Разработка лучших аккумуляторов для электромобилей

Разработкалучшихаккумуляторовдляэлектромобилей

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

«Нам нужны все стратегии, которые мы можем получить для устранения угрозы изменения климата», – говорит Эльза. Оливетти, доктор философии 07, Эстер и Гарольд Эджертон, адъюнкт-профессор материаловедения и инженерии. «Очевидно, что разработка крупномасштабных технологий для сетевых хранилищ имеет решающее значение. Но что касается мобильных приложений – в частности, транспорта – многие исследования сосредоточены на адаптации сегодняшних литий-ионных аккумуляторов, чтобы сделать их более безопасными, компактными и способными хранить больше энергии для своего 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 – положительного и 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 этой конструкции заключается в том, что при определенных напряжениях и температуры жидкий электролит может стать летучим и загореться. «Батареи, как правило, безопасны при нормальном использовании, но риск все же существует», – говорит Кевин Хуанг, доктор философии 30, ученый-исследователь из г. Группа Оливетти.

Другая проблема заключается в том, что литий-ионные батареи не 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.

Для решения этих проблем, Исследователи меняют ключевые характеристики литий-ионной батареи, чтобы сделать ее твердотельную или «твердотельную» версию. Они заменяют жидкий электролит в середине тонким твердым электролитом, устойчивым 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 всей батареи, сохраняя при этом ее емкость хранения энергии, тем самым достигая более высокой плотности энергии.

«Эти особенности – повышенная безопасность и большая плотность энергии – вероятно, являются два наиболее часто рекламируемых преимущества потенциальной твердотельной батареи », – говорит Хуанг. Затем он быстро поясняет, что «все эти вещи перспективны, ожидаемы и не обязательно реализованы». Тем не менее, у многих исследователей есть возможность найти материалы и конструкции, которые могут выполнить это обещание.

Мышление за пределами лаборатории

Исследователи придумали много интересных вариантов, которые выглядят многообещающими – в лабораторных условиях. Но Оливетти и Хуанг считают, что могут быть важны дополнительные практические соображения, учитывая безотлагательность проблемы изменения климата. «Всегда есть показатели, которые мы, исследователи, используем в лаборатории для оценки возможных материалов и процессов», – говорит Оливетти. Примеры могут включать емкость накопителя энергии и скорость заряда / разряда. При проведении фундаментальных исследований, которые она считает необходимыми и важными, эти показатели уместны. «Но если целью является реализация, мы предлагаем добавить несколько показателей, которые конкретно учитывают потенциал быстрого масштабирования», – говорит она.

На основе отраслевого опыта с текущими литий-ионными батареями, Исследователи из Массачусетского технологического института и их коллега Гербранд Седер, заслуженный профессор инженерии Дэниела М. Теллепа в Калифорнийском университете в Беркли, предлагают три широких вопроса, которые могут помочь выявить потенциальные ограничения для будущего расширения масштабов 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, связанные с расширенной добычей полезных ископаемых, выходят за рамки данного 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, Olivetti, Ceder и Хуанг исследовал 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 вариантов, о которых часто сообщают, которые представляют ряд возможностей.

Материалы и доступность

В мире твердых неорганических электролитов существует два основных класса материалов – оксиды, содержащие кислород, и сульфиды, содержащие серу. Оливетти, Седер и Хуанг сосредоточились на одном многообещающем варианте электролита в каждом классе и изучили ключевые элементы, вызывающие озабоченность для каждого из них.

В качестве сульфида они рассматривали LGPS, который сочетает в себе литий, германий, фосфор и сера. 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 изучить его доступность, исследователи посмотрели, сколько германия производилось ежегодно за последние шесть десятилетий при добыче угля и цинка. а затем в том, сколько могло быть произведено. Результат показал, что даже в последние годы могло быть произведено в 100 раз больше германия. Учитывая такой потенциал поставки, доступность германия вряд ли ограничит масштабирование твердотельной батареи на основе электролита LGPS.

Ситуация выглядела менее многообещающей с точки зрения исследователей ». выбранный оксид LLZO, состоящий 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 сосредоточила внимание на тантале, наиболее часто используемом легирующем элементе, как на основном элементе, вызывающем озабоченность для 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. Так что доступность тантала больше беспокоит возможное наращивание мощности батареи на основе LLZO.

