הצורך הדחוף להפחית את פליטת הפחמן מניע מהלך מהיר לעבר חשמול התחבורה והרחבת פריסת האנרגיה הסולארית והרוח ברשת.אם מגמות אלו יסלימו כצפוי, הצורך בשיטות טובות יותר לאגירת אנרגיה חשמלית יתעצם.
אנו זקוקים לכל האסטרטגיות שאנו יכולים לקבל כדי להתמודד עם האיום של שינויי האקלים, אומרת ד"ר אלזה אוליבטי, פרופסור חבר למדעי החומרים והנדסת החומרים באסתר והרולד א. אדגרטון.ברור שפיתוח טכנולוגיות אחסון המוני מבוססות רשת הוא חיוני.אבל עבור יישומים ניידים - במיוחד תחבורה - מחקר רב מתמקד בהתאמת אפליקציות של ימינובטריות ליתיוםלהיות בטוחים יותר, קטנים יותר ומסוגלים לאגור יותר אנרגיה לגודלם ומשקלם.
סוללות ליתיום-יון קונבנציונליות ממשיכות להשתפר, אך המגבלות שלהן נשארות, בין היתר בשל המבנה שלהן.סוללות ליתיום-יון מורכבות משתי אלקטרודות, אחת חיובית ואחת שלילית, סמוכות בנוזל אורגני (המכיל פחמן).כאשר הסוללה נטענת ומתרוקנת, חלקיקי ליתיום (או יונים) טעונים מועברים מאלקטרודה אחת לאחרת דרך האלקטרוליט הנוזלי.
בעיה אחת בתכנון זה היא שבמתחים וטמפרטורות מסוימות, האלקטרוליט הנוזלי יכול להפוך לנדיף ולהתלקח.הסוללות בטוחות בדרך כלל בשימוש רגיל, אבל הסיכון נשאר, אומר ד"ר קווין הואנג Ph.D.'15, מדען מחקר בקבוצתו של אוליבטי.
בעיה נוספת היא שסוללות ליתיום-יון אינן מתאימות לשימוש במכוניות.ערכות סוללות גדולות וכבדות תופסות מקום, מעלות את המשקל הכולל של הרכב ומפחיתות את יעילות הדלק.אבל מתברר שקשה להפוך את סוללות הליתיום-יון של היום לקטנות וקלות יותר תוך שמירה על צפיפות האנרגיה שלהן - כמות האנרגיה האצורה לגרם משקל.
כדי לפתור את הבעיות הללו, חוקרים משנים את תכונות המפתח של סוללות ליתיום-יון כדי ליצור גרסה מוצקה או מוצקה.הם מחליפים את האלקטרוליט הנוזלי באמצע באלקטרוליט מוצק דק ויציב בטווח רחב של מתחים וטמפרטורות.עם אלקטרוליט מוצק זה, הם השתמשו באלקטרודה חיובית בעלת קיבולת גבוהה ובאלקטרודה שלילית מתכת ליתיום בעלת קיבולת גבוהה שהייתה הרבה פחות עבה משכבת הפחמן הנקבובי הרגילה.שינויים אלו מאפשרים תא כולל קטן בהרבה תוך שמירה על יכולת אגירת האנרגיה שלו, וכתוצאה מכך צפיפות אנרגיה גבוהה יותר.
תכונות אלו - בטיחות משופרת וצפיפות אנרגיה גדולה יותר- הם כנראה שני היתרונות הנפוצים ביותר של סוללות פוטנציאליות במצב מוצק, ובכל זאת כל הדברים הללו צופים קדימה ומקווים, ולא בהכרח ברי השגה.עם זאת, אפשרות זו גורמת לחוקרים רבים להתאמץ למצוא את החומרים והעיצובים שיעמדו בהבטחה זו.
חשיבה מעבר למעבדה
חוקרים העלו מספר תרחישים מסקרנים שנראים מבטיחים במעבדה.אבל אוליבטי והואנג מאמינים שלאור הדחיפות של אתגר שינוי האקלים, שיקולים מעשיים נוספים עשויים להיות חשובים.לנו החוקרים תמיד יש מדדים במעבדה כדי להעריך חומרים ותהליכים אפשריים, אומר אוליבטי.דוגמאות עשויות לכלול קיבולת אחסון אנרגיה וקצבי טעינה/פריקה.אבל אם המטרה היא יישום, אנו מציעים להוסיף מדדים שמתייחסים ספציפית לפוטנציאל של קנה מידה מהיר.
