การออกแบบแบตเตอรี่ที่ดีขึ้นสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า

ความจำเป็นเร่งด่วนในการลดการปล่อยคาร์บอนกำลังกระตุ้นให้มีการเคลื่อนไหวอย่างรวดเร็วไปสู่การขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า และการขยายการใช้พลังงานแสงอาทิตย์และลมบนโครงข่ายไฟฟ้า หากแนวโน้มดังกล่าวเพิ่มขึ้นตามที่คาดไว้ ความต้องการวิธีการเก็บพลังงานไฟฟ้าที่ดีขึ้นก็จะยิ่งทวีความรุนแรงมากขึ้น

เห็นได้ชัดว่าการพัฒนาเทคโนโลยีสำหรับการจัดเก็บข้อมูลแบบกริดในขนาดใหญ่เป็นสิ่งสำคัญ แต่สำหรับแอปพลิเคชันมือถือ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การขนส่ง การวิจัยจำนวนมากมุ่งเน้นไปที่การปรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในปัจจุบันเพื่อสร้างเวอร์ชันที่ปลอดภัยกว่า เล็กกว่า และสามารถเก็บพลังงานได้มากขึ้นสำหรับขนาดและน้ำหนัก

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบดั้งเดิมยังคงพัฒนาต่อไป แต่ยังมีข้อจำกัดที่ยังคงมีอยู่ ส่วนหนึ่งเป็นเพราะโครงสร้าง แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนประกอบด้วยอิเล็กโทรดสองอิเล็กโทรด—ขั้วหนึ่งขั้วบวกและขั้วลบหนึ่งขั้ว—ถูกพันรอบของเหลวอินทรีย์ (ที่ประกอบด้วยคาร์บอน) เมื่อแบตเตอรี่ถูกชาร์จและคายประจุ อนุภาค (หรือไอออน) ที่มีประจุไฟฟ้าของลิเธียมจะผ่านจากอิเล็กโทรดหนึ่งไปยังอีกขั้วหนึ่งผ่านอิเล็กโทรไลต์เหลว

ปัญหาหนึ่งของการออกแบบนั้นคือที่แรงดันไฟฟ้าและอุณหภูมิที่กำหนด อิเล็กโทรไลต์เหลวอาจระเหยและติดไฟได้ โดยทั่วไปแล้วแบตเตอรี่จะปลอดภัยภายใต้การใช้งานปกติ แต่ความเสี่ยงยังคงมีอยู่

ปัญหาอีกประการหนึ่งคือแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนไม่เหมาะสำหรับใช้ในรถยนต์ ชุดแบตเตอรี่ขนาดใหญ่และหนักใช้พื้นที่และเพิ่มน้ำหนักโดยรวมของรถ ทำให้ประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงลดลง แต่เป็นการยากที่จะทำให้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในปัจจุบันมีขนาดเล็กลงและเบาขึ้นโดยที่ยังคงความหนาแน่นของพลังงาน นั่นคือปริมาณพลังงานที่เก็บไว้ต่อน้ำหนักหนึ่งกรัม

เพื่อแก้ปัญหาเหล่านี้ นักวิจัยกำลังเปลี่ยนคุณสมบัติหลักของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนให้เป็นเวอร์ชันที่เป็นของแข็งทั้งหมดหรือ "โซลิดสเตต" พวกเขาแทนที่อิเล็กโทรไลต์เหลวที่อยู่ตรงกลางด้วยอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งที่บางและเสถียรที่ช่วงแรงดันไฟฟ้าและอุณหภูมิที่หลากหลาย ด้วยอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งนั้น พวกเขาใช้อิเล็กโทรดขั้วบวกความจุสูงและอิเล็กโทรดขั้วลบโลหะลิเธียมความจุสูงที่บางกว่าชั้นคาร์บอนที่มีรูพรุนปกติมาก การเปลี่ยนแปลงดังกล่าวทำให้สามารถย่อขนาดแบตเตอรี่โดยรวมได้อย่างมากในขณะที่ยังคงความจุในการจัดเก็บพลังงาน ซึ่งจะทำให้มีความหนาแน่นของพลังงานสูงขึ้น

คุณลักษณะเหล่านี้—ความปลอดภัยที่เพิ่มขึ้นและความหนาแน่นของพลังงานที่มากขึ้น—อาจเป็นข้อดีสองประการที่มักถูกกล่าวถึงมากที่สุดของแบตเตอรี่โซลิดสเตตที่มีศักยภาพ

