Разработка лучших аккумуляторов для электромобилей

Острая необходимость сократить выбросы углерода побуждает к быстрому переходу к электрифицированной мобильности и расширению использования солнечной и ветровой энергии в электрических сетях. Если эти тенденции будут обостряться, как ожидалось, потребность в более совершенных методах хранения электроэнергии возрастет.

Очевидно, что разработка технологий для хранения данных на основе сетей в большом масштабе имеет решающее значение. Но что касается мобильных приложений, в частности транспорта, то большое количество исследований сосредоточено на адаптации современных литий-ионных аккумуляторов, чтобы сделать их более безопасными, меньшими по размеру и способными хранить больше энергии с учетом их размера и веса.

Традиционные литий-ионные батареи продолжают совершенствоваться, но у них есть ограничения, отчасти из-за их структуры. Литий-ионный аккумулятор состоит из двух электродов - одного положительного и одного отрицательного - зажатых вокруг органической (углеродсодержащей) жидкости. Когда батарея заряжается и разряжается, электрически заряженные частицы (или ионы) лития переходят от одного электрода к другому через жидкий электролит.

Одна из проблем такой конструкции заключается в том, что при определенных напряжениях и температурах жидкий электролит может стать летучим и загореться. Батареи, как правило, безопасны при нормальном использовании, но риск все же существует.

Другая проблема заключается в том, что литий-ионные аккумуляторы плохо подходят для использования в транспортных средствах. Большие и тяжелые аккумуляторные батареи занимают много места и увеличивают общий вес автомобиля, снижая топливную экономичность. Но сделать сегодняшние литий-ионные батареи меньше и легче при сохранении их плотности энергии, то есть количества энергии, которое они хранят на грамм веса, оказывается трудным.

Чтобы решить эти проблемы, исследователи меняют ключевые характеристики литий-ионной батареи на твердотельную или «твердотельную» версию. Они заменяют жидкий электролит в середине тонким твердым электролитом, который стабилен в широком диапазоне напряжений и температур. С этим твердым электролитом они используют положительный электрод большой емкости и отрицательный электрод из металлического лития, который намного тоньше обычного слоя пористого углерода. Эти изменения позволяют значительно уменьшить размер батареи в целом, сохраняя при этом ее емкость хранения энергии, тем самым достигая более высокой плотности энергии.

Эти особенности - повышенная безопасность и большая плотность энергии - вероятно, являются двумя наиболее часто рекламируемыми преимуществами потенциальной твердотельной батареи.

Основываясь на отраслевом опыте использования существующих литий-ионных аккумуляторов, исследователи из Массачусетского технологического института и их коллеги предлагают три широких вопроса, которые могут помочь выявить потенциальные ограничения для будущего расширения в результате выбора материалов. Во-первых, может ли при такой конструкции батареи доступность материалов, цепочки поставок или нестабильность цен стать проблемой при расширении производства? (Обратите внимание, что экологические и другие проблемы, вызванные расширенной добычей, выходят за рамки этого исследования.) Во-вторых, будет ли изготовление батарей из этих материалов включать сложные этапы производства, во время которых детали могут выйти из строя? И, в-третьих, производственные меры, необходимые для обеспечения высокопроизводительного продукта на основе этих материалов, в конечном итоге снижают или повышают стоимость производимых батарей?

Чтобы продемонстрировать свой подход, Оливетти, Седер и Хуанг исследовали химический состав электролитов и структуры батарей, которые в настоящее время исследуются исследователями. Чтобы выбрать свои примеры, они обратились к предыдущей работе, в которой они и их сотрудники использовали методы интеллектуального анализа текста и данных для сбора информации о материалах и деталях обработки, описанных в литературе. Из этой базы данных они выбрали несколько часто упоминаемых вариантов, которые представляют ряд возможностей.

