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MIT探討如何為電動汽車設計更好的電池

2021-09-01 來源:蓋世汽車

據外媒報道,隨著減少碳排放的需求日益迫切,人們迅速轉向電氣化交通,并擴大在電網上部署太陽能和風能。如果這些趨勢持續升級,對更好的電能儲存方法的需求將會增強。


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(圖片來源:MIT)


麻省理工學院(MIT)材料科學與工程學副教授Elsa Olivetti表示:“大規模開發基于網格的存儲技術至關重要。然而,對于移動應用,尤其是交通領域,很多研究都集中于改良目前的鋰離子電池,使其更安全、更小,在單位體積和重量內存儲更多的能量。”


雖然傳統鋰離子電池不斷改進,但仍存在一些局限性,部分原因在于其結構。鋰離子電池中包含正負極和電解液。這種設計的問題之一在于,在一定的電壓和溫度下,電解液易于揮發,并引發火災。另一問題在于鋰離子電池不太適合用于車輛。大而重的電池組會占據空間,同時增加車輛總重,并降低燃料效率。事實證明,在保持能量密度(即每克重量儲存的能量)的同時,很難使現有鋰離子電池變得更小、更輕。


為了解決這些問題,研究人員嘗試制造全固態電池,用薄的固態電解質取代電解液。這種電解質可以在較大的電壓和溫度范圍內保持穩定。同時,采用高容量正極,以及比通常使用的多孔碳層薄得多的鋰金屬負極。這使電池可以在縮減尺寸的同時保持儲能能力,從而實現更高的能量密度。


研究人員Kevin Huang博士表示:“提升安全性和能量密度,被視為固態電池的兩個潛在優勢。然而,這只是一種預期,不一定會實現。”盡管如此,研究人員還是在努力尋找能夠實現這些愿景的材料和設計。


思考實驗室之外的問題


研究人員已在實驗室中提出了很多有潛力選項。但是,考慮到緊迫的氣候變化挑戰,有必要多考慮一些實際因素。Olivetti表示:“在實驗室里,我們的研究人員總是用一些指標來評估可能的材料和工藝。”例如儲能能力和充放電速率。在進行既必要又重要的基礎研究時,這些指標是適當的。“但如果要實現目標,我們建議針對快速擴展潛力,增設一些指標。”


基于目前業界對鋰離子電池的經驗,麻省理工學院(MIT)的研究人員和加州大學伯克利分校(University of California at Berkeley)的Gerbrand Ceder教授提出了三個大范圍問題,幫助確定所選擇的材料對于未來擴大規模的潛在制約因素。


首先,對于這種電池設計,隨著生產規模的擴大,材料可用性、供應鏈或價格波動會成為問題嗎?(請注意,采礦規模擴大帶來的環境和其他問題,不在本研究范圍內。)


其次,用這些材料制造電池是否會涉及困難的制造步驟,在這些步驟中部件可能會失效?


第三,基于這些材料生產高性能產品,所采取的制造措施,最終會降低還是提高電池的生產成本?


為了證明他們的方法,Olivetti、Ceder和Huang研究目前正在探討一些電解質的化學成分和電池結構。他們求助于以前的研究成果,以選擇樣品。研究人員曾使用文本和數據挖掘技術,來收集文獻中報告的材料,以及細節處理信息。從該數據庫中,研究人員選擇了幾個常見選項。


材料和可用性


在固態無機電解質的世界里,主要有兩種材料。一種是氧化物,其中含有氧;另一種是硫化物,其中含有硫。研究人員在每一類別內都專注于一種有前景的電解質選項,并檢測其中的關鍵元素。


研究人員考慮的硫化物是LGPS,其中含有鋰、鍺、磷和硫。同時,考慮到可用性,重點關注鍺,這種元素通常不單獨開采,而是在煤炭和鋅開采期間產生的副產品。


為了調查其可用性,研究人員著眼于過去60年間在煤炭和鋅開采期間鍺的年產量,以及其實際最大可生產量。結果表明,即使在最近幾年,鍺的產量也有可能超過現有產量的100倍。考慮到這種供應潛力,擴大生產基于LGPS電解質的固態電池,不太可能因鍺的可獲得性而受限。


對于研究人員所選擇的氧化物LLZO(其中含有鋰、鑭、鋯和氧),情況看起來不那么樂觀。關于提取和加工鑭的數據有限,因此研究人員并沒有充分分析其可用性。其他三種元素儲量豐富。然而,在實踐過程中,必須添加少量的另一種元素(稱為摻雜劑),以使LLZO易于處理。因此,研究小組將重點放在了最常用的摻雜劑鉭上,作為LLZO中的主要考慮元素。


