Karbon emisyonlarını azaltma yönündeki acil ihtiyaç, ulaşımın elektrikli hale getirilmesine ve şebekede güneş ve rüzgar enerjisinin yaygınlaştırılmasına doğru hızlı bir adım atılmasına neden oluyor. Bu eğilimler beklendiği gibi artarsa, elektrik enerjisini depolamak için daha iyi yöntemlere olan ihtiyaç yoğunlaşacaktır.
Esther ve Harold E. Edgerton'da malzeme bilimi ve mühendisliği alanında doçent olan Dr. Elsa Olivetti, iklim değişikliği tehdidine karşı alabileceğimiz tüm stratejilere ihtiyacımız olduğunu söylüyor. Açıkça, şebeke tabanlı yığın depolama teknolojilerinin geliştirilmesi çok önemlidir. Ancak mobil uygulamalara, özellikle de ulaşıma yönelik araştırmaların çoğu, günümüzün uygulamalarına uyum sağlamaya odaklanıyor.lityum iyon pillerdaha güvenli, daha küçük olmak ve boyutlarına ve ağırlıklarına göre daha fazla enerji depolayabilmek.
Geleneksel lityum iyon piller gelişmeye devam ediyor ancak kısmen yapılarından dolayı sınırlamaları devam ediyor.Lityum-iyon piller, organik (karbon içeren) bir sıvıya sıkıştırılmış, biri pozitif diğeri negatif olmak üzere iki elektrottan oluşur. Pil şarj edilip boşaltıldığında, yüklü lityum parçacıkları (veya iyonları) sıvı elektrolit aracılığıyla bir elektrottan diğerine aktarılır.
Bu tasarımın bir sorunu, belirli voltaj ve sıcaklıklarda sıvı elektrolitin uçucu hale gelebilmesi ve alev alabilmesidir. Olivetti'nin grubundaki araştırma bilimcisi Dr Kevin Huang Ph.D.'15, pillerin normal kullanımda genellikle güvenli olduğunu ancak riskin devam ettiğini söylüyor.
Diğer bir sorun ise lityum iyon pillerin otomobillerde kullanıma uygun olmamasıdır. Büyük, ağır akü paketleri yer kaplar, aracın toplam ağırlığını artırır ve yakıt verimliliğini azaltır. Ancak günümüzün lityum iyon pillerini, enerji yoğunluğunu (bir gram ağırlık başına depolanan enerji miktarı) korurken daha küçük ve daha hafif hale getirmenin zor olduğu kanıtlanıyor.
Bu sorunları çözmek için araştırmacılar, lityum iyon pillerin temel özelliklerini değiştirerek tamamen katı veya katı halli bir versiyon oluşturuyorlar. Ortadaki sıvı elektroliti, geniş bir voltaj ve sıcaklık aralığında stabil olan ince, katı bir elektrolitle değiştiriyorlar. Bu katı elektrolitle, yüksek kapasiteli bir pozitif elektrot ve normal gözenekli karbon tabakasından çok daha az kalın olan yüksek kapasiteli bir lityum metal negatif elektrot kullandılar. Bu değişiklikler, enerji depolama kapasitesini korurken genel olarak çok daha küçük bir hücreye izin verir ve bu da daha yüksek bir enerji yoğunluğuna yol açar.
Bu özellikler - gelişmiş güvenlik ve daha fazla enerji yoğunluğu- muhtemelen potansiyel katı hal pillerin en çok öne çıkan iki faydasıdır, ancak bunların hepsi ileriye dönüktür ve ümit edilmektedir ve mutlaka ulaşılabilir değildir. Yine de bu olasılık, birçok araştırmacının bu vaadi yerine getirecek malzeme ve tasarımları bulmak için çabalamasına neden oluyor.
Laboratuvarın ötesini düşünmek
Araştırmacılar laboratuvarda umut verici görünen bir dizi ilgi çekici senaryo geliştirdiler. Ancak Olivetti ve Huang, iklim değişikliği sorununun aciliyeti göz önüne alındığında, ek pratik hususların önemli olabileceğine inanıyor. Olivetti, biz araştırmacıların laboratuvarda olası malzemeleri ve süreçleri değerlendirmek için her zaman ölçümleri olduğunu söylüyor. Örnekler arasında enerji depolama kapasitesi ve şarj/deşarj oranları yer alabilir. Ancak amaç uygulama ise, özellikle hızlı ölçeklendirme potansiyelini ele alan metrikler eklemenizi öneririz.
