La urĝa bezono redukti karbon-emision kondukas rapidan movon al elektrigado de transporto kaj vastigi la deplojon de suna kaj ventoenergio sur la krado.Se ĉi tiuj tendencoj eskalas kiel atendite, la bezono de pli bonaj metodoj de stokado de elektra energio intensiĝos.
Ni bezonas ĉiujn strategiojn, kiujn ni povas akiri por trakti la minacon de klimata ŝanĝo, diras D-ro Elsa Olivetti, asociita profesoro pri materiala scienco kaj inĝenierado ĉe Esther kaj Harold E. Edgerton.Klare, la evoluo de krad-bazitaj amasstokadoteknologioj estas decida.Sed por moveblaj aplikoj - precipe transportado - multe da esplorado estas koncentrita al adapto de hodiaŭalitio-jonaj kuirilarojpor esti pli sekuraj, pli malgrandaj kaj kapablaj stoki pli da energio por ilia grandeco kaj pezo.
Konvenciaj litiojonaj baterioj daŭre pliboniĝas, sed iliaj limigoj restas, parte pro sia strukturo.Litio-jonaj baterioj konsistas el du elektrodoj, unu pozitiva kaj unu negativa, krampita en organika (karbon-enhava) likvaĵo.Kiam la baterio estas ŝargita kaj malŝarĝita, ŝargitaj litiopartikloj (aŭ jonoj) estas pasitaj de unu elektrodo al la alia tra la likva elektrolito.
Unu problemo kun tiu dezajno estas ke ĉe certaj tensioj kaj temperaturoj, la likva elektrolito povas iĝi volatila kaj ekbruli.La kuirilaroj estas ĝenerale sekuraj en normala uzo, sed la risko restas, diras D-ro Kevin Huang Ph.D.'15, esploristo en la grupo de Olivetti.
Alia problemo estas, ke litio-jonaj kuirilaroj ne taŭgas por uzo en aŭtoj.Grandaj, pezaj bateripakaĵoj okupas spacon, pliigas la totalan pezon de la veturilo kaj reduktas fuelefikecon.Sed montriĝas malfacile fari la hodiaŭajn litijonajn bateriojn pli malgrandaj kaj pli malpezaj, konservante ilian energidenson - la kvanton de energio stokita per gramo da pezo.
Por solvi ĉi tiujn problemojn, esploristoj ŝanĝas la ĉefajn trajtojn de litio-jonaj baterioj por krei tute solidan aŭ solidan version.Ili anstataŭigas la likvan elektroliton en la mezo per maldika solida elektrolito kiu estas stabila super larĝa gamo de tensioj kaj temperaturoj.Kun tiu solida elektrolito, ili uzis alt-kapacitan pozitivan elektrodon kaj alt-kapacitan litian metalan negativan elektrodon kiu estis multe malpli dika ol la kutima pora karbona tavolo.Tiuj ŝanĝoj enkalkulas multe pli malgrandan totalan ĉelon konservante ĝian energistokan kapaciton, rezultigante pli altan energidensecon.
Ĉi tiuj trajtoj - plifortigita sekureco kaj pli granda energia denseco- estas verŝajne la du plej ofte reklamitaj avantaĝoj de eblaj solidsubstancaj baterioj, tamen ĉiuj ĉi tiuj aferoj estas antaŭrigardaj kaj esperataj, kaj ne nepre atingeblaj.Tamen, ĉi tiu ebleco havas multajn esploristojn luktantajn por trovi la materialojn kaj dezajnojn kiuj plenumos ĉi tiun promeson.
Pensante preter la laboratorio
Esploristoj elpensis kelkajn interesajn scenarojn, kiuj aspektas promesplenaj en la laboratorio.Sed Olivetti kaj Huang opinias, ke pro la urĝeco de la defio pri klimata ŝanĝiĝo, pliaj praktikaj konsideroj povas esti gravaj.Ni esploristoj ĉiam havas metrikojn en la laboratorio por taksi eblajn materialojn kaj procezojn, diras Olivetti.Ekzemploj povus inkluzivi energistokan kapaciton kaj ŝargajn/senŝargitajn tarifojn.Sed se la celo estas efektivigo, ni sugestas aldoni metrikojn, kiuj specife traktas la potencialon por rapida skalo.