鉭是開采錫和鈮的副產品。歷史數據顯示,與鍺的情況相比,在錫和鈮開采過程中的鉭產量,更加接近其潛在最高產量。因此,對于擴大LLZO電池規模來說,鉭的可獲得性更需要考慮。


了解一種元素的地球儲量,并不代表解決了開采等問題。研究人員探討關鍵元素供應鏈的后續問題,如開采、加工、提煉和運輸等。假設可以大量供應,相應的供應鏈是否也可以迅速擴大,以滿足不斷增長的電池需求。


在樣品分析中,研究人員關注,鍺和鉭供應鏈需要達到多大的年增長率,才能為預期中的2030年電動汽車車隊提供電池。例如,有觀點認為,對2030年的電動汽車車隊來說,需要生產足夠的電池,提供總共100千兆瓦時的能量。僅依靠LGPS電池來實現這一目標,鍺的供應鏈需要年增長50%。相比來說,因為過去的最大增長率約為 7%。僅使用LLZO電池,鉭的供應鏈需要增長約30%,遠高于約為10%的歷史高位。


這些例子說明,在評估不同固態電解質的擴展潛力時,考慮材料可獲得性和供應鏈的重要性。“即使跟鍺一樣,無法獲得材料的可用數量,為了適應未來的電動汽車生產,可能也需要以前所未有的速度擴展供應鏈中的其他步驟。”


材料和加工


在評估電池設計的擴展潛力時,另一需要考慮的因素是制造過程的難易程度,及其對成本的影響。制造固態電池需要很多步驟,任何一步出現失誤都會導電池生產成本提高。如同Huang所說:“你不會運輸那個壞掉的電池,你會把它們扔了。但是,你已經付出了材料、時間、加工過程和金錢。”


研究人員在數據庫中尋找故障率對選定固態電池設計總成本的影響。在一個例子中,他們專注于氧化物 LLZO。LLZO非常脆,在制造過程中經過高溫,用于高性能固態電池的足夠薄的大片材,很可能會出現破裂或翹曲。


為了確定這些故障因素對成本的影響,研究人員對組裝LLZO基電池的四個關鍵工藝步驟進行了建模。在每一步中,都根據假設成品率計算成本,也就是加工成功而沒有失敗的總部件的比例。使用LLZO時的產量,遠遠低于其他研究設計。隨著產量下降,每千瓦時電池能量的成本顯著上升。例如,在最后的正極加熱步驟中,多出5%的部件故障,成本就增加了約$30/kWh,考慮到此類電池的普遍接受目標成本為$100/kWh,這是個不小的數值。顯然,制造難易度可能對大規模采用設計的可行性產生深遠影響。


材料和性能


設計全固態電池的挑戰之一來自于界面膜。在運行或制造過程中,這些界面材料變得不穩定。“原子去了不該去的地方,電池性能開始下降。”因此,大多數研究致力于提出在不同電池設計中穩定界面的方法。很多方法確實有助于提高性能。然而,采用這些方案通常需要耗費材料和時間,在大規模生產時,使電池成本上升。


為此,研究人員首先研究了氧化物LLZO,旨在通過在LLZO電解質和負極之間插入薄錫層,來穩定兩者之間的界面。同時,分析實施該解決方案對成本的正負面影響。研究人員發現,添加錫隔層,可以提高儲能能力,并提升性能,從而降低單位成本。但加入錫層的成本超過了節約成本,從而使最終成本高于原成本。


在另一項分析中,研究人員著眼于名為LPSCI的硫化物電解質,其中含鋰、磷和硫,以及一點添加的氯。在這個例子中,正極中包含電解質材料顆粒,通過這種方式,可以確保鋰離子找到通過電解質進入其他電極的途徑。然而,這些添加的電解質顆粒無法與正極里的其他粒子兼容,從而產生另外一種界面問題。在這種情況下,標準的解決方案是添加粘合劑,通過另一種材料,使粒子粘合在一起。


分析表明,沒有粘合劑的情況下,LPSCI基電池的性能很差,其成本高于$500/kWh。加入粘合劑后,可以明顯提升電池性能,成本幾乎下降至$300/kWh。在這個例子中,在電池制造過程中增加粘合劑的成本很低,不影響總體成本下降。


研究人員對文獻中提到的其他有前景固態電池進行了類似研究,其結果是一致的:所選擇的電池材料和工藝,不僅影響實驗室的近期結果,還會影響為滿足未來需求規模制造固態電池的可行性和成本。研究結果還表明,綜合考慮可用性、加工需求和電池性能這三個因素,具有重要意義,因為可能涉及集體效應和權衡問題。


通過該團隊的方法,可以探討一系列問題。但是,研究人員強調,這并不是要取代實驗室中用于指導材料和工藝選擇的傳統指標。“與之相反,這是通過廣泛觀察各種可能阻礙擴展進程的因素,來擴充這些指標。”


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