Mga Lithium Ion Baterya at Ang Kanilang Mga Hamon sa Paggawa

Mga baterya ng Lithium ion ay ginawa sa mga hanay ng mga electrodes at pagkatapos ay tipunin sa mga cell.Ang aktibong materyal ay hinahalo sa mga polymer binder, conductive additives, at solvents upang bumuo ng slurry na pagkatapos ay pinahiran sa isang kasalukuyang collector foil at pinatuyo upang maalis ang solvent at lumikha ng porous electrode coating.

Walang iisang baterya ng lithium ion.Sa iba't ibang materyales at electrochemical couple na magagamit, posibleng magdisenyo ng mga cell ng baterya na partikular sa kanilang mga aplikasyon sa mga tuntunin ng boltahe, estado ng paggamit ng bayad, panghabambuhay na pangangailangan, at kaligtasan.Ang pagpili ng mga partikular na electrochemical couples ay nagpapadali din sa disenyo ng power at energy ratios at available na enerhiya.

Ang pagsasama sa isang malaking format na cell ay nangangailangan ng optimized na roll-to-roll electrode manufacturing at paggamit ng mga aktibong materyales.Ang mga electrodes ay pinahiran sa isang metal current collector foil sa isang pinagsama-samang istraktura ng aktibong materyal, binder, at conductive additives, na nangangailangan ng maingat na kontrol ng colloidal chemistry, adhesion, at solidification.Ngunit ang mga idinagdag na hindi aktibong materyales at ang cell packaging ay nagpapababa ng density ng enerhiya.Bukod dito, ang antas ng porosity at compaction sa elektrod ay maaaring makaapekto sa pagganap ng baterya.

Bilang karagdagan sa mga hamon sa materyal na ito, ang gastos ay isang malaking hadlang sa malawakang paggamit ng teknolohiyang ito.Ang mga landas ay ginalugad upang magdala ng mga baterya mula sa komersyal na available na 100 Wh/kg at 200 Wh/L sa $500/kWh hanggang 250 Wh/kg at 400 Wh/L sa halagang $125/kWh lamang.

Mga Batayan ng Lithium Ion Baterya

Ang baterya ng lithium ion ay naging posible sa pamamagitan ng pagtuklas ng lithium cobalt oxide (LiCoO ₂ ), na nagpapahintulot sa pagkuha ng mga lithium ions at paglikha ng malalaking halaga ng mga bakante (nang walang pagbabago sa kristal) hanggang sa pag-alis ng kalahati ng mga umiiral na ion.Ang pagpapares ng LiCoO ₂ na may graphite ay nagbibigay-daan sa intercalation ng lithium ions sa pagitan ng mga graphene layer na sumasakop sa interstitial site sa pagitan ng bawat hexagonal ring ng carbon atoms (Besenhard at Schöllhorn 1976; Mizushima et al. 1980; Whittingham 1976).

Ang mga lithium ion ay naglalakbay sa panahon ng pagsingil mula sa positibong elektrod (ang katod) sa pamamagitan ng isang solid o likidong electrolyte patungo sa negatibong elektrod (ang anode) at, sa panahon ng paglabas, sa kabilang direksyon.Sa bawat electrode, pinapanatili ng ion ang singil nito at nag-intercalate sa istrukturang kristal na sumasakop sa mga interstitial na site sa mga umiiral na kristal sa gilid ng anode o muling sumasakop sa isang bakanteng lugar sa cathode na nabuo nang umalis ang lithium ion sa kristal na iyon.Habang inililipat ang ion, ang host matrix ay nababawasan o na-oxidized, na naglalabas o kumukuha ng isang electron. ¹

Iba't-ibang Materyales ng Cathode

Ang paghahanap para sa mga bagong materyales ng cathode ay hinihimok sa bahagi ng mahahalagang disadvantages ng LiCoO ₂ .Ang baterya ay may pangunahing temperatura na 40–70°C at maaaring madaling kapitan sa ilang mababang temperaturang reaksyon.Ngunit sa 105–135°C ito ay napaka-reaktibo at isang mahusay na mapagkukunan ng oxygen para sa isang panganib sa kaligtasan na tinatawag na thermal runaway reaction , kung saan ang mga sobrang exothermic na reaksyon ay lumilikha ng mga spike ng temperatura at mabilis na bumilis sa pagpapalabas ng sobrang init (Roth 2000).

