Batri Lityòm Ion ak defi fabrikasyon yo

Batri ityòm ion yo ye manifaktire nan seri elektwòd ak Lè sa a, reyini nan selil yo.Materyèl aktif melanje ak lyan polymère, aditif konduktif, ak solvang yo fòme yon sispansyon ki Lè sa a, kouvwi sou yon FOIL pèseptè aktyèl epi seche yo retire sòlvan an epi kreye yon kouch elektwòd pore.

Pa gen yon sèl batri ityòm ion.Avèk varyete materyèl ak koup elektwochimik ki disponib, li posib pou konsepsyon selil batri espesifik pou aplikasyon yo an tèm de vòltaj, eta de itilizasyon chaj, bezwen pou tout lavi, ak sekirite.Seleksyon nan koup elektwochimik espesifik tou fasilite konsepsyon an nan pouvwa ak rapò enèji ak enèji ki disponib.

Entegrasyon nan yon selil gwo fòma mande pou optimize woulo liv-a-woule fabrikasyon elektwòd ak itilizasyon materyèl aktif.Elektwòd yo kouvwi sou yon FOIL pèseptè aktyèl metal nan yon estrikti konpoze nan materyèl aktif, atach, ak aditif konduktif, ki mande pou kontwòl atansyon sou chimi koloidal, adezyon, ak solidifikasyon.Men, materyèl yo te ajoute inaktif ak anbalaj selil la diminye dansite enèji.Anplis, degre porosite ak konpaksyon nan elektwòd la ka afekte pèfòmans batri.

Anplis defi materyèl sa yo, pri se yon gwo baryè pou adopsyon toupatou nan teknoloji sa a.Yo ap eksplore chemen pou pote pil ki soti nan 100 Wh/kg ak 200 Wh/L ki disponib nan komès a $500/kWh jiska 250 Wh/kg ak 400 Wh/L pou jis $125/kWh.

Fondamantal nan batri ityòm ion

Batri ityòm ion te fè posib pa dekouvèt ityòm cobalt oksid (LiCoO ₂ ), ki pèmèt ekstraksyon ityòm iyon ak kreyasyon gwo kantite pòs vid (san yon chanjman kristal) jiska retire mwatye nan iyon ki egziste deja yo.Aparisyon nan LiCoO ₂ ak grafit pèmèt entèrkalasyon iyon ityòm ant kouch grafèn ki okipe sit entèstisyèl ant chak bag egzagonal atòm kabòn (Besenhard and Schöllhorn 1976; Mizushima et al. 1980; Whittingham 1976).

Iyon ityòm yo vwayaje pandan chaj soti nan elektwòd pozitif (katod la) atravè yon elektwolit solid oswa likid nan elektwòd negatif la (anod la) epi, pandan egzeyat, nan direksyon opoze a.Nan chak elektwòd, ion la swa kenbe chaj li yo ak entèrkalye nan estrikti kristal la okipe sit entèstisyèl nan kristal ki egziste deja sou bò anod la oswa reoccupies yon sit vid nan katod a ki te fòme lè ityòm ion la kite kristal sa a.Pandan w ap transfere ion nan, matris lame a vin redwi oswa soksid, ki degaje oswa kaptire yon elèktron. ¹

Varyete materyèl katod

Rechèch la pou nouvo materyèl katod kondwi an pati pa dezavantaj enpòtan nan LiCoO ₂ .Batri a gen yon tanperati debaz nan 40-70 ° C epi li ka sansib a kèk reyaksyon ba-tanperati.Men, nan 105-135 °C li trè reyaktif ak yon sous oksijèn ekselan pou yon danje sekirite yo rele yon reyaksyon tèmik runaway , nan ki reyaksyon trè èzotèmik kreye pike tanperati ak akselere rapidman ak liberasyon an nan chalè siplemantè (Roth 2000).

Materyèl ranplasman pou LiCoO ₂ yo gen mwens tandans fè echèk sa a.Konpoze yo ranplase pati nan Cobalt la ak nikèl ak Manganèz pou fòme Li(Ni _x Mn _y Co _z )O ₂ konpoze (avèk x + y + z = 1), souvan refere yo kòm NMC paske yo gen nikèl, Manganèz, ak Cobalt;oswa yo montre yon estrikti konplètman nouvo nan fòm lan nan fosfat (egzanp, LiFePO ₄ ) (Daniel et al. 2014).Materyèl katod sa yo tout montre kapasite nan ranje 120-160 Ah/kg nan 3.5-3.7 V, sa ki lakòz dansite enèji maksimòm ki rive jiska 600 Wh/kg.

