باتری های لیتیوم یونی و چالش های ساخت آنها

باتری های لیتیوم یونی هستند ساخته در مجموعه ای از الکترودها و سپس در سلول ها مونتاژ می شوند.مواد فعال با چسب های پلیمری، افزودنی های رسانا و حلال ها مخلوط می شوند تا دوغابی تشکیل شود که سپس روی یک فویل جمع کننده جریان پوشانده شده و خشک می شود تا حلال حذف شود و پوشش الکترود متخلخل ایجاد شود.

هیچ باتری لیتیوم یونی وجود ندارد.با انواع مواد و جفت های الکتروشیمیایی موجود، می توان سلول های باتری را برای کاربردهای آنها از نظر ولتاژ، وضعیت استفاده از شارژ، نیازهای طول عمر و ایمنی طراحی کرد.انتخاب زوج های الکتروشیمیایی خاص نیز طراحی نسبت های توان و انرژی و انرژی موجود را تسهیل می کند.

ادغام در یک سلول با فرمت بزرگ نیازمند تولید بهینه الکترود رول به رول و استفاده از مواد فعال است.الکترودها بر روی یک فویل جمع کننده جریان فلزی در ساختاری مرکب از مواد فعال، بایندرها و افزودنی‌های رسانا پوشانده می‌شوند که به کنترل دقیق شیمی کلوئیدی، چسبندگی و انجماد نیاز دارند.اما مواد غیرفعال اضافه شده و بسته بندی سلولی چگالی انرژی را کاهش می دهد.علاوه بر این، میزان تخلخل و فشردگی در الکترود می تواند بر عملکرد باتری تأثیر بگذارد.

علاوه بر این چالش های مواد، هزینه مانع مهمی برای پذیرش گسترده این فناوری است.مسیرهایی در حال بررسی هستند تا باتری‌هایی را از باتری‌های 100 Wh/kg و 200 Wh/L با قیمت 500$/kWh تا 250 Wh/kg و 400 Wh/L به قیمت 125 دلار در کیلووات ساعت عرضه کنند.

مبانی باتری های لیتیوم یونی

باتری لیتیوم یونی با کشف اکسید لیتیوم کبالت (LiCoO) امکان پذیر شد. ₂ ) که امکان استخراج یون های لیتیوم و ایجاد مقادیر زیادی جای خالی (بدون تغییر کریستالی) تا حذف نیمی از یون های موجود را فراهم می کند.جفت شدن LiCoO ₂ با گرافیت اجازه می دهد تا یون های لیتیوم را بین لایه های گرافن که محل بینابینی بین هر حلقه شش ضلعی اتم های کربن را اشغال می کنند، در هم ببندد (Besenhard and Schöllhorn 1976; Mizushima et al. 1980; Whittingham 1976).

یون‌های لیتیوم در طول شارژ از الکترود مثبت (کاتد) از طریق یک الکترولیت جامد یا مایع به الکترود منفی (آند) و در هنگام تخلیه در جهت مخالف حرکت می‌کنند.در هر الکترود، یون یا بار خود را حفظ می‌کند و در ساختار کریستالی قرار می‌گیرد که مکان‌های بینابینی را در کریستال‌های موجود در سمت آند اشغال می‌کند یا دوباره یک مکان خالی در کاتد را اشغال می‌کند که با خروج یون لیتیوم از آن کریستال تشکیل شده است.در حین انتقال یون، ماتریس میزبان احیا یا اکسید می شود که یک الکترون آزاد یا جذب می کند. ¹

انواع مواد کاتدی

جستجو برای مواد کاتدی جدید تا حدی ناشی از معایب مهم LiCoO است ₂ .دمای هسته باتری 40 تا 70 درجه سانتیگراد است و ممکن است در برابر برخی از واکنش های دمای پایین حساس باشد.اما در دمای 105 تا 135 درجه سانتیگراد بسیار واکنش پذیر است و یک منبع اکسیژن عالی برای یک خطر ایمنی به نام واکنش فرار حرارتی ، که در آن واکنش های بسیار گرمازا افزایش دما ایجاد می کند و با آزاد شدن گرمای اضافی به سرعت شتاب می گیرد (Roth 2000).

