Karbon emissiyalarını azaltmaq üçün təcili ehtiyac nəqliyyatın elektrikləşdirilməsinə və şəbəkədə günəş və külək enerjisinin yerləşdirilməsinin genişləndirilməsinə doğru sürətlə irəliləyir. Bu tendensiyalar gözlənildiyi kimi artarsa, elektrik enerjisinin saxlanması üçün daha yaxşı üsullara ehtiyac daha da güclənəcəkdir.
Ester və Harold E. Edgertonun materialşünaslıq və mühəndislik üzrə dosenti Dr Elsa Olivetti deyir ki, iqlim dəyişikliyi təhlükəsini aradan qaldırmaq üçün əldə edə biləcəyimiz bütün strategiyalara ehtiyacımız var. Aydındır ki, şəbəkə əsaslı kütləvi saxlama texnologiyalarının inkişafı çox vacibdir. Ancaq mobil tətbiqlər üçün - xüsusən də nəqliyyat - bir çox araşdırma bu günün uyğunlaşdırılmasına yönəldilmişdirlitium-ion batareyalardaha təhlükəsiz, daha kiçik və ölçülərinə və çəkilərinə görə daha çox enerji saxlaya bilmək üçün.
Adi litium-ion batareyaları təkmilləşməyə davam edir, lakin onların məhdudiyyətləri qismən strukturlarına görə qalır.Litium-ion batareyaları üzvi (karbon tərkibli) mayedə sıxılmış iki elektroddan ibarətdir, biri müsbət və digəri mənfi. Batareyanın doldurulması və boşaldılması zamanı maye elektrolit vasitəsilə yüklənmiş litium hissəcikləri (və ya ionları) bir elektroddan digərinə keçir.
Bu dizaynla bağlı bir problem, müəyyən gərginliklərdə və temperaturda maye elektrolitin uçucu ola bilməsi və alov ala bilməsidir. Olivetti qrupundan tədqiqatçı alim Dr Kevin Huang Ph.D.'15 deyir ki, batareyalar normal istifadə zamanı ümumiyyətlə təhlükəsizdir, lakin risk hələ də qalır.
Digər problem litium-ion batareyaların avtomobillərdə istifadə üçün uyğun olmamasıdır. Böyük, ağır batareya paketləri yer tutur, avtomobilin ümumi çəkisini artırır və yanacaq səmərəliliyini azaldır. Lakin bugünkü litium-ion batareyalarını enerji sıxlığını - hər qram çəkiyə görə yığılan enerji miqdarını qoruyaraq daha kiçik və yüngül etmək çətinləşir.
Bu problemləri həll etmək üçün tədqiqatçılar litium-ion batareyalarının əsas xüsusiyyətlərini dəyişdirərək tam bərk və ya bərk vəziyyətdə olan versiyanı yaradırlar. Onlar ortadakı maye elektroliti geniş gərginlik və temperatur diapazonunda sabit olan nazik bərk elektrolitlə əvəz edirlər. Bu bərk elektrolitlə onlar yüksək tutumlu müsbət elektroddan və adi məsaməli karbon təbəqəsindən qat-qat az qalınlığa malik yüksək tutumlu litium metal mənfi elektroddan istifadə etdilər. Bu dəyişikliklər enerji saxlama qabiliyyətini qoruyarkən daha kiçik bir ümumi hüceyrəyə imkan verir və nəticədə daha yüksək enerji sıxlığı yaranır.
Bu xüsusiyyətlər - gücləndirilmiş təhlükəsizlik və daha çox enerji sıxlığı- yəqin ki, potensial bərk-dövlət batareyalarının ən çox qeyd olunan iki faydasıdır, lakin bunların hamısı gələcəyə baxan və ümid edilən şeylərdir və mütləq əldə edilə bilməz. Buna baxmayaraq, bu ehtimal bir çox tədqiqatçının bu vədi yerinə yetirəcək materialları və dizaynları tapmaq üçün mübarizə aparır.
Laboratoriyadan kənarda düşünmək
Tədqiqatçılar laboratoriyada perspektivli görünən bir sıra maraqlı ssenarilər hazırlayıblar. Lakin Olivetti və Huang hesab edirlər ki, iqlim dəyişikliyi probleminin aktuallığını nəzərə alaraq, əlavə praktiki mülahizələr vacib ola bilər. Olivetti deyir ki, biz tədqiqatçıların laboratoriyada həmişə mümkün materialları və prosesləri qiymətləndirmək üçün ölçüləri var. Nümunələrə enerji saxlama qabiliyyəti və yükləmə/boşaltma dərəcələri daxil ola bilər. Ancaq məqsəd həyata keçirməkdirsə, sürətli miqyas üçün potensiala xüsusi diqqət yetirən ölçüləri əlavə etməyi təklif edirik.