Но знание наличия элемента в земле не решает этапов требуется, чтобы доставить его производителю. Итак, исследователи исследовали следующий вопрос, касающийся цепочек поставок для критически важных элементов – добычи, переработки, переработки, отгрузки и так далее. Предполагая, что имеются обильные запасы, могут ли цепочки поставок, которые доставляют эти материалы, расширяться достаточно быстро, чтобы удовлетворить растущий спрос на батареи?

При анализе выборки они смотрели, сколько цепочек поставок германия и тантал должен будет расти из года в год, чтобы обеспечить батареями планируемый парк электромобилей в 2030. Например, парк электромобилей, который часто называют целью 2030, потребует производства достаточного количества аккумуляторов для доставки в общей сложности 100 гигаватт-час 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 максимальный темп роста в прошлом составлял около 7 процентов. Используя только батареи LLZO, цепочка поставок тантала должна вырасти примерно на 30 процентов – темпы роста намного выше исторического максимума примерно 10 процентов.

Эти примеры демонстрируют важность учета доступности материалов и цепочек поставок. при оценке различных твердых электролитов на предмет их потенциала увеличения масштаба. «Даже когда количество доступного материала не вызывает беспокойства, как в случае с германием, масштабирование всех этапов цепочки поставок в соответствии с будущим производством электромобилей может потребовать практически беспрецедентных темпов роста», – говорит Хуанг. .

Материалы и обработка

При оценке потенциала расширения масштабов Что касается конструкции батареи, то еще одним фактором, который следует учитывать, является 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. Как объясняет Хуанг: «Вы не отправляете вышедшие из строя батареи; вы их выбрасываете. Но вы все равно потратили деньги на материалы, время и обработку ».

В качестве показателя сложности производства Оливетти, Седер и Хуанг исследовали влияние частоты отказов на общую стоимость выбранные конструкции твердотельных аккумуляторов 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 доходность 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 / кВт · ч – нетривиальное изменение, учитывая что общепринятая целевая стоимость таких батарей составляет 100 / кВтч. Очевидно, что производственные трудности могут иметь огромное влияние на жизнеспособность конструкции для крупномасштабного внедрения.

Материалы и характеристики

Одна из основных проблем при разработке твердотельной батареи возникает из-за «интерфейсов», то есть там, 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», – говорит Хуанг.

В результате много исследований посвящено разработке методов стабилизации интерфейсов в различных батареях. конструкции. 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, так что конечная стоимость выше первоначальной.

В другом анализе они рассмотрели сульфидный электролит под названием LPSCl, который состоит из литий, фосфор и сера с добавлением небольшого количества 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 стандартное решение – добавить «связующее», еще один материал, который заставляет частицы слипаться.

Их анализ подтвердил, что без связующего характеристики плохие, а стоимость батареи на основе LPSCl превышает $ 500 / кВтч. Добавление связующего значительно улучшает производительность, а стоимость снижается почти на $ 300 / 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 батарей, описанных в литературе, и их результаты были согласованными: Выбор материалов и процессов для аккумуляторов может повлиять не только на краткосрочные результаты в лаборатории, но также на осуществимость и стоимость производства предлагаемой твердотельной батареи в масштабе, необходимом для удовлетворения будущего спроса. Результаты также показали, что рассмотрение всех трех факторов вместе – доступности, потребностей обработки и производительности батареи – важно, потому что могут возникнуть коллективные эффекты и компромиссы.

Оливетти гордится своим диапазон проблем, которые может решить подход команды. Но она подчеркивает, что это не означает замену традиционных показателей, используемых для управления материалами и выбором обработки в лаборатории. «Вместо этого он призван дополнить эти показатели, а также широко рассмотреть те факторы, которые могут помешать масштабированию» – важное соображение, учитывая то, что Хуанг называет «срочно тикающими часами» чистой энергии и изменения климата.

Это исследование было поддержано Программой посевных инвестиций Энергетической инициативы Массачусетского технологического института (MITEI) Центр низкоуглеродной энергии для хранения энергии ; компанией Shell, одним из основателей MITEI; и Управлением по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии Министерства энергетики США, Управлением автомобильных технологий, в рамках Программы перспективных исследований аккумуляторных материалов. Работа по интеллектуальному анализу текста была поддержана Национальным научным фондом, Управлением военно-морских исследований и MITEI.

Эта статья размещена в Весенний 2021 выпуск Energy Futures , журнал MIT Energy Initiative.