مواد جایگزین برای LiCoO ₂ کمتر مستعد این شکست هستند.این ترکیبات جایگزین بخش‌هایی از کبالت با نیکل و منگنز می‌شوند تا Li(Ni) تشکیل شود _ایکس منگنز _y شرکت _z ) O ₂ ترکیبات (با ایکس + y + z = 1)، اغلب به عنوان NMC نامیده می شود زیرا حاوی نیکل، منگنز و کبالت هستند.یا ساختار کاملاً جدیدی را به شکل فسفات ها نشان می دهند (مثلاً LiFePO ₄ ) (دانیل و همکاران 2014).این مواد کاتدی همگی ظرفیتی در محدوده 120-160 Ah/kg در 3.5-3.7 V دارند که منجر به حداکثر چگالی انرژی تا 600 Wh/kg می شود.

با این حال، هنگامی که در دستگاه‌های واقعی بسته‌بندی می‌شوند، جرم مواد غیرفعال زیادی اضافه می‌شود و چگالی انرژی به 100 وات ساعت بر کیلوگرم در سطح بسته کاهش می‌یابد.برای اصرار برای چگالی انرژی بالاتر، محققان به دنبال ظرفیت بالاتر و ولتاژ بالاتر بوده اند و آنها را در اکسیدهای فلزات واسطه غنی از لیتیوم و منگنز یافته اند.این ترکیبات اساساً همان مواد NMC هستند، اما مقدار اضافی لیتیوم و مقادیر بالاتر منگنز جایگزین نیکل و کبالت می شود.مقادیر بالاتر لیتیوم (به اندازه 20 درصد بیشتر) به ترکیبات اجازه می دهد ظرفیت بالاتری داشته باشند (Thackeray et al. 2007) و ولتاژ بالاتری داشته باشند و در نتیجه کاتدهایی تا 280 Ah/kg در هنگام شارژ تا 4.8 ولت ایجاد شود. ، این ترکیبات جدید مشکلات پایداری را نشان می دهند و به سرعت محو می شوند.

تعادل مواد در سلول ها

باتری‌های لیتیوم یونی از لایه‌هایی از الکترودهای متخلخل روی فویل‌های کلکتور جریان آلومینیوم و مس ساخته شده‌اند (دانیل 2008).ظرفیت هر جفت الکترود باید متعادل باشد تا از ایمنی باتری اطمینان حاصل شود و از خطر شارژ بیش از حد آند (که می تواند منجر به آبکاری فلز لیتیوم و اتصال کوتاه شود) یا تخلیه بیش از حد کاتد (که می تواند منجر به فروپاشی ساختار کریستالی شود) جلوگیری شود. و از دست دادن جای خالی برای لیتیوم برای ایجاد مجدد در هم می آمیزد و ظرفیت را به طور چشمگیری کاهش می دهد).

گرافیت دارای ظرفیت نظری 372 Ah/kg است که دو برابر لیتیوم موجود در کاتدهای NMC است.بنابراین در باتری های لیتیوم یون متعادل، کاتدها معمولاً دو برابر ضخامت نسبت به آند از خود نشان می دهند.این نقص ذاتی طراحی سلول باعث ایجاد مشکلاتی در انتقال جرم و سینتیک می شود و بنابراین جستجو برای کاتدهای با ظرفیت بالا را تحریک می کند.

برای افزایش چگالی انرژی در سطح سلول، مواد غیرفعال در سلول های باتری به حداقل می رسد.به عنوان مثال، یکی از راه‌های کاهش کلکتور جریان، افزایش ضخامت الکترودها است، اما این امر مشکلات حمل و نقل را بیشتر می‌کند و به تخلخل بسیار مهندسی شده در الکترود نیاز دارد.

