Тэрміновая неабходнасць скараціць выкіды вуглякіслага газу выклікае хуткі рух да электрыфікацыі транспарту і пашырэння выкарыстання сонечнай і ветравой энергіі ў сетцы. Калі гэтыя тэндэнцыі будуць абвастрацца, як чакаецца, патрэба ў лепшых метадах захоўвання электрычнай энергіі ўзмоцніцца.
Нам патрэбныя ўсе стратэгіі, якія мы можам атрымаць для барацьбы з пагрозай змены клімату, кажа д-р Эльза Алівэці, дацэнт кафедры матэрыялазнаўства і інжынерыі Эстэр і Гаральда Эджэртана. Відавочна, што развіццё сеткавых тэхналогій захоўвання дадзеных мае вырашальнае значэнне. Але для мабільных прыкладанняў - асабліва транспарту - шмат даследаванняў сканцэнтравана на адаптацыі сучасныхлітый-іённыя батарэібыць больш бяспечнымі, меншымі і здольнымі захоўваць больш энергіі для іх памеру і вагі.
Звычайныя літый-іённыя батарэі працягваюць удасканальвацца, але іх абмежаванні застаюцца, часткова з-за іх структуры.Літый-іённыя акумулятары складаюцца з двух электродаў, аднаго станоўчага і аднаго адмоўнага, заціснутых у арганічнай вадкасці (якая змяшчае вуглярод). Калі акумулятар зараджаецца і разраджаецца, зараджаныя часціцы (або іёны) літыя пераходзяць ад аднаго электрода да іншага праз вадкі электраліт.
Адной з праблем гэтай канструкцыі з'яўляецца тое, што пры пэўных напружаннях і тэмпературах вадкі электраліт можа стаць лятучым і загарэцца. Батарэі ў цэлым бяспечныя пры звычайным выкарыстанні, але рызыка застаецца, кажа д-р Кевін Хуанг Ph.D.'15, навуковы супрацоўнік групы Алівэці.
Яшчэ адна праблема заключаецца ў тым, што літый-іённыя батарэі не падыходзяць для выкарыстання ў аўтамабілях. Вялікія цяжкія акумулятары займаюць месца, павялічваюць агульную вагу аўтамабіля і зніжаюць паліўную эфектыўнасць. Аднак зрабіць сучасныя літый-іённыя акумулятары меншымі і лягчэйшымі, захоўваючы пры гэтым іх шчыльнасць энергіі - колькасць энергіі, назапашанай на грам вагі, аказваецца складана.
Каб вырашыць гэтыя праблемы, даследчыкі змяняюць асноўныя характарыстыкі літый-іённых акумулятараў, каб стварыць цалкам цвёрдацельныя, або цвёрдацельныя, версіі. Яны замяняюць вадкі электраліт у сярэдзіне тонкім цвёрдым электралітам, стабільным у шырокім дыяпазоне напружанняў і тэмператур. З гэтым цвёрдым электралітам яны выкарыстоўвалі станоўчы электрод высокай ёмістасці і адмоўны электрод з металічнага літыя высокай ёмістасці, які быў значна менш таўшчынёй, чым звычайны кіпры вугляродны пласт. Гэтыя змены дазваляюць зрабіць клетку значна меншай, захоўваючы пры гэтым яе ёмістасць для захоўвання энергіі, што прыводзіць да больш высокай шчыльнасці энергіі.
Гэтыя асаблівасці - падвышаная бяспека і вялікая энергаёмістасць- верагодна, дзве найбольш часта рэкламаваныя перавагі патэнцыйных цвёрдацельных акумулятараў, аднак усе гэтыя рэчы арыентаваны ў будучыню і чакаюцца, і не абавязкова дасягальныя. Тым не менш, гэтая магчымасць прымушае многіх даследчыкаў шукаць матэрыялы і канструкцыі, якія выканаюць гэта абяцанне.
Мысленне за межамі лабараторыі
Даследчыкі прыдумалі шэраг інтрыгуючых сцэнарыяў, якія выглядаюць шматспадзеўнымі ў лабараторыі. Але Алівэці і Хуанг лічаць, што, улічваючы тэрміновасць праблемы змены клімату, дадатковыя практычныя меркаванні могуць быць важнымі. «Мы, даследчыкі, заўсёды маем у лабараторыі паказчыкі, каб ацаніць магчымыя матэрыялы і працэсы», — кажа Алівэці. Прыклады могуць уключаць ёмістасць для захоўвання энергіі і хуткасць зарадкі/разрадкі. Але калі мэтай з'яўляецца рэалізацыя, мы прапануем дадаць паказчыкі, якія канкрэтна разглядаюць патэнцыял хуткага маштабавання.