จากประสบการณ์ของอุตสาหกรรมเกี่ยวกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในปัจจุบัน นักวิจัยของ MIT และเพื่อนร่วมงานได้เสนอคำถามกว้างๆ สามข้อที่สามารถช่วยระบุข้อจำกัดที่อาจเกิดขึ้นในการเพิ่มขนาดในอนาคตอันเป็นผลมาจากการเลือกวัสดุ ประการแรก ด้วยการออกแบบแบตเตอรี่นี้ ความพร้อมใช้งานของวัสดุ ห่วงโซ่อุปทาน หรือความผันผวนของราคาจะกลายเป็นปัญหาเมื่อการผลิตเพิ่มขึ้นหรือไม่ (โปรดทราบว่าปัญหาด้านสิ่งแวดล้อมและข้อกังวลอื่นๆ ที่เกิดจากการขยายการขุดนั้นอยู่นอกเหนือขอบเขตของการศึกษานี้) ประการที่สอง การประดิษฐ์แบตเตอรี่จากวัสดุเหล่านี้เกี่ยวข้องกับขั้นตอนการผลิตที่ยากลำบากในระหว่างที่ชิ้นส่วนมีแนวโน้มว่าจะล้มเหลวหรือไม่ และประการที่สาม มาตรการการผลิตที่จำเป็นเพื่อให้แน่ใจว่าผลิตภัณฑ์ประสิทธิภาพสูงที่ใช้วัสดุเหล่านี้ลดหรือเพิ่มต้นทุนของแบตเตอรี่ที่ผลิตได้ในที่สุดหรือไม่

เพื่อแสดงแนวทางของพวกเขา Olivetti, Ceder และ Huang ได้ตรวจสอบเคมีอิเล็กโทรไลต์และโครงสร้างแบตเตอรี่บางส่วนที่กำลังถูกตรวจสอบโดยนักวิจัย ในการเลือกตัวอย่าง พวกเขาหันไปทำงานก่อนหน้าซึ่งพวกเขาและผู้ทำงานร่วมกันใช้เทคนิคการทำข้อความและการทำเหมืองข้อมูลเพื่อรวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับวัสดุและรายละเอียดการประมวลผลที่รายงานในเอกสาร จากฐานข้อมูลนั้น พวกเขาเลือกตัวเลือกที่รายงานบ่อยๆ ซึ่งแสดงถึงความเป็นไปได้ต่างๆ

วัสดุและความพร้อมใช้งาน

ในโลกของอิเล็กโทรไลต์อนินทรีย์ที่เป็นของแข็ง มีวัสดุสองประเภทหลัก ได้แก่ ออกไซด์ซึ่งมีออกซิเจนและซัลไฟด์ซึ่งมีกำมะถัน

ซัลไฟด์ที่ทีมพิจารณาคือ LGPS ซึ่งรวมลิเธียม เจอร์เมเนียม ฟอสฟอรัส และกำมะถัน โดยพิจารณาจากความพร้อมในการใช้งาน พวกเขามุ่งเน้นไปที่เจอร์เมเนียม ซึ่งเป็นองค์ประกอบที่ก่อให้เกิดความกังวลส่วนหนึ่งเนื่องจากโดยทั่วไปแล้วมันไม่ได้ถูกขุดขึ้นมาเอง แต่เป็นผลพลอยได้จากการขุดถ่านหินและสังกะสี

เพื่อตรวจสอบความพร้อมของมัน นักวิจัยได้พิจารณาว่ามีการผลิตเจอร์เมเนียมจำนวนเท่าใดต่อปีในช่วงหกทศวรรษที่ผ่านมาระหว่างการทำเหมืองถ่านหินและสังกะสี และจากนั้นจะผลิตได้เท่าใด ผลการวิจัยชี้ให้เห็นว่าสามารถผลิตเจอร์เมเนียมได้มากกว่า 100 เท่า แม้ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เมื่อพิจารณาถึงศักยภาพในการจัดหา ความพร้อมใช้งานของเจอร์เมเนียมไม่น่าจะจำกัดการขยายขนาดของแบตเตอรี่โซลิดสเตตที่ใช้อิเล็กโทรไลต์ LGPS

