ნახშირბადის ემისიების შემცირების გადაუდებელი აუცილებლობა იწვევს სწრაფ სვლას ტრანსპორტის ელექტრიფიკაციისკენ და ქსელში მზის და ქარის ენერგიის განლაგების გაფართოებისკენ. თუ ეს ტენდენციები მოსალოდნელად გაიზრდება, ელექტროენერგიის შენახვის უკეთესი მეთოდების საჭიროება გაძლიერდება.
ჩვენ გვჭირდება ყველა სტრატეგია, რომელიც შეგვიძლია მივიღოთ კლიმატის ცვლილების საფრთხის მოსაგვარებლად, ამბობს დოქტორი ელზა ოლივეტი, მასალების მეცნიერებისა და ინჟინერიის ასოცირებული პროფესორი Esther and Harold E. Edgerton-ში. ცხადია, ქსელზე დაფუძნებული მასობრივი შენახვის ტექნოლოგიების განვითარება გადამწყვეტია. მაგრამ მობილური აპლიკაციებისთვის - განსაკუთრებით ტრანსპორტისთვის - ბევრი კვლევა ორიენტირებულია დღევანდელის ადაპტაციაზელითიუმ-იონური ბატარეებიიყოს უფრო უსაფრთხო, პატარა და შეეძლოს მეტი ენერგიის შენახვა მათი ზომისა და წონის მიხედვით.
ჩვეულებრივი ლითიუმ-იონური ბატარეები აგრძელებენ გაუმჯობესებას, მაგრამ მათი შეზღუდვები რჩება, ნაწილობრივ მათი სტრუქტურის გამო.ლითიუმ-იონური ბატარეები შედგება ორი ელექტროდისგან, ერთი დადებითი და ერთი უარყოფითი, მოთავსებულია ორგანულ (ნახშირბადის შემცველ) სითხეში. როდესაც ბატარეა დამუხტავს და განმუხტავს, დამუხტული ლითიუმის ნაწილაკები (ან იონები) გადაეცემა ერთი ელექტროდიდან მეორეზე თხევადი ელექტროლიტის მეშვეობით.
ამ დიზაინის ერთ-ერთი პრობლემა ის არის, რომ გარკვეულ ძაბვასა და ტემპერატურაზე თხევადი ელექტროლიტი შეიძლება გახდეს აქროლადი და დაიჭიროს ცეცხლი. ბატარეები ზოგადად უსაფრთხოა ნორმალური გამოყენების შემთხვევაში, მაგრამ რისკი რჩება, ამბობს დოქტორი კევინ ჰუანგ Ph.D.'15, ოლივეტის ჯგუფის მკვლევარი მეცნიერი.
კიდევ ერთი პრობლემა ის არის, რომ ლითიუმ-იონური ბატარეები არ არის შესაფერისი მანქანებში გამოსაყენებლად. დიდი, მძიმე ბატარეის პაკეტები იკავებს ადგილს, ზრდის ავტომობილის საერთო წონას და ამცირებს საწვავის ეფექტურობას. მაგრამ ძნელია დღევანდელი ლითიუმ-იონური ბატარეების უფრო პატარა და მსუბუქი გახდომა მათი ენერგეტიკული სიმკვრივის შენარჩუნებით - ენერგიის რაოდენობა, რომელიც ინახება 1 გრამ წონაზე.
ამ პრობლემების გადასაჭრელად მკვლევარები ცვლიან ლითიუმ-იონური ბატარეების ძირითად მახასიათებლებს, რათა შექმნან სრულიად მყარი, ან მყარი მდგომარეობის ვერსია. ისინი ანაცვლებენ თხევად ელექტროლიტს შუაში თხელი მყარი ელექტროლიტით, რომელიც სტაბილურია ძაბვისა და ტემპერატურის ფართო დიაპაზონში. ამ მყარი ელექტროლიტით მათ გამოიყენეს მაღალი სიმძლავრის დადებითი ელექტროდი და მაღალი სიმძლავრის ლითიუმის მეტალის უარყოფითი ელექტროდი, რომელიც გაცილებით ნაკლები სქელი იყო ვიდრე ჩვეულებრივი ფოროვანი ნახშირბადის ფენა. ეს ცვლილებები საშუალებას იძლევა გაცილებით მცირე მთლიანი უჯრედი შეინარჩუნოს ენერგიის შესანახი სიმძლავრე, რაც იწვევს ენერგიის უფრო მეტ სიმკვრივეს.
