Dlaczego akumulatory litowo-jonowe mogą rządzić bateriami przez długi czas?

2010 Regenci Uniwersytetu Kalifornijskiego, za pośrednictwem Laboratorium Narodowego im. Lawrence'a Berkeleya.

Departament Energii USA jest wodowanie duży wysiłek badawczy w celu opracowania nowej generacji akumulatorów litowo-jonowych, w dużej mierze wolnych od kobaltu, rzadkiego i drogiego metalu dostarczanego przez coraz kłopotliwy łańcuch dostaw .

Trzyletni program, część szerszy wysiłek przyspieszenie zaawansowanych technologii motoryzacyjnych może ostatecznie doprowadzić do powstania tańszych, trwalszych gadżetów konsumenckich, samochodów elektrycznych i przechowywania w sieci.

Gerd Ceder, materiałoznawca, nadzoruje jeden projekt w ramach programu badawczego w Lawrence Berkeley National Lab, którego celem jest opracowanie nieuporządkowanych soli kamiennych jako alternatywnego materiału dla katod, elektrody dodatniej w ładowalnej baterii. Zazwyczaj katody w akumulatorach litowo-jonowych wymagają kobaltu do stworzenia i utrzymania warstwowej struktury w elektrodzie, która umożliwia łatwy przepływ jonów litu. Jednak kilka lat temu Ceder i jego koledzy odkryli, że ta nowa klasa materiałów może magazynować więcej litu, potencjalnie zwiększając gęstość energii, jednocześnie całkowicie unikając zapotrzebowania na kobalt (patrz Nieuporządkowane materiały dają nadzieję na lepsze akumulatory).

Projekt Lawrence Berkeley oraz dwa w Argonne National Laboratory otrzymały łącznie 12,5 miliona dolarów od Biura Technologii Pojazdów DOE.

W rozmowie z Przegląd technologii MIT , Ceder omówił wyzwania związane z zapewnieniem, że nowe materiały będą działać jako alternatywa dla produkcji baterii, powody, dla których technologia litowo-jonowa będzie nadal dominować w dziedzinie przechowywania przez długi czas – oraz dlaczego rozwój baterii trwa tak długo. aby dotrzeć na rynek.

Ten wywiad został zredagowany z myślą o przestrzeni i przejrzystości.

Jakie są kolejne kroki w rozwoju tej nowej klasy związków? ?

Minęły jakieś cztery lata od pierwszego odkrycia koncepcji, a w tej kategorii jest kilkanaście związków, które już wykazały obiecujące właściwości. To jest faza odkrywania, w której wszyscy próbują różnych rodzajów chemii, takich jak badania Lewisa i Clarka.

Następnym krokiem jest skorzystanie z niektórych z tych materiałów, które wyglądają obiecująco, i sprawdzenie, czy możemy rozwiązać wszystkie małe problemy, które należy rozwiązać, zanim będziemy mogli faktycznie stworzyć produkt komercyjny.

Zdolność szybkości ładowania-rozładowania musi być dobra. Cykl życia, który określa żywotność baterii, musi zostać poprawiony.

A potem ludzie uczą się wykonywać wszelkiego rodzaju sztuczki przetwarzania i obróbki powierzchni, i tak baterie stają się coraz lepsze.

Ale powiedziałbym, że niektóre z tych materiałów przejdą do następnego etapu. Jest to prawdopodobnie jeden z naszych najlepszych zakładów w dzisiejszych czasach dla materiałów katodowych o wyższej gęstości energii.

Dlaczego tak długo trwa, zanim jakiekolwiek postępy laboratorium w zakresie przechowywania rzeczywiście trafią na rynek?

Przekształcenie czegokolwiek w produkt komercyjny to długa droga, nawet jeśli dokonasz odkrycia szybciej. To tylko bardzo długa droga do optymalizacji materiałów, testowania, akceptacji klienta, wszystkich tych rzeczy. Do tego stopnia, że ​​nawet gdybym miał dzisiaj coś, co działało idealnie w laboratorium, prawdopodobnie miałbyś od sześciu do dziesięciu lat.