Malzemeler ve kullanılabilirlik
Katı inorganik elektrolitler dünyasında iki ana malzeme türü vardır: oksijen içeren oksitler ve kükürt içeren sülfürler. Tantal, kalay ve niyobyum madenciliğinin bir yan ürünü olarak üretilir. Tarihsel veriler, kalay ve niyobyum madenciliği sırasında tantal üretiminin germanyumdan daha potansiyel maksimuma daha yakın olduğunu göstermektedir. Bu nedenle tantalın mevcudiyeti, LLZO bazlı hücrelerin olası ölçeklendirilmesi için daha büyük bir endişe kaynağıdır.
Ancak bir elementin toprakta bulunup bulunmadığını bilmek, onu üreticilerin eline geçirmek için gereken adımları çözmez. Bu nedenle araştırmacılar, madencilik, işleme, rafine etme, taşıma vb. gibi temel unsurların tedarik zinciriyle ilgili bir sonraki soruyu araştırdılar. Bol miktarda arz olduğunu varsayarsak, bu malzemeleri teslim edecek tedarik zinciri, artan talebi karşılayacak kadar hızlı bir şekilde genişletilebilir mi? Pillere talep var mı?
Örnek bir analizde, 2030 yılında öngörülen elektrikli araç filosuna pil sağlamak için germanyum ve tantal tedarik zincirinin her yıl ne kadar büyümesi gerektiğine baktılar. Örnek olarak, sıklıkla 2030 hedefi olarak gösterilen bir elektrikli araç filosunun, toplam 100 gigawatt saat enerji sağlamaya yetecek kadar pil üretmesi gerekecek. Yalnızca LGPS pilleri kullanarak bu hedefe ulaşmak için, germanyum tedarik zincirinin her yıl %50 oranında büyümesi gerekecek; bu çok uzun bir süre, zira maksimum büyüme oranı geçmişte %7 civarındaydı. Yalnızca LLZO hücrelerini kullanarak, tantal tedarik zincirinin yaklaşık %30 oranında büyümesi gerekecektir; bu, tarihsel maksimum olan %10 civarındaki büyüme oranının çok üzerinde bir büyüme oranıdır.
Bu örnekler, farklı katı elektrolitlerin ölçek büyütme potansiyelini değerlendirirken malzeme bulunabilirliğini ve tedarik zincirini dikkate almanın önemini gösteriyor, diyor Huang: Bir malzemenin miktarı, germanyum örneğinde olduğu gibi bir sorun olmasa bile, tümünün ölçeğini büyütmek, Gelecekteki elektrikli araçların üretimine uyum sağlamak için tedarik zincirindeki adımlar, neredeyse benzeri görülmemiş bir büyüme oranı gerektirebilir.
Malzemeler ve işleme
Pil tasarımının ölçeklenebilirlik potansiyelini değerlendirirken göz önünde bulundurulması gereken diğer bir faktör de üretim sürecinin zorluğu ve bunun maliyet üzerindeki etkisidir. Katı hal pilinin üretiminde kaçınılmaz olarak birçok adım vardır ve herhangi bir adımın başarısız olması, başarıyla üretilen her hücrenin maliyetini artırır.
Olivetti, Ceder ve Huang, üretim zorluğunun bir göstergesi olarak, veri tabanlarındaki seçilmiş katı hal pil tasarımlarının toplam maliyeti üzerindeki başarısızlık oranının etkisini araştırdılar. Bir örnekte LLZO oksitine odaklandılar. LLZO çok kırılgandır ve yüksek performanslı katı hal pillerinde kullanılacak kadar ince, büyük levhaların üretim sürecindeki yüksek sıcaklıklarda çatlaması veya bükülmesi muhtemeldir.
Bu tür arızaların maliyet etkilerini belirlemek için LLZO hücrelerinin montajında yer alan dört temel işlem adımını simüle ettiler. Her adımda maliyeti varsayılan verime, yani hatasız bir şekilde başarıyla işlenen toplam hücrelerin oranına göre hesapladılar. LLZO'nun getirisi, üzerinde çalıştıkları diğer tasarımlara göre çok daha düşüktü; dahası, verim azaldıkça hücre enerjisinin kilovatsaat (kWh) başına maliyeti önemli ölçüde arttı. Örneğin, son katot ısıtma adımına %5 daha fazla hücre eklendiğinde, maliyet yaklaşık 30 $/kWh arttı; bu tür hücreler için genel olarak kabul edilen hedef maliyetin 100 $/kWh olduğu dikkate alındığında ihmal edilebilir bir değişiklik. Açıkça görülüyor ki üretim zorlukları, tasarımın geniş ölçekte benimsenmesinin fizibilitesi üzerinde derin bir etkiye sahip olabilir.
Gönderim zamanı: Eylül-09-2022