energie toenemen.

Het is duidelijk dat het van cruciaal belang is om op grote schaal technologieën voor grid-based storage te ontwikkelen. Maar voor mobiele toepassingen, met name transport, is veel onderzoek gericht op het aanpassen van de huidige lithium-ionbatterij om versies te maken die veiliger en kleiner zijn en meer energie kunnen opslaan voor hun grootte en gewicht.

Traditionele lithium-ionbatterijen blijven verbeteren, maar ze hebben beperkingen die blijven bestaan, deels vanwege hun structuur. Een lithium-ionbatterij bestaat uit twee elektroden - een positieve en een negatieve - die rond een organische (koolstofhoudende) vloeistof zijn geklemd. Terwijl de batterij wordt opgeladen en ontladen, gaan elektrisch geladen deeltjes (of ionen) van lithium van de ene elektrode naar de andere door de vloeibare elektrolyt.

Een probleem met dat ontwerp is dat bij bepaalde spanningen en temperaturen de vloeibare elektrolyt vluchtig kan worden en vlam kan vatten. Batterijen zijn over het algemeen veilig bij normaal gebruik, maar het risico is er nog steeds.

Een ander probleem is dat lithium-ionbatterijen niet goed geschikt zijn voor gebruik in voertuigen. Grote, zware accu's nemen ruimte in beslag en verhogen het totale gewicht van een voertuig, waardoor het brandstofverbruik wordt verminderd. Maar het blijkt moeilijk om de huidige lithium-ionbatterijen kleiner en lichter te maken met behoud van hun energiedichtheid, dat wil zeggen de hoeveelheid energie die ze opslaan per gram gewicht.

Om die problemen op te lossen, veranderen onderzoekers de belangrijkste kenmerken van de lithium-ionbatterij om een ​​volledig solide of "solid-state" versie te maken. Ze vervangen de vloeibare elektrolyt in het midden door een dunne, vaste elektrolyt die stabiel is bij een breed scala aan spanningen en temperaturen. Met die vaste elektrolyt gebruiken ze een positieve elektrode met hoge capaciteit en een negatieve lithiummetaalelektrode met hoge capaciteit die veel dunner is dan de gebruikelijke laag poreuze koolstof. Die veranderingen maken het mogelijk om de totale batterij aanzienlijk te verkleinen met behoud van de energieopslagcapaciteit, waardoor een hogere energiedichtheid wordt bereikt.

Die kenmerken - verbeterde veiligheid en grotere energiedichtheid - zijn waarschijnlijk de twee meest aangeprezen voordelen van een potentiële solid-state batterij.

Op basis van de ervaring van de industrie met de huidige lithium-ionbatterijen, stellen de MIT-onderzoekers en hun collega's drie brede vragen voor die kunnen helpen bij het identificeren van mogelijke beperkingen voor toekomstige opschaling als gevolg van materiaalkeuze. Ten eerste, kunnen met dit batterijontwerp de beschikbaarheid van materialen, toeleveringsketens of prijsvolatiliteit een probleem worden naarmate de productie opschaalt? (Merk op dat de milieu- en andere zorgen die door uitgebreide mijnbouw worden geuit, buiten het bestek van deze studie vallen.) Ten tweede, zullen de fabricage van batterijen van deze materialen moeilijke fabricagestappen met zich meebrengen waarbij onderdelen waarschijnlijk zullen falen? En ten derde: verlagen of verhogen de fabricagemaatregelen die nodig zijn om een ​​hoogwaardig product op basis van deze materialen te garanderen, uiteindelijk de kosten van de geproduceerde batterijen?

Om hun aanpak te demonstreren, onderzochten Olivetti, Ceder en Huang enkele van de elektrolytchemie en batterijstructuren die nu door onderzoekers worden onderzocht. Om hun voorbeelden te selecteren, wendden ze zich tot eerder werk waarin zij en hun medewerkers tekst- en dataminingtechnieken gebruikten om informatie te verzamelen over materialen en verwerkingsdetails die in de literatuur worden vermeld. Uit die database selecteerden ze een aantal veel voorkomende opties die een scala aan mogelijkheden vertegenwoordigen.

Materialen en beschikbaarheid

In de wereld van vaste anorganische elektrolyten zijn er twee hoofdklassen van materialen: de oxiden, die zuurstof bevatten, en de sulfiden, die zwavel bevatten.

Het sulfide dat het team in overweging nam, was LGPS, dat lithium, germanium, fosfor en zwavel combineert. Op basis van beschikbaarheidsoverwegingen concentreerden ze zich op het germanium, een element dat zorgen baart, deels omdat het over het algemeen niet alleen wordt gedolven. In plaats daarvan is het een bijproduct dat wordt geproduceerd tijdens de winning van steenkool en zink.