Mga kapalit na materyales para sa LiCoO ₂ ay mas madaling kapitan ng kabiguan na iyon.Pinapalitan ng mga compound ang mga bahagi ng cobalt ng nickel at manganese upang mabuo ang Li(Ni _x Mn _y Co _z )O ₂ mga compound (na may x + y + z = 1), madalas na tinutukoy bilang NMC dahil naglalaman ang mga ito ng nickel, manganese, at cobalt;o nagpapakita sila ng isang ganap na bagong istraktura sa anyo ng mga phosphate (hal., LiFePO ₄ ) (Daniel et al. 2014).Ang mga materyales ng cathode na ito ay nagpapakita ng lahat ng mga kapasidad sa hanay na 120–160 Ah/kg sa 3.5–3.7 V, na nagreresulta sa maximum na density ng enerhiya na hanggang 600 Wh/kg.

Kapag nakabalot sa mga totoong device, gayunpaman, maraming hindi aktibong materyal na masa ang idinaragdag at ang density ng enerhiya ay may posibilidad na bumaba sa 100 Wh/kg sa antas ng pack.Upang itulak ang mas mataas na density ng enerhiya, ang mga mananaliksik ay naghanap ng mas mataas na kapasidad at mas mataas na boltahe-at natagpuan ang mga ito sa lithium- at manganese-rich transition metal oxides.Ang mga compound na ito ay mahalagang parehong materyales tulad ng NMC ngunit ang labis na lithium at mas mataas na halaga ng manganese ay pumapalit sa nickel at cobalt.Ang mas mataas na halaga ng lithium (hanggang sa 20 porsiyentong higit pa) ay nagpapahintulot sa mga compound na magkaroon ng mas mataas na kapasidad (Thackeray et al. 2007) at mas mataas na boltahe, na nagreresulta sa mga cathode na may hanggang 280 Ah/kg kapag sisingilin hanggang 4.8 V. Gayunpaman , ang mga bagong compound na ito ay nagpapakita ng mga problema sa katatagan at malamang na mabilis na kumupas.

Pagbalanse ng Mga Materyales sa Mga Cell

Ang mga baterya ng Lithium ion ay gawa sa mga layer ng porous electrodes sa aluminum at copper current collector foils (Daniel 2008).Ang kapasidad ng bawat pares ng electrode ay kailangang balanse upang matiyak ang kaligtasan ng baterya at maiwasan ang panganib ng overcharge ng anode (na maaaring magresulta sa lithium metal plating at short circuiting) o overdischarge ng cathode (na maaaring magresulta sa pagbagsak ng istraktura ng kristal at pagkawala ng mga bakante para sa lithium upang muling mag-intercalate, kapansin-pansing binabawasan ang kapasidad).

Ang graphite ay may teoretikal na kapasidad na 372 Ah/kg, doble sa magagamit na lithium sa mga NMC cathode.Kaya sa balanseng mga baterya ng lithium ion, ang mga cathode ay karaniwang nagpapakita ng dobleng kapal kumpara sa anode.Ang likas na kapintasan ng disenyo ng cell ay nagdudulot ng mga problema sa mass transport at kinetics, at sa gayon ay nag-udyok sa paghahanap para sa mga cathode na may mataas na kapasidad.

Upang mapataas ang density ng enerhiya sa antas ng cell, ang mga hindi aktibong materyales ay pinaliit sa mga cell ng baterya.Halimbawa, ang isang paraan upang mabawasan ang kasalukuyang kolektor ay upang madagdagan ang kapal ng mga electrodes, ngunit ito ay higit na nagtutulak ng mga problema sa transportasyon at nangangailangan ng isang mataas na engineered porosity sa elektrod.

