Karbono emisioak murrizteko premiazko beharrak garraioa elektrifikatzeko eta sarean eguzki- eta eoliko-energiaren hedapena zabaltzen ari da.Joera hauek espero bezala areagotzen badira, energia elektrikoa biltegiratzeko metodo hobeen beharra areagotu egingo da.
Klima-aldaketaren mehatxuari aurre egiteko lor ditzakegun estrategia guztiak behar ditugu, dio Elsa Olivetti doktoreak, Esther eta Harold E. Edgerton-en materialen zientzia eta ingeniaritzako irakasle elkartuak.Bistan denez, sarean oinarritutako biltegiratze masiboko teknologien garapena funtsezkoa da.Baina mugikorretarako aplikazioetarako -batez ere garraiorako- ikerketa asko gaur egungoak egokitzera bideratzen diralitio-ioizko bateriakseguruagoak, txikiagoak eta haien tamaina eta pisurako energia gehiago gordetzeko gai izatea.
Ohiko litio-ioizko pilek hobetzen jarraitzen dute, baina haien mugak diraute, neurri batean beren egituragatik.Litio-ioizko bateriak bi elektrodoz osatuta daude, bata positiboa eta bestea negatiboa, likido organiko batean sartuta (karbonoa duena).Bateria kargatu eta deskargatzen denean, kargatutako litio partikulak (edo ioiak) elektrodo batetik bestera pasatzen dira elektrolito likidotik.
Diseinu honen arazo bat da tentsio eta tenperatura jakin batzuetan elektrolito likidoa lurrunkor bihur daitekeela eta su har dezakeela.Bateriak, oro har, seguruak dira erabilera normalean, baina arriskuak bere horretan jarraitzen duela dio Kevin Huang Ph.D.'15 doktoreak, Olivettiren taldeko ikertzaileak.
Beste arazo bat da litio-ioizko bateriak ez direla egokiak autoetan erabiltzeko.Bateria-pakete handi eta astunek lekua hartzen dute, ibilgailuaren pisu orokorra handitzen dute eta erregaiaren eraginkortasuna murrizten dute.Baina zaila da gaur egungo litio-ioizko bateriak txikiagoak eta arinagoak egitea haien energia-dentsitatea mantenduz -pisu gramo bakoitzeko gordetzen den energia-kopurua-.
Arazo horiek konpontzeko, ikertzaileak litio-ioizko baterien funtsezko ezaugarriak aldatzen ari dira, oso-solido edo egoera solidoko bertsio bat sortzeko.Erdian dagoen elektrolito likidoa tentsio eta tenperatura sorta zabalean egonkorra den elektrolito solido mehe batekin ordezkatzen ari dira.Elektrolito solido honekin, gaitasun handiko elektrodo positibo bat eta ohiko karbono geruza porotsua baino askoz loditasun txikiagoa zuen litio metalezko elektrodo negatibo bat erabili zuten.Aldaketa hauek zelula orokorra askoz txikiagoa izatea ahalbidetzen dute energia biltegiratzeko ahalmena mantenduz, energia dentsitate handiagoa lortuz.
Ezaugarri hauek - segurtasun handiagoa eta energia-dentsitate handiagoa- Ziurrenik egoera solidoko baterien balizko bi onurak dira, baina gauza horiek guztiak aurrera begirakoak dira eta espero dira, eta ez dira zertan lor daitezkeen.Hala ere, aukera honek ikertzaile asko nahastu ditu promesa hori beteko duten materialak eta diseinuak aurkitzeko.
Laborategitik haratago pentsatzea
Ikertzaileek laborategian itxaropentsu itxura duten hainbat eszenatoki intrigagarri asmatu dituzte.Baina Olivetti eta Huang-ek uste dute klima-aldaketaren erronkaren premia ikusita, gogoeta praktiko osagarriak garrantzitsuak izan daitezkeela.Ikertzaileek beti ditugu laborategian neurketak material eta prozesu posibleak ebaluatzeko, dio Olivettik.Adibideak energia biltegiratzeko ahalmena eta karga/deskarga tasak izan daitezke.Baina helburua ezartzea bada, eskalatze azkarrerako potentziala bereziki zuzentzen duten neurketak gehitzea proposatzen dugu.
