ความจำเป็นเร่งด่วนในการลดการปล่อยก๊าซคาร์บอนกำลังผลักดันให้เกิดการเคลื่อนไหวอย่างรวดเร็วไปสู่การขนส่งด้วยไฟฟ้าและขยายการใช้พลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลมบนโครงข่าย หากแนวโน้มเหล่านี้เพิ่มขึ้นตามที่คาดไว้ ความต้องการวิธีการกักเก็บพลังงานไฟฟ้าที่ดีกว่าก็จะทวีความรุนแรงมากขึ้น
เราต้องการกลยุทธ์ทั้งหมดที่เราสามารถทำได้เพื่อจัดการกับภัยคุกคามจากการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ ดร. Elsa Olivetti รองศาสตราจารย์ด้านวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์ที่ Esther และ Harold E. Edgerton กล่าว เห็นได้ชัดว่าการพัฒนาเทคโนโลยีการจัดเก็บข้อมูลขนาดใหญ่แบบกริดถือเป็นสิ่งสำคัญ แต่สำหรับแอปพลิเคชันบนมือถือ โดยเฉพาะด้านการขนส่ง การวิจัยจำนวนมากมุ่งเน้นไปที่การปรับตัวในปัจจุบันแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนให้ปลอดภัย เล็กลง และสามารถกักเก็บพลังงานตามขนาดและน้ำหนักได้มากขึ้น
แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบทั่วไปมีการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง แต่ข้อจำกัดยังคงอยู่ ส่วนหนึ่งเนื่องมาจากโครงสร้างแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนประกอบด้วยอิเล็กโทรดสองขั้ว หนึ่งขั้วบวกและขั้วลบหนึ่งขั้ว ประกบอยู่ในของเหลวอินทรีย์ (ที่มีคาร์บอน) เมื่อแบตเตอรี่ถูกชาร์จและคายประจุแล้ว อนุภาคลิเธียม (หรือไอออน) ที่มีประจุจะถูกส่งผ่านจากอิเล็กโทรดหนึ่งไปยังอีกอิเล็กโทรไลต์ผ่านอิเล็กโทรไลต์ของเหลว
ปัญหาหนึ่งของการออกแบบนี้คือที่แรงดันไฟฟ้าและอุณหภูมิที่แน่นอน อิเล็กโทรไลต์เหลวอาจระเหยและติดไฟได้ โดยทั่วไปแบตเตอรี่จะปลอดภัยในการใช้งานตามปกติ แต่ความเสี่ยงยังคงอยู่ ดร. Kevin Huang Ph.D.'15 นักวิทยาศาสตร์การวิจัยในกลุ่มของ Olivetti กล่าว
ปัญหาอีกประการหนึ่งคือแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนไม่เหมาะสำหรับใช้ในรถยนต์ ชุดแบตเตอรี่ขนาดใหญ่และหนักใช้พื้นที่ เพิ่มน้ำหนักโดยรวมของยานพาหนะ และลดประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิง แต่เป็นเรื่องยากที่จะทำให้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในปัจจุบันมีขนาดเล็กและเบาลงโดยยังคงรักษาความหนาแน่นของพลังงาน ซึ่งเป็นปริมาณพลังงานที่เก็บไว้ต่อกรัมของน้ำหนัก