Mga Hamon sa Gastos sa Paggawa ng Mga Lithium Ion Baterya

Ang mga gastos ng mga baterya ng lithium ion ay mas mataas kaysa sa automotive market na sasagutin para sa buong pagtagos ng mga de-koryenteng sasakyan at isang cost-neutral na produkto kumpara sa mga kotse na pinapatakbo ng mga internal combustion engine.Ang target sa gastos ng Kagawaran ng Enerhiya ng US para sa lahat ng mga baterya ng de-kuryenteng sasakyan ay $125/kWh ng magagamit na enerhiya (DOE 2013).Ang kasalukuyang halaga ng mga komersyal na baterya ay $400–500/kWh at ang kanilang inaasahang gastos sa kasalukuyang mga pang-eksperimentong materyales ay $325/kWh.Karamihan sa mga pagbawas sa gastos sa ngayon ay nakamit sa pamamagitan ng pagtaas ng density ng enerhiya sa katulad na halaga sa mga produktong mas lumang henerasyon.

Ang karagdagang pagbawas sa gastos ay posible sa pamamagitan ng pag-optimize ng mga scheme ng pagmamanupaktura.Ang mga baterya ng Lithium ion ay ginawa sa mga hanay ng mga electrodes at pagkatapos ay binuo sa mga cell.Ang aktibong materyal ay hinahalo sa mga polymer binder, conductive additives, at solvents upang bumuo ng slurry na pagkatapos ay pinahiran sa isang kasalukuyang collector foil at pinatuyo upang maalis ang solvent at lumikha ng porous electrode coating.Ang solvent na pinili, N-methylpyrrolidone (NMP), ay itinuturing na isang hindi direktang materyal (ito ay kailangan para sa produksyon ngunit hindi nakapaloob sa panghuling aparato), ngunit ito ay mahal, nagpapakita ng mga nasusunog na singaw, at lubhang nakakalason.

Ang mga nasusunog na singaw ng NMP ay nangangailangan ng lahat ng kagamitan sa pagpoproseso sa panahon ng paggawa ng mga electrodes na maging explosion proof, ibig sabihin, ang lahat ng mga electrical component na gumagawa ng spark ay kailangang protektahan mula sa mga singaw at ang mga espasyo ay kailangang ma-ventilate upang mapanatiling mababa ang mga konsentrasyon ng singaw.Ang mga hakbang na ito ay tumataas nang malaki sa halaga ng kapital ng naturang kagamitan.

Bilang karagdagan, ang planta ng pagmamanupaktura ng elektrod ay kinakailangan upang makuha muli ang solvent mula sa stream ng tambutso nito, distill ito, at i-recycle ito.Ito ay muli ng karagdagang gastos.

Pagbawas ng Gastos sa pamamagitan ng Pagproseso na Nakabatay sa Tubig

Ang pagpapalit ng NMP sa tubig ay isang napakalaking pagkakataon upang mabawasan ang gastos sa paggawa ng mga baterya ng lithium ion.Ang halaga ng tubig ay bale-wala kumpara sa NMP;ang tubig ay hindi nasusunog at hindi gumagawa ng mga nasusunog na singaw;at ang tubig ay mabait sa kapaligiran.Gayunpaman, ang tubig ay isang polar solvent at ang pag-uugali nito ay ganap na naiiba mula sa nonpolar NMP.Higit pa rito, ang mga aktibong materyales ay may posibilidad na mag-aglomerate at ang mga ibabaw ng kasalukuyang kolektor ng metal ay hydrophobic, na ginagawang mas mahirap ang proseso ng patong.

Ang kaalaman sa mga singil sa ibabaw sa mga particle (sa pamamagitan ng pagsukat ng potensyal ng zeta) ay nagbibigay-daan sa disenyo ng polarity sa ibabaw sa pagkakaroon ng tubig sa pamamagitan ng pagpapakilala ng maliliit na halaga ng mga surfactant.Sa kaso ng mga cathode intercalation compound, ang polyethylene imide ay matagumpay na ginamit upang ipasok ang isang surface charge na sapat na malaki upang maitaboy ang mga particle upang hindi sila makabuo ng mga hindi katanggap-tanggap na agglomerates (Li et al. 2013).