Materialak eta erabilgarritasuna
Elektrolito inorganiko solidoen munduan, bi material mota nagusi daude: oxigenoa duten oxidoak eta sufrea duten sulfuroak.Tantaloa eztainuaren eta niobioaren meatzaritzaren azpiproduktu gisa ekoizten da.Datu historikoek erakusten dute tantalioaren ekoizpena germanioarena baino potentzial maximotik hurbilago dagoela eztainua eta niobioa ustiatzean.Tantoaren erabilgarritasuna, beraz, kezka handiagoa da LLZOn oinarritutako zelulak handitzeko.
Hala ere, lurzoruan elementu baten erabilgarritasuna jakiteak ez ditu fabrikatzaileen eskuetara iristeko beharrezkoak diren urratsak konpontzen.Hori dela eta, ikertzaileek funtsezko elementuen hornikuntza-kateari buruzko galdera bat ikertu zuten: meatzaritza, prozesatzea, fintzea, garraiatzea, etab. Hornidura ugari dagoela suposatuz, material hauek entregatzeko hornikuntza-katea nahikoa azkar hedatu al daiteke gero eta handiagoa den egoerari erantzuteko. baterien eskaera?
Lagin-analisi batean, germanioaren eta tantalioaren hornikuntza-kateak urtez urte zenbat hazi beharko lukeen aztertu zuten 2030ean aurreikusitako ibilgailu elektrikoen flotarako bateriak hornitzeko.Adibide gisa, 2030erako helburu gisa aipatzen den ibilgailu elektrikoen flota batek nahikoa bateria ekoitzi beharko lituzke guztira 100 gigawatt orduko energia emateko.Helburu hori lortzeko, LGPS bateriak soilik erabiliz, germanioaren hornikuntza-kateak urtez urte % 50 hazi beharko luke, tarte bat, hazkunde-tasa maximoa % 7 ingurukoa izan baita iraganean.LLZO zelulak soilik erabiliz, tantalioaren hornikuntza-kateak % 30 inguru hazi beharko luke, hazkunde-tasa % 10 inguruko maximo historikoaren gainetik.
Adibide hauek materialaren erabilgarritasuna eta hornikuntza-katea kontuan hartzeak duen garrantzia erakusten du elektrolito solido desberdinen eskalatze-potentziala ebaluatzeko orduan, dio Huang-ek: Nahiz eta material baten kantitatea arazoa ez izan, germanioaren kasuan bezala, eskalatzea guztiak. etorkizuneko ibilgailu elektrikoen ekoizpenarekin bat egiteko hornikuntza-katearen urratsek ia aurrekaririk gabeko hazkunde-tasa eska dezakete.
Materialak eta prozesatzea
Bateriaren diseinuaren eskalagarritasun potentziala ebaluatzeko kontuan hartu beharreko beste faktore bat fabrikazio-prozesuaren zailtasuna eta kostuan izan dezakeen eragina da.Egoera solidoko bateria baten fabrikazioan urrats asko daude ezinbestean, eta edozein urratsen hutsegiteek arrakastaz ekoitzitako zelula bakoitzaren kostua handitzen du.
Fabrikazio-zailtasunaren proxy gisa, Olivetti, Ceder eta Huang-ek egoera solidoko bateria-diseinu hautatuen guztizko kostuan porrot-tasaren eragina aztertu zuten beren datu-basean.Adibide batean, LLZO oxidoan zentratu ziren.LLZO oso hauskorra da eta xafla handiak nahikoa meheak dira errendimendu handiko egoera solidoko baterietan erabiltzeko, litekeena da fabrikazio prozesuan parte hartzen duten tenperatura altuetan pitzatzea edo okertzea.
Hutsegite horien kostuen ondorioak zehazteko, LLZO zelulak muntatzean parte hartzen duten lau prozesatzeko urratsak simulatu zituzten.Urrats bakoitzean, kostua kalkulatu dute ustezko etekin batean oinarrituta, hau da, hutsegiterik gabe arrakastaz prozesatu diren zelula guztien proportzioan.LLZOrentzat, etekina askoz txikiagoa izan zen aztertu zituzten beste diseinuetarako baino;gainera, etekina jaitsi ahala, zelulen energiaren kilowatt-orduko (kWh) kostua nabarmen handitu zen.Esate baterako, katodoaren beroketa-urratsean %5 zelula gehiago gehitu zirenean, kostua 30 dolar/kWh inguru igo zen - aldaketa arbuiagarria da kontuan hartuta orokorrean onartutako zelula horien xede-kostua 100 dolar/kWh dela.Bistan denez, fabrikazio-zailtasunek eragin handia izan dezakete diseinua eskala handian hartzearen bideragarritasunean.
Argitalpenaren ordua: 2022-09-09