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锂离子电池不太适合用于车辆

导读减少碳排放的迫切需要促使人们迅速转向电动汽车,并在电网上扩大太阳能和风能的部署。如果这些趋势如预期般升级,对更好的电能储存方法的需

减少碳排放的迫切需要促使人们迅速转向电动汽车,并在电网上扩大太阳能和风能的部署。如果这些趋势如预期般升级,对更好的电能储存方法的需求将会加剧。

“我们需要所有能够应对气候变化威胁的策略,”Elsa Olivetti 博士说。'07,Esther 和 Harold E. Edgerton 材料科学与工程副教授。“显然,大规模开发基于网格的存储技术至关重要。但对于移动应用——尤其是交通——很多研究都集中在调整当今的锂离子电池上,以制造更安全、更小且可以存储的版本。为它们的尺寸和重量提供更多能量。”

传统的锂离子电池不断改进,但它们仍然存在局限性,部分原因在于它们的结构。锂离子电池由夹在有机(含碳)液体周围的两个电极(一个正极和一个负极)组成。随着电池的充电和放电,带电的锂粒子(或离子)从一个电极通过液体电解质到达另一个电极。

这种设计的一个问题是,在某些电压和温度下,液体电解质会变得易挥发并着火。“电池在正常使用情况下通常是安全的,但风险仍然存在,”Kevin Huang 博士说。'15,Olivetti 小组的一名研究科学家。

另一个问题是锂离子电池不太适合用于车辆。大而重的电池组会占用空间并增加车辆的整体重量,从而降低燃油效率。但事实证明,在保持能量密度(即每克重量存储的能量)的同时,使当今的锂离子电池变得更小、更轻是很困难的。

为了解决这些问题,研究人员正在改变锂离子电池的关键特性,使其成为全固态或“固态”版本。它们用在很宽的电压和温度范围内稳定的薄的固体电解质代替中间的液体电解质。对于这种固体电解质,他们使用了一个高容量正极和一个比通常的多孔碳层薄得多的高容量锂金属负极。这些变化使得在保持其储能容量的同时显着缩小整个电池成为可能,从而实现更高的能量密度。

“这些特性——增强的安全性和更高的能量密度——可能是潜在固态电池最常被吹捧的两个优势,”黄说。然后他很快澄清说,“所有这些事情都是有前景的、充满希望的,但不一定能实现。” 然而,这种可能性让许多研究人员争先恐后地寻找能够兑现这一承诺的材料和设计。

超越实验室的思考

研究人员已经在实验室中提出了许多看起来很有希望的有趣选择。但 Olivetti 和 Huang 认为,鉴于气候变化挑战的紧迫性,额外的实际考虑可能很重要。“我们的研究人员在实验室中总是使用一些指标来评估可能的材料和工艺,” Olivetti 说。示例可能包括能量存储容量和充电/放电率。在进行基础研究时——她认为这既必要又重要——这些指标是合适的。“但如果目标是实施,我们建议添加一些指标,专门解决快速扩展的潜力,”她说。

根据业界对当前锂离子电池的经验,麻省理工学院的研究人员和他们的同事、加州大学伯克利分校的 Daniel M. Tellep 工程杰出教授 Gerbrand Ceder 提出了三个广泛的问题,可以帮助确定未来规模的潜在限制- 材料选择的结果。首先,对于这种电池设计,随着生产规模的扩大,材料可用性、供应链或价格波动是否会成为问题?(请注意,扩大采矿引起的环境和其他问题不在本研究的范围内。)其次,用这些材料制造电池是否涉及困难的制造步骤,在此期间部件可能会出现故障?第三,

为了证明他们的方法,Olivetti、Ceder 和 Huang 检查了研究人员正在研究的一些电解质化学和电池结构。为了选择他们的例子,他们转向以前的工作,他们和他们的合作者使用文本和数据挖掘技术来收集文献中报告的材料和处理细节的信息。从该数据库中,他们选择了一些经常报告的选项,这些选项代表了一系列的可能性。

材料和可用性

在固体无机电解质领域,主要有两类材料——氧化物(含氧)和硫化物(含硫)。Olivetti、Ceder 和 Huang 在每个课程中都专注于一种有前景的电解质选择,并检查了每个课程中关注的关键因素。

他们考虑的硫化物是 LGPS,它结合了锂、锗、磷和硫。基于可用性考虑,他们将重点放在了锗上,这种元素引起了关注,部分原因是它通常不是单独开采的。相反,它是煤炭和锌开采过程中产生的副产品。

为了调查其可用性,研究人员查看了过去 60 年煤炭和锌开采过程中每年生产的锗量,以及本可生产的锗量。结果表明,即使在最近几年,锗的产量也可以增加 100 倍。鉴于这种供应潜力,锗的可用性不太可能限制基于 LGPS 电解质的固态电池的扩大规模。

研究人员选择的氧化物 LLZO 由锂、镧、锆和氧组成,这种情况看起来不太乐观。镧的提取和加工主要集中在中国,可用数据有限,因此研究人员没有尝试分析其可用性。其他三个元素是大量可用的。然而,在实践中,必须添加少量的另一种元素——称为掺杂剂——以使 LLZO 易于加工。因此,该团队将最常用的掺杂剂钽作为 LLZO 关注的主要元素。

钽是锡和铌开采的副产品。历史数据显示,在锡和铌开采过程中产生的钽量比锗更接近潜在最大值。因此,对于基于 LLZO 的电池的可能扩大规模,钽的可用性更受关注。

但是,了解地下元素的可用性并不能解决将其送到制造商所需的步骤。因此,研究人员调查了一个关于关键要素供应链的后续问题——采矿、加工、精炼、运输等。假设有充足的供应,提供这些材料的供应链能否迅速扩张以满足不断增长的电池需求?

