แบตเตอรี่โซลิดสเตตเป็นทางเลือกที่ดีที่สุดสำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมกำลัง แต่ยังมีสามปัญหาที่จะเอาชนะ

ความจำเป็นเร่งด่วนในการลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนกำลังผลักดันให้มีการเคลื่อนไหวอย่างรวดเร็วสู่การขนส่งไฟฟ้า และขยายการใช้งานพลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลมบนกริดหากแนวโน้มเหล่านี้เพิ่มขึ้นตามที่คาดไว้ ความต้องการวิธีการเก็บพลังงานไฟฟ้าที่ดีขึ้นก็จะยิ่งทวีความรุนแรงมากขึ้น

Dr Elsa Olivetti รองศาสตราจารย์ด้านวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ที่ Esther และ Harold E. Edgerton กล่าวว่าเราต้องการกลยุทธ์ทั้งหมดเพื่อจัดการกับภัยคุกคามจากการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศเห็นได้ชัดว่าการพัฒนาเทคโนโลยีการจัดเก็บข้อมูลขนาดใหญ่แบบกริดเป็นสิ่งสำคัญแต่สำหรับแอปพลิเคชั่นมือถือ - โดยเฉพาะการคมนาคม - การวิจัยจำนวนมากมุ่งเน้นไปที่การปรับตัวในปัจจุบันแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนให้ปลอดภัยขึ้น เล็กลง และสามารถเก็บพลังงานได้มากขึ้นตามขนาดและน้ำหนัก

แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบเดิมยังคงพัฒนาต่อไป แต่ข้อจำกัดยังคงอยู่ ส่วนหนึ่งเนื่องมาจากโครงสร้างแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนประกอบด้วยอิเล็กโทรดสองขั้ว ขั้วบวกหนึ่งขั้วและขั้วลบหนึ่งขั้ว ประกบอยู่ในของเหลวอินทรีย์ (ที่ประกอบด้วยคาร์บอน)เมื่อชาร์จและคายประจุแบตเตอรี่แล้ว อนุภาคลิเธียม (หรือไอออน) ที่ชาร์จแล้วจะถูกส่งผ่านจากอิเล็กโทรดหนึ่งไปยังอีกขั้วหนึ่งผ่านอิเล็กโทรไลต์เหลว

ปัญหาหนึ่งของการออกแบบนี้คือที่แรงดันไฟฟ้าและอุณหภูมิที่กำหนด อิเล็กโทรไลต์เหลวอาจระเหยและติดไฟได้โดยทั่วไปแล้วแบตเตอรี่จะปลอดภัยภายใต้การใช้งานปกติ แต่ความเสี่ยงยังคงอยู่ Dr. Kevin Huang Ph.D.'15 นักวิทยาศาสตร์การวิจัยในกลุ่มของ Olivetti กล่าว

ปัญหาอีกประการหนึ่งคือแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนไม่เหมาะสำหรับใช้ในรถยนต์ชุดแบตเตอรี่ขนาดใหญ่และหนักใช้พื้นที่ เพิ่มน้ำหนักโดยรวมของรถ และลดประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงแต่เป็นการพิสูจน์ได้ยากที่จะทำให้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในปัจจุบันมีขนาดเล็กลงและเบาขึ้น โดยที่ยังคงความหนาแน่นของพลังงาน ซึ่งเป็นปริมาณพลังงานที่เก็บไว้ต่อน้ำหนักหนึ่งกรัม

เพื่อแก้ปัญหาเหล่านี้ นักวิจัยกำลังเปลี่ยนคุณสมบัติหลักของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเพื่อสร้างเวอร์ชันโซลิดสเตตหรือโซลิดสเตตทั้งหมดพวกเขากำลังแทนที่อิเล็กโทรไลต์เหลวที่อยู่ตรงกลางด้วยอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งบาง ๆ ที่เสถียรในช่วงแรงดันไฟฟ้าและอุณหภูมิที่หลากหลายด้วยอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งนี้ พวกเขาใช้อิเล็กโทรดขั้วบวกความจุสูงและอิเล็กโทรดขั้วลบโลหะลิเธียมความจุสูงซึ่งมีความหนาน้อยกว่าชั้นคาร์บอนที่มีรูพรุนปกติมากการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ทำให้เซลล์โดยรวมมีขนาดเล็กลงมาก ในขณะที่ยังคงความจุในการจัดเก็บพลังงานไว้ ส่งผลให้มีความหนาแน่นของพลังงานสูงขึ้น

