Mae'r angen dybryd i leihau allyriadau carbon yn ysgogi symudiad cyflym tuag at drydaneiddio trafnidiaeth ac ehangu'r defnydd o ynni solar a gwynt ar y grid.Os bydd y tueddiadau hyn yn cynyddu yn ôl y disgwyl, bydd yr angen am ddulliau gwell o storio ynni trydanol yn dwysáu.
Mae angen yr holl strategaethau y gallwn eu cael i fynd i'r afael â bygythiad newid yn yr hinsawdd, meddai Dr Elsa Olivetti, athro cyswllt gwyddor deunyddiau a pheirianneg yn Esther a Harold E. Edgerton.Yn amlwg, mae datblygu technolegau storio màs ar sail grid yn hollbwysig.Ond ar gyfer cymwysiadau symudol - yn enwedig cludiant - mae llawer o ymchwil yn canolbwyntio ar addasu heddiwbatris lithiwm-ioni fod yn fwy diogel, yn llai ac yn gallu storio mwy o egni ar gyfer eu maint a'u pwysau.
Mae batris lithiwm-ion confensiynol yn parhau i wella, ond mae eu cyfyngiadau'n parhau, yn rhannol oherwydd eu strwythur.Mae batris lithiwm-ion yn cynnwys dau electrod, un positif ac un negyddol, wedi'u rhyngosod mewn hylif organig (sy'n cynnwys carbon).Pan fydd y batri yn cael ei wefru a'i ollwng, mae gronynnau lithiwm wedi'u gwefru (neu ïonau) yn cael eu trosglwyddo o un electrod i'r llall trwy'r electrolyt hylif.
Un broblem gyda'r dyluniad hwn yw, ar folteddau a thymereddau penodol, y gall yr electrolyt hylif ddod yn gyfnewidiol a mynd ar dân.Mae'r batris yn gyffredinol yn ddiogel o dan ddefnydd arferol, ond mae'r risg yn parhau, meddai Dr Kevin Huang Ph.D.'15, gwyddonydd ymchwil yng ngrŵp Olivetti.
Problem arall yw nad yw batris lithiwm-ion yn addas i'w defnyddio mewn ceir.Mae pecynnau batri mawr, trwm yn cymryd lle, yn cynyddu pwysau cyffredinol y cerbyd ac yn lleihau effeithlonrwydd tanwydd.Ond mae'n anodd gwneud batris lithiwm-ion heddiw yn llai ac yn ysgafnach wrth gynnal eu dwysedd ynni - faint o ynni sy'n cael ei storio fesul gram o bwysau.
Er mwyn datrys y problemau hyn, mae ymchwilwyr yn newid nodweddion allweddol batris lithiwm-ion i greu fersiwn holl-solet, neu gyflwr solet.Maent yn disodli'r electrolyt hylif yn y canol gyda electrolyt solet tenau sy'n sefydlog dros ystod eang o folteddau a thymheredd.Gyda'r electrolyt solet hwn, defnyddiwyd electrod positif cynhwysedd uchel ac electrod negyddol metel lithiwm gallu uchel a oedd yn llawer llai trwchus na'r haen garbon mandyllog arferol.Mae'r newidiadau hyn yn caniatáu ar gyfer cell gyffredinol llawer llai tra'n cynnal ei gallu storio ynni, gan arwain at ddwysedd ynni uwch.
Y nodweddion hyn - gwell diogelwch a mwy o ddwysedd ynni- mae'n debyg mai'r ddwy fantais a grybwyllir amlaf o fatris cyflwr solet posibl, ac eto mae'r holl bethau hyn yn rhai blaengar a gobeithiol, ac nid ydynt o reidrwydd yn gyraeddadwy.Serch hynny, mae gan y posibilrwydd hwn lawer o ymchwilwyr yn sgrialu i ddod o hyd i'r deunyddiau a'r dyluniadau a fydd yn cyflawni'r addewid hwn.
Meddwl y tu hwnt i'r labordy
Mae ymchwilwyr wedi cynnig nifer o senarios diddorol sy'n edrych yn addawol yn y labordy.Ond mae Olivetti a Huang yn credu, o ystyried brys yr her newid yn yr hinsawdd, y gallai ystyriaethau ymarferol ychwanegol fod yn bwysig.Mae gennym ni ymchwilwyr fetrigau yn y labordy bob amser i werthuso deunyddiau a phrosesau posibl, meddai Olivetti.Gallai enghreifftiau gynnwys cynhwysedd storio ynni a chyfraddau gwefru/rhyddhau.Ond os mai'r nod yw gweithredu, rydym yn awgrymu ychwanegu metrigau sy'n mynd i'r afael yn benodol â'r potensial ar gyfer graddio cyflym.
