Көміртегі шығарындыларын азайтудың шұғыл қажеттілігі көлікті электрлендіруге және желіде күн мен жел энергиясын орналастыруды кеңейтуге қарай жылдам қадамға түрткі болып табылады. Егер бұл үрдістер күткендей күшейетін болса, электр энергиясын сақтаудың жақсы әдістеріне деген қажеттілік күшейе түседі.
Эстер мен Гарольд Эдгертонның материалтану және инженерия кафедрасының доценті доктор Эльза Оливетти бізге климаттың өзгеруі қаупін жою үшін қол жеткізе алатын барлық стратегияларды қажет етеді. Торға негізделген жаппай сақтау технологияларын дамыту өте маңызды екені анық. Бірақ мобильді қосымшалар үшін - әсіресе тасымалдау - көп зерттеулер бүгінгі күнді бейімдеуге бағытталғанлитий-иондық батареяларқауіпсіз, кішірек және өлшемі мен салмағы үшін көбірек энергияны сақтауға қабілетті болу.
Кәдімгі литий-иондық аккумуляторлар жақсартуды жалғастыруда, бірақ олардың шектеулері ішінара құрылымына байланысты сақталады.Литий-ионды аккумуляторлар органикалық (құрамында көміртегі бар) сұйықтыққа салынған екі электродтан тұрады, біреуі оң және екіншісі теріс. Батарея зарядталған және зарядсызданған кезде зарядталған литий бөлшектері (немесе иондары) сұйық электролит арқылы бір электродтан екіншісіне өтеді.
Бұл дизайндағы бір мәселе - белгілі бір кернеулер мен температураларда сұйық электролит ұшпа болып, өртенуі мүмкін. Оливетти тобының зерттеуші ғалымы, доктор Кевин Хуан Ph.D.'15 дейді.
Тағы бір мәселе, литий-ионды аккумуляторлар автомобильдерде қолдануға жарамсыз. Үлкен, ауыр аккумулятор жинақтары орын алып, көліктің жалпы салмағын арттырады және отынның тиімділігін төмендетеді. Бірақ бүгінгі литий-ионды аккумуляторларды олардың энергия тығыздығын - салмақтың грамына жинақталған энергия мөлшерін сақтай отырып, кішірек және жеңілірек ету қиынға соғады.
Осы мәселелерді шешу үшін зерттеушілер литий-иондық батареялардың негізгі мүмкіндіктерін толығымен қатты немесе қатты күй нұсқасын жасау үшін өзгертеді. Олар ортадағы сұйық электролитті кернеулер мен температуралардың кең диапазонында тұрақты жұқа қатты электролитке ауыстырады. Бұл қатты электролитпен олар қуаттылығы жоғары оң электродты және әдеттегі кеуекті көміртек қабатынан әлдеқайда аз қалыңдығы бар жоғары сыйымдылықты литий металл теріс электродты пайдаланды. Бұл өзгерістер энергияны сақтау қабілетін сақтай отырып, жалпы жасушаның әлдеқайда кішірек болуына мүмкіндік береді, нәтижесінде энергия тығыздығы жоғары болады.
Бұл мүмкіндіктер - күшейтілген қауіпсіздік және үлкен энергия тығыздығы- ықтимал қатты күйдегі батареялардың екі ең көп айтылған артықшылығы болуы мүмкін, бірақ мұның бәрі болашаққа бағытталған және күтілетін нәрселер және міндетті түрде қол жеткізу мүмкін емес. Дегенмен, бұл мүмкіндік көптеген зерттеушілерді осы уәдені орындайтын материалдар мен дизайнды табуға тырысады.
Зертханадан тыс ойлау
Зерттеушілер зертханада перспективалы болып көрінетін бірнеше қызықты сценарийлер ойлап тапты. Бірақ Оливетти мен Хуан климаттың өзгеруі мәселесінің өзектілігін ескере отырып, қосымша практикалық ойлар маңызды болуы мүмкін деп санайды. Бізде зерттеушілер әрқашан зертханада ықтимал материалдар мен процестерді бағалау үшін метрикаға ие боламыз, дейді Оливетти. Мысалдар энергия сақтау сыйымдылығын және заряд/разряд жылдамдығын қамтуы мүмкін. Бірақ егер мақсат іске асыру болса, біз жылдам масштабтау мүмкіндігін қарастыратын көрсеткіштерді қосуды ұсынамыз.