คุณสมบัติเหล่านี้ - เพิ่มความปลอดภัยและความหนาแน่นของพลังงานมากขึ้น- อาจเป็นข้อดีสองประการที่กล่าวขานกันโดยทั่วไปของแบตเตอรี่โซลิดสเตตที่มีศักยภาพ แต่สิ่งเหล่านี้ล้วนเป็นการคาดการณ์ล่วงหน้าและมีความหวัง และไม่จำเป็นต้องทำได้เสมอไปอย่างไรก็ตาม ความเป็นไปได้นี้ทำให้นักวิจัยหลายคนพยายามค้นหาวัสดุและการออกแบบที่จะทำตามคำมั่นสัญญานี้

คิดนอกห้องปฏิบัติการ

นักวิจัยได้นำเสนอสถานการณ์ที่น่าสนใจจำนวนหนึ่งซึ่งน่าจะเป็นไปได้ในห้องปฏิบัติการแต่ Olivetti และ Huang เชื่อว่าด้วยความเร่งด่วนของความท้าทายด้านการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ การพิจารณาภาคปฏิบัติเพิ่มเติมอาจมีความสำคัญนักวิจัยของเรามีหน่วยเมตริกในห้องปฏิบัติการเสมอเพื่อประเมินวัสดุและกระบวนการที่เป็นไปได้ Olivetti กล่าวตัวอย่างอาจรวมถึงความจุในการจัดเก็บพลังงานและอัตราการชาร์จ/การคายประจุแต่ถ้าเป้าหมายคือการดำเนินการ เราขอแนะนำให้เพิ่มตัวชี้วัดที่กล่าวถึงศักยภาพในการปรับขนาดอย่างรวดเร็วโดยเฉพาะ

วัสดุและความพร้อมใช้งาน

ในโลกของอิเล็กโทรไลต์อนินทรีย์ที่เป็นของแข็ง มีวัสดุสองประเภทหลัก - ออกไซด์ที่มีออกซิเจนและซัลไฟด์ที่มีกำมะถันแทนทาลัมเป็นผลพลอยได้จากการขุดดีบุกและไนโอเบียมข้อมูลในอดีตแสดงให้เห็นว่าการผลิตแทนทาลัมใกล้เคียงกับศักยภาพสูงสุดที่มากกว่าการผลิตเจอร์เมเนียมระหว่างการขุดดีบุกและไนโอเบียมความพร้อมใช้งานของแทนทาลัมจึงเป็นข้อกังวลมากขึ้นสำหรับการขยายขนาดของเซลล์ที่ใช้ LLZO
อย่างไรก็ตาม การทราบถึงความพร้อมใช้งานขององค์ประกอบในพื้นดินไม่ได้ช่วยแก้ไขขั้นตอนที่จำเป็นในการให้องค์ประกอบอยู่ในมือของผู้ผลิตนักวิจัยจึงตรวจสอบคำถามต่อเนื่องเกี่ยวกับห่วงโซ่อุปทานขององค์ประกอบหลัก เช่น การทำเหมือง การแปรรูป การกลั่น การขนส่ง ฯลฯ สมมติว่ามีอุปทานมากมาย ห่วงโซ่อุปทานสำหรับการส่งมอบวัสดุเหล่านี้จะขยายได้เร็วพอที่จะตอบสนองการเติบโต ความต้องการแบตเตอรี่?

ในการวิเคราะห์ตัวอย่าง พวกเขาพิจารณาว่าห่วงโซ่อุปทานของเจอร์เมเนียมและแทนทาลัมจะต้องเติบโตขึ้นทุกปีเพื่อจัดหาแบตเตอรี่สำหรับยานพาหนะไฟฟ้าที่คาดการณ์ไว้ในปี 2030ตัวอย่างเช่น กองยานพาหนะไฟฟ้าซึ่งมักถูกอ้างถึงว่าเป็นเป้าหมายในปี 2030 จะต้องผลิตแบตเตอรี่ให้เพียงพอเพื่อจ่ายพลังงานทั้งหมด 100 กิกะวัตต์ชั่วโมงเพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ โดยใช้แบตเตอรี่ LGPS เท่านั้น ห่วงโซ่อุปทานเจอร์เมเนียมจะต้องเติบโต 50% เมื่อเทียบเป็นรายปี ซึ่งยืดเยื้อ เนื่องจากอัตราการเติบโตสูงสุดอยู่ที่ประมาณ 7% ในอดีตการใช้เซลล์ LLZO เพียงอย่างเดียว ห่วงโซ่อุปทานสำหรับแทนทาลัมจะต้องเติบโตประมาณ 30% ซึ่งเป็นอัตราการเติบโตที่สูงกว่าระดับสูงสุดในอดีตที่ราว 10%

