Ածխածնի արտանետումները նվազեցնելու հրատապ անհրաժեշտությունը արագորեն շարժվում է դեպի էլեկտրաֆիկացնել տրանսպորտը և ընդլայնել արևային և քամու էներգիայի տեղակայումը ցանցում: Եթե այս միտումները սրվեն, ինչպես և սպասվում էր, էլեկտրական էներգիայի պահպանման ավելի լավ մեթոդների անհրաժեշտությունը կուժեղանա:
Մեզ անհրաժեշտ են բոլոր ռազմավարությունները, որոնք մենք կարող ենք ձեռք բերել կլիմայի փոփոխության սպառնալիքի դեմ պայքարելու համար, ասում է դոկտոր Էլզա Օլիվետին, Էսթեր և Հարոլդ Է. Էդգերթոնների նյութերի գիտության և ճարտարագիտության դոցենտ: Ակնհայտ է, որ ցանցի վրա հիմնված զանգվածային պահեստավորման տեխնոլոգիաների զարգացումը չափազանց կարևոր է: Բայց բջջային հավելվածների, հատկապես տրանսպորտի համար, շատ հետազոտություններ ուղղված են այսօրվան հարմարեցնելունլիթիում-իոնային մարտկոցներլինել ավելի անվտանգ, ավելի փոքր և կարողանալ ավելի շատ էներգիա կուտակել իրենց չափի և քաշի համար:
Սովորական լիթիում-իոնային մարտկոցները շարունակում են կատարելագործվել, սակայն դրանց սահմանափակումները մնում են՝ մասամբ իրենց կառուցվածքի պատճառով:Լիթիում-իոնային մարտկոցները բաղկացած են երկու էլեկտրոդներից՝ մեկը դրական և բացասական, որոնք ներկառուցված են օրգանական (ածխածին պարունակող) հեղուկում: Երբ մարտկոցը լիցքավորվում և լիցքաթափվում է, լիցքավորված լիթիումի մասնիկները (կամ իոնները) հեղուկ էլեկտրոլիտի միջոցով փոխանցվում են մի էլեկտրոդից մյուսը:
Այս դիզայնի խնդիրն այն է, որ որոշակի լարման և ջերմաստիճանի դեպքում հեղուկ էլեկտրոլիտը կարող է ցնդող դառնալ և բռնկվել: Մարտկոցներն ընդհանուր առմամբ անվտանգ են սովորական օգտագործման դեպքում, բայց ռիսկը մնում է, ասում է բժիշկ Քևին Հուանգը Ph.D.'15, Olivetti-ի խմբի հետազոտող գիտնական:
Մյուս խնդիրն այն է, որ լիթիում-իոնային մարտկոցները հարմար չեն մեքենաներում օգտագործելու համար: Խոշոր, ծանր մարտկոցների փաթեթները տեղ են գրավում, մեծացնում են մեքենայի ընդհանուր քաշը և նվազեցնում վառելիքի արդյունավետությունը: Սակայն դժվար է այսօրվա լիթիում-իոնային մարտկոցները դարձնել ավելի փոքր և թեթև՝ պահպանելով դրանց էներգիայի խտությունը՝ մեկ գրամի դիմաց պահվող էներգիայի քանակը:
Այս խնդիրները լուծելու համար հետազոտողները փոխում են լիթիում-իոնային մարտկոցների հիմնական առանձնահատկությունները՝ ստեղծելու ամբողջովին պինդ կամ պինդ վիճակի տարբերակ: Նրանք մեջտեղում գտնվող հեղուկ էլեկտրոլիտը փոխարինում են բարակ պինդ էլեկտրոլիտով, որը կայուն է լարումների և ջերմաստիճանների լայն շրջանակում: Այս պինդ էլեկտրոլիտով նրանք օգտագործեցին բարձր հզորության դրական էլեկտրոդ և բարձր հզորությամբ լիթիում մետաղական բացասական էլեկտրոդ, որը շատ ավելի քիչ հաստ էր, քան սովորական ծակոտկեն ածխածնի շերտը: Այս փոփոխությունները թույլ են տալիս շատ ավելի փոքր ընդհանուր բջիջ ունենալ՝ պահպանելով էներգիայի պահպանման կարողությունը, ինչը հանգեցնում է էներգիայի ավելի բարձր խտության:
