Nevoja urgjente për të reduktuar emetimet e karbonit po nxit një lëvizje të shpejtë drejt elektrifikimit të transportit dhe zgjerimit të vendosjes së energjisë diellore dhe të erës në rrjet.Nëse këto tendenca përshkallëzohen siç pritej, nevoja për metoda më të mira të ruajtjes së energjisë elektrike do të intensifikohet.
Ne kemi nevojë për të gjitha strategjitë që mund të marrim për të trajtuar kërcënimin e ndryshimeve klimatike, thotë Dr Elsa Olivetti, një profesoreshë e asociuar e shkencës dhe inxhinierisë së materialeve në Esther dhe Harold E. Edgerton.Është e qartë se zhvillimi i teknologjive të ruajtjes në masë të bazuar në rrjet është thelbësor.Por për aplikacionet celulare - veçanërisht transportin - shumë kërkime janë përqendruar në përshtatjen e të sotmesbateri litium-jontë jenë më të sigurta, më të vogla dhe të aftë për të ruajtur më shumë energji për madhësinë dhe peshën e tyre.
Bateritë konvencionale litium-jon vazhdojnë të përmirësohen, por kufizimet e tyre mbeten, pjesërisht për shkak të strukturës së tyre.Bateritë litium-jon përbëhen nga dy elektroda, një pozitive dhe një negative, të vendosura në një lëng organik (që përmban karbon).Kur bateria ngarkohet dhe shkarkohet, grimcat e ngarkuara të litiumit (ose jonet) kalohen nga njëra elektrodë në tjetrën përmes elektrolitit të lëngshëm.
Një problem me këtë dizajn është se në tensione dhe temperatura të caktuara, elektroliti i lëngshëm mund të bëhet i paqëndrueshëm dhe të marrë flakë.Bateritë janë përgjithësisht të sigurta në përdorim normal, por rreziku mbetet, thotë Dr Kevin Huang Ph.D.'15, një shkencëtar hulumtues në grupin e Olivetti.
Një problem tjetër është se bateritë litium-jon nuk janë të përshtatshme për t'u përdorur në makina.Paketat e mëdha dhe të rënda të baterive zënë hapësirë, rrisin peshën e përgjithshme të automjetit dhe zvogëlojnë efikasitetin e karburantit.Por është e vështirë që bateritë e sotme litium-jon të bëhen më të vogla dhe më të lehta duke ruajtur densitetin e tyre të energjisë - sasinë e energjisë së ruajtur për gram peshë.
Për të zgjidhur këto probleme, studiuesit po ndryshojnë veçoritë kryesore të baterive litium-jon për të krijuar një version tërësisht të ngurtë ose në gjendje të ngurtë.Ata po zëvendësojnë elektrolitin e lëngshëm në mes me një elektrolit të hollë të ngurtë që është i qëndrueshëm në një gamë të gjerë tensionesh dhe temperaturash.Me këtë elektrolit të ngurtë, ata përdorën një elektrodë pozitive me kapacitet të lartë dhe një elektrodë negative të metalit litium me kapacitet të lartë që ishte shumë më pak e trashë se shtresa e zakonshme poroze e karbonit.Këto ndryshime lejojnë një qelizë të përgjithshme shumë më të vogël duke ruajtur kapacitetin e saj të ruajtjes së energjisë, duke rezultuar në një densitet më të lartë energjie.
Këto karakteristika - siguria e shtuar dhe dendësia më e madhe e energjisë- janë ndoshta dy përfitimet më të përhapura të baterive të mundshme në gjendje të ngurtë, megjithatë të gjitha këto gjëra janë largpamëse dhe shpresohen, dhe jo domosdoshmërisht të arritshme.Megjithatë, kjo mundësi ka bërë që shumë studiues të përpiqen të gjejnë materialet dhe dizajnet që do të përmbushin këtë premtim.
Duke menduar përtej laboratorit
Studiuesit kanë dalë me një numër skenarësh intrigues që duken premtues në laborator.Por Olivetti dhe Huang besojnë se duke pasur parasysh urgjencën e sfidës së ndryshimeve klimatike, konsiderata praktike shtesë mund të jenë të rëndësishme.Ne studiuesit kemi gjithmonë metrikë në laborator për të vlerësuar materialet dhe proceset e mundshme, thotë Olivetti.Shembujt mund të përfshijnë kapacitetin e ruajtjes së energjisë dhe normat e ngarkimit/shkarkimit.Por nëse qëllimi është zbatimi, ne sugjerojmë të shtoni metrikë që adresojnë në mënyrë specifike potencialin për shkallëzim të shpejtë.