สถานการณ์ดูมีแนวโน้มน้อยลงเมื่อใช้ออกไซด์ที่นักวิจัยเลือก LLZO ซึ่งประกอบด้วยลิเธียม แลนทานัม เซอร์โคเนียม และออกซิเจน การสกัดและแปรรูปแลนทานัมส่วนใหญ่กระจุกตัวอยู่ในประเทศจีน และมีข้อมูลที่จำกัด ดังนั้นนักวิจัยจึงไม่พยายามวิเคราะห์ความพร้อมของแลนทานัม อีกสามองค์ประกอบที่มีอยู่อย่างมากมาย อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ ต้องเพิ่มองค์ประกอบอีกจำนวนเล็กน้อยที่เรียกว่าสารเจือปน เพื่อให้ LLZO ดำเนินการได้ง่าย ดังนั้น ทีมงานจึงมุ่งเน้นไปที่แทนทาลัม ซึ่งเป็นสารเจือปนที่ใช้บ่อยที่สุด เป็นองค์ประกอบหลักของความกังวลสำหรับ LLZO

แทนทาลัมผลิตเป็นผลพลอยได้จากการขุดดีบุกและไนโอเบียม ข้อมูลในอดีตแสดงให้เห็นว่าปริมาณแทนทาลัมที่ผลิตระหว่างการขุดดีบุกและไนโอเบียมนั้นใกล้เคียงกับค่าสูงสุดที่เป็นไปได้มากกว่าในกรณีของเจอร์เมเนียม ดังนั้นความพร้อมใช้งานของแทนทาลัมจึงเป็นเรื่องที่น่ากังวลมากกว่าสำหรับการขยายขนาดของแบตเตอรี่ที่ใช้ LLZO

แต่การรู้ถึงความพร้อมใช้งานขององค์ประกอบในพื้นดินไม่ได้กล่าวถึงขั้นตอนที่จำเป็นในการส่งไปยังผู้ผลิต ดังนั้น นักวิจัยจึงตรวจสอบคำถามที่ตามมาเกี่ยวกับห่วงโซ่อุปทานสำหรับองค์ประกอบที่สำคัญ เช่น การขุด การแปรรูป การกลั่น การขนส่ง และอื่นๆ สมมติว่ามีวัสดุสิ้นเปลืองมากมาย ห่วงโซ่อุปทานที่ส่งมอบวัสดุเหล่านั้นจะขยายตัวเร็วพอที่จะตอบสนองความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับแบตเตอรี่ได้หรือไม่

ในการวิเคราะห์ตัวอย่าง พวกเขาพิจารณาว่าห่วงโซ่อุปทานของเจอร์เมเนียมและแทนทาลัมจะต้องเติบโตเป็นจำนวนเท่าใดทุกปีเพื่อจัดหาแบตเตอรี่สำหรับยานพาหนะไฟฟ้าที่คาดการณ์ไว้ในปี 2030 ตัวอย่างเช่น กองยานพาหนะไฟฟ้ามักอ้างว่าเป็นเป้าหมายในปี 2030 จะต้องผลิตแบตเตอรี่ให้เพียงพอเพื่อส่งพลังงานทั้งหมด 100 กิกะวัตต์ชั่วโมง เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนั้นโดยใช้แบตเตอรี่ LGPS เพียงอย่างเดียว ห่วงโซ่อุปทานสำหรับเจอร์เมเนียมจะต้องเติบโต 50% จากปีแล้วปีเล่า ซึ่งเป็นช่วงที่ยืดเยื้อ เนื่องจากอัตราการเติบโตสูงสุดในอดีตอยู่ที่ประมาณ 7 เปอร์เซ็นต์ การใช้แบตเตอรี่ LLZO เพียงอย่างเดียว ห่วงโซ่อุปทานสำหรับแทนทาลัมจะต้องเติบโตประมาณ 30 เปอร์เซ็นต์ ซึ่งเป็นอัตราการเติบโตที่สูงกว่าระดับสูงสุดเป็นประวัติการณ์ที่ประมาณ 10 เปอร์เซ็นต์

ตัวอย่างเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงความสำคัญของการพิจารณาทั้งความพร้อมใช้งานของวัสดุและห่วงโซ่อุปทาน เมื่อประเมินอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งที่แตกต่างกันสำหรับศักยภาพในการขยายขนาด แม้ว่าปริมาณวัสดุที่มีอยู่จะไม่เป็นปัญหา เช่นเดียวกับเจอร์เมเนียม การปรับขั้นตอนทั้งหมดในห่วงโซ่อุปทานให้ตรงกับการผลิตในอนาคตของ ยานพาหนะไฟฟ้า อาจต้องการอัตราการเติบโตที่ไม่เคยมีมาก่อนอย่างแท้จริง

