消息

为电动汽车设计更好的电池

用于缩放生产的材料选择

南希·w·Stauffer · 2021年6月1日 · 想要

在短暂的

在世界范围内,研究人员正在努力改造标准的锂离子电池,使其更适合用于电动汽车,因为它们更安全、更小、更轻,而且仍然能够存储大量的能量。麻省理工学院领导的一项研究表明,当研究人员考虑什么材料在固态电池中工作得最好时,他们也可能想要考虑这些材料将如何影响大规模制造。在某些情况下,规模化生产可能会导致资源可用性或供应链问题、加工要求或困难的电池制造步骤导致的高成本,或确保最终产品高性能所需的昂贵措施。使用麻省理工学院研究中描述的方法,研究人员可以在他们的台式测试模型中选择能带来预期结果的材料,同时也证明适合于未来的大规模生产。


削减碳排放的迫切需要正促使人们迅速转向电气化交通,并扩大太阳能和风能在电网上的应用。如果这些趋势如预期的那样升级,那么对更好的储存电能的方法的需求将会加强。

“我们需要所有能采取的策略来应对气候变化的威胁,”他说埃尔莎奥利维蒂2007年博士,材料科学与工程Esther and Harold E. Edgerton副教授。“显然,大规模开发基于网格的存储技术至关重要。但对于移动应用,特别是交通,很多研究都集中在改造现在的锂离子电池,使其更安全、更小,并能根据其体积和重量储存更多的能量。”

传统的锂离子电池在不断改进,但其局限性依然存在,部分原因在于其结构。锂离子电池由两个电极组成——一个正极,一个负极——夹在有机(含碳)液体中。当电池充放电时,锂的带电粒子(或离子)通过液体电解质从一个电极传递到另一个电极。

这种设计的一个问题是,在特定的电压和温度下,液体电解质会变得挥发并着火。“电池在正常使用下通常是安全的,但风险仍然存在,”Kevin Huang博士说,他是Olivetti小组的一名研究科学家。

另一个问题是锂离子电池并不适合在汽车上使用。又大又重的电池组占用空间,增加了车辆的总重量,降低了燃油效率。但事实证明,要让现在的锂离子电池更小、更轻,同时保持其能量密度(即每克重量所存储的能量量)是很困难的。

为了解决这些问题,研究人员正在改变锂离子电池的主要特性,制造一种全固态或“固态”版本。他们用一种在各种电压和温度范围内都很稳定的薄固体电解质取代了中间的液体电解质。有了这种固体电解质,他们使用了一个高容量的正电极和一个高容量的锂金属负电极,这比通常的多孔碳层薄得多。这些变化使其能够在保持储能能力的同时大大缩小整个电池,从而实现更高的能量密度。

“这些特征 - 增强的安全性和更大的能量密度 - 可能是潜在的固态电池的两个最常见的优势,”黄说。然后,他迅速澄清“所有这些东西都是潜在的,希望并且不一定意识到。”尽管如此,许多研究人员都争先恐后地寻找可以在该承诺提供的材料和设计。

超越实验室思维

研究人员已经提出了许多看起来很有前途的有趣选择——在实验室里。但是Olivetti和Huang认为,考虑到气候变化挑战的紧迫性,额外的实际考虑可能是重要的。“我们的研究人员在实验室中总是使用一些指标来评估可能的材料和工艺,”Olivetti说。例如储能容量和充放电率。在进行她认为既必要又重要的基础研究时,这些指标是合适的。“但如果目标是实施,我们建议增加一些指标,专门针对快速扩张的潜力,”她说。

根据目前锂离子电池行业的经验,麻省理工学院的研究人员和他们的同事Gerbrand Ceder,加州大学伯克利分校Daniel M. Tellep杰出工程教授,提出三个大问题,可以帮助确定材料选择对未来扩大规模的潜在限制。首先,有了这种电池设计,随着生产规模的扩大,材料的可用性、供应链或价格波动会成为一个问题吗?(请注意,扩大采矿所引起的环境和其他问题不在本研究的范围之内。)第二,用这些材料制造电池会涉及困难的制造步骤吗?在此过程中哪些部件可能会失效?第三,是否需要采取制造措施来确保基于这些材料的高性能产品最终降低或提高生产电池的成本?

