L'urgente necessità di riduce l'emissioni di carbonu conduce una rapida mossa versu l'elettrificazione di u trasportu è l'espansione di a distribuzione di energia solare è eolica in a reta. Sì sti tendenzi escalate cum'è previstu, a necessità di metudi megliu di almacenà l'energia elettrica s'intensificherà.
Avemu bisognu di tutte e strategie chì pudemu ghjunghje per affruntà a minaccia di u cambiamentu climaticu, dice Dr Elsa Olivetti, prufissore assuciatu di scienza è ingegneria di i materiali in Esther è Harold E. Edgerton. Claramente, u sviluppu di tecnulugii di almacenamentu di massa basati in griglia hè cruciale. Ma per l'applicazioni mobili - in particulare u trasportu - assai ricerca hè focu annantu à l'adattazione di l'oghjebatterie di lithium-ionper esse più sicuri, più chjucu è capaci di almacenà più energia per a so dimensione è u pesu.
E batterie di lithium-ion cunvinziunali cuntinueghjanu à migliurà, ma e so limitazioni restanu, in parte per via di a so struttura.Batterie di lithium-ion sò custituiti da dui elettrodi, unu pusitivu è un negativu, inseriti in un liquidu organicu (cuntenente di carbone). Quandu a bateria hè caricata è scaricata, particeddi di lithium (o ioni) caricati sò passati da un elettrodu à l'altru attraversu l'elettrolitu liquidu.
Un prublema cù stu disignu hè chì à certi voltages è temperature, l'elettrolitu liquidu pò diventà volatile è catturà u focu. E batterie sò in generale sicuru in usu normale, ma u risicu ferma, dice Dr Kevin Huang Ph.D.'15, un scientist di ricerca in u gruppu di Olivetti.
Un altru prublema hè chì e batterie di lithium-ion ùn sò micca adattati per l'usu in vitture. I pacchetti di batterie grandi è pesanti occupanu spaziu, aumentanu u pesu generale di u veiculu è riducenu l'efficienza di carburante. Ma hè dimustratu difficiule di fà e batterie di lithium-ion d'oghje più chjuche è più ligere, mantenendu a so densità di energia - a quantità di energia almacenata per grammu di pesu.
A risolviri sti prublemi, circadori sò cambiatu i funziunalità chiavi di batterie lithium-ion à creà una versione all-solidu, o solidu-statu. Anu rimpiazzà l'elettrolitu liquidu in u mezu cù un elettrolitu solidu magre chì hè stabile nantu à una larga gamma di voltages è temperature. Cù questu elettrolitu solidu, anu utilizatu un elettrodu pusitivu d'alta capacità è un elettrodu negativu di metalli di lithium d'alta capacità chì era assai menu grossu di u solitu stratu di carbone poroso. Questi cambiamenti permettenu una cellula generale assai più chjuca, mantenendu a so capacità di almacenamento d'energia, risultatu in una densità di energia più altu.
Queste caratteristiche - una sicurezza aumentata è una densità di energia più grande- sò prubabilmente i dui benefizii più cumunitati di e batterie potenziale à u statu solidu, ma tutte queste cose sò avanti è sperate, è micca necessariamente raggiungibili. In ogni casu, sta pussibilità hà assai circadori scramble per truvà i materiali è i disinni chì rispetteranu sta prumessa.
Pensendu oltre u laboratoriu
I ricercatori anu ghjuntu cù una quantità di scenarii intriganti chì parevanu promettenti in u laboratoriu. Ma Olivetti è Huang crede chì data l'urgenza di a sfida di u cambiamentu climaticu, considerazioni pratiche supplementari ponu esse impurtanti. I ricercatori avemu sempre metriche in u laboratoriu per valutà i materiali è i prucessi pussibuli, dice Olivetti. Esempii ponu include capacità di almacenamentu di energia è tassi di carica / scaricamentu. Ma se l'obiettivu hè l'implementazione, suggerimu di aghjunghje metriche chì indirizzanu specificamente u putenziale di scala rapida.