Lè pake nan aparèy reyèl, sepandan, anpil mas materyèl inaktif ajoute ak dansite enèji a gen tandans tonbe a 100 Wh / kg sou nivo pake a.Pou pouse pou pi wo dansite enèji, chèchè yo te chèche pi gwo kapasite ak pi wo vòltaj-epi yo te jwenn yo nan ityòm- ak Manganèz ki rich oksid metal tranzisyon.Konpoze sa yo se esansyèlman menm materyèl ak NMC men yon eksè de ityòm ak pi gwo kantite Manganèz ranplase nikèl ak cobalt.Kantite yo ki pi wo nan ityòm (otan ke 20 pousan plis) pèmèt konpoze yo gen pi gwo kapasite (Thackeray et al. 2007) ak yon vòltaj ki pi wo, sa ki lakòz katod ak jiska 280 Ah / kg lè yo chaje jiska 4.8 V. Sepandan , nouvo konpoze sa yo montre pwoblèm estabilite epi yo gen tandans fennen vit.

Balanse nan materyèl nan selil yo

Batri ityòm ion yo fèt ak kouch elektwòd pore sou aliminyòm ak kwiv papye pèseptè aktyèl (Daniel 2008).Kapasite chak pè elektwòd bezwen balanse pou asire sekirite batri a epi evite risk pou yon chaj twòp nan anod la (ki ka lakòz yon plating metal ityòm ak sikwi kout) oswa overdischarge nan katod la (ki ka lakòz yon efondreman nan estrikti nan kristal. ak pèt pòs vid pou ityòm reintercalate, diminye kapasite dramatikman).

Graphite gen yon kapasite teyorik 372 Ah/kg, doub sa ki disponib nan ityòm nan katod NMC.Se konsa, nan pil ityòm ion balanse, katod yo tipikman montre doub epesè a konpare ak anod la.Defo sa a nannan nan konsepsyon selil la lakòz pwoblèm ak transpò mas ak sinetik, e konsa pouse rechèch la pou katod ki gen gwo kapasite.

Pou ogmante dansite enèji nan nivo selil, materyèl inaktif yo ap minimize nan selil batri yo.Pou egzanp, yon fason pou diminye pèseptè aktyèl la se ogmante epesè elektwòd yo, men sa a plis kondui pwoblèm transpò ak mande pou yon porosite trè Enjenieri nan elektwòd la.

Defi pri nan fabrikasyon batri ityòm ion

Depans yo nan pil ityòm ion yo pi wo pase mache otomobil la pral pote pou pénétration konplè nan machin elektrik ak yon pwodwi pri-net konpare ak machin ki kouri pa motè combustion entèn yo.Objektif depans Depatman Enèji Etazini pou tout pil machin elektrik yo se $125/kWh enèji ki ka itilize (DOE 2013).Pri aktyèl pil komèsyal yo se $400–500/kWh ak pri yo prevwa ak materyèl eksperimantal aktyèl yo se $325/kWh.Pifò nan rediksyon pri a jiska prezan te reyalize pa ogmantasyon dansite enèji nan pri ki sanble ak pwodwi yo pi gran jenerasyon.

Pli lwen rediksyon pri posib atravè optimize rapid fabrikasyon yo.Batri ityòm ion yo fabrike nan seri elektwòd ak Lè sa a, reyini nan selil yo.Materyèl aktif melanje ak lyan polymère, aditif konduktif, ak solvang yo fòme yon sispansyon ki Lè sa a, kouvwi sou yon FOIL pèseptè aktyèl epi seche yo retire sòlvan an epi kreye yon kouch elektwòd pore.Solvang nan chwa, N-methylpyrrolidone (NMP), konsidere kòm yon materyèl endirèk (li nesesè pou pwodiksyon men li pa genyen nan aparèy final la), men li chè, montre vapè ki ka pran dife, epi li trè toksik.

Vapè ki ka pran dife nan NMP mande pou tout ekipman pwosesis pandan pwodiksyon elektwòd yo dwe prèv eksplozyon, sa vle di tout eleman elektrik ki pwodui etensèl bezwen pwoteje kont vapè yo ak espas yo bezwen trè vantile pou kenbe konsantrasyon vapè ba.Mezi sa yo ogmante pri kapital ekipman sa yo konsiderableman.

Anplis de sa, plant fabrikasyon elektwòd la oblije repran sòlvan an nan kouran echapman li yo, distile li, epi resikle li.Sa a se ankò yon pri adisyonèl.