Om de beschikbaarheid ervan te onderzoeken, keken de onderzoekers hoeveel germanium er in de afgelopen zes decennia jaarlijks werd geproduceerd tijdens de steenkool- en zinkwinning en hoeveel er geproduceerd had kunnen worden. De uitkomst suggereerde dat 100 keer meer germanium had kunnen worden geproduceerd, zelfs in de afgelopen jaren. Gezien dit leveringspotentieel zal de beschikbaarheid van germanium waarschijnlijk geen belemmering vormen voor de opschaling van een solid-state batterij op basis van een LGPS-elektrolyt.

De situatie zag er minder veelbelovend uit met het door de onderzoekers geselecteerde oxide, LLZO, dat bestaat uit lithium, lanthaan, zirkonium en zuurstof. De winning en verwerking van lanthaan is grotendeels geconcentreerd in China en er zijn beperkte gegevens beschikbaar, dus de onderzoekers hebben niet geprobeerd de beschikbaarheid ervan te analyseren. De andere drie elementen zijn volop aanwezig. In de praktijk moet echter een kleine hoeveelheid van een ander element, een doteerstof genaamd, worden toegevoegd om LLZO gemakkelijk te verwerken te maken. Dus het team concentreerde zich op tantaal, de meest gebruikte doteringsstof, als het belangrijkste punt van zorg voor LLZO.

Tantaal wordt geproduceerd als een bijproduct van de tin- en niobiumwinning. Historische gegevens tonen aan dat de hoeveelheid tantaal geproduceerd tijdens de tin- en niobiumwinning veel dichter bij het potentiële maximum lag dan bij germanium het geval was. Dus de beschikbaarheid van tantaal is meer een zorg voor de mogelijke opschaling van een op LLZO gebaseerde batterij.

Maar het kennen van de beschikbaarheid van een element in de grond gaat niet in op de stappen die nodig zijn om het bij een fabrikant te krijgen. Dus onderzochten de onderzoekers een vervolgvraag over de toeleveringsketens voor kritieke elementen - mijnbouw, verwerking, raffinage, verzending, enzovoort. Ervan uitgaande dat er overvloedige voorraden beschikbaar zijn, kunnen de toeleveringsketens die deze materialen leveren snel genoeg uitbreiden om aan de groeiende vraag naar batterijen te voldoen?

In voorbeeldanalyses keken ze hoeveel toeleveringsketens voor germanium en tantaal van jaar tot jaar zouden moeten groeien om batterijen te leveren voor een geprojecteerd wagenpark van elektrische voertuigen in 2030. Als voorbeeld wordt een elektrisch wagenpark vaak genoemd als een doel voor 2030 zou de productie van voldoende batterijen vereisen om in totaal 100 gigawattuur aan energie te leveren. Om dat doel te bereiken met alleen LGPS-batterijen, zou de toeleveringsketen voor germanium van jaar tot jaar met 50 procent moeten groeien - een lange adem, aangezien het maximale groeipercentage in het verleden ongeveer 7 procent was. Met alleen LLZO-batterijen zou de toeleveringsketen voor tantaal met ongeveer 30 procent moeten groeien - een groeipercentage dat ruim boven het historische hoogtepunt van ongeveer 10 procent ligt.

Deze voorbeelden tonen het belang aan om zowel de beschikbaarheid van materialen als de toeleveringsketens in overweging te nemen bij het evalueren van verschillende vaste elektrolyten op hun schaalvergrotingspotentieel. Zelfs als de hoeveelheid beschikbaar materiaal geen probleem is, zoals het geval is met germanium, moeten alle stappen in de toeleveringsketen worden aangepast aan de toekomstige productie van elektrische voertuigen kan een groeisnelheid vereisen die letterlijk ongekend is.

Materialen en verwerking

Bij het beoordelen van het potentieel voor opschaling van een batterijontwerp, is een andere factor waarmee rekening moet worden gehouden de moeilijkheid van het fabricageproces en hoe dit de kosten kan beïnvloeden. Het fabriceren van een solid-state batterij omvat onvermijdelijk vele stappen, en een mislukking bij elke stap verhoogt de kosten van elke batterij die met succes wordt geproduceerd.

Als indicatie voor fabricageproblemen onderzochten onderzoekers de impact van het uitvalpercentage op de totale kosten voor geselecteerde solid-state batterijontwerpen in hun database. In één voorbeeld richtten ze zich op het oxide LLZO. LLZO is extreem broos en bij de hoge temperaturen die bij de productie betrokken zijn, zal een grote plaat die dun genoeg is om te gebruiken in een krachtige solid-state batterij, waarschijnlijk barsten of kromtrekken.