为了展示他们的方法,Olivetti, Ceder,和Huang检查了一些电解液的化学成分和电池结构,现在研究人员正在研究。为了选择他们的例子,他们转向了之前的工作,在这些工作中,他们和他们的合作者使用文本和数据挖掘技术来收集文献中报道的材料和处理细节的信息。从这个数据库中,他们选择了几个经常报告的选项,代表了一系列的可能性。

材料和可用性

在固体无机电解质的世界里,主要有两类材料——含氧的氧化物和含硫的硫化物。Olivetti, Ceder和Huang在每堂课上专注于一种很有前途的电解质选择,并研究了他们每个人关注的关键因素。

他们认为的硫化物是LGPS,它结合了锂,锗,磷和硫。基于可用性考虑,他们专注于锗,部分地提出了界限的元素,因为它通常不会自行开采。相反,它是在煤和锌采矿过程中产生的副产品。

为了调查其可用性,研究人员查看了过去60年里煤炭和锌矿每年生产多少锗,然后又查看了可以生产多少锗。结果表明,即使是在最近几年,也可以生产出比现在多100倍的锗。考虑到这种供应潜力,锗的可用性不太可能限制基于LGPS电解液的固态电池的放大。

这些情况看起来较不承诺与研究人员选择的氧化物,LLZO,由锂,镧,锆和氧气组成。镧的提取和加工在很大程度上在中国集中,数据有限有限,因此研究人员没有尝试分析其可用性。其他三个要素大量可用。然而,在实践中,必须加入少量另一个掺杂剂 - 必须易于加工。所以球队专注于钽,最常用的掺杂剂,作为LLZO关注的主要要素。

钽是锡矿和铌矿的副产品。历史数据表明,钽在锡和铌开采期间的产量比锗更接近潜在的最大值。因此,钽的可用性对llzo基电池的可能放大来说是一个更大的问题。

但是,知道地面中的一个元素的可用性并不解决将其提供给制造商所需的步骤。因此,研究人员调查了关于批判元素挖掘,加工,精炼,运输等供应链的后续问题。假设提供丰富的供应,可以提供这些材料的供应链快速扩大,以满足对电池不断增长的需求吗?

下图侧重于锗和钽的供应链需要增长多少,以满足对电动汽车的预计需求。横轴显示2030年的固态电池生产 - 不在电池数量的电池数量中,但在几个电动汽车推动的电动车队(GWH)中的总能量总量为2030年,据估计行业报告。

材料供应链的增长需要在2030年(简介 - 在Gigawatth-looms)中实现给定的固态电池产量这些曲线显示出两种材料所需的供应链的复合年增长率(CAGR),以便在2030年满足两种类型固态电池的各种生产水平。橙色曲线显示锗,这是基于LGPS电解质的电池所需的锗,虽然蓝色曲线显示钽,但掺杂剂用于制作基于LLZO的电池。水平虚线显示相同两个元素的最大历史复合。

垂直轴侧重于2030年各种固态电池生产所需的锗和钽的量。曲线显示复合年增长率(CAGR),因此从年到年份的增长,需要提供锗(橙色)和钽(蓝色)用于固态电池生产的各级。供参考,水平橙色和蓝色虚线分别显示出锗和钽的最大历史cangrs。

举个例子,2030年的电动汽车目标通常是生产足够的电池来满足100吉瓦时的需求。为了实现仅使用LGPS电池的目标,锗的供应链需要每年增长50%,因为过去的最高复合年增长率约为7%。仅使用LLZO电池,钽的供应链将需要增长约30%——复合年增长率远高于约10%的历史最高水平。

这些例子证明了在评估不同固体电解质的尺度潜力时考虑材料可用性和供应链的重要性。“Even when the quantity of a material available isn’t a concern, as is the case with germanium, scaling all the steps in the supply chain to match the future production of electric vehicles may require a growth rate that’s literally unprecedented,” says Huang.

材料和加工

在评估电池设计的放大潜力时,需要考虑的另一个因素是制造过程的难度及其对成本的影响。制造固态电池不可避免地涉及许多步骤,任何步骤的失败都会增加成功生产的每个电池的成本。黄解释道:“你不是在运送那些坏掉的电池;你要把它们扔掉。但你仍然要在材料、时间和处理上花钱。”

作为制造难度的代表,Olivetti, Ceder和Huang在他们的数据库中探讨了选定的固态电池设计的故障率对总体成本的影响。在一个例子中,他们关注的是氧化物LLZO。LLZO非常易碎,在制造过程中的高温下,一块足够薄的用于高性能固态电池的大薄片很可能开裂或翘曲。

为了确定此类故障对成本的影响,他们模拟了组装llzo电池的四个关键处理步骤。在每一步中,他们根据假定的产量计算成本,即成功加工而没有失败的总部件的比例。LLZO的产率远远低于他们检查的其他设计;而且,随着产量的下降,电池能量的每千瓦时(kWh)成本显著上升。例如,在最后的阴极加热步骤中,当5%以上的单元失效时,成本增加了约30美元/千瓦时——考虑到这种电池通常接受的目标成本是100美元/千瓦时,这一变化并非微不足道。显然,制造困难会对大规模采用的设计的可行性产生深远的影响。

材料和性能

设计全固体电池的主要挑战之一来自“接口” - 是,其中一个组件达到另一个组件。在制造或操作期间,这些界面的材料可能变得不稳定。“原子开始走出他们不应该的地方,而电池性能下降,”黄说。