Материалы и наличие

В мире твердых неорганических электролитов существует два основных класса материалов: оксиды, содержащие кислород, и сульфиды, содержащие серу.

Сульфид, рассматриваемый командой, был LGPS, который сочетает в себе литий, германий, фосфор и серу. Основываясь на соображениях доступности, они сосредоточились на германии, элементе, который вызывает опасения отчасти потому, что он обычно не добывается сам по себе. Вместо этого это побочный продукт, образующийся при добыче угля и цинка.

Чтобы исследовать его доступность, исследователи посмотрели, сколько германия производилось ежегодно за последние шесть десятилетий при добыче угля и цинка, а затем сколько могло быть произведено. Результат показал, что даже в последние годы могло быть произведено в 100 раз больше германия. Учитывая такой потенциал питания, наличие германия вряд ли ограничит масштабирование твердотельной батареи на основе электролита LGPS.

Ситуация выглядела менее многообещающей с выбранным исследователями оксидом LLZO, который состоит из лития, лантана, циркония и кислорода. Добыча и переработка лантана в основном сосредоточены в Китае, и данные ограничены, поэтому исследователи не пытались анализировать его доступность. Остальные три элемента доступны в изобилии. Однако на практике необходимо добавить небольшое количество другого элемента, называемого легирующей добавкой, чтобы упростить переработку LLZO. Таким образом, команда сосредоточилась на тантале, наиболее часто используемом допанте, как на основном элементе, вызывающем озабоченность LLZO.

Тантал производится как побочный продукт при добыче олова и ниобия. Исторические данные показывают, что количество тантала, производимого при добыче олова и ниобия, было намного ближе к потенциальному максимуму, чем в случае с германием. Таким образом, доступность тантала вызывает больше беспокойства при возможном увеличении размера батареи на основе LLZO.

Но знание наличия элемента в земле не означает шагов, необходимых для его доставки производителю. Таким образом, исследователи исследовали следующий вопрос, касающийся цепочек поставок для критически важных элементов - добычи, переработки, переработки, отгрузки и так далее. Если предположить, что поставки в изобилии, смогут ли цепочки поставок, которые доставляют эти материалы, расшириться достаточно быстро, чтобы удовлетворить растущий спрос на батареи?

В ходе выборочного анализа они рассмотрели, насколько цепочки поставок германия и тантала должны будут расти из года в год, чтобы обеспечить батареями планируемый парк электромобилей в 2030 году. Например, парк электромобилей часто называют целью на 2030 год. потребует производства достаточного количества батарей, чтобы обеспечить в общей сложности 100 гигаватт-часов энергии. Чтобы достичь этой цели, используя только батареи LGPS, цепочка поставок германия должна будет расти на 50 процентов из года в год - с натяжкой, поскольку в прошлом максимальные темпы роста составляли около 7 процентов. При использовании только батарей LLZO цепочка поставок тантала должна вырасти примерно на 30 процентов - темпы роста намного выше исторического максимума, составляющего около 10 процентов.

Эти примеры демонстрируют важность учета доступности материалов и цепочек поставок при оценке различных твердых электролитов с точки зрения их потенциала расширения. Даже когда количество доступного материала не вызывает беспокойства, как в случае с германием, масштабирование всех этапов цепочки поставок для соответствия будущему производству электрические транспортные средства может потребоваться беспрецедентный рост.

Материалы и обработка

При оценке потенциала расширения конструкции батареи следует учитывать еще один фактор - сложность производственного процесса и то, как это может повлиять на стоимость. Изготовление твердотельной батареи неизбежно включает в себя множество этапов, и отказ на любом этапе увеличивает стоимость каждой успешно произведенной батареи.

В качестве индикатора производственных трудностей исследователи изучили влияние частоты отказов на общую стоимость выбранных конструкций твердотельных батарей в своей базе данных. В одном примере они сосредоточились на оксиде LLZO. LLZO чрезвычайно хрупок, и при высоких температурах, связанных с производством, большой лист, достаточно тонкий для использования в высокопроизводительной твердотельной батарее, может треснуть или деформироваться.