Materialet dhe disponueshmëria
Në botën e elektroliteve të ngurta inorganike, ekzistojnë dy lloje kryesore të materialit - oksidet që përmbajnë oksigjen dhe sulfide që përmbajnë squfur.Tantali prodhohet si nënprodukt i nxjerrjes së kallajit dhe niobit.Të dhënat historike tregojnë se prodhimi i tantalit është më afër maksimumit të mundshëm sesa ai i germaniumit gjatë nxjerrjes së kallajit dhe niobit.Prandaj, disponueshmëria e tantalit është një shqetësim më i madh për shkallëzimin e mundshëm të qelizave të bazuara në LLZO.
Megjithatë, njohja e disponueshmërisë së një elementi në tokë nuk zgjidh hapat e nevojshëm për ta marrë atë në duart e prodhuesve.Prandaj, studiuesit hetuan një pyetje pasuese në lidhje me zinxhirin e furnizimit të elementeve kryesore - miniera, përpunim, rafinim, transport, etj. Duke supozuar se ka një furnizim të bollshëm, a mundet zinxhiri i furnizimit për dërgimin e këtyre materialeve të zgjerohet mjaft shpejt për të përmbushur rritjen në rritje kërkesa për bateri?
Në një analizë të mostrës, ata shikuan se sa do të duhej të rritet zinxhiri i furnizimit për germanium dhe tantal nga viti në vit për të siguruar bateri për flotën e parashikuar të automjeteve elektrike për vitin 2030.Për shembull, një flotë automjetesh elektrike, të përmendura shpesh si objektiv për vitin 2030, do të duhej të prodhonte bateri të mjaftueshme për të siguruar një total prej 100 gigavat orë energji.Për të arritur këtë qëllim, duke përdorur vetëm bateri LGPS, zinxhiri i furnizimit me germanium do të duhet të rritet me 50% nga viti në vit - një shtrirje, pasi norma maksimale e rritjes ka qenë rreth 7% në të kaluarën.Duke përdorur vetëm qelizat LLZO, zinxhiri i furnizimit për tantalin do të duhet të rritet me rreth 30% - një normë rritjeje shumë më e lartë se maksimumi historik prej rreth 10%.
Këta shembuj tregojnë rëndësinë e marrjes parasysh të disponueshmërisë së materialit dhe zinxhirit të furnizimit kur vlerësohet potenciali i shkallëzimit të elektroliteve të ndryshëm të ngurtë, thotë Huang: Edhe nëse sasia e një materiali nuk është problem, si në rastin e germaniumit, rritja e të gjithë Hapat në zinxhirin e furnizimit për t'iu përshtatur prodhimit të automjeteve elektrike të ardhshme mund të kërkojnë një normë rritjeje që është praktikisht e paprecedentë.
Materialet dhe përpunimi
Një faktor tjetër që duhet marrë parasysh kur vlerësohet potenciali i shkallëzueshmërisë së një modeli baterie është vështirësia e procesit të prodhimit dhe ndikimi që mund të ketë në kosto.Ka në mënyrë të pashmangshme shumë hapa të përfshirë në prodhimin e një baterie në gjendje të ngurtë dhe dështimi i çdo hapi rrit koston e çdo qelize të prodhuar me sukses.
Si një tregues për vështirësitë e prodhimit, Olivetti, Ceder dhe Huang hulumtuan ndikimin e shkallës së dështimit në koston totale të modeleve të zgjedhura të baterive në gjendje të ngurtë në bazën e të dhënave të tyre.Në një shembull, ata u fokusuan në oksidin LLZO.LLZO është shumë i brishtë dhe fletët e mëdha të holla mjaftueshëm për t'u përdorur në bateritë në gjendje të ngurtë me performancë të lartë ka të ngjarë të plasariten ose deformohen në temperaturat e larta të përfshira në procesin e prodhimit.
Për të përcaktuar implikimet e kostos së dështimeve të tilla, ata simuluan katër hapat kyç të përpunimit të përfshirë në montimin e qelizave LLZO.Në çdo hap, ata llogaritën koston bazuar në një rendiment të supozuar, dmth. përqindjen e qelizave totale që u përpunuan me sukses pa dështim.Për LLZO, rendimenti ishte shumë më i ulët se për modelet e tjera që ata studiuan;për më tepër, me uljen e rendimentit, kostoja për kilovat-orë (kWh) e energjisë së qelizave u rrit ndjeshëm.Për shembull, kur 5% më shumë qeliza u shtuan në hapin përfundimtar të ngrohjes me katodë, kostoja u rrit me rreth 30 $/kWh - një ndryshim i papërfillshëm duke marrë parasysh që kostoja e synuar përgjithësisht e pranuar për qeliza të tilla është 100 $/kWh.Është e qartë se vështirësitë e prodhimit mund të kenë një ndikim të thellë në realizueshmërinë e miratimit në shkallë të gjerë të dizajnit.
Koha e postimit: Shtator-09-2022