Karbon emisyonlarını azaltma konusundaki acil ihtiyaç, elektrikli mobiliteye doğru hızlı bir ilerlemeye ve elektrik şebekesinde güneş ve rüzgarın daha geniş bir şekilde kullanılmasına yol açıyor. Bu eğilimler beklendiği gibi artarsa, elektrik enerjisini depolamak için daha iyi yöntemlere olan ihtiyaç yoğunlaşacaktır.
Açıkçası, ızgara tabanlı depolamaya yönelik teknolojilerin büyük ölçekte geliştirilmesi kritik öneme sahiptir. Ancak mobil uygulamalara, özellikle de ulaşıma yönelik araştırmaların çoğu, günümüzün lityum iyon pilinin daha güvenli, daha küçük ve boyutlarına ve ağırlığına göre daha fazla enerji depolayabilen versiyonlarını yapmak üzere uyarlanmasına odaklanıyor.
Geleneksel lityum iyon piller gelişmeye devam ediyor ancak kısmen yapıları nedeniyle devam eden sınırlamaları var. Bir lityum iyon pil, organik (karbon içeren) bir sıvının etrafına sıkıştırılmış biri pozitif diğeri negatif olmak üzere iki elektrottan oluşur. Pil şarj edilirken ve boşaltılırken, elektrik yüklü lityum parçacıkları (veya iyonları) sıvı elektrolit yoluyla bir elektrottan diğerine geçer.
Bu tasarımın bir sorunu, belirli voltaj ve sıcaklıklarda sıvı elektrolitin uçucu hale gelebilmesi ve alev alabilmesidir. Piller normal kullanım koşullarında genellikle güvenlidir ancak risk hala mevcuttur.
Diğer bir sorun ise lityum iyon pillerin araçlarda kullanıma pek uygun olmamasıdır. Büyük, ağır akü paketleri yer kaplar ve aracın toplam ağırlığını artırarak yakıt verimliliğini azaltır. Ancak günümüzün lityum iyon pillerini enerji yoğunluğunu, yani gram ağırlık başına depoladıkları enerji miktarını korurken daha küçük ve daha hafif hale getirmek zor görünüyor.
Bu sorunları çözmek için araştırmacılar, lityum iyon pilin temel özelliklerini tamamen katı veya "katı hal" versiyonu haline getirecek şekilde değiştiriyorlar. Ortadaki sıvı elektroliti, geniş bir voltaj ve sıcaklık aralığında stabil olan ince, katı bir elektrolitle değiştirirler. Bu katı elektrolitle, yüksek kapasiteli bir pozitif elektrot ve normal gözenekli karbon tabakasından çok daha ince olan yüksek kapasiteli bir lityum metal negatif elektrot kullanıyorlar. Bu değişiklikler, enerji depolama kapasitesini korurken genel pilin önemli ölçüde küçültülmesini ve böylece daha yüksek bir enerji yoğunluğu elde edilmesini mümkün kılıyor.
Bu özellikler (artırılmış güvenlik ve daha fazla enerji yoğunluğu), muhtemelen potansiyel bir katı hal pilinin en sık öne sürülen iki avantajıdır.
MIT araştırmacıları ve meslektaşları, endüstrinin mevcut lityum iyon pillerle ilgili deneyimine dayanarak, malzeme seçiminin bir sonucu olarak gelecekteki ölçek büyütme üzerindeki potansiyel kısıtlamaları belirlemeye yardımcı olabilecek üç genel soru öneriyor. İlk olarak, bu pil tasarımıyla üretim ölçekleri arttıkça malzeme bulunabilirliği, tedarik zincirleri veya fiyat değişkenliği sorun haline gelebilir mi? (Genişletilmiş madenciliğin ortaya çıkardığı çevresel ve diğer kaygıların bu çalışmanın kapsamı dışında olduğunu unutmayın.) İkincisi, bu malzemelerden pil üretmek, parçaların arızalanma ihtimalinin yüksek olduğu zor üretim aşamalarını içerecek mi? Üçüncüsü, bu malzemelere dayalı yüksek performanslı bir ürün sağlamak için gereken üretim önlemleri, sonuçta üretilen pillerin maliyetini düşürür mü yoksa artırır mı?
Olivetti, Ceder ve Huang, yaklaşımlarını göstermek için şu anda araştırmacılar tarafından araştırılan bazı elektrolit kimyalarını ve pil yapılarını incelediler. Örneklerini seçmek için, kendilerinin ve işbirlikçilerinin literatürde bildirilen materyaller ve işleme ayrıntıları hakkında bilgi toplamak amacıyla metin ve veri madenciliği tekniklerini kullandıkları önceki çalışmalara başvurdular. Bu veri tabanından, bir dizi olasılığı temsil eden, sıklıkla bildirilen birkaç seçeneği seçtiler.
Malzemeler ve bulunabilirlik
Katı inorganik elektrolitler dünyasında iki ana malzeme sınıfı vardır: oksijen içeren oksitler ve kükürt içeren sülfürler.