Materiallar və mövcudluq
Bərk qeyri-üzvi elektrolitlər dünyasında iki əsas material növü var - tərkibində oksigen olan oksidlər və kükürdlü sulfidlər. Tantal qalay və niobiumun çıxarılmasının əlavə məhsulu kimi istehsal olunur. Tarixi məlumatlar göstərir ki, tantal istehsalı qalay və niobiumun çıxarılması zamanı germaniumdan daha potensial maksimuma yaxındır. Buna görə də tantalın mövcudluğu LLZO əsaslı hüceyrələrin mümkün miqyası üçün daha çox narahatlıq doğurur.
Bununla belə, yerdəki elementin mövcudluğunu bilmək, istehsalçıların əlinə keçmək üçün tələb olunan addımları həll etmir. Buna görə də tədqiqatçılar əsas elementlərin tədarük zənciri ilə bağlı növbəti sualı araşdırdılar - mədən, emal, emal, daşınma və s. Bol tədarük olduğunu fərz etsək, bu materialların çatdırılması üçün təchizat zənciri artan tələblərə cavab vermək üçün kifayət qədər tez genişləndirilə bilərmi? batareyalara tələbat?
Nümunə təhlilində onlar germanium və tantal üçün təchizat zəncirinin 2030-cu il üçün nəzərdə tutulan elektrik avtomobil parkını akkumulyatorlarla təmin etmək üçün ildən-ilə nə qədər böyüməsi lazım olduğuna baxdılar. Nümunə olaraq, tez-tez 2030-cu il üçün hədəf kimi qeyd edilən elektrik avtomobil parkı cəmi 100 giqavat saat enerji təmin etmək üçün kifayət qədər batareya istehsal etməlidir. Bu məqsədə çatmaq üçün yalnız LGPS batareyalarından istifadə etməklə, germanium tədarük zənciri ildən-ilə 50% böyüməli olacaq - bu, maksimum artım tempi keçmişdə təxminən 7% olduğu üçün uzanır. Yalnız LLZO hüceyrələrindən istifadə edərək, tantal üçün tədarük zənciri təxminən 30% böyüməli olacaq - artım tempi tarixi maksimumdan təxminən 10% yüksəkdir.
Bu misallar müxtəlif bərk elektrolitlərin böyüdülmə potensialını qiymətləndirərkən materialın mövcudluğunun və tədarük zəncirinin nəzərə alınmasının vacibliyini göstərir, Huang deyir: Hətta germanium vəziyyətində olduğu kimi materialın miqdarı problem olmasa belə, bütün gələcək elektrik nəqliyyat vasitələrinin istehsalına uyğun gələn təchizat zəncirindəki addımlar, faktiki olaraq görünməmiş bir artım sürətini tələb edə bilər.
Materiallar və emal
Batareya dizaynının miqyaslılıq potensialını qiymətləndirərkən nəzərə alınmalı olan digər amil istehsal prosesinin çətinliyi və onun maya dəyərinə göstərə biləcəyi təsirdir. Möhkəm bir batareyanın istehsalında qaçılmaz olaraq bir çox addımlar var və hər hansı bir addımın uğursuzluğu müvəffəqiyyətlə istehsal olunan hər bir hüceyrənin qiymətini artırır.
Olivetti, Ceder və Huang, istehsal çətinlikləri üçün proxy olaraq, öz verilənlər bazasında uğursuzluq dərəcəsinin seçilmiş bərk cisimli batareya dizaynlarının ümumi dəyərinə təsirini araşdırdılar. Bir nümunədə onlar LLZO oksidinə diqqət yetirdilər. LLZO çox kövrəkdir və yüksək performanslı bərk vəziyyətdə olan batareyalarda istifadə oluna biləcək qədər incə böyük təbəqələr istehsal prosesində iştirak edən yüksək temperaturda çatlamağa və ya əyilmə ehtimalına malikdir.
Bu cür uğursuzluqların xərc təsirlərini müəyyən etmək üçün onlar LLZO hüceyrələrinin yığılmasında iştirak edən dörd əsas emal addımını simulyasiya etdilər. Hər bir addımda onlar maya dəyərini ehtimal olunan gəlirə, yəni uğursuzluq olmadan uğurla emal edilmiş ümumi hüceyrələrin nisbətinə əsasən hesablayırdılar. LLZO üçün məhsuldarlıq öyrəndikləri digər dizaynlardan xeyli aşağı idi; üstəlik, məhsuldarlıq azaldıqca, hüceyrə enerjisinin hər kilovat-saatına (kVt-saat) xərc əhəmiyyətli dərəcədə artdı. Məsələn, katodun son isitmə mərhələsinə 5% daha çox hüceyrə əlavə edildikdə, xərc təqribən $30/kWh artdı - belə hüceyrələr üçün ümumi qəbul edilmiş hədəf dəyərinin $100/kWh olduğunu nəzərə alsaq, cüzi bir dəyişiklik. Aydındır ki, istehsal çətinlikləri dizaynın genişmiqyaslı qəbulunun mümkünlüyünə dərin təsir göstərə bilər.
Göndərmə vaxtı: Sentyabr-09-2022