在样本分析中,他们研究了锗和钽的供应链需要逐年增长多少才能为 2030 年预计的电动汽车车队提供电池。例如,电动车队经常被列为 2030 年的目标需要生产足够的电池来提供总共 100 吉瓦时的能量。为了仅使用 LGPS 电池实现这一目标,锗的供应链需要每年增长 50%——这是一个延伸,因为过去的最大增长率约为 7%。仅使用 LLZO 电池,钽的供应链需要增长约 30%——这一增长率远高于约 10% 的历史高位。

这些例子证明了在评估不同固体电解质的放大潜力时考虑材料可用性和供应链的重要性。“即使可用材料的数量不是问题,就像锗一样,扩大供应链中的所有步骤以匹配未来电动汽车的生产可能需要一个几乎前所未有的增长率,”黄说.

材料与加工

在评估电池设计规模化的潜力时,另一个需要考虑的因素是制造过程的难度及其对成本的影响。制造固态电池不可避免地涉及许多步骤,任何步骤的失败都会增加每个成功生产的电池的成本。正如 Huang 解释的那样,“你不是在运送那些出现故障的电池;你是在扔掉它们。但你仍然在材料、时间和处理上花费了金钱。”

作为制造难度的代表,Olivetti、Ceder 和 Huang 在他们的数据库中探索了故障率对选定固态电池设计总成本的影响。在一个例子中,他们专注于氧化物 LLZO。LLZO 非常脆,在制造过程中的高温下,足够薄以用于高性能固态电池的大片很可能会破裂或翘曲。

为了确定此类故障对成本的影响,他们模拟了组装基于 LLZO 的电池的四个关键工艺步骤。在每一步,他们都根据假设的产量计算成本——即成功处理且没有失败的总单位的比例。使用 LLZO 时,产量远低于他们检查的其他设计;而且,随着产量的下降,每千瓦时 (kWh) 电池能量的成本显着上升。例如,当在最后的阴极加热步骤中出现 5% 的单元故障时,成本增加了约 30 美元/千瓦时——考虑到此类电池的普遍接受的目标成本是 100 美元/千瓦时,这是一个不小的变化。显然,制造困难会对大规模采用的设计的可行性产生深远的影响。

材料和性能

设计全固态电池的主要挑战之一来自“接口”——即一个组件与另一个组件相遇的地方。在制造或操作过程中,这些界面处的材料会变得不稳定。“原子开始去不该去的地方,电池性能会下降,”黄说。

因此,许多研究致力于提出在不同电池设计中稳定界面的方法。提出的许多方法确实提高了性能。结果,每千瓦时的电池成本下降了。但实施此类解决方案通常会增加材料和时间,从而增加大规模制造期间的每千瓦时成本。

为了说明这种权衡,研究人员首先检查了他们的氧化物 LLZO。在这里,目标是通过在两者之间插入一层薄薄的锡来稳定 LLZO 电解质和负极之间的界面。他们分析了实施该解决方案对成本的正面和负面影响。他们发现添加锡分离器可以提高储能能力并提高性能,从而降低单位成本(美元/千瓦时)。但是包括锡层的成本超过了节省的成本,因此最终成本高于原始成本。

在另一项分析中,他们研究了一种名为 LPSCl 的硫化物电解质,它由锂、磷和硫组成,并添加了一点氯。在这种情况下,正极包含电解质材料颗粒——这是一种确保锂离子可以通过电解质到达另一个电极的方法。然而,添加的电解质颗粒与正极中的其他颗粒不相容——这是另一个界面问题。在这种情况下,标准的解决方案是添加“粘合剂”,这是另一种使颗粒粘在一起的材料。

他们的分析证实,没有粘合剂,性能很差,LPSCl 基电池的成本超过 500 美元/千瓦时。添加粘合剂显着提高了性能,成本降低了近 300 美元/千瓦时。在这种情况下,在制造过程中添加粘合剂的成本非常低,以致于实现了添加粘合剂所带来的所有成本降低。在这里,为解决接口问题而实施的方法以较低的成本获得了回报。

研究人员对文献中报道的其他有前途的固态电池进行了类似的研究,他们的结果是一致的:电池材料和工艺的选择不仅会影响实验室的近期结果,还会影响制造电池的可行性和成本。提出了满足未来需求所需规模的固态电池。结果还表明,综合考虑所有三个因素——可用性、处理需求和电池性能——很重要,因为可能涉及集体效应和权衡。

Olivetti 为团队的方法可以探讨的问题范围感到自豪。但她强调,这并不意味着要取代用于指导实验室材料和加工选择的传统指标。“相反,它旨在通过广泛研究可能妨碍规模化的各种因素来补充这些指标”——考虑到黄所说的清洁能源和气候变化的“紧急滴答作响的时钟”,这是一个重要的考虑因素。