Uglerod chiqindilarini kamaytirishning shoshilinch zarurati transportni elektrlashtirish va quyosh va shamol energiyasini elektr tarmog'ida joylashtirishni kengaytirish yo'lida tezkor harakatni keltirib chiqarmoqda. Agar bu tendentsiyalar kutilganidek kuchaysa, elektr energiyasini saqlashning yaxshiroq usullariga bo'lgan ehtiyoj kuchayadi.
Bizga iqlim o'zgarishi tahdidini bartaraf etish uchun barcha strategiyalar kerak, deydi doktor Elza Olivetti, Ester va Xarold E. Edgertonning materialshunoslik va muhandislik dotsenti. Shubhasiz, tarmoqqa asoslangan ommaviy saqlash texnologiyalarini ishlab chiqish juda muhimdir. Ammo mobil ilovalar uchun - ayniqsa transport - ko'plab tadqiqotlar bugungi kunga moslashishga qaratilganlityum-ion batareyalarxavfsizroq, kichikroq va o'lchamlari va vazni uchun ko'proq energiya to'plash imkoniyatiga ega bo'lish.
An'anaviy lityum-ion batareyalar takomillashishda davom etmoqda, biroq ularning chegaralari qisman tuzilishi tufayli saqlanib qolmoqda.Lityum-ionli batareyalar organik (uglerod o'z ichiga olgan) suyuqlikda joylashgan ikkita elektroddan iborat, biri musbat va biri salbiy. Batareya zaryadlangan va zaryadsizlanganda, zaryadlangan lityum zarralari (yoki ionlari) suyuq elektrolit orqali bir elektroddan ikkinchisiga o'tadi.
Ushbu dizayndagi muammolardan biri shundaki, ma'lum kuchlanish va haroratlarda suyuqlik elektrolitlari uchuvchan bo'lib, yonib ketishi mumkin. Batareyalar odatda normal foydalanishda xavfsiz, ammo xavf saqlanib qolmoqda, deydi Olivetti guruhidagi tadqiqotchi olim doktor Kevin Huang Ph.D.'15.
Yana bir muammo shundaki, lityum-ion batareyalar avtomobillarda foydalanish uchun mos emas. Katta, og'ir batareya paketlari joy egallaydi, avtomobilning umumiy og'irligini oshiradi va yoqilg'i samaradorligini pasaytiradi. Ammo bugungi kundagi litiy-ionli batareyalarni energiya zichligi - har bir gramm vaznda saqlanadigan energiya miqdorini saqlab qolgan holda kichikroq va engilroq qilish qiyin.
Ushbu muammolarni hal qilish uchun tadqiqotchilar lityum-ion batareyalarning asosiy xususiyatlarini o'zgartirib, butunlay qattiq yoki qattiq holatdagi versiyani yaratadilar. Ular o'rtadagi suyuq elektrolitni turli kuchlanish va haroratlarda barqaror bo'lgan nozik qattiq elektrolit bilan almashtirmoqdalar. Ushbu qattiq elektrolit bilan ular odatdagi gözenekli uglerod qatlamidan ancha kam qalin bo'lgan yuqori quvvatli musbat elektrod va yuqori quvvatli lityum metall salbiy elektroddan foydalanganlar. Ushbu o'zgarishlar energiyani saqlash qobiliyatini saqlab qolgan holda, umumiy hujayraning ancha kichikroq bo'lishiga imkon beradi, natijada energiya zichligi yuqori bo'ladi.
Bu xususiyatlar - kengaytirilgan xavfsizlik va katta energiya zichligi- Bu, ehtimol, potentsial qattiq holatdagi batareyalarning eng ko'p e'tirof etilgan ikkita afzalligi, ammo bularning barchasi kelajakka qaratilgan va umid qilingan va erishish shart emas. Shunga qaramay, bu imkoniyat ko'plab tadqiqotchilarni ushbu va'dani amalga oshiradigan materiallar va dizaynlarni topishga intilishadi.
Laboratoriyadan tashqari fikrlash
Tadqiqotchilar laboratoriyada istiqbolli ko‘rinadigan bir qancha qiziqarli stsenariylarni o‘ylab topishdi. Ammo Olivetti va Xuanning fikricha, iqlim o'zgarishi muammosi dolzarbligini hisobga olgan holda, qo'shimcha amaliy fikrlar muhim bo'lishi mumkin. Biz tadqiqotchilar laboratoriyada har doim mumkin bo'lgan materiallar va jarayonlarni baholash uchun o'lchovlarga egamiz, deydi Olivetti. Misollar energiyani saqlash hajmi va zaryad/zaryad tezligini o'z ichiga olishi mumkin. Ammo, agar maqsad amalga oshirish bo'lsa, biz tez o'lchash potentsialini aniqlaydigan ko'rsatkichlarni qo'shishni taklif qilamiz.
