A necesidade urxente de reducir as emisións de carbono está impulsando un rápido avance cara a electrificar o transporte e ampliar o despregamento de enerxía solar e eólica na rede.Se estas tendencias aumentan como se esperaba, a necesidade de mellores métodos de almacenamento de enerxía eléctrica intensificarase.
Necesitamos todas as estratexias que podemos conseguir para abordar a ameaza do cambio climático, di a doutora Elsa Olivetti, profesora asociada de ciencia e enxeñería de materiais en Esther e Harold E. Edgerton.Claramente, o desenvolvemento de tecnoloxías de almacenamento masivo baseadas en rede é crucial.Pero para as aplicacións móbiles, especialmente para o transporte, moita investigación céntrase na adaptación das actuaisbaterías de iones de litiopara ser máis seguros, máis pequenos e capaces de almacenar máis enerxía para o seu tamaño e peso.
As baterías de ión-litio convencionais seguen mellorando, pero as súas limitacións seguen sendo, en parte debido á súa estrutura.As baterías de ión-litio constan de dous electrodos, un positivo e outro negativo, encaixados nun líquido orgánico (contén carbono).Cando a batería está cargada e descargada, as partículas de litio cargadas (ou ións) pasan dun electrodo a outro a través do electrólito líquido.
Un problema con este deseño é que a certas tensións e temperaturas, o electrólito líquido pode volverse volátil e incendiarse.As baterías son xeralmente seguras baixo o seu uso normal, pero o risco continúa, di o doutor Kevin Huang Ph.D.'15, científico investigador do grupo de Olivetti.
Outro problema é que as baterías de ión-litio non son aptas para o seu uso en coches.As baterías grandes e pesadas ocupan espazo, aumentan o peso total do vehículo e reducen a eficiencia do combustible.Pero está resultando difícil facer que as baterías de iones de litio de hoxe en día sexan máis pequenas e lixeiras mantendo a súa densidade de enerxía, a cantidade de enerxía almacenada por gramo de peso.
Para resolver estes problemas, os investigadores están cambiando as características clave das baterías de iones de litio para crear unha versión totalmente sólida ou de estado sólido.Están substituíndo o electrólito líquido no medio por un electrólito sólido delgado que é estable nunha ampla gama de voltaxes e temperaturas.Con este electrólito sólido, utilizaron un electrodo positivo de alta capacidade e un electrodo negativo de metal de litio de alta capacidade que era moito menos groso que a capa de carbono porosa habitual.Estes cambios permiten unha célula xeral moito máis pequena mantendo a súa capacidade de almacenamento de enerxía, o que resulta nunha maior densidade de enerxía.
Estas características - maior seguridade e maior densidade de enerxía- Probablemente sexan os dous beneficios máis comúnmente promocionados das potencias baterías de estado sólido, aínda que todas estas cousas son de futuro e esperan, e non necesariamente son alcanzables.Non obstante, esta posibilidade fai que moitos investigadores busquen os materiais e os deseños que cumpran esta promesa.
Pensando máis aló do laboratorio
Os investigadores elaboraron unha serie de escenarios intrigantes que parecen prometedores no laboratorio.Pero Olivetti e Huang cren que, dada a urxencia do desafío do cambio climático, poden ser importantes consideracións prácticas adicionais.Os investigadores sempre temos métricas no laboratorio para avaliar posibles materiais e procesos, di Olivetti.Os exemplos poden incluír a capacidade de almacenamento de enerxía e as taxas de carga/descarga.Pero se o obxectivo é a implementación, suxerímoslle engadir métricas que aborden especificamente o potencial de escalado rápido.
Materiais e dispoñibilidade
No mundo dos electrólitos inorgánicos sólidos, hai dous tipos principais de materiais: os óxidos que conteñen osíxeno e os sulfuros que conteñen xofre.O tantalio prodúcese como un subproduto da extracción de estaño e niobio.Os datos históricos mostran que a produción de tántalo está máis próxima ao máximo potencial que a de xermanio durante a extracción de estaño e niobio.A dispoñibilidade de tántalo é, polo tanto, unha maior preocupación para a posible ampliación das células baseadas en LLZO.
Non obstante, coñecer a dispoñibilidade dun elemento no chan non resolve os pasos necesarios para poñelo en mans dos fabricantes.Polo tanto, os investigadores investigaron unha pregunta de seguimento sobre a cadea de subministración de elementos clave: minería, procesamento, refino, transporte, etc. Asumindo que hai unha oferta abundante, ¿pode ampliarse a cadea de subministración para entregar estes materiais o suficientemente rápido como para facer fronte ao crecente abastecemento? demanda de baterías?
Nunha análise de mostra, analizaron canto necesitaría crecer ano tras ano a cadea de subministración de xermanio e tántalo para proporcionar baterías á flota de vehículos eléctricos proxectada para 2030.A modo de exemplo, unha flota de vehículos eléctricos, citada a miúdo como obxectivo para 2030, necesitaría producir baterías suficientes para proporcionar un total de 100 gigavatios hora de enerxía.Para acadar este obxectivo, utilizando só baterías LGPS, a cadea de subministración de xermanio necesitaría crecer un 50% interanual, un tramo, xa que a taxa de crecemento máxima foi de arredor do 7% no pasado.Usando só células LLZO, a cadea de subministración de tántalo necesitaría crecer ao redor dun 30%, unha taxa de crecemento moi superior ao máximo histórico de arredor do 10%.
Estes exemplos mostran a importancia de ter en conta a dispoñibilidade de material e a cadea de subministración ao avaliar o potencial de ampliación de diferentes electrólitos sólidos, di Huang: Aínda que a cantidade dun material non sexa un problema, como no caso do xermanio, a ampliación de todos os os pasos da cadea de subministración para igualar a produción de futuros vehículos eléctricos poden requirir unha taxa de crecemento practicamente sen precedentes.
Materiais e procesamento
Outro factor a ter en conta á hora de avaliar o potencial de escalabilidade do deseño dunha batería é a dificultade do proceso de fabricación e o impacto que pode ter no custo.Hai inevitablemente moitos pasos implicados na fabricación dunha batería de estado sólido, e a falla de calquera paso aumenta o custo de cada célula producida con éxito.
Como proxy da dificultade de fabricación, Olivetti, Ceder e Huang exploraron o impacto da taxa de fallos no custo total dos deseños seleccionados de baterías de estado sólido na súa base de datos.Nun exemplo, centráronse no óxido LLZO.LLZO é moi fráxil e as follas grandes o suficientemente delgadas para ser utilizadas en baterías de estado sólido de alto rendemento son susceptibles de racharse ou deformarse ás altas temperaturas implicadas no proceso de fabricación.
Para determinar as implicacións de custos de tales fallos, simularon os catro pasos clave de procesamento implicados na montaxe de células LLZO.En cada paso, calcularon o custo en función dun rendemento asumido, é dicir, a proporción de celas totais que se procesaron con éxito sen falla.Para LLZO, o rendemento foi moi inferior ao dos outros deseños que estudaron;ademais, a medida que o rendemento diminuíu, o custo por kilovatio-hora (kWh) de enerxía da célula aumentou significativamente.Por exemplo, cando se engadiron un 5% máis de células ao paso final de quecemento do cátodo, o custo aumentou uns 30 dólares/kWh, un cambio insignificante tendo en conta que o custo obxectivo xeralmente aceptado para tales células é de 100 dólares/kWh.Claramente, as dificultades de fabricación poden ter un profundo impacto na viabilidade da adopción a gran escala do deseño.
Hora de publicación: 09-09-2022