Материалдар және қолжетімділік
Қатты бейорганикалық электролиттер әлемінде материалдың екі негізгі түрі бар - құрамында оттегі бар оксидтер және күкірт бар сульфидтер. Тантал қалайы мен ниобийді өндірудің жанама өнімі ретінде өндіріледі. Тарихи деректер тантал өндірісі қалайы мен ниобийді өндіру кезінде германийге қарағанда потенциалды максимумға жақын екенін көрсетеді. Сондықтан танталдың болуы LLZO негізіндегі жасушалардың ықтимал масштабтауы үшін үлкен алаңдаушылық тудырады.
Дегенмен, жердегі элементтің болуын білу оны өндірушілердің қолына алу үшін қажетті қадамдарды шешпейді. Сондықтан зерттеушілер негізгі элементтерді жеткізу тізбегі туралы келесі сұрақты зерттеді - тау-кен өндіру, өңдеу, өңдеу, тасымалдау және т.б. Жеткізу мол болса, бұл материалдарды жеткізуге арналған жеткізу тізбегін өсіп келе жатқан өнімдерді қанағаттандыру үшін жеткілікті жылдам кеңейтуге бола ма? батареяларға сұраныс?
Үлгі талдауында олар германий мен танталды жеткізу тізбегі 2030 жылға дейін болжанған электр көліктер паркін аккумуляторлармен қамтамасыз ету үшін жыл сайын қаншалықты өсуі керек екенін қарастырды. Мысал ретінде, жиі 2030 жылға арналған мақсат ретінде келтірілген электрлі көліктер паркі жалпы 100 гигаватт сағат энергияны қамтамасыз ету үшін жеткілікті батареяларды шығаруы керек. Осы мақсатқа жету үшін тек LGPS батареяларын пайдалана отырып, германий жеткізу тізбегі жыл сайын 50% -ға өсуі керек - бұл созылу, өйткені ең жоғары өсу қарқыны бұрын шамамен 7% болған. Тек LLZO жасушаларын пайдалану арқылы танталды жеткізу тізбегі шамамен 30% -ға өсуі керек - өсу қарқыны тарихи максимум шамамен 10% жоғары.
Бұл мысалдар әртүрлі қатты электролиттердің масштабтау әлеуетін бағалау кезінде материалдың қолжетімділігі мен жеткізу тізбегін ескерудің маңыздылығын көрсетеді, - дейді Хуан: «Германий жағдайындағыдай материалдың саны мәселе болмаса да, барлығын масштабтау. болашақ электр көліктерінің өндірісіне сәйкес келетін жеткізу тізбегіндегі қадамдар бұрын-соңды болмаған өсу қарқынын талап етуі мүмкін.
Материалдар және өңдеу
Батарея дизайнының масштабтау әлеуетін бағалау кезінде ескерілетін тағы бір фактор - бұл өндіріс процесінің қиындығы және оның өзіндік құнына әсері. Қатты күйдегі аккумуляторды өндіруде сөзсіз көптеген қадамдар бар және кез келген қадамның сәтсіздігі әрбір сәтті өндірілген ұяшықтың құнын арттырады.
Өндіріс қиындықтарының проксиі ретінде Olivetti, Ceder және Huang олардың дерекқорындағы таңдалған қатты күйдегі батарея конструкцияларының жалпы құнына істен шығу жылдамдығының әсерін зерттеді. Бір мысалда олар LLZO оксидіне назар аударды. LLZO өте сынғыш және жоғары өнімді қатты күйдегі аккумуляторларда қолдануға болатындай жұқа үлкен парақтар өндіріс процесіне қатысатын жоғары температурада жарылып немесе майысып қалуы мүмкін.
Мұндай сәтсіздіктердің шығын салдарын анықтау үшін олар LLZO ұяшықтарын құрастыруға қатысты төрт негізгі өңдеу қадамын модельдеді. Әрбір қадамда олар болжамды кірістілікке, яғни ақаусыз сәтті өңделген жалпы ұяшықтардың үлесіне негізделген шығынды есептеді. LLZO үшін кірістілік олар зерттеген басқа конструкцияларға қарағанда әлдеқайда төмен болды; оның үстіне өнімділік төмендеген сайын жасуша энергиясының бір киловатт-сағ (кВт/сағ) құны айтарлықтай өсті. Мысалы, катодты жылытудың соңғы сатысына 5%-ға көбірек ұяшықтар қосылғанда, құны шамамен $30/кВтсағ өсті – мұндай ұяшықтар үшін жалпы қабылданған мақсатты құны $100/кВтсағ екенін ескерсек, шамалы өзгеріс. Өндірістегі қиындықтар дизайнды ауқымды түрде қабылдаудың орындылығына қатты әсер етуі мүмкін екені анық.
Жіберу уақыты: 09 қыркүйек 2022 ж