因此,致力于提出稳定不同电池设计中的界面的方法。提出的许多方法都会提高性能;因此,每千瓦时的电池的成本下降。但实施此类解决方案通常涉及添加的材料和时间,在大规模制造期间增加每千瓦时的成本。

为了说明权衡,研究人员首先检查了他们的氧化物,LLZO。这里,目标是通过在两者之间插入薄的锡层来稳定LLZO电解质和负极之间的界面。对实施该解决方案的正面和负面的影响 - 均在下面的左栏条形图中显示。

电池性能和电池处理成本之间的权衡左边的图表显示了制造没有或在负极和电解质之间有一层薄薄的锡的llzo基电池的成本。添加的锡分离器每克可增加16毫安时的容量,降低单位成本,如绿色条所示。然而,包括锡层的成本(红色条示)超过了节省的成本,因此最终成本高于原始成本。右边的图表显示了在LPSCl固态电池的正极添加粘合剂材料所节省的成本。添加1%(按重量计算)的粘合剂,每克的生产能力可提高65毫安培小时,单位成本可降低300美元。由于添加粘合剂的成本几乎为零(红色条),成本得到了完全的降低。

左侧的蓝色栏是该基于LLZO的电池的基线单元成本(按每千瓦时,每千瓦时),没有锡层。右边的绿色条显示,由于改进的性能(在标题中注明)的成本降低。红条显示由于添加的材料和锡层的沉积使用称为溅射的方法,成本增加。右侧蓝栏显示每千瓦时的最终成本,高于起始成本。因此,在实验室中看起来有希望的不稳定问题的解决方案实际上会使电池更加,而不是在制造过程中更少,昂贵。

在另一项分析中,研究人员观察了一种名为LPSCl的硫化物电解质,它由锂、磷、硫和少量添加的氯组成。在这种情况下,正极包含了电解质材料的粒子——这是一种确保锂离子可以通过电解质找到另一个电极的途径的方法。然而,添加的电解质粒子不能与正极中的其他粒子相容,这是另一个界面问题。在这种情况下,一个标准的解决方案是添加“粘合剂”,另一种使粒子粘在一起的材料。

右边的图表显示了在生产过程中实施该解决方案对成本的影响。左边的蓝色条是制造lpsl电池的每千瓦时成本,没有添加粘合剂。由于性能不佳,成本超过$500/kWh。绿色条表示添加粘结剂的影响。性能显著提高,成本下降近300美元/kWh。红色的条代表添加1%(按重量计算)的粘合剂的成本——成本如此之低,以至于红色的条很难看到。正如右边的蓝色条所示,基本上所有由于添加粘合剂而降低的成本都实现了。该方法用于解决接口问题,取得了较低的成本。

研究人员对文献报告的其他有前途的固态电池进行了类似的研究,结果一致:电池材料和过程的选择不仅可以影响实验室的近期结果,还可以影响制造的可行性和成本在规模中提出的固态电池需要满足未来需求。结果还表明,考虑到所有三种因素,包括可用性,处理需求和电池性能 - 是重要的,因为可能有集体效应和权衡。

奥利维为团队的方法可以探测到的问题范围感到自豪。但她强调,这并不意味着要取代传统的标准,用于指导材料和处理选择在实验室。“相反,它的目的是补充这些指标,同时也广泛地关注可能阻碍规模化的各种事情”——考虑到黄所称的清洁能源和气候变化的“紧迫的滴答滴答的时钟”,这是一个重要的考虑。


这项研究得到了支持的支持种子基金计划麻省理工学院能58必威苹果源计划(MITEI)低碳能源中心的储能;通过, MITEI创始成员;由美国能源部能效和可再生能源办公室、先进电池材料研究项目下的汽车技术办公室负责。文本挖掘工作得到了国家科学基金会、海军研究办公室和MITEI的支持。2021年1月28日,Elsa Olivetti被任命为新成立的副主任麻省理工学院气候与可持续发展联盟.Gerbrand Ceder是加州大学材料科学与工程系教授,伯克利伯克利国家实验室的劳伦斯伯克利国家实验室的高级教师科学家,在那里他领导了几项关于资源友好型安全储存技术的研究计划。有关该研究的更多信息,可以找到:

黄坤杰,G. Ceder, E.A. Olivetti。“无机固态电池的材料选择意味着制造的可扩展性。”焦耳,第5卷,第3期,2020年12月23日。在线:doi.org/10.1016/j.joule.2020.12.001

R. Mahbub, K. Huang, Z. Jensen, Z. d . Hood, J.L.M. Rupp, E.A. Olivetti。固态电池电解液加工条件下的文本挖掘电化学通讯,第121卷,2020年12月。在线:doi.org/10.101016/j.elecom.202020.106860


这篇文章刊登在问题在于能源期货


配电和储能 运输 低碳能源中心 种子基金
分享:
新闻查询:miteimedia@mit.edu.