Deunyddiau ac argaeledd
Ym myd electrolytau anorganig solet, mae dau brif fath o ddeunydd - ocsidau sy'n cynnwys ocsigen a sylffidau sy'n cynnwys sylffwr.Cynhyrchir tantalwm fel sgil-gynnyrch mwyngloddio tun a niobium.Mae data hanesyddol yn dangos bod cynhyrchu tantalwm yn agosach at yr uchafswm posibl nag un germaniwm wrth gloddio tun a niobium.Mae argaeledd tantalwm felly yn fwy o bryder ynghylch y posibilrwydd o ehangu celloedd sy'n seiliedig ar LLZO.
Fodd bynnag, nid yw gwybod argaeledd elfen yn y ddaear yn datrys y camau sydd eu hangen i'w chael yn nwylo gweithgynhyrchwyr.Felly ymchwiliodd yr ymchwilwyr i gwestiwn dilynol am y gadwyn gyflenwi o elfennau allweddol - mwyngloddio, prosesu, mireinio, cludo, ac ati. galw am fatris?
Mewn dadansoddiad sampl, fe wnaethant edrych ar faint y byddai angen i'r gadwyn gyflenwi ar gyfer germanium a tantalwm dyfu flwyddyn ar ôl blwyddyn i ddarparu batris ar gyfer y fflyd o gerbydau trydan a ragwelir ar gyfer 2030.Er enghraifft, byddai angen i fflyd o gerbydau trydan, a ddyfynnir yn aml fel targed ar gyfer 2030, gynhyrchu digon o fatris i ddarparu cyfanswm o 100 gigawat awr o ynni.Er mwyn cyflawni'r nod hwn, gan ddefnyddio batris LGPS yn unig, byddai angen i'r gadwyn gyflenwi germaniwm dyfu 50% flwyddyn ar ôl blwyddyn - darn, gan fod y gyfradd twf uchaf wedi bod tua 7% yn y gorffennol.Gan ddefnyddio celloedd LLZO yn unig, byddai angen i'r gadwyn gyflenwi ar gyfer tantalwm dyfu tua 30% - cyfradd twf ymhell uwchlaw'r uchafswm hanesyddol o tua 10%.
Mae'r enghreifftiau hyn yn dangos pwysigrwydd ystyried argaeledd deunydd a'r gadwyn gyflenwi wrth asesu potensial cynyddu'r gwahanol electrolytau solet, meddai Huang: Hyd yn oed os nad yw maint y deunydd yn broblem, fel yn achos germaniwm, cynyddu'r cyfan. efallai y bydd y camau yn y gadwyn gyflenwi i gyd-fynd â chynhyrchu cerbydau trydan yn y dyfodol yn gofyn am gyfradd twf sydd bron yn ddigynsail.
Deunyddiau a phrosesu
Ffactor arall i'w ystyried wrth asesu potensial scalability dyluniad batri yw anhawster y broses weithgynhyrchu a'r effaith y gallai ei chael ar gost.Mae'n anochel bod yna lawer o gamau wrth gynhyrchu batri cyflwr solet, ac mae methiant unrhyw gam yn cynyddu cost pob cell a gynhyrchir yn llwyddiannus.
Fel dirprwy ar gyfer anhawster gweithgynhyrchu, archwiliodd Olivetti, Ceder a Huang effaith y gyfradd fethiant ar gyfanswm cost dyluniadau batri cyflwr solet dethol yn eu cronfa ddata.Mewn un enghraifft, fe wnaethant ganolbwyntio ar yr LLZO ocsid.Mae LLZO yn frau iawn ac mae dalennau mawr sy'n ddigon tenau i'w defnyddio mewn batris cyflwr solet perfformiad uchel yn debygol o gracio neu ystumio ar y tymheredd uchel sy'n gysylltiedig â'r broses weithgynhyrchu.
Er mwyn pennu goblygiadau cost methiannau o'r fath, fe wnaethant efelychu'r pedwar cam prosesu allweddol sy'n gysylltiedig â chydosod celloedd LLZO.Ar bob cam, cyfrifwyd y gost yn seiliedig ar gynnyrch tybiedig, hy cyfran y cyfanswm celloedd a gafodd eu prosesu'n llwyddiannus heb fethiant.Ar gyfer LLZO, roedd y cynnyrch yn llawer is nag ar gyfer y cynlluniau eraill a astudiwyd ganddynt;ar ben hynny, wrth i'r cynnyrch ostwng, cynyddodd y gost fesul cilowat-awr (kWh) o ynni celloedd yn sylweddol.Er enghraifft, pan ychwanegwyd 5% yn fwy o gelloedd at y cam gwresogi catod terfynol, cynyddodd y gost tua $30/kWh - newid dibwys o ystyried mai'r gost darged a dderbynnir yn gyffredinol ar gyfer celloedd o'r fath yw $100/kWh.Yn amlwg, gall anawsterau gweithgynhyrchu gael effaith ddwys ar ymarferoldeb mabwysiadu'r dyluniad ar raddfa fawr.
Amser postio: Medi-09-2022