วัสดุและการแปรรูป

ในการประเมินศักยภาพในการขยายขนาดของการออกแบบแบตเตอรี่ ปัจจัยที่ต้องพิจารณาอีกประการหนึ่งคือความยากของกระบวนการผลิตและผลกระทบต่อต้นทุนจะเป็นอย่างไร การผลิตแบตเตอรี่โซลิดสเทตย่อมมีหลายขั้นตอนอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ และความล้มเหลวในทุกขั้นตอนจะทำให้ต้นทุนของแบตเตอรี่ที่ผลิตได้สำเร็จเพิ่มขึ้น

ในฐานะตัวแทนของความยากลำบากในการผลิต นักวิจัยได้สำรวจผลกระทบของอัตราความล้มเหลวต่อต้นทุนโดยรวมสำหรับการออกแบบแบตเตอรี่โซลิดสเตตที่เลือกไว้ในฐานข้อมูล ในตัวอย่างหนึ่ง พวกเขามุ่งเน้นไปที่ออกไซด์ LLZO LLZO มีความเปราะบางอย่างยิ่ง และที่อุณหภูมิสูงที่เกี่ยวข้องกับการผลิต แผ่นงานขนาดใหญ่ที่บางพอที่จะใช้ในแบตเตอรี่โซลิดสเตตประสิทธิภาพสูงมักจะแตกหรือบิดเบี้ยว

เพื่อตรวจสอบผลกระทบของความล้มเหลวดังกล่าวที่มีต่อต้นทุน พวกเขาได้จำลองขั้นตอนการประมวลผลหลักสี่ขั้นตอนในการประกอบแบตเตอรี่ที่ใช้ LLZO ในแต่ละขั้นตอน พวกเขาคำนวณต้นทุนตามผลตอบแทนที่สมมติขึ้น นั่นคือเศษส่วนของหน่วยทั้งหมดที่ประมวลผลได้สำเร็จโดยไม่ล้มเหลว ด้วย LLZO ผลผลิตต่ำกว่าแบบอื่นๆ ที่พวกเขาตรวจสอบมาก และเมื่อผลผลิตลดลง ค่าใช้จ่ายของพลังงานแบตเตอรี่แต่ละกิโลวัตต์-ชั่วโมง (kWh) ก็เพิ่มขึ้นอย่างมาก ตัวอย่างเช่น เมื่อหน่วยล้มเหลวอีก 5% ในระหว่างขั้นตอนการให้ความร้อนด้วยแคโทดขั้นสุดท้าย ต้นทุนก็เพิ่มขึ้นประมาณ 30 ดอลลาร์/กิโลวัตต์ชั่วโมง ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงที่ไม่สำคัญเมื่อพิจารณาว่าต้นทุนเป้าหมายที่ยอมรับโดยทั่วไปสำหรับแบตเตอรี่ดังกล่าวคือ 100 ดอลลาร์/กิโลวัตต์ชั่วโมง เห็นได้ชัดว่าปัญหาในการผลิตอาจส่งผลกระทบอย่างลึกซึ้งต่อความอยู่รอดของการออกแบบสำหรับการนำไปใช้ในวงกว้าง

วัสดุและประสิทธิภาพ

หนึ่งในความท้าทายหลักในการออกแบบแบตเตอรี่แบบแข็งทั้งหมดมาจาก "อินเทอร์เฟซ" นั่นคือส่วนประกอบหนึ่งมาบรรจบกับอีกส่วนประกอบหนึ่ง ในระหว่างการผลิตหรือการดำเนินงาน วัสดุที่ส่วนต่อประสานเหล่านั้นอาจไม่เสถียร อะตอมเริ่มไปในที่ที่ไม่ควรทำ และประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ลดลง

ด้วยเหตุนี้ การวิจัยจำนวนมากจึงทุ่มเทให้กับการค้นหาวิธีรักษาเสถียรภาพของอินเทอร์เฟซในการออกแบบแบตเตอรี่แบบต่างๆ หลายวิธีที่เสนอจะเพิ่มประสิทธิภาพ และด้วยเหตุนี้ ค่าใช้จ่ายของแบตเตอรี่ในหน่วยดอลลาร์ต่อกิโลวัตต์ชั่วโมงจึงลดลง แต่การนำโซลูชันดังกล่าวไปใช้โดยทั่วไปเกี่ยวข้องกับวัสดุและเวลาที่เพิ่มขึ้น ทำให้ต้นทุนต่อกิโลวัตต์ชั่วโมงเพิ่มขึ้นในระหว่างการผลิตขนาดใหญ่