ეს მახასიათებლები - გაძლიერებული უსაფრთხოება და მეტი ენერგიის სიმკვრივე- ალბათ, პოტენციური მყარი ბატარეების ორი ყველაზე ხშირად რეკლამირებული უპირატესობაა, მაგრამ ეს ყველაფერი წინდახედული და მოსალოდნელია და სულაც არ არის მიღწევადი. მიუხედავად ამისა, ეს შესაძლებლობა ბევრ მკვლევარს უბიძგებს იპოვონ მასალები და დიზაინი, რომლებიც შეასრულებენ ამ დაპირებას.
ფიქრი ლაბორატორიის მიღმა
მკვლევარებმა შექმნეს არაერთი დამაინტრიგებელი სცენარი, რომლებიც ლაბორატორიაში პერსპექტიულად გამოიყურება. მაგრამ ოლივეტი და ჰუანგს მიაჩნიათ, რომ კლიმატის ცვლილების გამოწვევის აქტუალობის გათვალისწინებით, დამატებითი პრაქტიკული მოსაზრებები შეიძლება იყოს მნიშვნელოვანი. ჩვენ მკვლევარებს ყოველთვის გვაქვს მეტრიკა ლაბორატორიაში შესაძლო მასალებისა და პროცესების შესაფასებლად, ამბობს ოლივეტი. მაგალითები შეიძლება მოიცავდეს ენერგიის შენახვის სიმძლავრეს და დატენვის/დამუხტვის სიჩქარეს. მაგრამ თუ მიზანი დანერგვაა, ჩვენ გთავაზობთ მეტრიკის დამატებას, რომელიც კონკრეტულად ეხება სწრაფი მასშტაბის პოტენციალს.
მასალები და ხელმისაწვდომობა
მყარი არაორგანული ელექტროლიტების სამყაროში არსებობს მასალის ორი ძირითადი ტიპი - ჟანგბადის შემცველი ოქსიდები და გოგირდის შემცველი სულფიდები. ტანტალი იწარმოება, როგორც კალის და ნიობიუმის მოპოვების გვერდითი პროდუქტი. ისტორიული მონაცემები აჩვენებს, რომ ტანტალის წარმოება უფრო ახლოს არის პოტენციურ მაქსიმუმთან, ვიდრე გერმანიუმის წარმოება კალის და ნიობიუმის მოპოვების დროს. ამიტომ, ტანტალის ხელმისაწვდომობა უფრო დიდი შეშფოთებაა LLZO-ზე დაფუძნებული უჯრედების შესაძლო მასშტაბის გამო.
თუმცა, ნიადაგში ელემენტის ხელმისაწვდომობის ცოდნა არ წყვეტს იმ ნაბიჯებს, რომლებიც საჭიროა მისი მწარმოებლების ხელში მოსახვედრად. ამრიგად, მკვლევარებმა გამოიკვლიეს შემდეგი შეკითხვა ძირითადი ელემენტების მიწოდების ჯაჭვის შესახებ - სამთო, გადამუშავება, გადამუშავება, ტრანსპორტირება და ა. ბატარეებზე მოთხოვნა?
ნიმუშის ანალიზში, მათ დაათვალიერეს, თუ რამდენი უნდა გაიზარდოს გერმანიუმის და ტანტალის მიწოდების ჯაჭვი ყოველწლიურად, რათა უზრუნველყოს ბატარეები 2030 წლის ელექტრომობილების პროგნოზირებული ფლოტისთვის. მაგალითად, ელექტრო სატრანსპორტო საშუალებების ფლოტს, რომელსაც ხშირად 2030 წლის სამიზნედ მოიხსენიებენ, დასჭირდება საკმარისი ბატარეების წარმოება, რათა უზრუნველყოს მთლიანი 100 გიგავატ საათი ენერგია. ამ მიზნის მისაღწევად, მხოლოდ LGPS ბატარეების გამოყენებით, გერმანიუმის მიწოდების ჯაჭვი ყოველწლიურად 50%-ით უნდა გაიზარდოს - ეს არის გაჭიმვა, რადგან ზრდის მაქსიმალური ტემპი წარსულში დაახლოებით 7% იყო. მხოლოდ LLZO უჯრედების გამოყენებით, ტანტალის მიწოდების ჯაჭვი უნდა გაიზარდოს დაახლოებით 30%-ით - ზრდის ტემპი ბევრად აღემატება ისტორიულ მაქსიმუმს დაახლოებით 10%.
