為了解決這些問題,研究人員正在改變鋰離子電池的關鍵特性,使其成為一種全固體,或稱“固態”的版本。他們用一種薄的固體電解質取代中間的液體電解質,這種電解質在電壓和溫度范圍都很穩定。

削減碳排放的迫切需要,促使了電氣化交通的迅速發展,并擴大了太陽能和風能在電網上的部署。如果這些趨勢如預期的那樣升級,對更好的儲電方法的需求將會加強。

“我們需要所有我們能得到的策略,來解決氣候變化的威脅?!卑瑺柹W莉維提(Elsa Olivetti)博士說。她是麻省理工學院埃斯特與哈羅德·E·埃哲頓材料科學與工程副教授。

“顯然,大規模開發基于電網的存儲技術至關重要。但對于移動應用,尤其是交通,很多研究都集中在改造目前的鋰離子電池,使其更安全、更小,并能根據其體積和重量存儲更多能量?!彼f。

傳統的鋰離子電池在不斷改進,但它們仍存在一些局限性,部分原因在于其結構。鋰離子電池由兩個電極組成,一個正極,一個負極,夾在有機(含碳)液體中。當電池充放電時,鋰的帶電粒子(或離子)通過液體電解質從一個電極傳遞到另一個電極。

這種設計的一個問題是,在一定的電壓和溫度下,液體電解質可能變得不穩定并起火?!耙话銇碚f,電池在正常使用情況下是安全的,但風險仍然存在?!眲P文·黃(Kevin Huang)博士說。他是奧莉維提研究小組的一名科學家。

麻省理工學院副教授艾爾莎·奧莉維提

本項研究的帶頭人、麻省理工學院副教授艾爾莎·奧莉維提

另一個問題是鋰離子電池不適用于汽車。大而重的電池組會占用空間,增加車輛的整體重量,降低燃油效率。但事實證明,要使如今的鋰離子電池體積更小、重量更輕,同時又能保持其能量密度(即每克重量所能儲存的能量)是很困難的。

為了解決這些問題,研究人員正在改變鋰離子電池的關鍵特性,使其成為一種全固體,或稱“固態”的版本。他們用一種薄的固體電解質取代中間的液體電解質,這種電解質在電壓和溫度范圍都很穩定。

使用這種固體電解質,他們使用一個大容量的正極和一個大容量的鋰金屬負極,這個負極比通常的多孔碳層薄得多。這些變化使整個電池在保持其能量儲存能力的同時,有可能大幅縮小體積,從而實現更高的能量密度。

“這些特性——增強的安全性和更高的能量密度——可能是潛在固態電池最常被吹捧的兩個優勢?!秉S說。然后他很快澄清說,“所有這些事情都是預期的、希望的,但不一定會實現?!比欢?,這種可能性讓許多研究人員爭相尋找能夠實現這一承諾的材料和設計。

思考實驗室之外的問題

研究人員已經提出了許多看起來很有希望的有趣選擇,但是是在實驗室里。而奧莉維提和黃認為,考慮到氣候變化挑戰的緊迫性,額外的實際考慮可能很重要。奧莉維提說,“我們研究人員在實驗室中總是使用一些指標來評估可能的材料和工藝?!?br/>

例子可能包括儲能容量和充放電速率。在進行她認為既必要又重要的基礎研究時,這些指標是適當的?!暗绻繕耸菍嶋H應用,我們建議增加一些指標,專門針對快速擴大規模的潛力?!彼f。

根據業界目前使用鋰離子電池的經驗,麻省理工學院的研究人員和他們的同事,加州大學伯克利分校丹尼爾·M·特勒普杰出工程教授葛布蘭德·西德爾(Gerbrand Ceder),提出了三個廣泛的問題,可以幫助確定未來擴大規模的潛在限制因素,作為材料選擇的結果。

首先,在這種電池設計下,隨著生產規模的擴大,材料可獲得性、供應鏈或價格波動是否會成為一個問題?(請注意,擴大采礦引起的環境和其他問題不在本研究的范圍之內。)第二,用這些材料制造電池是否會涉及制造過程中可能失敗的困難步驟?第三,確?;谶@些材料的高性能產品所需的制造措施最終會降低還是提高電池的生產成本?

為了演示他們的方法,奧莉維提、西德爾和黃檢查了一些電解液的化學成分和電池的結構,這些都是目前研究人員正在進行研究的材料。為了選擇他們的例子,他們轉向了之前的工作,他們與合作者使用文本和數據挖掘技術,來收集資料和文獻中報道的處理細節的信息。從該數據庫中,他們選擇了一些經常報告的選項,這些選項代表了一系列可能性。

材料和可獲得性

在無機固體電解質的世界里,主要有兩類物質——氧化物(含氧)和硫化物(含硫)。奧莉維提、西德爾和黃在每堂課上都專注于一種有前景的電解質,并研究了每一種電解質關注的關鍵因素。

他們考慮的硫化物是LGPS,它由鋰、鍺、磷和硫組成?;诳色@得性的考慮,他們把重點放在了鍺上,這種元素引起了人們的關注,部分原因是它通常不是獨立開采的,它是煤和鋅開采過程中產生的副產品。

為了調查鍺的可獲得性,研究人員研究了過去60年里,在煤和鋅開采期間,每年實際生產了多少鍺,以及原本可以生產多少。結果表明,即使是在最近幾年,鍺的產量可能增加100倍??紤]到這種供應潛力,鍺的可獲得性不太可能會對基于LGPS電解質固態電池的規模擴大產生限制。

