De dringende noodzaak om de CO2-uitstoot te verminderen zorgt voor een snelle beweging in de richting van het elektrificeren van het transport en het uitbreiden van de inzet van zonne- en windenergie op het elektriciteitsnet. Als deze trends zoals verwacht escaleren, zal de behoefte aan betere methoden voor de opslag van elektrische energie toenemen.
We hebben alle strategieën nodig die we kunnen bedenken om de dreiging van klimaatverandering aan te pakken, zegt dr. Elsa Olivetti, universitair hoofddocent materiaalkunde en techniek bij Esther en Harold E. Edgerton. Het is duidelijk dat de ontwikkeling van op netwerken gebaseerde massaopslagtechnologieën van cruciaal belang is. Maar voor mobiele toepassingen – vooral transport – is veel onderzoek gericht op het aanpassen van de hedendaagse technologielithium-ionbatterijenveiliger en kleiner zijn en meer energie kunnen opslaan voor hun grootte en gewicht.
Conventionele lithium-ionbatterijen blijven verbeteren, maar hun beperkingen blijven bestaan, deels vanwege hun structuur.Lithium-ionbatterijen bestaan uit twee elektroden, één positief en één negatief, ingeklemd in een organische (koolstofhoudende) vloeistof. Wanneer de batterij wordt opgeladen en ontladen, worden geladen lithiumdeeltjes (of ionen) via de vloeibare elektrolyt van de ene elektrode naar de andere geleid.
Een probleem met dit ontwerp is dat bij bepaalde spanningen en temperaturen de vloeibare elektrolyt vluchtig kan worden en vlam kan vatten. De batterijen zijn over het algemeen veilig bij normaal gebruik, maar het risico blijft bestaan, zegt dr. Kevin Huang Ph.D.'15, onderzoeker in de groep van Olivetti.
Een ander probleem is dat lithium-ionbatterijen niet geschikt zijn voor gebruik in auto’s. Grote, zware accupakketten nemen ruimte in beslag, verhogen het totale gewicht van het voertuig en verminderen het brandstofverbruik. Maar het blijkt moeilijk om de huidige lithium-ionbatterijen kleiner en lichter te maken met behoud van hun energiedichtheid: de hoeveelheid energie die per gram gewicht wordt opgeslagen.
Om deze problemen op te lossen, veranderen onderzoekers de belangrijkste kenmerken van lithium-ionbatterijen om een volledig vaste versie te creëren. Ze vervangen de vloeibare elektrolyt in het midden door een dunne vaste elektrolyt die stabiel is over een breed scala aan spanningen en temperaturen. Met deze vaste elektrolyt gebruikten ze een positieve elektrode met hoge capaciteit en een negatieve elektrode van lithiummetaal met hoge capaciteit, die veel minder dik was dan de gebruikelijke poreuze koolstoflaag. Deze veranderingen zorgen voor een veel kleinere totale cel terwijl de energieopslagcapaciteit behouden blijft, wat resulteert in een hogere energiedichtheid.
Deze kenmerken: verbeterde veiligheid en grotere energiedichtheid- zijn waarschijnlijk de twee meest aangeprezen voordelen van potentiële solid-state batterijen, maar toch zijn al deze dingen toekomstgericht en wordt er op gehoopt, en niet noodzakelijkerwijs haalbaar. Niettemin zorgt deze mogelijkheid ervoor dat veel onderzoekers op zoek zijn naar de materialen en ontwerpen die deze belofte waar kunnen maken.
Denk verder dan het laboratorium
Onderzoekers hebben een aantal intrigerende scenario's bedacht die er in het laboratorium veelbelovend uitzien. Maar Olivetti en Huang zijn van mening dat, gezien de urgentie van de uitdaging van de klimaatverandering, aanvullende praktische overwegingen belangrijk kunnen zijn. Wij onderzoekers beschikken altijd over meetinstrumenten in het laboratorium om mogelijke materialen en processen te evalueren, zegt Olivetti. Voorbeelden hiervan zijn de capaciteit voor energieopslag en de laad-/ontlaadtarieven. Maar als het doel implementatie is, raden we aan om statistieken toe te voegen die specifiek ingaan op het potentieel voor snelle schaalvergroting.