ตัวอย่างเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงความสำคัญของการพิจารณาความพร้อมใช้งานของวัสดุและห่วงโซ่อุปทานเมื่อประเมินศักยภาพในการขยายขนาดของอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นของแข็งที่แตกต่างกัน Huang กล่าว: แม้ว่าปริมาณของวัสดุจะไม่เป็นปัญหา เช่นในกรณีของเจอร์เมเนียม การเพิ่มขนาดทั้งหมด ขั้นตอนในห่วงโซ่อุปทานเพื่อให้เข้ากับการผลิตรถยนต์ไฟฟ้าในอนาคตอาจต้องมีอัตราการเติบโตที่แทบไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อน

วัสดุและการแปรรูป

อีกปัจจัยที่ต้องพิจารณาเมื่อประเมินศักยภาพในการปรับขยายของการออกแบบแบตเตอรี่คือความยากของกระบวนการผลิตและผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นกับต้นทุนการผลิตแบตเตอรี่โซลิดสเตตมีหลายขั้นตอนอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ และความล้มเหลวของขั้นตอนใดๆ จะเพิ่มต้นทุนของเซลล์ที่ผลิตได้สำเร็จแต่ละเซลล์อย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้
ในฐานะตัวแทนของความยากลำบากในการผลิต Olivetti, Ceder และ Huang ได้สำรวจผลกระทบของอัตราความล้มเหลวที่มีต่อต้นทุนรวมของการออกแบบแบตเตอรี่โซลิดสเตตที่เลือกไว้ในฐานข้อมูลในตัวอย่างหนึ่ง พวกเขามุ่งเน้นไปที่ออกไซด์ LLZOLLZO มีความเปราะบางและแผ่นขนาดใหญ่บางพอที่จะใช้ในแบตเตอรี่โซลิดสเตตประสิทธิภาพสูงมีแนวโน้มที่จะแตกหรือบิดเบี้ยวที่อุณหภูมิสูงที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการผลิต
ในการพิจารณาผลกระทบของต้นทุนของความล้มเหลวดังกล่าว พวกเขาได้จำลองขั้นตอนการประมวลผลหลักสี่ขั้นตอนที่เกี่ยวข้องกับการประกอบเซลล์ LLZOในแต่ละขั้นตอน พวกเขาคำนวณต้นทุนตามผลตอบแทนที่สมมติขึ้น นั่นคือสัดส่วนของเซลล์ทั้งหมดที่ประมวลผลได้สำเร็จโดยไม่ล้มเหลวสำหรับ LLZO ให้ผลผลิตต่ำกว่าแบบอื่นๆ ที่พวกเขาศึกษามากนอกจากนี้ เมื่อผลผลิตลดลง ต้นทุนต่อกิโลวัตต์-ชั่วโมง (kWh) ของพลังงานเซลล์เพิ่มขึ้นอย่างมากตัวอย่างเช่น เมื่อเพิ่มเซลล์อีก 5% ลงในขั้นตอนการให้ความร้อนด้วยแคโทดขั้นสุดท้าย ค่าใช้จ่ายก็เพิ่มขึ้นประมาณ 30 ดอลลาร์/กิโลวัตต์ชั่วโมง ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยเมื่อพิจารณาว่าต้นทุนเป้าหมายที่ยอมรับโดยทั่วไปสำหรับเซลล์ดังกล่าวคือ 100 เหรียญสหรัฐฯ/กิโลวัตต์ชั่วโมงเห็นได้ชัดว่าปัญหาในการผลิตอาจมีผลกระทบอย่างลึกซึ้งต่อความเป็นไปได้ของการนำการออกแบบไปใช้ในวงกว้าง


โพสต์เวลา: Sep-09-2022