Rediksyon pri pa tretman ki baze sou dlo

Ranplasman NMP pa dlo se yon opòtinite fòmidab pou redwi pri nan pwodiksyon pil ityòm ion.Pri a nan dlo se neglijab konpare ak sa yo ki nan NMP;dlo pa ka pran dife epi li pa pwodui vapè ki ka pran dife;ak dlo se byenfè anviwònman an.Sepandan, dlo se yon sòlvan polè ak konpòtman li konplètman diferan de sa ki nan NMP nonpolar la.Anplis de sa, materyèl aktif yo gen tandans agglomere ak metal aktyèl sifas pèseptè yo idrofob, ki fè pwosesis la kouch pi difisil.

Konesans nan chaj sifas sou patikil (pa mezire potansyèl zeta) pèmèt konsepsyon an nan polarite sifas nan prezans dlo pa entwodwi ti kantite surfactants.Nan ka a nan konpoze entèkalasyon katod, yo te itilize avèk siksè polyethylene imid pou prezante yon chaj sifas gwo ase yo repouse patikil yo ke yo pa fòme aglomerat inakseptab (Li et al. 2013).

Konprann enèji sifas metal yo ak tansyon sifas sispansyon an ak entèraksyon yo pèmèt pou optimize pè a.Tretman plasma atmosferik nan sifas metal la atravè ekspoze a yon plasma Corona retire konpoze òganik sou sifas la epi li pèmèt yon ti grave ak oksidasyon, ki dramatikman diminye enèji sifas la nan valè anba tansyon sifas sispansyon an.Sa a pèmèt pafè mouye sifas la pa sispansyon an epi li kreye yon kouch ak adezyon optimize (Li et al. 2012).Rezilta a se yon rediksyon pri operasyon ak materyèl 75 pousan nan fabrikasyon elektwòd la ak yon rediksyon pri potansyèl ki rive jiska 20 pousan nan nivo pake batri pou aplikasyon pou otomobil (Wood et al. 2014).Sa a pa enkli pri ekipman ki pi ba yo: depans ki asosye ak ekipman pwosesis plasma yo pi ba anpil pase sa yo pou sistèm rekiperasyon sòlvan ak egzijans eksplozyon-prèv la.

Opòtinite nan lavni pou rediksyon pri

Plis rediksyon pri yo pral reyalize atravè pi gwo konesans nan mekanis transpò ak enplikasyon achitekti elektwòd pou pèfòmans elektwochimik.Rechèch aktyèl yo konsantre lajman sou modèl ak simulation pou konprann mekanis molekilè ak amelyore konsepsyon elektwòd, pil elektwòd, ak selil batri.Elektwòd ki pi epè ak yon rediksyon fòmidab nan materyèl inaktif pral amelyore dansite enèji nan pi ba pri, redwi depans dirèk, epi pètèt pèmèt pi kout ak mwens enèji entansif fòmasyon batri bisiklèt.

Konklizyon

Batri ityòm ion gen gwo potansyèl pou pèmèt elèktrifikasyon pasyèl oswa konplè nan flòt otomobil la, divèsifye sous enèji pou transpò, ak sipòte depo enèji gwo echèl pou yon pi gwo pénétration nan rezèv enèji renouvlab tanzantan.Sepandan, pri kontinye ap yon pwoblèm epi yo pral bezwen adrese pa devlopman nan yon chèn ekipman solid, estanda nan fabrikasyon, gwo debi fabrikasyon, ak senplifye metòd pwosesis a pri ki ba.Anplis de sa nan diminye depans yo, rechèch ka amelyore konesans nan pwosesis molekilè ak pwoblèm transpò yo nan lòd yo optimize konsepsyon an ak itilizasyon enèji ki disponib nan pil ak ogmante tan lavi yo.

Jan yo montre nan papye sa a, yon ogmantasyon nan kontni enèji ak kapasite nan materyèl elektwòd aktif ak yon rediksyon nan materyèl endirèk nan pwodiksyon se de fason yo enpak sou pri.

Rekonesans

Pati nan rechèch sa a nan Oak Ridge National Laboratory (ORNL; jere pa UT Battelle, LLC) pou US Department of Energy (anba kontra DE-AC05-00OR22725) te patwone pa Biwo Efikasite Enèji ak Enèji Renouvlab (EERE) Vehicle Technologies. Sou-pwogram Biwo (VTO) Applied Battery Research (ABR) (manadjè pwogram yo: Peter Faguy ak David Howell).Otè a rekonèt anpil diskisyon anpil pitit pitit ak kontribisyon nan men David Wood, Jianlin Li, ak Debasish Mohanty nan etablisman R&D Faktori Batri DOE nan ORNL ak Beth Armstrong nan Divizyon Syans ak Teknoloji Materyèl ORNL la.

Sous atik: Spring Bridge: Soti nan Fwontyè yo nan jeni ak pi lwen