Այս հատկանիշները - ուժեղացված անվտանգություն և ավելի մեծ էներգիայի խտություն- պոտենցիալ պինդ վիճակում գտնվող մարտկոցների թերևս երկու ամենատարածված առավելություններն են, սակայն այս բոլոր բաները հեռանկարային են և հույս ունեն, և պարտադիր չէ, որ դրանք հասանելի լինեն: Այնուամենայնիվ, այս հնարավորությունը շատ հետազոտողների է մղում, որոնք փորձում են գտնել այն նյութերն ու ձևավորումները, որոնք կկատարեն այս խոստումը:
Մտածում լաբորատորիայից դուրս
Հետազոտողները մի շարք ինտրիգային սցենարներ են մշակել, որոնք խոստումնալից են թվում լաբորատորիայում: Սակայն Օլիվետին և Հուանգը կարծում են, որ հաշվի առնելով կլիմայի փոփոխության մարտահրավերի հրատապությունը, լրացուցիչ գործնական նկատառումները կարող են կարևոր լինել: Մենք՝ հետազոտողներս, միշտ լաբորատորիայում ունենք չափումներ՝ հնարավոր նյութերն ու գործընթացները գնահատելու համար, ասում է Օլիվետին։ Օրինակները կարող են ներառել էներգիայի պահպանման հզորությունը և լիցքավորման/լիցքաթափման արագությունը: Բայց եթե նպատակը իրականացումն է, մենք առաջարկում ենք ավելացնել չափումներ, որոնք հատուկ կանդրադառնան արագ մասշտաբի ներուժին:
Նյութեր և առկայություն
Պինդ անօրգանական էլեկտրոլիտների աշխարհում գոյություն ունեն նյութերի երկու հիմնական տեսակ՝ թթվածին պարունակող օքսիդներ և ծծումբ պարունակող սուլֆիդներ։ Տանտալը արտադրվում է որպես անագի և նիոբիումի արդյունահանման կողմնակի արտադրանք: Պատմական տվյալները ցույց են տալիս, որ տանտալի արտադրությունն ավելի մոտ է պոտենցիալ առավելագույնին, քան գերմանիումը՝ անագի և նիոբիումի արդյունահանման ժամանակ: Ուստի տանտալի առկայությունը ավելի մեծ մտահոգություն է LLZO-ի վրա հիմնված բջիջների հնարավոր մեծացման համար:
Այնուամենայնիվ, հողի մեջ տարրի առկայության մասին իմանալը չի լուծում այն քայլերը, որոնք անհրաժեշտ են այն արտադրողների ձեռքը ստանալու համար: Հետևաբար, հետազոտողները ուսումնասիրել են հիմնական տարրերի մատակարարման շղթայի վերաբերյալ հարց՝ հանքարդյունաբերություն, վերամշակում, վերամշակում, փոխադրում և այլն: Ենթադրելով, որ կա առատ մատակարարում, կարո՞ղ է այդ նյութերի մատակարարման շղթան բավական արագ ընդլայնվել՝ բավարարելու աճող աճը: մարտկոցների պահանջարկ.