Om de impact van dergelijke storingen op de kosten te bepalen, hebben ze vier belangrijke verwerkingsstappen gemodelleerd bij het assembleren van op LLZO gebaseerde batterijen. Bij elke stap berekenden ze de kosten op basis van een veronderstelde opbrengst, dat wil zeggen de fractie van de totale eenheden die met succes werden verwerkt zonder te falen. Bij de LLZO was het rendement veel lager dan bij de andere ontwerpen die ze onderzochten; en naarmate de opbrengst daalde, stegen de kosten van elke kilowattuur (kWh) batterij-energie aanzienlijk. Toen bijvoorbeeld 5 procent meer eenheden faalden tijdens de laatste stap van de kathodeverwarming, stegen de kosten met ongeveer $ 30/kWh - een niet-triviale verandering gezien het feit dat een algemeen aanvaarde doelprijs voor dergelijke batterijen $ 100/kWh is. Het is duidelijk dat fabricageproblemen een diepgaande invloed kunnen hebben op de levensvatbaarheid van een ontwerp voor grootschalige toepassing.

Materialen en prestaties

Een van de grootste uitdagingen bij het ontwerpen van een volledig solide batterij komt van "interfaces", dat wil zeggen, waar het ene onderdeel het andere ontmoet. Tijdens productie of gebruik kunnen materialen op die interfaces onstabiel worden. Atomen gaan op plaatsen waar ze niet zouden moeten komen en de prestaties van de batterij nemen af.

Als gevolg hiervan wordt er veel onderzoek gedaan naar het bedenken van methoden om interfaces in verschillende batterijontwerpen te stabiliseren. Veel van de voorgestelde methoden verhogen de prestaties; en als gevolg daarvan dalen de kosten van de batterij in dollars per kWh. Maar het implementeren van dergelijke oplossingen brengt over het algemeen extra materialen en tijd met zich mee, waardoor de kosten per kWh bij grootschalige productie stijgen.

Om die wisselwerking te illustreren, onderzochten de onderzoekers eerst hun oxide, LLZO. Hier is het doel om het grensvlak tussen de LLZO-elektrolyt en de negatieve elektrode te stabiliseren door een dunne laag tin tussen de twee in te brengen. Ze analyseerden de effecten, zowel positieve als negatieve, op de kosten van de implementatie van die oplossing. Ze ontdekten dat het toevoegen van de tinscheider de energieopslagcapaciteit verhoogt en de prestaties verbetert, wat de eenheidskosten in dollars/kWh verlaagt. Maar de kosten van het opnemen van de tinlaag overtreffen de besparingen, zodat de uiteindelijke kosten hoger zijn dan de oorspronkelijke kosten.

In een andere analyse keken ze naar een sulfide-elektrolyt genaamd LPSCl, dat bestaat uit lithium, fosfor en zwavel met een beetje toegevoegd chloor. In dit geval bevat de positieve elektrode deeltjes van het elektrolytmateriaal - een methode om ervoor te zorgen dat de lithiumionen een weg door het elektrolyt naar de andere elektrode kunnen vinden. De toegevoegde elektrolytdeeltjes zijn echter niet compatibel met andere deeltjes in de positieve elektrode - een ander grensvlakprobleem. In dit geval is een standaardoplossing om een ​​"bindmiddel" toe te voegen, een ander materiaal dat ervoor zorgt dat de deeltjes aan elkaar blijven plakken.

Hun analyse bevestigde dat zonder het bindmiddel de prestaties slecht zijn en dat de kosten van de op LPSCl gebaseerde batterij meer dan $ 500/kWh bedragen. Het toevoegen van het bindmiddel verbetert de prestaties aanzienlijk en de kosten dalen met bijna $ 300/kWh. In dit geval zijn de kosten voor het toevoegen van het bindmiddel tijdens de fabricage zo laag dat in wezen alle kostenverlagingen door het toevoegen van het bindmiddel worden gerealiseerd. Hier loont de methode die is geïmplementeerd om het interfaceprobleem op te lossen, zich uit tegen lagere kosten.

De onderzoekers voerden soortgelijke onderzoeken uit naar andere veelbelovende solid-state batterijen die in de literatuur worden vermeld, en hun resultaten waren consistent: de keuze van batterijmaterialen en -processen kan niet alleen de resultaten op korte termijn in het laboratorium beïnvloeden, maar ook de haalbaarheid en kosten van het vervaardigen van de voorgestelde solid-state batterij op de schaal die nodig is om aan de toekomstige vraag te voldoen. De resultaten toonden ook aan dat het belangrijk is om alle drie de factoren samen te beschouwen - beschikbaarheid, verwerkingsbehoeften en batterijprestaties - omdat er collectieve effecten en compromissen kunnen zijn.