Ktoś musi to przeskalować. Muszą to przetestować. Następnie muszą przekazać go producentowi baterii, producentowi ogniw, który spędzi dwa lata na testowaniu go, a potem, jeśli w końcu im się spodoba, może zrobić z niego mały produkt — coś, co trafia na rynek niszowy, ponieważ nie chcą podejmować ryzyka rynkowego z nowymi produktami.

Kilka lat temu ty powiedział że baterie półprzewodnikowe są prawie idealnymi bateriami. Co myślisz dzisiaj?

Nadal jestem optymistą, że naprawdę zmienią grę. I myślę, że ostateczny produkt może być tak dobry i to uzasadnia, jak sądzę, wysiłek i dążenie do tego. Może zacząć wyglądać na idealną baterię.

Powiedziawszy to, oczywiście, w ciągu ostatnich lat my i inni odkryliśmy wszystkie problemy, które trzeba rozwiązać. Więc nadal uważam, że jest to obecnie jedna z najbardziej obiecujących rzeczy w zakresie magazynowania energii. Ale jest sporo problemów, które trzeba rozwiązać.

Te elektrolity w stanie stałym często nie są stabilne. I nikt nie wymyślił nawet świetnego sposobu na produkcję baterii półprzewodnikowych.

Możesz zrobić je w laboratorium, a firmy mogą nawet stworzyć prototyp, ale to tylko dowodzi, że możesz to zrobić. To nie dowodzi, że potrafisz to robić ekonomicznie.

Wiele z nich to wyzwania inżynieryjne i mam taką filozofię, że inżynierskie wyzwania rozwiązuje się za pomocą pieniędzy. Problemy naukowe należą do zupełnie innej kategorii. Ciężko wyznaczyć ramy czasowe dla wynalazków.

Ale jestem przekonany, że tak się stanie.

Innym obszarem, w którym w tym roku widzieliśmy kilka znaczących inwestycji, jest magazynowanie sieciowe. Jakie ścieżki badawcze Twoim zdaniem są tam obiecujące?

Moim zdaniem przechowywanie w sieci to dość dzika karta. Na krótką metę po prostu widzę, że wszystko to jest litowo-jonowe. Powodem jest to, że jest niezawodny i można go dziś kupić od wiarygodnych dostawców.

Możesz przeprowadzić filozoficzną dyskusję na temat tego, czy jest to najlepsza forma magazynowania energii dla sieci, czy nie. Ale jeśli jesteś PG&E, od kogo zamierzasz kupować? Startup XYZ, którego może nie być za trzy lata, czy zamierzasz kupić od LG Chem, CATL lub Samsunga?

Nie wykluczam więc, że inne technologie mogą przenikać do sieci, ale nie powinny lekceważyć konkurencji ze strony operatora zasiedziałego. Operator zasiedziały jest zawsze potęgą.

Kontrargumentem, który słyszysz, jest to, że istnieją ograniczenia dotyczące tego, jak tani akumulator litowo-jonowy można uzyskać – i nie jest to idealna technologia pasująca do dni, tygodni, a nawet miesięcy przechowywania, których możesz potrzebować do sieci (patrz Powód 2,5 biliona dolarów, dla którego nie możemy polegać na bateriach do oczyszczenia sieci).

Litowo-jonowy jest już dość tani. Wszystkie te inne technologie — chociaż na papierze mogą mieć niską strukturę kosztów, nadal muszą się tam dostać. Startupy potrzebują rynków o wysokiej wartości, a sieć nie jest rynkiem o szczególnie wysokiej wartości.

Weźmy skrajny przykład — spójrzmy na przechowywanie sezonowe. Ile jesteś w stanie zapłacić za kilowatogodzinę, którą przeniesiesz od czerwca do grudnia? Rzecz musi być niewiarygodnie tania.

Nie jest dla mnie jasne, czy rozwiązania tych problemów można znaleźć w klasycznych magazynach elektrochemicznych. Nie każdy problem należy rozwiązywać za pomocą baterii.

ukryć