研究人員選擇了由鋰、鑭、鋯和氧組成的氧化物LLZO,這種情況下看起來不太樂觀。鑭的提取和加工主要集中在中國,可獲得的數據有限,因此研究人員沒有試圖分析其可獲得性。其他三種元素非常豐富。然而,在實踐中,必須加入少量的另一種元素,即摻雜劑,才能使LLZO易于加工。因此,該團隊將重點放在了鉭,最常用的摻雜劑,作為LLZO的主要關注點。

鉭是錫和鈮開采的副產品。歷史數據表明,在錫和鈮的開采過程中,鉭的產量比鍺的產量更接近潛在的最大值。因此,鉭的可獲得性對基于LLZO的電池規模擴大潛力來說是一個更值得關注的問題。

但是,知道一種元素在地下的可獲得性并不能解決把它送到制造商那里所需的步驟。因此,研究人員調查了一個關于關鍵元素供應鏈的后續問題——采礦、加工、精煉、運輸等等。假設供應充足,供應這些材料的供應鏈能否迅速擴張,以滿足不斷增長的電池需求?

在樣本分析中,他們研究了鍺和鉭的供應鏈每年需要增長多少,才能在2030年為預計的電動汽車車隊提供電池。舉個例子,經常被引用為2030年目標的電動汽車車隊需要生產足夠的電池,以提供總計100千兆瓦時的能源。要僅使用LGPS電池實現這一目標,鍺的供應鏈需要每年增長50%,而過去的最高增長率約為7%。如果僅使用LLZO電池,鉭的供應鏈將需要增長約30%——遠高于10%的歷史高點。

這些例子表明,在評估不同固體電解質擴大規模的潛力時,考慮材料的可獲得性和供應鏈的擴張是十分重要的。黃說:“即使現有材料的數量不是問題,比如鍺,擴大供應鏈的所有步驟以匹配未來電動汽車的生產,可能需要一個前所未有的增長速度?!?/span>

材料和加工

在評估電池設計規模擴大的可能性時,另一個需要考慮的因素是制造加工的難度,以及它可能會如何影響成本。制造固態電池不可避免地涉及許多步驟,任何步驟的失敗都會增加成功制造的每一個電池的成本。正如黃解釋的那樣,“你不會運送那些失敗的電池,你要把它們扔掉。但你仍然要在材料、時間和加工上花錢?!?/span>

作為制造難度的一個代理,奧莉維提、西德爾和黃在他們的數據庫中探索了失敗率對選定的固態電池設計總體成本的影響。在一個例子中,他們專注于氧化物LLZO。LLZO非常脆,在制造過程中涉及的高溫下,用于高性能固態電池的大薄片很可能會開裂或翹曲。

為了確定這些失敗對成本的影響,他們模擬了組裝基于LLZO電池的四個關鍵加工步驟。在每個步驟中,他們根據假設的產量計算成本,即成功處理而沒有失敗的產品在總產品中的比例。

LLZO電池的產量遠低于他們檢查的其他設計;隨著產量的下降,電池每千瓦時的成本顯著上升。例如,當陰極加熱過程中失敗的電池數量增加5%時,成本就會增加約30美元/千瓦時——考慮到此類電池普遍接受的目標成本為100美元/千瓦時,這是一個不小的成本變化。顯然,制造困難會對量產設計的可行性產生深遠的影響。

材料和性能

設計全固體電池的主要挑戰之一來自于“接口”——即一個組件與另一個組件的接合處。在制造或操作過程中,這些接口處的材料可能會變得不穩定?!霸娱_始向不該去的地方移動,電池性能下降?!秉S說。

因此,許多研究都致力于提出在不同的電池設計中穩定接口的方法。提出的許多方法確實提高了性能;因此,電池每千瓦時的成本就降低了。但實施這樣的解決方案通常需要增加材料和時間,在量產中增加每千瓦時的成本。

為了說明這種權衡,研究人員首先檢測了它們的氧化物LLZO。在這里,目標是通過在LLZO電解質和負極之間插入一層薄薄的錫來穩定接口。他們分析了實施該解決方案對成本的正面和負面影響。他們發現,添加錫隔膜可以增加儲能能力,提高性能,從而降低單位成本(以美元/千瓦時計算)。但是錫層的成本超過了節省的成本,所以最終的成本高于原來的成本。

在另一項分析中,他們研究了一種名為LPSCl的硫化物電解質,它由鋰、磷、硫和少許氯組成。在這種情況下,正極加入了電解質材料的粒子,這是一種確保鋰離子能夠通過電解質到達另一個電極的方法。然而,添加的電解質粒子與正極中的其他粒子不相容——這是另一個接口問題。在這種情況下,標準的解決方案是添加“粘合劑”,這是另一種材料,使粒子粘在一起。

他們的分析證實,沒有粘合劑時性能很差,基于LPSCl的電池成本超過500美元/千瓦時。添加粘合劑顯著提高了性能,成本降低了近300美元/千瓦時。在這個例子中,在制造過程中添加粘合劑的成本非常低,從根本上實現了通過添加粘合劑降低了所有成本。在這里,解決接口問題的方法以較低的成本獲得了回報。

研究人員對文獻中報道的其他有前景的固態電池進行了類似的研究,結果是一致的:電池材料和工藝的選擇不僅會影響實驗室近期的結果,還會影響到在滿足未來所需規模下制造固態電池的可行性和成本。結果還表明,同時考慮所有三個因素——可獲得性、加工難度和電池性能——是很重要的,因為可能涉及到集體效應和權衡。

奧莉維提對該團隊的方法所能探究的問題范圍感到自豪。但她強調,這并不意味著要取代在實驗室中指導材料和加工選擇的傳統指標?!跋喾?,它是為了補充這些指標,同時也廣泛關注可能阻礙擴大規模的各種因素”——考慮到清潔能源和氣候變化的“緊迫時鐘”,這是一個重要的考慮。

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