Ընտրանքային վերլուծության ժամանակ նրանք նայեցին, թե որքան պետք է աճի գերմանիումի և տանտալի մատակարարման շղթան տարեցտարի, որպեսզի մարտկոցներ ապահովի 2030 թվականին նախատեսված էլեկտրական մեքենաների պարկի համար: Որպես օրինակ՝ էլեկտրական մեքենաների պարկը, որը հաճախ նշվում է որպես 2030 թվականի թիրախ, պետք է արտադրի բավականաչափ մարտկոցներ՝ ընդհանուր 100 գիգավատ ժամ էներգիա ապահովելու համար: Այս նպատակին հասնելու համար, օգտագործելով միայն LGPS մարտկոցներ, գերմանիումի մատակարարման շղթան պետք է տարեկան աճի 50%-ով, քանի որ աճի առավելագույն տեմպը նախկինում եղել է մոտ 7%: Օգտագործելով միայն LLZO բջիջները, տանտալի մատակարարման շղթան պետք է աճի մոտ 30%-ով, ինչը շատ ավելի բարձր է պատմական առավելագույնից՝ մոտ 10%:
Այս օրինակները ցույց են տալիս, թե որքան կարևոր է հաշվի առնել նյութի առկայությունը և մատակարարման շղթան տարբեր պինդ էլեկտրոլիտների մեծացման ներուժը գնահատելիս, ասում է Հուանգը. Ապագա էլեկտրական մեքենաների արտադրությանը համապատասխանող մատակարարման շղթայի քայլերը կարող են պահանջել աճի տեմպ, որը գործնականում աննախադեպ է:
Նյութեր և վերամշակում
Մեկ այլ գործոն, որը պետք է հաշվի առնել մարտկոցի դիզայնի մասշտաբայնության ներուժը գնահատելիս, արտադրության գործընթացի դժվարությունն է և այն ազդեցությունը, որը կարող է ունենալ արժեքի վրա: Պինդ վիճակում գտնվող մարտկոցի արտադրության մեջ կան անխուսափելիորեն բազմաթիվ քայլեր, և ցանկացած քայլի ձախողումը մեծացնում է հաջողությամբ արտադրված յուրաքանչյուր բջիջի արժեքը:
Որպես արտադրության դժվարության վստահված կողմ՝ Olivetti-ն, Ceder-ը և Huang-ն ուսումնասիրեցին խափանման մակարդակի ազդեցությունը իրենց տվյալների բազայում ընտրված պինդ վիճակում մարտկոցների նմուշների ընդհանուր արժեքի վրա: Օրինակներից մեկում նրանք կենտրոնացել են LLZO օքսիդի վրա: LLZO-ն շատ փխրուն է և բավականաչափ բարակ մեծ թիթեղներ, որոնք կարող են օգտագործվել բարձր արտադրողականությամբ պինդ վիճակի մարտկոցներում, ամենայն հավանականությամբ, կարող են ճաքել կամ շեղվել արտադրության գործընթացում ներգրավված բարձր ջերմաստիճանի դեպքում:
Նման խափանումների ծախսերի հետևանքները որոշելու համար նրանք մոդելավորեցին մշակման չորս հիմնական քայլերը, որոնք ներգրավված են LLZO բջիջների հավաքման մեջ: Յուրաքանչյուր քայլի ժամանակ նրանք հաշվարկել են արժեքը՝ հիմնվելով ենթադրյալ եկամտաբերության վրա, այսինքն՝ ընդհանուր բջիջների մասնաբաժինը, որոնք հաջողությամբ մշակվել են առանց ձախողման: LLZO-ի համար եկամտաբերությունը շատ ավելի ցածր էր, քան իրենց ուսումնասիրած մյուս նախագծերի համար. ավելին, երբ ելքը նվազում էր, բջջային էներգիայի մեկ կիլովատ/ժամ (կՎտժ) արժեքը զգալիորեն ավելացավ։ Օրինակ, երբ 5% ավելի շատ բջիջներ ավելացվեցին կաթոդի ջեռուցման վերջնական փուլին, արժեքը ավելացավ մոտ $30/կՎտժ-ով, ինչը աննշան փոփոխություն է՝ հաշվի առնելով, որ նման բջիջների համար ընդհանուր ընդունված նպատակային արժեքը կազմում է $100/կՎտժ: Ակնհայտ է, որ արտադրական դժվարությունները կարող են մեծ ազդեցություն ունենալ դիզայնի լայնածավալ ընդունման իրագործելիության վրա:
Հրապարակման ժամանակը` 09-09-2022