Nhu cầu cấp thiết để giảm lượng khí thải carbon đang thúc đẩy một bước tiến nhanh chóng hướng tới điện khí hóa giao thông và mở rộng triển khai năng lượng mặt trời và năng lượng gió trên lưới điện.Nếu những xu hướng này leo thang như mong đợi, nhu cầu về các phương pháp lưu trữ năng lượng điện tốt hơn sẽ tăng lên.
Tiến sĩ Elsa Olivetti, phó giáo sư về khoa học và kỹ thuật vật liệu tại Esther và Harold E. Edgerton cho biết, chúng ta cần tất cả các chiến lược có thể có để giải quyết mối đe dọa của biến đổi khí hậu.Rõ ràng, sự phát triển của công nghệ lưu trữ dung lượng lớn dựa trên lưới là rất quan trọng.Nhưng đối với các ứng dụng di động - đặc biệt là giao thông vận tải - nhiều nghiên cứu tập trung vào việc thích ứng với xu hướng ngày nay.pin lithium-ionđể an toàn hơn, nhỏ hơn và có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn so với kích thước và trọng lượng của chúng.
Pin lithium-ion thông thường tiếp tục được cải tiến nhưng vẫn còn những hạn chế, một phần là do cấu trúc của chúng.Pin lithium-ion bao gồm hai điện cực, một cực dương và một cực âm, được kẹp trong chất lỏng hữu cơ (có chứa carbon).Khi pin được sạc và xả, các hạt lithium (hoặc ion) tích điện sẽ được truyền từ điện cực này sang điện cực kia thông qua chất điện phân lỏng.
Một vấn đề với thiết kế này là ở những điện áp và nhiệt độ nhất định, chất điện phân lỏng có thể dễ bay hơi và bắt lửa.Tiến sĩ Kevin Huang Ph.D.'15, nhà khoa học nghiên cứu trong nhóm của Olivetti, cho biết pin nói chung an toàn khi sử dụng bình thường nhưng rủi ro vẫn còn.
Một vấn đề nữa là pin lithium-ion không phù hợp để sử dụng trên ô tô.Bộ pin lớn, nặng chiếm không gian, tăng trọng lượng tổng thể của xe và giảm hiệu suất sử dụng nhiên liệu.Nhưng thật khó để làm cho pin lithium-ion ngày nay nhỏ hơn và nhẹ hơn trong khi vẫn duy trì mật độ năng lượng của chúng – lượng năng lượng được lưu trữ trên mỗi gram trọng lượng.
Để giải quyết những vấn đề này, các nhà nghiên cứu đang thay đổi các tính năng chính của pin lithium-ion để tạo ra phiên bản hoàn toàn rắn hoặc trạng thái rắn.Họ đang thay thế chất điện phân lỏng ở giữa bằng chất điện phân rắn mỏng ổn định trong nhiều mức điện áp và nhiệt độ.Với chất điện phân rắn này, họ đã sử dụng một điện cực dương công suất cao và một điện cực âm kim loại lithium công suất cao, dày hơn nhiều so với lớp carbon xốp thông thường.Những thay đổi này cho phép tạo ra một tế bào tổng thể nhỏ hơn nhiều trong khi vẫn duy trì khả năng lưu trữ năng lượng, dẫn đến mật độ năng lượng cao hơn.
Những tính năng này - tăng cường an toàn và mật độ năng lượng lớn hơn- có lẽ là hai lợi ích được quảng cáo phổ biến nhất của pin thể rắn tiềm năng, tuy nhiên tất cả những điều này đều mang tính hướng tới tương lai và được hy vọng chứ không nhất thiết phải đạt được.Tuy nhiên, khả năng này khiến nhiều nhà nghiên cứu phải nỗ lực tìm kiếm vật liệu và thiết kế sẽ thực hiện được lời hứa này.
Suy nghĩ vượt ra ngoài phòng thí nghiệm
Các nhà nghiên cứu đã đưa ra một số kịch bản hấp dẫn có vẻ đầy hứa hẹn trong phòng thí nghiệm.Nhưng Olivetti và Huang tin rằng do tính cấp bách của thách thức biến đổi khí hậu, những cân nhắc thực tế bổ sung có thể rất quan trọng.Olivetti cho biết, các nhà nghiên cứu của chúng tôi luôn có các số liệu trong phòng thí nghiệm để đánh giá các vật liệu và quy trình khả thi.Ví dụ có thể bao gồm khả năng lưu trữ năng lượng và tốc độ sạc/xả.Nhưng nếu mục đích là triển khai, chúng tôi khuyên bạn nên thêm các số liệu cụ thể để giải quyết tiềm năng mở rộng quy mô nhanh chóng.