Ang pag-unawa sa enerhiya sa ibabaw ng mga metal at ang pag-igting sa ibabaw ng slurry pati na rin ang kanilang pakikipag-ugnayan ay nagbibigay-daan para sa pag-optimize ng pares.Ang atmospheric plasma treatment ng ibabaw ng metal sa pamamagitan ng pagkakalantad sa isang corona plasma ay nag-aalis ng mga organikong compound sa ibabaw at nagbibigay-daan sa bahagyang pag-ukit at oksihenasyon, na kapansin-pansing binabawasan ang enerhiya sa ibabaw sa mga halagang mas mababa sa tensyon sa ibabaw ng slurry.Nagbibigay-daan ito sa perpektong basa ng ibabaw ng slurry at lumilikha ng coating na may optimized adhesion (Li et al. 2012).Ang resulta ay isang 75 porsiyentong pagbawas sa gastos sa pagpapatakbo at mga materyales sa pagmamanupaktura ng elektrod at isang potensyal na pagbawas sa gastos ng hanggang 20 porsiyento sa antas ng battery pack para sa mga aplikasyon ng sasakyan (Wood et al. 2014).Hindi kasama dito ang mas mababang halaga ng kagamitan: ang mga gastos na nauugnay sa kagamitan sa pagpoproseso ng plasma ay mas mababa kaysa sa para sa solvent recovery system at ang explosion-proof na kinakailangan.

Mga Oportunidad sa Hinaharap para sa Pagbawas ng Gastos

Ang karagdagang mga pagbawas sa gastos ay makakamit sa pamamagitan ng higit na kaalaman sa mga mekanismo ng transportasyon at mga implikasyon ng arkitektura ng elektrod para sa pagganap ng electrochemical.Ang kasalukuyang pananaliksik ay higit na nakatuon sa pagmomodelo at simulation upang maunawaan ang mga mekanismo ng molekular at pagbutihin ang disenyo ng mga electrodes, electrode stack, at mga cell ng baterya.Ang mas makapal na mga electrodes at isang napakalaking pagbawas sa mga hindi aktibong materyales ay magpapahusay sa densidad ng enerhiya sa mas mababang halaga, makakabawas sa mga direktang gastos, at posibleng magbibigay-daan sa mas maikli at mas kaunting energy intensive na pagbibisikleta sa pagbuo ng baterya.

Konklusyon

Ang mga baterya ng Lithium ion ay may napakalaking potensyal para sa partial hanggang sa buong electrification ng automotive fleet, pag-iba-iba ng mga pinagkukunan ng enerhiya para sa transportasyon, at pagsuporta sa malakihang pag-iimbak ng enerhiya para sa mas mataas na pagtagos ng pasulput-sulpot na renewable na supply ng enerhiya.Gayunpaman, ang gastos ay patuloy na isang isyu at kakailanganing matugunan sa pamamagitan ng pagbuo ng isang matatag na supply chain, mga pamantayan sa pagmamanupaktura, mataas na throughput ng pagmamanupaktura, at mga naka-streamline na pamamaraan sa pagpoproseso ng mura.Bilang karagdagan sa pagbabawas ng mga gastos, maaaring mapahusay ng pananaliksik ang kaalaman sa mga proseso ng molekular at mga isyu sa transportasyon upang ma-optimize ang disenyo at paggamit ng magagamit na enerhiya sa mga baterya at madagdagan ang kanilang buhay.

Tulad ng ipinakita sa papel na ito, ang pagtaas ng nilalaman ng enerhiya at kapasidad sa mga aktibong materyales sa elektrod at pagbabawas ng mga hindi direktang materyales sa produksyon ay dalawang paraan upang maapektuhan ang gastos.

Mga Pasasalamat

Ang mga bahagi ng pananaliksik na ito sa Oak Ridge National Laboratory (ORNL; pinamamahalaan ng UT Battelle, LLC) para sa US Department of Energy (sa ilalim ng kontratang DE-AC05-00OR22725) ay na-sponsor ng Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE) Vehicle Technologies Subprogram ng Office (VTO) Applied Battery Research (ABR) (mga tagapamahala ng programa: Peter Faguy at David Howell).Kinikilala ng may-akda ang maraming mabungang talakayan at mga kontribusyon mula kay David Wood, Jianlin Li, at Debasish Mohanty ng DOE Battery Manufacturing R&D Facility sa ORNL at Beth Armstrong sa Materials Science and Technology Division ng ORNL.

Pinagmulan ng artikulo：Spring Bridge： Mula sa Frontiers ng engineering at higit pa