Ekibin değerlendirdiği sülfür, lityum, germanyum, fosfor ve sülfürü birleştiren LGPS idi. Bulunabilirlik hususlarına dayanarak, kısmen kendi başına çıkarılmaması nedeniyle endişelere yol açan bir element olan germanyum üzerine odaklandılar. Bunun yerine kömür ve çinko madenciliği sırasında üretilen bir yan üründür.
Araştırmacılar, kullanılabilirliğini araştırmak için, kömür ve çinko madenciliği sırasında son altmış yılda yılda ne kadar germanyum üretildiğine ve ardından ne kadar üretilebileceğine baktılar. Sonuç, son yıllarda bile 100 kat daha fazla germanyumun üretilebileceğini gösterdi. Bu arz potansiyeli göz önüne alındığında, germanyumun mevcudiyetinin, LGPS elektrolitini temel alan katı hal pilinin ölçeğinin büyütülmesini kısıtlaması muhtemel değildir.
Araştırmacıların lityum, lantan, zirkonyum ve oksijenden oluşan seçilmiş oksit LLZO ile durum daha az umut verici görünüyordu. Lantanyumun çıkarılması ve işlenmesi büyük ölçüde Çin'de yoğunlaşmıştır ve mevcut veriler sınırlıdır, bu nedenle araştırmacılar bunun varlığını analiz etmeye çalışmamıştır. Diğer üç element bol miktarda mevcuttur. Ancak pratikte, LLZO'nun işlenmesini kolaylaştırmak için küçük miktarda başka bir elementin (katkı maddesi adı verilen) eklenmesi gerekir. Bu nedenle ekip, LLZO'nun ana endişe unsuru olan, en sık kullanılan katkı maddesi olan tantala odaklandı.
Tantal, kalay ve niyobyum madenciliğinin bir yan ürünü olarak üretilir. Tarihsel veriler, kalay ve niyobyum madenciliği sırasında üretilen tantal miktarının, germanyumdakine göre potansiyel maksimuma çok daha yakın olduğunu göstermektedir. Dolayısıyla tantalın mevcudiyeti, LLZO tabanlı bir pilin olası ölçeğinin büyütülmesi açısından daha fazla endişe vericidir.
Ancak toprakta bir elementin bulunup bulunmadığını bilmek, onu bir üreticiye ulaştırmak için gereken adımları ele almaz. Bu nedenle araştırmacılar, madencilik, işleme, rafine etme, nakliye vb. gibi kritik unsurlara yönelik tedarik zincirleriyle ilgili bir devam sorusunu araştırdılar. Bol miktarda tedarikin mevcut olduğunu varsayarsak, bu malzemeleri sağlayan tedarik zincirleri, pillere yönelik artan talebi karşılayacak kadar hızlı bir şekilde genişleyebilir mi?
Örnek analizlerde, 2030 yılında öngörülen elektrikli araç filosuna pil sağlamak için germanyum ve tantal tedarik zincirlerinin yıldan yıla ne kadar büyümesi gerektiğine baktılar. Örnek olarak, genellikle 2030 hedefi olarak bir elektrikli araç filosu gösteriliyor. Toplamda 100 gigawatt saat enerji sağlamaya yetecek kadar pilin üretilmesi gerekecek. Yalnızca LGPS pilleri kullanarak bu hedefe ulaşmak için, germanyum tedarik zincirinin yıldan yıla yüzde 50 oranında büyümesi gerekiyor; bu çok uzun bir süre, çünkü geçmişteki maksimum büyüme oranı yüzde 7 civarındaydı. Sadece LLZO pilleri kullanıldığında, tantal tedarik zincirinin yaklaşık yüzde 30 oranında büyümesi gerekecek; bu, tarihin en yüksek seviyesi olan yüzde 10'un oldukça üzerinde bir büyüme oranı.
Bu örnekler, farklı katı elektrolitleri ölçek büyütme potansiyelleri açısından değerlendirirken hem malzeme kullanılabilirliğini hem de tedarik zincirlerini dikkate almanın önemini göstermektedir. Germanyumda olduğu gibi mevcut malzeme miktarı endişe verici olmasa bile, tedarik zincirindeki tüm adımları gelecekteki üretime uyacak şekilde ölçeklendirmek elektrikli araçlar kelimenin tam anlamıyla benzeri görülmemiş bir büyüme oranı gerektirebilir.
Malzemeler ve işleme
Bir pil tasarımının ölçeğini büyütme potansiyelini değerlendirirken dikkate alınması gereken diğer bir faktör, üretim sürecinin zorluğu ve bunun maliyeti nasıl etkileyebileceğidir. Katı hal pilinin imalatı kaçınılmaz olarak birçok adımı içerir ve herhangi bir adımdaki başarısızlık, başarıyla üretilen her pilin maliyetini artırır.
Üretim zorluğunun bir göstergesi olarak araştırmacılar, veritabanlarındaki seçilmiş katı hal pil tasarımlarının genel maliyeti üzerinde başarısızlık oranının etkisini araştırdılar. Bir örnekte LLZO oksitine odaklandılar. LLZO son derece kırılgandır ve üretim sırasındaki yüksek sıcaklıklarda, yüksek performanslı katı hal pilinde kullanılabilecek kadar ince olan büyük bir levhanın çatlaması veya bükülmesi muhtemeldir.