Чтобы определить влияние таких сбоев на стоимость, они смоделировали четыре ключевых этапа обработки при сборке батарей на основе LLZO. На каждом этапе они рассчитывали стоимость на основе предполагаемой доходности, то есть доли от общего числа единиц, которые были успешно обработаны без сбоев. С LLZO доходность была намного ниже, чем с другими исследованными ими конструкциями; а по мере того, как урожайность снизилась, стоимость каждого киловатт-часа (кВтч) энергии батареи значительно выросла. Например, когда на заключительном этапе нагрева катода вышло из строя еще 5 процентов блоков, стоимость увеличилась примерно на 30 долларов / кВт · ч - нетривиальное изменение, учитывая, что общепринятая целевая стоимость для таких батарей составляет 100 долларов / кВт · ч. Ясно, что производственные трудности могут иметь огромное влияние на жизнеспособность конструкции для широкомасштабного внедрения.

Материалы и исполнение

Одна из основных проблем при разработке твердотельной батареи исходит из «интерфейсов», то есть того, где один компонент встречается с другим. Во время производства или эксплуатации материалы на этих интерфейсах могут стать нестабильными. Атомы начинают перемещаться туда, куда им не следует, и производительность батареи снижается.

В результате много исследований посвящено разработке методов стабилизации интерфейсов в различных конструкциях батарей. Многие из предложенных методов действительно повышают производительность; и, как следствие, стоимость батареи в долларах за киловатт-час снижается. Но реализация таких решений обычно требует дополнительных материалов и времени, что увеличивает стоимость киловатт-часа при крупномасштабном производстве.

Чтобы проиллюстрировать этот компромисс, исследователи сначала исследовали их оксид LLZO. Здесь цель состоит в том, чтобы стабилизировать границу раздела между электролитом LLZO и отрицательным электродом, вставив между ними тонкий слой олова. Они проанализировали влияние - как положительное, так и отрицательное - на стоимость внедрения этого решения. Они обнаружили, что добавление оловянного сепаратора увеличивает емкость накопления энергии и улучшает производительность, что снижает удельную стоимость в долларах / кВтч. Но стоимость включения слоя олова превышает экономию, поэтому конечная стоимость выше первоначальной.

В другом анализе они рассмотрели сульфидный электролит под названием LPSCl, который состоит из лития, фосфора и серы с небольшим количеством добавленного хлора. В этом случае положительный электрод включает частицы материала электролита - метод обеспечения того, чтобы ионы лития могли найти путь через электролит к другому электроду. Однако добавленные частицы электролита несовместимы с другими частицами положительного электрода - еще одна проблема интерфейса. В этом случае стандартным решением является добавление «связующего», другого материала, который заставляет частицы слипаться.

Их анализ подтвердил, что без связующего производительность низкая, а стоимость батареи на основе LPSCl составляет более 500 долларов США / кВтч. Добавление связующего значительно улучшает производительность, а стоимость снижается почти на 300 долларов / кВтч. В этом случае стоимость добавления связующего во время производства настолько низка, что, по существу, все снижение стоимости достигается за счет добавления связующего. Здесь метод, реализованный для решения проблемы интерфейса, окупается с меньшими затратами.

Исследователи провели аналогичные исследования других многообещающих твердотельных аккумуляторов, о которых сообщалось в литературе, и их результаты были последовательными: выбор материалов и процессов для аккумуляторов может повлиять не только на краткосрочные результаты в лаборатории, но также на возможность и стоимость производства предложила твердотельную батарею в масштабе, необходимом для удовлетворения будущего спроса. Результаты также показали, что учет всех трех факторов вместе - доступность, потребности в обработке и производительность батареи - важен, поскольку могут иметь место коллективные эффекты и компромиссы.