Materialoj kaj havebleco
En la mondo de solidaj neorganikaj elektrolitoj, ekzistas du ĉefaj specoj de materialo - oksidoj enhavantaj oksigenon kaj sulfuroj enhavantaj sulfuron.Tantalo estas produktita kiel kromprodukto de la minado de stano kaj niobio.Historiaj datumoj montras, ke la produktado de tantalo estas pli proksima al la ebla maksimumo ol tiu de germanio dum la minado de stano kaj niobio.La havebleco de tantalo estas tial pli granda zorgo por la ebla pligrandigo de LLZO-bazitaj ĉeloj.
Tamen, koni la haveblecon de elemento en la grundo ne solvas la paŝojn necesajn por ricevi ĝin en la manojn de fabrikantoj.La esploristoj do esploris sekvan demandon pri la provizoĉeno de ŝlosilaj elementoj - minado, prilaborado, rafinado, transportado ktp. Supozante, ke ekzistas abunda provizo, ĉu la provizoĉeno por liverado de ĉi tiuj materialoj povas esti pligrandigita sufiĉe rapide por renkonti la kreskantan provizon. postulo de kuirilaroj?
En specimena analizo, ili rigardis kiom multe la provizoĉeno por germanio kaj tantalo bezonus kreski jaron post jaro por provizi bateriojn por la projektita 2030-floto de elektraj veturiloj.Ekzemple, aro de elektraj veturiloj, ofte cititaj kiel celo por 2030, bezonus produkti sufiĉe da baterioj por provizi entute 100 gigavatajn horojn da energio.Por atingi ĉi tiun celon, uzante nur LGPS-kuirilarojn, la germana provizoĉeno bezonus kreski je 50% jaro post jaro - streĉo, ĉar la maksimuma kreskorapideco estis ĉirkaŭ 7% en la pasinteco.Uzante nur LLZO-ĉelojn, la provizoĉeno por tantalo bezonus kreski ĉirkaŭ 30% - kreskorapideco multe super la historia maksimumo de ĉirkaŭ 10%.
Ĉi tiuj ekzemploj montras la gravecon konsideri materialan haveblecon kaj la provizoĉenon kiam oni taksas la pligrandigan potencialon de malsamaj solidaj elektrolitoj, diras Huang: Eĉ se la kvanto de materialo ne estas problemo, kiel en la kazo de germanio, grimpi ĉiujn. la paŝoj en la provizoĉeno por kongrui kun la produktado de estontaj elektraj veturiloj povas postuli kreskorapidecon, kiu estas preskaŭ senprecedenca.
Materialoj kaj prilaborado
Alia faktoro por konsideri kiam oni taksas la skaleblan potencialon de bateriodezajno estas la malfacileco de la produktada procezo kaj la efiko kiun ĝi povas havi sur kosto.Estas neeviteble multaj paŝoj implikitaj en la fabrikado de solidsubstanca baterio, kaj la fiasko de iu paŝo pliigas la koston de ĉiu sukcese produktita ĉelo.
Kiel prokurilo por produktadmalfacilaĵo, Olivetti, Ceder kaj Huang esploris la efikon de la fiaskoprocento sur la totalkosto de elektitaj solidsubstancaj bateriodezajnoj en sia datumbazo.En unu ekzemplo, ili temigis la oksidon LLZO.LLZO estas tre fragila kaj grandaj folioj sufiĉe maldikaj por esti uzataj en alta rendimento solidstataj kuirilaroj verŝajne krevas aŭ deformas ĉe la altaj temperaturoj implikitaj en la produktada procezo.
Por determini la kostimplicojn de tiaj fiaskoj, ili simulis la kvar esencajn pretigajn paŝojn implikitajn en kunigado de LLZO-ĉeloj.Je ĉiu paŝo, ili kalkulis la koston surbaze de supozita rendimento, te la proporcio de totalaj ĉeloj, kiuj estis sukcese prilaboritaj sen fiasko.Por LLZO, la rendimento estis multe pli malalta ol por la aliaj dezajnoj, kiujn ili studis;plie, ĉar la rendimento malpliiĝis, la kosto je kilovato-horo (kWh) de ĉela energio signife pliiĝis.Ekzemple, kiam 5% pli da ĉeloj estis aldonitaj al la fina katoda hejtado paŝo, la kosto pliiĝis je proksimume 30 USD/kWh - nekonsiderinda ŝanĝo konsiderante ke la ĝenerale akceptita celkosto por tiaj ĉeloj estas 100 USD/kWh.Klare, produktadmalfacilaĵoj povas havi profundan efikon al la farebleco de grandskala adopto de la dezajno.
Afiŝtempo: Sep-09-2022