Матэрыялы і наяўнасць
У свеце цвёрдых неарганічных электралітаў існуе два асноўных тыпу матэрыялаў - аксіды, якія змяшчаюць кісларод, і сульфіды, якія змяшчаюць серу. Тантал вырабляецца як пабочны прадукт пры здабычы волава і ніёбія. Гістарычныя дадзеныя паказваюць, што вытворчасць тантала бліжэй да патэнцыйнага максімуму, чым германію пры здабычы волава і ніобію. Такім чынам, даступнасць тантала выклікае вялікую заклапочанасць у сувязі з магчымым павелічэннем колькасці клетак на аснове LLZO.
Аднак веданне наяўнасці элемента ў зямлі не вырашае крокаў, неабходных для таго, каб ён трапіў у рукі вытворцаў. Таму даследчыкі даследавалі наступнае пытанне аб ланцужку паставак ключавых элементаў - здабычы, перапрацоўкі, перапрацоўкі, транспарціроўкі і г.д. Калі выказаць здагадку, што запасы багатыя, ці можна пашырыць ланцужок паставак для дастаўкі гэтых матэрыялаў дастаткова хутка, каб задаволіць рост попыт на акумулятары?
У аналізе ўзораў яны паглядзелі, наколькі ланцужок паставак германію і танталу павінен расці з года ў год, каб забяспечыць акумулятарамі парк электрычных транспартных сродкаў, запланаваны на 2030 год. У якасці прыкладу, парк электрамабіляў, які часта згадваецца ў якасці мэты на 2030 год, павінен будзе вырабляць дастатковую колькасць акумулятараў, каб забяспечыць у агульнай складанасці 100 гігават гадзін энергіі. Для дасягнення гэтай мэты, выкарыстоўваючы толькі батарэі LGPS, ланцуг паставак германію павінен вырасці на 50% у гадавым вылічэнні - нядрэнна, паколькі ў мінулым максімальны тэмп росту складаў каля 7%. Выкарыстоўваючы толькі клеткі LLZO, ланцужок паставак тантала павінен вырасці прыкладна на 30% - тэмпы росту значна перавышаюць гістарычны максімум каля 10%.
Гэтыя прыклады паказваюць важнасць уліку даступнасці матэрыялу і ланцужкі паставак пры ацэнцы патэнцыялу павелічэння маштабу розных цвёрдых электралітаў, кажа Хуан: Нават калі колькасць матэрыялу не з'яўляецца праблемай, як у выпадку з германіем, пашырэнне ўсіх крокі ў ланцужку паставак, якія адпавядаюць вытворчасці будучых электрамабіляў, могуць запатрабаваць практычна беспрэцэдэнтных тэмпаў росту.
Матэрыялы і апрацоўка
Яшчэ адзін фактар, які трэба ўлічваць пры ацэнцы патэнцыялу маштабаванасці канструкцыі батарэі, - гэта складанасць вытворчага працэсу і ўплыў, які ён можа аказаць на кошт. Вытворчасць цвёрдацельнай батарэі непазбежна ўключае шмат этапаў, і адмова ні ад аднаго этапу павялічвае кошт кожнай паспяхова вырабленай батарэі.
Алівэці, Сэдэр і Хуанг у якасці проксі для вытворчых цяжкасцей вывучылі ўплыў інтэнсіўнасці адмоваў на агульны кошт выбраных канструкцый цвёрдацельных батарэй у сваёй базе дадзеных. У адным прыкладзе яны засяродзіліся на аксідзе LLZO. LLZO вельмі далікатны, і вялікія лісты, дастаткова тонкія для выкарыстання ў высокаэфектыўных цвёрдацельных батарэях, могуць парэпацца або дэфармавацца пры высокіх тэмпературах, звязаных з вытворчым працэсам.
Каб вызначыць кошт такіх збояў, яны змадэлявалі чатыры ключавыя этапы апрацоўкі, звязаныя са зборкай клетак LLZO. На кожным этапе яны разлічвалі кошт на аснове меркаванага выхаду, гэта значыць долі агульнай колькасці клетак, якія былі паспяхова апрацаваны без збояў. Для LLZO выхад быў значна ніжэй, чым для іншых канструкцый, якія яны вывучалі; больш за тое, па меры зніжэння выхаду кошт за кілават-гадзіну (кВт-гадзіну) энергіі клетак значна павялічыўся. Напрыклад, калі да апошняй стадыі нагрэву катода было дададзена на 5% больш элементаў, кошт вырас прыкладна на 30 долараў/кВт-гадз - нязначная змена, улічваючы, што агульнапрыняты мэтавы кошт для такіх элементаў складае 100 долараў за кВт-гадз. Відавочна, што вытворчыя цяжкасці могуць аказаць сур'ёзны ўплыў на магчымасць шырокамаштабнага прыняцця дызайну.
Час публікацыі: 9 верасня 2022 г