چالش های هزینه در ساخت باتری های لیتیوم یونی

هزینه‌های باتری‌های لیتیوم یونی در مقایسه با خودروهایی که با موتورهای احتراق داخلی کار می‌کنند، بسیار بالاتر از آن چیزی است که بازار خودرو برای نفوذ کامل خودروهای الکتریکی و محصولی کم‌هزینه متحمل می‌شود.هدف هزینه وزارت انرژی ایالات متحده برای تمام باتری های خودروهای الکتریکی 125 دلار در هر کیلووات ساعت انرژی قابل استفاده است (DOE 2013).هزینه فعلی باتری های تجاری 400 تا 500 دلار در کیلووات ساعت است و هزینه پیش بینی شده آنها با مواد آزمایشی فعلی 325 دلار در کیلووات ساعت است.بیشتر کاهش هزینه تاکنون با افزایش چگالی انرژی با هزینه مشابه محصولات نسل قدیمی حاصل شده است.

کاهش بیشتر هزینه از طریق بهینه سازی طرح های تولید امکان پذیر است.باتری های لیتیوم یونی در مجموعه ای از الکترودها ساخته می شوند و سپس در سلول ها مونتاژ می شوند.مواد فعال با چسب های پلیمری، افزودنی های رسانا و حلال ها مخلوط می شوند تا دوغابی تشکیل شود که سپس روی یک فویل جمع کننده جریان پوشانده شده و خشک می شود تا حلال حذف شود و پوشش الکترود متخلخل ایجاد شود.حلال انتخابی، N-methylpyrrolidone (NMP)، در نظر گرفته می شود مواد غیر مستقیم (برای تولید مورد نیاز است اما در دستگاه نهایی موجود نیست)، اما گران است، بخارات قابل اشتعال را نشان می دهد و بسیار سمی است.

بخارات قابل اشتعال NMP به تمام تجهیزات پردازشی در طول تولید الکترودها نیاز دارند که ضد انفجار باشند، به این معنی که تمام اجزای الکتریکی تولید کننده جرقه باید از بخارات محافظت شوند و فضاها باید به شدت تهویه شوند تا غلظت بخار پایین بماند.این اقدامات هزینه سرمایه این تجهیزات را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد.

علاوه بر این، کارخانه تولید الکترود موظف است حلال را از جریان خروجی آن بازگرداند، آن را تقطیر کرده و بازیافت کند.این دوباره یک هزینه اضافی است.

کاهش هزینه با پردازش مبتنی بر آب

جایگزینی NMP با آب یک فرصت فوق العاده برای کاهش هزینه در تولید باتری های لیتیوم یونی است.هزینه آب در مقایسه با NMP ناچیز است.آب قابل اشتعال نیست و بخارات قابل اشتعال تولید نمی کند.و آب برای محیط زیست بی خطر است.با این حال، آب یک حلال قطبی است و رفتار آن کاملاً با رفتار NMP غیرقطبی متفاوت است.علاوه بر این، مواد فعال تمایل به تجمع دارند و سطوح کلکتور جریان فلزی آبگریز هستند که فرآیند پوشش را دشوارتر می کند.

آگاهی از بارهای سطحی ذرات (با اندازه گیری پتانسیل زتا) طراحی قطبیت سطح را در حضور آب با معرفی مقادیر کمی از سورفکتانت ها امکان پذیر می کند.در مورد ترکیبات بین کاتدی، پلی اتیلن ایمید با موفقیت برای وارد کردن بار سطحی به اندازه کافی بزرگ برای دفع ذرات استفاده شده است به طوری که آنها آگلومراهای غیرقابل قبولی تشکیل نمی دهند (Li et al. 2013).