Materiali è dispunibilità
In u mondu di l'elettroliti solidi inorganici, ci sò dui tippi principali di materiale - ossidi chì cuntenenu ossigenu è sulfuri chì cuntenenu sulphur. U tantalu hè pruduttu cum'è un subproduttu di a minera di stagnu è niobiu. I dati storichi mostranu chì a pruduzzione di tantalu hè più vicinu à u massimu potenziale di quellu di germanium durante a minera di stagnu è niobium. A dispunibilità di tantalu hè dunque una preoccupazione più grande per a pussibuli scaling up of cells basati in LLZO.
Tuttavia, sapendu a dispunibilità di un elementu in a terra ùn risolve micca i passi necessarii per mette in manu di i pruduttori. I circadori anu investigatu dunque una quistione di seguitu nantu à a catena di fornitura di elementi chjave - minazione, trasfurmazioni, raffinazione, trasportu, etc. Assumindu chì ci hè una supply chain abbundante, a supply chain per furnisce questi materiali pò esse allargata abbastanza rapidamente per scuntrà u crescente. dumanda di batterie?
In un analisi di mostra, anu guardatu quantu a catena di furnimentu per u germaniu è u tantalu avissi bisognu di cresce annu in annu per furnisce e batterie per a flotta di veiculi elettrici prughjettati 2030. Per esempiu, una flotta di veiculi elettrici, spessu citati cum'è un scopu per u 2030, avissi bisognu di pruduce abbastanza batterie per furnisce un totale di 100 gigawatt-ora di energia. Per ghjunghje stu scopu, usendu solu batterie LGPS, a catena di fornitura di germaniu avissi bisognu di cresce da 50% annu à l'annu - un trattu, postu chì a rata di crescita massima hè stata di circa 7% in u passatu. Aduprendu solu cellule LLZO, a catena di furnimentu per u tantalu averia bisognu di crescita di circa 30% - un tassu di crescita assai sopra à u massimu storicu di circa 10%.
Questi esempi mostranu l'impurtanza di cunsiderà a dispunibilità di materiale è a supply chain quandu valutà u potenziale di scaling-up di diversi elettroliti solidi, dice Huang: Ancu s'è a quantità di un materiale ùn hè micca un prublema, cum'è in u casu di germanium, scaling up all. i passi in a supply chain per currisponde à a pruduzzione di futuri veiculi elettrici ponu esse bisognu di un ritmu di crescita chì hè praticamente senza precedente.
Materiali è trasfurmazioni
Un altru fattore da cunsiderà quandu valutà u potenziale di scalabilità di un disignu di bateria hè a difficultà di u prucessu di fabricazione è l'impattu chì pò avè nantu à u costu. Ci hè inevitabbilmente assai passi implicati in a fabricazione di una bateria di u statu solidu, è u fallimentu di ogni passu aumenta u costu di ogni cellula pruduciutu cù successu.
Cum'è un proxy per a difficultà di fabricazione, Olivetti, Ceder è Huang anu esploratu l'impattu di a rata di fallimentu nantu à u costu tutale di disinni di batterie di stati solidi selezziunati in a so basa di dati. In un esempiu, anu focu annantu à l'ossidu LLZO. LLZO hè assai brittle è grande fogli abbastanza magre per esse usatu in batterie di statu solidu d'altu rendiment sò prubabilmente crack o warp à l'alte temperature implicate in u prucessu di fabricazione.
Per determinà l'implicazioni di u costu di tali fallimenti, anu simulatu i quattru passi chjave di trasfurmazioni implicati in l'assemblea di e cellule LLZO. À ogni passu, anu calculatu u costu basatu annantu à un rendimentu assuciatu, vale à dì a proporzione di cellule totali chì sò stati processati cù successu senza fallimentu. Per LLZO, u rendiment era assai più bassu cà per l'altri disinni chì anu studiatu; in più, cum'è u rendimentu diminuìu, u costu per kilowatt-ora (kWh) di l'energia cellula aumentava significativamente. Per esempiu, quandu u 5% di più cellule sò state aghjunte à u passu finale di riscaldamentu di catode, u costu aumentatu da circa $ 30 / kWh - un cambiamentu insignificante cunziddi chì u costu di destinazione generalmente accettatu per tali cellule hè $ 100 / kWh. Claramente, e difficultà di fabricazione ponu avè un impattu prufondu nantu à a fattibilità di l'adopzione à grande scala di u disignu.
Tempu di post: 09-09-2022