Solid-State Batterien ginn déi bescht Wiel fir Power Lithium Batterien, awer et ginn nach ëmmer dräi Schwieregkeeten ze iwwerwannen

Den dréngende Bedierfnes fir d'Kuelestoffemissiounen ze reduzéieren féiert e schnelle Beweegung fir den Transport ze elektrifizéieren an d'Ausbau vun der Solar- a Wandenergie um Netz auszebauen.Wann dës Trends eskaléieren wéi erwaart, wäert de Besoin fir besser Methoden fir elektresch Energie ze späicheren verstäerken.

Mir brauchen all Strategien déi mir kënne kréien fir d'Bedrohung vum Klimawandel unzegoen, seet den Dr Elsa Olivetti, Associate Professor of Material Science and Engineering bei Esther an Harold E. Edgerton.Kloer ass d'Entwécklung vu rasterbaséierte Masselagerungstechnologien entscheedend.Awer fir mobil Uwendungen - besonnesch Transport - konzentréiert sech vill Fuerschung op d'Adaptatioun vun hautLithium-Ion Batterienfir méi sécher, méi kleng a fäeg méi Energie fir hir Gréisst a Gewiicht ze späicheren.

Konventionell Lithium-Ion Batterien weider verbesseren, awer hir Aschränkungen bleiwen, deelweis wéinst hirer Struktur.Lithium-Ion-Batterien besteet aus zwou Elektroden, eng positiv an eng negativ, an enger organescher (Kuelestoffhalteg) Flëssegkeet gesandwicht.Wann d'Batterie gelueden an entlaascht ass, gi gelueden Lithiumpartikelen (oder Ionen) vun enger Elektrode op déi aner duerch de flëssege Elektrolyt gefouert.

Ee Problem mat dësem Design ass datt bei bestëmmte Spannungen an Temperaturen de flëssege Elektrolyt liichtflüchteg ka ginn a Feier fänken.D'Batterien si meeschtens sécher ënner normale Gebrauch, awer de Risiko bleift, seet den Dr Kevin Huang Ph.D.'15, e Fuerscher an der Olivetti Grupp.

En anere Problem ass datt Lithium-Ion Batterien net gëeegent sinn fir an Autoen ze benotzen.Grouss, schwéier Batteriepäck huelen Plaz op, erhéijen d'Gesamtgewiicht vum Gefier a reduzéieren d'Brennstoffeffizienz.Awer et beweist sech schwéier d'Lithium-Ion-Batterien vun haut méi kleng a méi hell ze maachen, wärend hir Energiedicht behalen - d'Quantitéit un Energie pro Gramm Gewiicht gespäichert.

Fir dës Problemer ze léisen, änneren d'Fuerscher d'Schlësselfeatures vu Lithium-Ion-Batterien fir eng ganz zolidd oder zolidd-Staat Versioun ze kreéieren.Si ersetzen de flëssege Elektrolyt an der Mëtt mat engem dënnen festen Elektrolyt deen iwwer eng breet Palette vu Spannungen an Temperaturen stabil ass.Mat dësem festen Elektrolyt hunn se eng héich Kapazitéit positiv Elektrode an eng héich Kapazitéit Lithium Metall negativ Elektrode benotzt, déi vill manner déck war wéi déi üblech porös Kuelestoffschicht.Dës Ännerungen erlaben eng vill méi kleng Gesamtzelle wärend seng Energiespeicherkapazitéit behalen, wat zu enger méi héijer Energiedicht resultéiert.

Dës Fonctiounen - verbessert Sécherheet a méi Energie Dicht- si méiglecherweis déi zwee am meeschte gewënschte Virdeeler vu potenzielle Solid-State Batterien, awer all dës Saache sinn no vir kucken an gehofft, an net onbedéngt erreechbar.Trotzdem, dës Méiglechkeet huet vill Fuerscher scrambling d'Materialien an Designs ze fannen, datt op dësem Verspriechen wäert.

Denken iwwer de Labo

Fuerscher sinn mat enger Rei vun faszinante Szenarie komm, déi am Laboratoire villverspriechend ausgesinn.Awer den Olivetti an den Huang gleewen datt wéinst der Dringendes vun der Klimawandel Erausfuerderung zousätzlech praktesch Iwwerleeunge wichteg kënne sinn.Mir Fuerscher hunn ëmmer Metriken am Labo fir méiglech Materialien a Prozesser ze evaluéieren, seet den Olivetti.Beispiller kënnen d'Energiespäicherkapazitéit an d'Laascht / Entladungsraten enthalen.Awer wann d'Zil Implementatioun ass, proposéiere mir Metriken derbäi ze ginn, déi speziell d'Potenzial fir séier Skaléieren adresséieren.