Materiallar va mavjudligi
Qattiq noorganik elektrolitlar dunyosida ikkita asosiy turdagi material mavjud - kislorod o'z ichiga olgan oksidlar va oltingugurtli sulfidlar. Tantal qalay va niobiy qazib olishning qo'shimcha mahsuloti sifatida ishlab chiqariladi. Tarixiy ma'lumotlar shuni ko'rsatadiki, tantal ishlab chiqarish qalay va niobiy qazib olish paytida germaniyga qaraganda potentsial maksimalga yaqinroqdir. Shuning uchun tantalning mavjudligi LLZO asosidagi hujayralarni kengaytirish uchun katta tashvish tug'diradi.
Biroq, erdagi elementning mavjudligini bilish, uni ishlab chiqaruvchilarning qo'liga olish uchun zarur bo'lgan bosqichlarni hal qilmaydi. Shuning uchun tadqiqotchilar asosiy elementlarni - qazib olish, qayta ishlash, qayta ishlash, tashish va hokazolarni etkazib berish zanjiri haqidagi keyingi savolni o'rganishdi. Agar mo'l-ko'l ta'minot mavjud bo'lsa, ushbu materiallarni etkazib berish zanjiri o'sib borayotgan talablarni qondirish uchun etarlicha tez kengaytirilishi mumkinmi? batareyalarga talab?
Namunaviy tahlilda ular 2030 yilga mo'ljallangan elektr transport vositalari parkini akkumulyator bilan ta'minlash uchun germaniy va tantal ta'minot zanjiri yildan-yilga o'sishi kerakligini ko'rib chiqdilar. Misol tariqasida, ko'pincha 2030 yilga mo'ljallangan elektr transport vositalari parki jami 100 gigavatt soat energiya bilan ta'minlash uchun etarli miqdorda akkumulyator ishlab chiqarishi kerak bo'ladi. Ushbu maqsadga erishish uchun, faqat LGPS batareyalaridan foydalangan holda, germaniy ta'minot zanjiri yiliga 50% ga o'sishi kerak bo'ladi, chunki o'tmishda maksimal o'sish sur'ati 7% atrofida bo'lgan. Faqat LLZO hujayralaridan foydalangan holda, tantal uchun ta'minot zanjiri taxminan 30% ga o'sishi kerak bo'ladi - o'sish sur'ati tarixiy maksimal 10% dan ancha yuqori.
Bu misollar turli xil qattiq elektrolitlarning kengayish potentsialini baholashda materiallar mavjudligi va ta'minot zanjirini hisobga olish muhimligini ko'rsatadi, deydi Huang: "Germaniy misolida bo'lgani kabi, materialning miqdori muammo bo'lmasa ham, hamma narsani ko'paytirish. kelajakdagi elektr transport vositalarini ishlab chiqarishga mos keladigan ta'minot zanjiridagi qadamlar deyarli misli ko'rilmagan o'sish sur'atlarini talab qilishi mumkin.
Materiallar va qayta ishlash
Batareya dizaynining miqyosi potentsialini baholashda e'tiborga olinishi kerak bo'lgan yana bir omil - bu ishlab chiqarish jarayonining qiyinligi va uning narxiga ta'siri. Qattiq holatdagi akkumulyatorni ishlab chiqarishda muqarrar ravishda ko'p bosqichlar mavjud va har qanday bosqichning muvaffaqiyatsizligi har bir muvaffaqiyatli ishlab chiqarilgan hujayraning narxini oshiradi.
Ishlab chiqarish qiyinligi uchun proksi sifatida Olivetti, Ceder va Huang o'zlarining ma'lumotlar bazasida tanlangan qattiq holatdagi batareya dizaynlarining umumiy narxiga nosozlik darajasining ta'sirini o'rganishdi. Bir misolda ular LLZO oksidiga e'tibor qaratdilar. LLZO juda mo'rt va yuqori unumdorlikdagi qattiq holatdagi akkumulyatorlarda foydalanish uchun etarlicha yupqa katta varaqlar ishlab chiqarish jarayonida ishtirok etadigan yuqori haroratlarda yorilishi yoki egri bo'lishi mumkin.
Bunday nosozliklarning xarajat oqibatlarini aniqlash uchun ular LLZO hujayralarini yig'ish bilan bog'liq to'rtta asosiy ishlov berish bosqichini simulyatsiya qildilar. Har bir bosqichda ular taxmin qilingan rentabellik, ya'ni xatosiz muvaffaqiyatli qayta ishlangan jami hujayralar ulushiga asoslangan holda xarajatlarni hisoblab chiqdilar. LLZO uchun rentabellik ular o'rgangan boshqa dizaynlarga qaraganda ancha past edi; bundan tashqari, rentabellik pasayganligi sababli, hujayra energiyasining kilovatt-soatiga (kVt-soat) xarajatlar sezilarli darajada oshdi. Misol uchun, oxirgi katodli isitish bosqichiga 5% ko'proq hujayralar qo'shilganda, xarajat taxminan $30/kVt ga oshdi - bunday hujayralar uchun umumiy qabul qilingan maqsadli xarajat $100/kVt soat ekanligini hisobga olsak, ahamiyatsiz o'zgarish. Shubhasiz, ishlab chiqarishdagi qiyinchiliklar dizaynni keng miqyosda qabul qilishning maqsadga muvofiqligiga katta ta'sir ko'rsatishi mumkin.
Yuborilgan vaqt: 09-09-2022