Materialen en beschikbaarheid
In de wereld van vaste anorganische elektrolyten zijn er twee hoofdtypen materiaal: oxiden die zuurstof bevatten en sulfiden die zwavel bevatten. Tantaal wordt geproduceerd als bijproduct van de winning van tin en niobium. Uit historische gegevens blijkt dat de productie van tantaal dichter bij het potentiële maximum ligt dan die van germanium tijdens de winning van tin en niobium. De beschikbaarheid van tantaal is daarom een grotere zorg voor de mogelijke opschaling van op LLZO gebaseerde cellen.
Het kennen van de beschikbaarheid van een element in de grond is echter geen oplossing voor de stappen die nodig zijn om het in handen van fabrikanten te krijgen. De onderzoekers onderzochten daarom een vervolgvraag over de toeleveringsketen van sleutelelementen: mijnbouw, verwerking, raffinage, transport, enz. Ervan uitgaande dat er een overvloedig aanbod is, kan de toeleveringsketen voor het leveren van deze materialen snel genoeg worden uitgebreid om aan de groeiende vraag te voldoen. vraag naar batterijen?
In een voorbeeldanalyse keken ze naar hoeveel de toeleveringsketen voor germanium en tantaal jaar na jaar zou moeten groeien om batterijen te leveren voor de verwachte vloot van elektrische voertuigen in 2030. Een vloot elektrische voertuigen, die vaak als doelstelling voor 2030 wordt genoemd, zou bijvoorbeeld voldoende batterijen moeten produceren om in totaal 100 gigawattuur aan energie te leveren. Om dit doel te bereiken zou de toeleveringsketen van germanium, door alleen LGPS-batterijen te gebruiken, jaar op jaar met 50% moeten groeien - een hele opgave, aangezien het maximale groeipercentage in het verleden rond de 7% lag. Door alleen LLZO-cellen te gebruiken zou de toeleveringsketen voor tantaal met ongeveer 30% moeten groeien – een groeipercentage dat ruim boven het historische maximum van ongeveer 10% ligt.
Deze voorbeelden laten zien hoe belangrijk het is om de beschikbaarheid van materialen en de toeleveringsketen in ogenschouw te nemen bij het beoordelen van het opschalingspotentieel van verschillende vaste elektrolyten, zegt Huang: Zelfs als de hoeveelheid van een materiaal geen probleem is, zoals in het geval van germanium, kan het opschalen van alle materialen geen probleem zijn. De stappen in de toeleveringsketen om de productie van toekomstige elektrische voertuigen op elkaar af te stemmen, vereisen mogelijk een groeipercentage dat vrijwel ongekend is.
Materialen en verwerking
Een andere factor waarmee rekening moet worden gehouden bij het beoordelen van het schaalbaarheidspotentieel van een batterijontwerp is de moeilijkheid van het productieproces en de impact die dit kan hebben op de kosten. Er zijn onvermijdelijk veel stappen betrokken bij de vervaardiging van een vastestofbatterij, en het mislukken van welke stap dan ook verhoogt de kosten van elke succesvol geproduceerde cel.
Als indicatie voor productieproblemen onderzochten Olivetti, Ceder en Huang de impact van het uitvalpercentage op de totale kosten van geselecteerde solid-state batterijontwerpen in hun database. In één voorbeeld concentreerden ze zich op het oxide LLZO. LLZO is zeer bros en grote platen die dun genoeg zijn om te worden gebruikt in hoogwaardige solid-state-batterijen zullen waarschijnlijk barsten of kromtrekken bij de hoge temperaturen die bij het productieproces betrokken zijn.
Om de kostenimplicaties van dergelijke mislukkingen te bepalen, simuleerden ze de vier belangrijkste verwerkingsstappen die betrokken zijn bij het assembleren van LLZO-cellen. Bij elke stap berekenden ze de kosten op basis van een veronderstelde opbrengst, dat wil zeggen het aandeel van het totale aantal cellen dat met succes en zonder fouten werd verwerkt. Voor LLZO was de opbrengst veel lager dan voor de andere onderzochte ontwerpen; Bovendien stegen de kosten per kilowattuur (kWh) celenergie aanzienlijk naarmate de opbrengst daalde. Toen er bijvoorbeeld 5% meer cellen werden toegevoegd aan de laatste stap van het verwarmen van de kathode, stegen de kosten met ongeveer $30/kWh - een verwaarloosbare verandering als je bedenkt dat de algemeen aanvaarde doelkosten voor dergelijke cellen $100/kWh bedragen. Het is duidelijk dat productieproblemen een diepgaande invloed kunnen hebben op de haalbaarheid van grootschalige adoptie van het ontwerp.
Posttijd: 09-sep-2022