Vật liệu và tính sẵn có
Trong thế giới chất điện phân vô cơ rắn, có hai loại vật liệu chính - oxit chứa oxy và sunfua chứa lưu huỳnh.Tantalum được sản xuất như một sản phẩm phụ của quá trình khai thác thiếc và niobi.Dữ liệu lịch sử cho thấy việc sản xuất tantalum gần với mức tối đa tiềm năng hơn so với germanium trong quá trình khai thác thiếc và niobi.Do đó, sự sẵn có của tantalum là mối quan tâm lớn hơn đối với khả năng mở rộng quy mô của các tế bào dựa trên LLZO.
Tuy nhiên, việc biết được sự sẵn có của một nguyên tố trong lòng đất không giải quyết được các bước cần thiết để đưa nó đến tay các nhà sản xuất.Do đó, các nhà nghiên cứu đã điều tra một câu hỏi tiếp theo về chuỗi cung ứng của các yếu tố chính - khai thác, chế biến, tinh chế, vận chuyển, v.v. Giả sử có nguồn cung dồi dào, liệu chuỗi cung ứng để cung cấp các nguyên liệu này có thể mở rộng đủ nhanh để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng không? nhu cầu về pin?
Trong một phân tích mẫu, họ đã xem xét chuỗi cung ứng germanium và tantalum cần tăng trưởng bao nhiêu hàng năm để cung cấp pin cho đội xe điện dự kiến vào năm 2030.Ví dụ, một đội xe điện, thường được coi là mục tiêu cho năm 2030, sẽ cần sản xuất đủ pin để cung cấp tổng cộng 100 gigawatt giờ năng lượng.Để đạt được mục tiêu này, khi chỉ sử dụng pin LGPS, chuỗi cung ứng germanium sẽ cần tăng trưởng 50% so với cùng kỳ năm trước - một mức tăng trưởng cao vì tốc độ tăng trưởng tối đa trước đây là khoảng 7%.Chỉ sử dụng tế bào LLZO, chuỗi cung ứng tantalum sẽ cần tăng khoảng 30% - tốc độ tăng trưởng cao hơn nhiều so với mức tối đa lịch sử là khoảng 10%.
Huang cho biết những ví dụ này cho thấy tầm quan trọng của việc xem xét tính sẵn có của nguyên liệu và chuỗi cung ứng khi đánh giá tiềm năng mở rộng quy mô của các chất điện phân rắn khác nhau: Ngay cả khi số lượng nguyên liệu không phải là vấn đề, như trong trường hợp của germanium, việc mở rộng quy mô tất cả Các bước trong chuỗi cung ứng để phù hợp với việc sản xuất xe điện trong tương lai có thể đòi hỏi tốc độ tăng trưởng gần như chưa từng có.
Vật liệu và chế biến
Một yếu tố khác cần xem xét khi đánh giá tiềm năng mở rộng của thiết kế pin là độ khó của quy trình sản xuất và tác động của nó đối với chi phí.Chắc chắn có nhiều bước liên quan đến việc sản xuất pin thể rắn và nếu thất bại ở bất kỳ bước nào sẽ làm tăng giá thành của mỗi tế bào được sản xuất thành công.
Là đại diện cho độ khó trong sản xuất, Olivetti, Ceder và Huang đã khám phá tác động của tỷ lệ hỏng hóc đối với tổng chi phí của các thiết kế pin thể rắn được chọn trong cơ sở dữ liệu của họ.Trong một ví dụ, họ tập trung vào oxit LLZO.LLZO rất giòn và các tấm lớn đủ mỏng để sử dụng trong pin thể rắn hiệu suất cao có khả năng bị nứt hoặc cong vênh ở nhiệt độ cao trong quá trình sản xuất.
Để xác định chi phí liên quan đến những sai sót như vậy, họ đã mô phỏng bốn bước xử lý chính liên quan đến việc lắp ráp các tế bào LLZO.Ở mỗi bước, họ tính toán chi phí dựa trên sản lượng giả định, tức là tỷ lệ của tổng số ô được xử lý thành công mà không gặp lỗi.Đối với LLZO, năng suất thấp hơn nhiều so với các thiết kế khác mà họ đã nghiên cứu;hơn nữa, khi năng suất giảm, chi phí cho mỗi kilowatt giờ (kWh) năng lượng tế bào tăng lên đáng kể.Ví dụ: khi thêm 5% tế bào vào bước làm nóng cực âm cuối cùng, chi phí sẽ tăng thêm khoảng 30 USD/kWh - một sự thay đổi không đáng kể khi xét đến chi phí mục tiêu được chấp nhận chung cho các tế bào đó là 100 USD/kWh.Rõ ràng, những khó khăn trong sản xuất có thể có tác động sâu sắc đến tính khả thi của việc áp dụng thiết kế trên quy mô lớn.
Thời gian đăng: Sep-09-2022