เพื่อแสดงให้เห็นการประนีประนอมนั้น นักวิจัยได้ตรวจสอบออกไซด์ของพวกมันก่อน LLZO ที่นี่ เป้าหมายคือการทำให้ส่วนต่อประสานระหว่างอิเล็กโทรไลต์ LLZO กับอิเล็กโทรดลบมีความเสถียรโดยการใส่ดีบุกบาง ๆ ระหว่างทั้งสอง พวกเขาวิเคราะห์ผลกระทบ - ทั้งด้านบวกและด้านลบ - ต่อค่าใช้จ่ายในการดำเนินการแก้ไขปัญหานั้น พวกเขาพบว่าการเพิ่มตัวแยกดีบุกจะเพิ่มความสามารถในการเก็บพลังงานและปรับปรุงประสิทธิภาพ ซึ่งช่วยลดต้นทุนต่อหน่วยเป็นดอลลาร์/กิโลวัตต์ชั่วโมง แต่ค่าใช้จ่ายในการรวมชั้นดีบุกนั้นสูงกว่าเงินออม ดังนั้นต้นทุนสุดท้ายจึงสูงกว่าต้นทุนเดิม

ในการวิเคราะห์อื่น พวกเขาดูที่อิเล็กโทรไลต์ซัลไฟด์ที่เรียกว่า LPSCl ซึ่งประกอบด้วยลิเธียม ฟอสฟอรัส และกำมะถันที่เติมคลอรีนเล็กน้อย ในกรณีนี้ อิเล็กโทรดขั้วบวกจะรวมอนุภาคของวัสดุอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งเป็นวิธีการตรวจสอบให้แน่ใจว่าลิเธียมไอออนสามารถหาทางเดินผ่านอิเล็กโทรไลต์ไปยังอิเล็กโทรดอื่นได้ อย่างไรก็ตาม อนุภาคอิเล็กโทรไลต์ที่เพิ่มเข้าไปนั้นเข้ากันไม่ได้กับอนุภาคอื่นๆ ในอิเล็กโทรดขั้วบวก ซึ่งเป็นปัญหาส่วนต่อประสานอื่น ในกรณีนี้ วิธีมาตรฐานคือการเพิ่ม "สารยึดเกาะ" ซึ่งเป็นวัสดุอื่นที่ทำให้อนุภาคเกาะติดกัน

การวิเคราะห์ของพวกเขายืนยันว่าหากไม่มีสารยึดเกาะ ประสิทธิภาพการทำงานไม่ดี และค่าใช้จ่ายของแบตเตอรี่ที่ใช้ LPSCl นั้นมากกว่า $500/kWh การเพิ่มสารยึดเกาะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพได้อย่างมาก และต้นทุนลดลงเกือบ 300 ดอลลาร์/กิโลวัตต์ชั่วโมง ในกรณีนี้ ค่าใช้จ่ายในการเพิ่มสารยึดเกาะในระหว่างการผลิตต่ำมากจนทำให้ต้นทุนทั้งหมดลดลงจากการเพิ่มสารยึดเกาะ ที่นี่วิธีการดำเนินการเพื่อแก้ปัญหาอินเทอร์เฟซจ่ายด้วยต้นทุนที่ต่ำลง

นักวิจัยได้ทำการศึกษาที่คล้ายกันของแบตเตอรี่โซลิดสเตตอื่น ๆ ที่มีแนวโน้มว่าจะรายงานในเอกสาร และผลลัพธ์ของพวกเขามีความสอดคล้องกัน: การเลือกใช้วัสดุและกระบวนการของแบตเตอรี่อาจส่งผลกระทบไม่เพียงแต่ผลลัพธ์ในระยะสั้นในห้องปฏิบัติการ แต่ยังรวมถึงความเป็นไปได้และต้นทุนในการผลิต เสนอแบตเตอรี่โซลิดสเตตในระดับที่จำเป็นเพื่อตอบสนองความต้องการในอนาคต ผลลัพธ์ยังแสดงให้เห็นว่าการพิจารณาปัจจัยทั้งสามร่วมกัน—ความพร้อมใช้งาน ความต้องการในการประมวลผล และประสิทธิภาพของแบตเตอรี่—มีความสำคัญ เนื่องจากอาจมีผลกระทบโดยรวมและการแลกเปลี่ยนที่เกี่ยวข้อง