Bu tür arızaların maliyet üzerindeki etkisini belirlemek için LLZO tabanlı pillerin montajında dört temel işlem adımını modellediler. Her adımda maliyeti varsayılan verime (yani toplam birimlerin hatasız bir şekilde başarıyla işlenen kısmına) göre hesapladılar. LLZO'nun getirisi, inceledikleri diğer tasarımlara göre çok daha düşüktü; ve verim düştükçe her kilovatsaat (kWh) pil enerjisinin maliyeti önemli ölçüde arttı. Örneğin, son katot ısıtma aşamasında yüzde 5 daha fazla ünite arızalandığında, maliyet yaklaşık 30 $/kWh arttı; bu tür piller için genel olarak kabul edilen hedef maliyetin 100 $/kWh olduğu göz önüne alındığında, bu önemsiz bir değişiklik. Açıkça görülüyor ki, üretim zorlukları, bir tasarımın geniş ölçekte benimsenmesinin uygulanabilirliği üzerinde derin bir etkiye sahip olabilir.
Malzemeler ve performans
Tamamen katı bir pil tasarlamanın ana zorluklarından biri "arayüzlerden", yani bir bileşenin diğeriyle buluştuğu yerden kaynaklanır. Üretim veya operasyon sırasında bu arayüzlerdeki malzemeler kararsız hale gelebilir. Atomlar gitmemeleri gereken yerlere gitmeye başlar ve pil performansı düşer.
Sonuç olarak, farklı pil tasarımlarında arayüzleri stabilize etme yöntemlerinin geliştirilmesine yönelik birçok araştırma yapılmıştır. Önerilen yöntemlerin çoğu performansı artırıyor; ve bunun sonucunda pilin kWh başına dolar cinsinden maliyeti düşüyor. Ancak bu tür çözümlerin uygulanması genellikle ilave malzeme ve zaman gerektirir, bu da büyük ölçekli üretim sırasında kWh başına maliyeti artırır.
Bu değiş tokuşu göstermek için araştırmacılar ilk önce oksitleri LLZO'yu incelediler. Burada amaç, LLZO elektroliti ile negatif elektrot arasındaki arayüzü, ikisi arasına ince bir kalay tabakası yerleştirerek stabilize etmektir. Bu çözümü uygulamanın maliyeti üzerindeki hem olumlu hem de olumsuz etkileri analiz ettiler. Kalay ayırıcı eklemenin enerji depolama kapasitesini artırdığını ve performansı iyileştirdiğini, bunun da dolar/kWh cinsinden birim maliyeti azalttığını buldular. Ancak kalay tabakasının dahil edilmesinin maliyeti, tasarrufları aşar ve böylece nihai maliyet, orijinal maliyetten daha yüksek olur.
Başka bir analizde, lityum, fosfor ve kükürt ile bir miktar klor ilavesinden oluşan LPSCl adı verilen bir sülfür elektrolite baktılar. Bu durumda pozitif elektrot, elektrolit malzemenin parçacıklarını içerir; bu, lityum iyonlarının elektrolit içinden diğer elektrota giden bir yol bulmasını sağlayan bir yöntemdir. Ancak eklenen elektrolit parçacıkları pozitif elektrottaki diğer parçacıklarla uyumlu değildir; bu da başka bir arayüz sorunudur. Bu durumda standart bir çözüm, parçacıkların birbirine yapışmasını sağlayan başka bir malzeme olan bir "bağlayıcı" eklemektir.
Analizleri, bağlayıcı olmadan performansın zayıf olduğunu ve LPSCl bazlı pilin maliyetinin 500 $/kWh'den fazla olduğunu doğruladı. Bağlayıcının eklenmesi performansı önemli ölçüde artırır ve maliyet neredeyse 300 $/kWh düşer. Bu durumda bağlayıcının üretim sırasında ilave edilmesinin maliyeti o kadar düşüktür ki esasen maliyet düşüşünün tamamı bağlayıcının eklenmesinden elde edilir. Burada arayüz problemini çözmek için uygulanan yöntem daha düşük maliyetlerle kendini amorti ediyor.
Araştırmacılar, literatürde yer alan diğer gelecek vaat eden katı hal pilleri üzerinde de benzer çalışmalar gerçekleştirdiler ve sonuçları tutarlıydı: Pil malzemelerinin ve süreçlerinin seçimi, yalnızca laboratuvardaki yakın vadeli sonuçları değil, aynı zamanda pilin üretiminin fizibilitesini ve maliyetini de etkileyebilir. gelecekteki talebi karşılamak için gereken ölçekte katı hal pili önerdi. Sonuçlar ayrıca, üç faktörün (kullanılabilirlik, işlem ihtiyaçları ve pil performansı) birlikte değerlendirilmesinin önemli olduğunu, çünkü kolektif etkiler ve ödünleşimlerin söz konusu olabileceğini gösterdi.
MİT
- Bu yazarın başka yazısı yok.