חומרים וזמינות
בעולם האלקטרוליטים האנאורגניים המוצקים קיימים שני סוגים עיקריים של חומרים - תחמוצות המכילות חמצן וגופרית המכילות גופרית.טנטלום מיוצר כתוצר לוואי של כריית בדיל וניוביום.נתונים היסטוריים מראים כי ייצור הטנטלום קרוב יותר למקסימום הפוטנציאלי מזה של גרמניום במהלך כריית בדיל וניוביום.הזמינות של טנטלום היא אפוא דאגה גדולה יותר להגדלה האפשרית של תאים מבוססי LLZO.
עם זאת, ידיעת הזמינות של אלמנט בקרקע אינה פותרת את השלבים הנדרשים כדי להעבירו לידי היצרנים.החוקרים חקרו אפוא שאלת המשך לגבי שרשרת האספקה של מרכיבי מפתח - כרייה, עיבוד, זיקוק, שינוע וכו'. בהנחה שיש אספקה בשפע, האם ניתן להרחיב את שרשרת האספקה לאספקת חומרים אלה במהירות מספקת כדי לעמוד בגידול ביקוש לסוללות?
בניתוח מדגם, הם בדקו עד כמה שרשרת האספקה של גרמניום וטנטלום תצטרך לגדול משנה לשנה כדי לספק סוללות לצי הרכב החשמלי החזוי לשנת 2030.כדוגמה, צי של רכבים חשמליים, המוזכרים לעתים קרובות כיעד לשנת 2030, יצטרך לייצר מספיק סוללות כדי לספק סך של 100 שעות גיגה-וואט של אנרגיה.כדי להשיג מטרה זו, תוך שימוש בסוללות LGPS בלבד, שרשרת האספקה של הגרמניום תצטרך לגדול ב-50% משנה לשנה - קטע, מכיוון שקצב הצמיחה המקסימלי עמד על כ-7% בעבר.באמצעות תאי LLZO בלבד, שרשרת האספקה של טנטלום תצטרך לגדול בכ-30% - שיעור צמיחה הרבה מעל המקסימום ההיסטורי של כ-10%.
דוגמאות אלו מראות את החשיבות של התחשבות בזמינות החומר ושרשרת האספקה בעת הערכת פוטנציאל ההגדלה של אלקטרוליטים מוצקים שונים, אומר הואנג: גם אם כמות החומר אינה מהווה בעיה, כמו במקרה של גרמניום, הגדלה של כל החומרים. השלבים בשרשרת האספקה כדי להתאים את הייצור של כלי רכב חשמליים עתידיים עשויים לדרוש קצב צמיחה שהוא כמעט חסר תקדים.
חומרים ועיבוד
גורם נוסף שיש לקחת בחשבון בעת הערכת פוטנציאל המדרגיות של תכנון סוללה הוא הקושי של תהליך הייצור וההשפעה שעשויה להיות לו על העלות.ישנם בהכרח שלבים רבים המעורבים בייצור של סוללת מצב מוצק, וכישלון של כל שלב מגדיל את העלות של כל תא שיוצר בהצלחה.
בתור פרוקסי לקושי בייצור, Olivetti, Ceder ו-Huang חקרו את ההשפעה של שיעור הכשלים על העלות הכוללת של עיצובי סוללות מוצקים נבחרים במסד הנתונים שלהם.בדוגמה אחת, הם התמקדו בתחמוצת LLZO.LLZO שביר מאוד ויריעות גדולות דקות מספיק כדי לשמש בסוללות מוצק ביצועים גבוהים צפויות להיסדק או להתעוות בטמפרטורות הגבוהות הכרוכות בתהליך הייצור.
כדי לקבוע את השלכות העלות של כשלים כאלה, הם דימו את ארבעת שלבי העיבוד המרכזיים הכרוכים בהרכבת תאי LLZO.בכל שלב, הם חישבו את העלות על סמך תשואה משוערת, כלומר שיעור התאים הכוללים שעובדו בהצלחה ללא כשל.עבור LLZO, התשואה הייתה נמוכה בהרבה מאשר עבור העיצובים האחרים שהם למדו;יתרה מכך, ככל שהתשואה ירדה, העלות לקילוואט-שעה (קוט"ש) של אנרגיית התא עלתה משמעותית.לדוגמה, כאשר נוספו עוד 5% תאים לשלב החימום הקתודי הסופי, העלות עלתה בכ-30$ לקוט"ש - שינוי זניח בהתחשב בכך שעלות היעד המקובלת עבור תאים כאלה היא 100$ לקוט"ש.ברור שלקשיי ייצור יכולים להיות השפעה עמוקה על ההיתכנות של אימוץ בקנה מידה גדול של העיצוב.
זמן פרסום: 09-09-2022