درک انرژی سطحی فلزات و کشش سطحی دوغاب و همچنین تعامل آنها امکان بهینه سازی جفت را فراهم می کند.عملیات پلاسمای جوی سطح فلز از طریق قرار گرفتن در معرض پلاسمای تاج، ترکیبات آلی روی سطح را حذف می کند و امکان اچ و اکسیداسیون جزئی را فراهم می کند که به طور چشمگیری انرژی سطح را به مقادیر زیر کشش سطحی دوغاب کاهش می دهد.این امکان خیس شدن کامل سطح توسط دوغاب را فراهم می کند و پوششی با چسبندگی بهینه ایجاد می کند (Li et al. 2012).نتیجه کاهش 75 درصدی هزینه عملیاتی و مواد در ساخت الکترود و کاهش هزینه بالقوه تا 20 درصد در سطح بسته باتری برای کاربردهای خودرو است (Wood et al. 2014).این هزینه تجهیزات کمتر را شامل نمی شود: هزینه های مربوط به تجهیزات پردازش پلاسما بسیار کمتر از هزینه های سیستم بازیابی حلال و نیاز ضد انفجار است.

فرصت های آینده برای کاهش هزینه ها

کاهش هزینه بیشتر از طریق دانش بیشتر در مورد مکانیسم های حمل و نقل و مفاهیم معماری الکترود برای عملکرد الکتروشیمیایی حاصل خواهد شد.تحقیقات کنونی عمدتاً بر مدل‌سازی و شبیه‌سازی برای درک مکانیسم‌های مولکولی و بهبود طراحی الکترودها، پشته‌های الکترود و سلول‌های باتری متمرکز است.الکترودهای ضخیم‌تر و کاهش شدید مواد غیرفعال، چگالی انرژی را با هزینه کمتر بهبود می‌بخشد، هزینه‌های مستقیم را کاهش می‌دهد و احتمالاً چرخه‌سازی تشکیل باتری بسیار کوتاه‌تر و با انرژی کمتری را ممکن می‌سازد.

نتیجه

باتری‌های لیتیوم یون پتانسیل فوق‌العاده‌ای برای برق‌رسانی جزئی تا کامل ناوگان خودروسازی، تنوع بخشیدن به منابع انرژی برای حمل‌ونقل و پشتیبانی از ذخیره‌سازی انرژی در مقیاس بزرگ برای نفوذ بیشتر منبع انرژی تجدیدپذیر متناوب دارند.با این حال، هزینه همچنان یک مسئله است و باید با توسعه یک زنجیره تامین قوی، استانداردهای تولید، توان تولید بالا و روش‌های پردازش کم‌هزینه به آن پرداخته شود.علاوه بر کاهش هزینه ها، تحقیقات می تواند دانش فرآیندهای مولکولی و مسائل حمل و نقل را به منظور بهینه سازی طراحی و استفاده از انرژی موجود در باتری ها و افزایش طول عمر آنها افزایش دهد.

همانطور که در این مقاله نشان داده شده است، افزایش محتوای انرژی و ظرفیت در مواد الکترود فعال و کاهش مواد غیرمستقیم در تولید دو راه برای تاثیرگذاری بر هزینه هستند.

قدردانی

بخش‌هایی از این تحقیق در آزمایشگاه ملی Oak Ridge (ORNL؛ مدیریت شده توسط UT Battelle, LLC) برای وزارت انرژی ایالات متحده (تحت قرارداد DE-AC05-00OR22725) توسط دفتر فناوری‌های خودرو با بهره‌وری انرژی و انرژی تجدیدپذیر (EERE) حمایت شد. زیربرنامه تحقیقات باتری کاربردی (ABR) Office (VTO) (مدیران برنامه: پیتر فاگوی و دیوید هاول).نویسنده، بحث‌های مثمر ثمر با دیوید وود، جیانلین لی، و دباسیش موهانتی از مرکز تحقیق و توسعه باتری DOE در ORNL و بت آرمسترانگ در بخش علوم و فناوری مواد ORNL و مشارکت‌های آنها را تأیید می‌کند.

منبع مقاله: پل چشمه: از مرزهای مهندسی و فراتر از آن