ეს მაგალითები გვიჩვენებს მასალის ხელმისაწვდომობისა და მიწოდების ჯაჭვის გათვალისწინების მნიშვნელობას სხვადასხვა მყარი ელექტროლიტების გაზრდის პოტენციალის შეფასებისას, ამბობს ჰუანგი: მაშინაც კი, თუ მასალის რაოდენობა არ არის პრობლემა, როგორც გერმანიუმის შემთხვევაში, ყველა მასშტაბის გაზრდა. მიწოდების ჯაჭვის ნაბიჯები, რომლებიც ემთხვევა მომავალი ელექტრო მანქანების წარმოებას, შეიძლება მოითხოვოს ზრდის ტემპი, რომელიც პრაქტიკულად უპრეცედენტოა.
მასალები და დამუშავება
კიდევ ერთი ფაქტორი, რომელიც გასათვალისწინებელია ბატარეის დიზაინის მასშტაბურობის პოტენციალის შეფასებისას, არის წარმოების პროცესის სირთულე და მისი გავლენა ღირებულებაზე. მყარი მდგომარეობის ბატარეის წარმოებაში აუცილებლად ბევრი ნაბიჯია ჩართული და ნებისმიერი ნაბიჯის წარუმატებლობა ზრდის თითოეული წარმატებით წარმოებული უჯრედის ღირებულებას.
როგორც წარმოების სირთულის მარიონეტმა, Olivetti-მ, Ceder-მა და Huang-მა გამოიკვლიეს მარცხის სიხშირის გავლენა მათ მონაცემთა ბაზაში შერჩეული მყარი მდგომარეობის ბატარეების დიზაინის მთლიან ღირებულებაზე. ერთ მაგალითში მათ ყურადღება გაამახვილეს ოქსიდზე LLZO. LLZO არის ძალიან მტვრევადი და დიდი ზომის ფურცლები, საკმარისად თხელი, რომ გამოიყენებოდეს მაღალი ხარისხის მყარი მდგომარეობის ბატარეებში, სავარაუდოდ, იბზარება ან იკეცება წარმოების პროცესში ჩართულ მაღალ ტემპერატურაზე.
ამგვარი წარუმატებლობის ღირებულების დასადგენად, მათ მოახდინეს დამუშავების ოთხი ძირითადი ეტაპის სიმულაცია, რომლებიც დაკავშირებულია LLZO უჯრედების აწყობაში. თითოეულ საფეხურზე მათ გამოთვალეს ღირებულება სავარაუდო მოსავლიანობის საფუძველზე, ანუ მთლიანი უჯრედების პროპორცია, რომლებიც წარმატებით დამუშავდა წარუმატებლობის გარეშე. LLZO-სთვის მოსავლიანობა გაცილებით დაბალი იყო, ვიდრე მათ მიერ შესწავლილი სხვა დიზაინისთვის; უფრო მეტიც, მოსავლიანობის შემცირებით, უჯრედის ენერგიის კილოვატ-საათზე (კვტ/სთ) ღირებულება მნიშვნელოვნად გაიზარდა. მაგალითად, როდესაც კათოდური გათბობის საბოლოო საფეხურს დაემატა 5%-ით მეტი უჯრედი, ღირებულება გაიზარდა დაახლოებით $30/კვტ/სთ-ით - უმნიშვნელო ცვლილება იმის გათვალისწინებით, რომ ზოგადად მიღებული სამიზნე ღირებულება ასეთი უჯრედებისთვის არის $100/კვტ/სთ. ცხადია, წარმოების სირთულეებმა შეიძლება დიდი გავლენა იქონიოს დიზაინის ფართომასშტაბიანი მიღების შესაძლებლობაზე.
გამოქვეყნების დრო: სექ-09-2022