Material an Disponibilitéit

An der Welt vun zolidd anorganeschen Elektrolyte ginn et zwou Haaptarten vu Material - Oxide mat Sauerstoff a Sulfide mat Schwefel.Tantal gëtt als Nieweprodukt vum Biergbau vun Zinn an Niob produzéiert.Historesch Daten weisen datt d'Produktioun vum Tantal méi no beim potenziellen Maximum ass wéi dee vum Germanium beim Biergbau vun Zinn an Niob.D'Disponibilitéit vum Tantal ass dofir eng méi grouss Suerg fir déi méiglech Skala vun LLZO-baséiert Zellen.
Wéi och ëmmer, d'Disponibilitéit vun engem Element am Buedem ze kennen léist net déi néideg Schrëtt fir et an d'Hänn vun den Hiersteller ze kréien.D'Fuerscher hunn dofir eng Suivi-Fro iwwer d'Versuergungskette vu Schlësselelementer ënnersicht - Biergbau, Veraarbechtung, Raffinéierung, Transport, etc. Unzehuelen datt et eng reichend Versuergung ass, kann d'Versuergungskette fir dës Materialien ze liwweren séier genuch ausgebaut ginn fir de wuessenden ze treffen. Nofro fir Batterien?

An enger Probeanalyse hu se gekuckt wéi vill d'Versuergungskette fir Germanium an Tantal Joer zu Joer muss wuessen fir Batterien fir déi virgesinn 2030 Flott vun elektresche Gefierer ze bidden.Als Beispill, eng Flott vun elektresche Gefierer, déi dacks als Zil fir 2030 zitéiert ginn, brauche genuch Batterien ze produzéieren fir insgesamt 100 Gigawatt Stonnen Energie ze liwweren.Fir dëst Zil z'erreechen, mat nëmmen LGPS Batterien, muss d'Germanium Versuergungskette vu Joer zu Joer ëm 50% wuessen - eng Streck, well de maximale Wuesstumsrate an der Vergaangenheet ongeféier 7% war.Wann Dir nëmmen LLZO Zellen benotzt, muss d'Versuergungskette fir Tantal ëm ongeféier 30% wuessen - e Wuesstumsrate wäit iwwer dem historesche Maximum vu ronn 10%.

Dës Beispiller weisen d'Wichtegkeet fir d'Materialverfügbarkeet an d'Versuergungskette ze berücksichtegen wann Dir de Skaléierungspotenzial vu verschiddene feste Elektrolyte beurteelt, seet den Huang: Och wann d'Quantitéit vun engem Material keen Thema ass, wéi am Fall vun Germanium, all Skala erop. d'Schrëtt an der Versuergungskette fir d'Produktioun vun zukünfteg elektresche Gefierer ze passen kënnen e Wuesstumsquote erfuerderen, dee quasi onendlech ass.

Material a Veraarbechtung

En anere Faktor fir ze berücksichtegen wann Dir de Skalierbarkeetspotenzial vun engem Batteriedesign beurteelt ass d'Schwieregkeet vum Fabrikatiounsprozess an den Impakt et op d'Käschte kann hunn.Et ginn zwangsleefeg vill Schrëtt an der Fabrikatioun vun enger Solid-State Batterie involvéiert, an de Feeler vun all Schrëtt erhéicht d'Käschte vun all erfollegräich produzéiert Zell.
Als Proxy fir Fabrikatiounsschwieregkeeten hunn Olivetti, Ceder an Huang den Impakt vum Ausfallquote op d'Gesamtkäschte vun ausgewielte Solid-State Batterie Designs an hirer Datebank exploréiert.An engem Beispill hu se sech op den Oxid LLZO konzentréiert.LLZO ass ganz brécheg a grouss Blieder, déi dënn genuch sinn fir an héich performant Solid State Batterien ze benotzen, si wahrscheinlech bei den héijen Temperaturen, déi am Fabrikatiounsprozess involvéiert sinn, knacken oder kräischen.
Fir d'Käschte Implikatioune vun esou Feeler ze bestëmmen, si simuléiert déi véier Schlësselveraarbechtungsschrëtt, déi an der Montage vun LLZO Zellen involvéiert sinn.Op all Schrëtt hunn se d'Käschte berechent op Basis vun engem ugehollen Ausbezuelen, dh den Undeel vun den Total Zellen, déi erfollegräich ouni Versoen veraarbecht goufen.Fir LLZO war d'Ausbezuelung vill méi niddereg wéi fir déi aner Designs déi se studéiert hunn;Ausserdeem, wéi d'Ausbezuelung erofgaang ass, sinn d'Käschte pro Kilowatt-Stonn (kWh) vun der Zellenergie wesentlech eropgaang.Zum Beispill, wann 5% méi Zellen zu der leschter Kathodeheizungsschrëtt bäigefüügt goufen, sinn d'Käschte ëm ongeféier $ 30 / kWh eropgaang - eng negligibel Ännerung wann Dir bedenkt datt déi allgemeng akzeptéiert Zilkäschte fir sou Zellen $ 100 / kWh sinn.Kloer, Fabrikatiounsschwieregkeeten kënnen e groussen Impakt op d'Machbarkeet vun der grousser Adoptioun vum Design hunn.


Post Zäit: Sep-09-2022