เพื่อแก้ปัญหาเหล่านี้ นักวิจัยกำลังเปลี่ยนแปลงคุณลักษณะหลักของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเพื่อสร้างเวอร์ชันโซลิดสเตตหรือโซลิดสเตต พวกเขากำลังแทนที่อิเล็กโทรไลต์ของเหลวที่อยู่ตรงกลางด้วยอิเล็กโทรไลต์แข็งบางซึ่งมีความเสถียรในช่วงแรงดันไฟฟ้าและอุณหภูมิที่หลากหลาย ด้วยอิเล็กโทรไลต์แข็งนี้ พวกเขาใช้อิเล็กโทรดขั้วบวกความจุสูงและอิเล็กโทรดลบโลหะลิเธียมความจุสูงซึ่งมีความหนาน้อยกว่าชั้นคาร์บอนที่มีรูพรุนตามปกติมาก การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้ทำให้เซลล์โดยรวมมีขนาดเล็กลงมากในขณะที่ยังคงรักษาความสามารถในการกักเก็บพลังงาน ส่งผลให้มีความหนาแน่นของพลังงานสูงขึ้น
คุณสมบัติเหล่านี้ - เพิ่มความปลอดภัยและความหนาแน่นของพลังงานมากขึ้น- อาจเป็นประโยชน์สองประการที่ได้รับการกล่าวขานกันมากที่สุดของแบตเตอรี่โซลิดสเตตที่มีศักยภาพ แต่สิ่งเหล่านี้ทั้งหมดเป็นการมองไปข้างหน้าและคาดหวัง และไม่จำเป็นต้องบรรลุผลสำเร็จ อย่างไรก็ตาม ความเป็นไปได้นี้ทำให้นักวิจัยหลายคนพยายามค้นหาวัสดุและการออกแบบที่จะเป็นไปตามคำมั่นสัญญานี้
คิดนอกห้องปฏิบัติการ
นักวิจัยได้เกิดสถานการณ์ที่น่าสนใจจำนวนหนึ่งซึ่งดูมีแนวโน้มดีในห้องปฏิบัติการ แต่ Olivetti และ Huang เชื่อว่าเมื่อพิจารณาถึงความท้าทายด้านการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศอย่างเร่งด่วน การพิจารณาเชิงปฏิบัติเพิ่มเติมอาจมีความสำคัญ เรานักวิจัยมักจะมีหน่วยเมตริกในห้องปฏิบัติการเพื่อประเมินวัสดุและกระบวนการที่เป็นไปได้ Olivetti กล่าว ตัวอย่างอาจรวมถึงความจุพลังงานและอัตราการชาร์จ/คายประจุ แต่หากเป้าหมายคือการนำไปปฏิบัติ เราขอแนะนำให้เพิ่มตัวชี้วัดที่เน้นถึงศักยภาพในการปรับขนาดอย่างรวดเร็วโดยเฉพาะ
วัสดุและความพร้อมใช้งาน
ในโลกของอิเล็กโทรไลต์อนินทรีย์ที่เป็นของแข็ง มีวัสดุสองประเภทหลัก ได้แก่ ออกไซด์ที่มีออกซิเจนและซัลไฟด์ที่มีซัลเฟอร์ แทนทาลัมผลิตขึ้นเป็นผลพลอยได้จากการขุดดีบุกและไนโอเบียม ข้อมูลในอดีตแสดงให้เห็นว่าการผลิตแทนทาลัมใกล้เคียงกับศักยภาพสูงสุดมากกว่าเจอร์เมเนียมในระหว่างการขุดดีบุกและไนโอเบียม ความพร้อมใช้งานของแทนทาลัมจึงเป็นข้อกังวลมากขึ้นสำหรับการขยายขนาดเซลล์ที่ใช้ LLZO ที่เป็นไปได้
อย่างไรก็ตาม การทราบถึงความพร้อมขององค์ประกอบในพื้นดินไม่ได้ช่วยแก้ปัญหาขั้นตอนที่จำเป็นในการส่งองค์ประกอบนั้นไปอยู่ในมือของผู้ผลิต นักวิจัยจึงได้ตรวจสอบคำถามที่ตามมาเกี่ยวกับห่วงโซ่อุปทานขององค์ประกอบหลัก เช่น การขุด การแปรรูป การกลั่น การขนส่ง ฯลฯ สมมติว่ามีอุปทานมากมาย ห่วงโซ่อุปทานสำหรับการส่งมอบวัสดุเหล่านี้สามารถขยายได้อย่างรวดเร็วพอที่จะตอบสนองการเติบโต ความต้องการแบตเตอรี่?
ในการวิเคราะห์ตัวอย่าง พวกเขาพิจารณาว่าห่วงโซ่อุปทานสำหรับเจอร์เมเนียมและแทนทาลัมจะต้องเพิ่มขึ้นทุกปีเพื่อจัดหาแบตเตอรี่ให้กับยานพาหนะไฟฟ้าที่คาดการณ์ไว้ในปี 2030 ตัวอย่างเช่น กองยานพาหนะไฟฟ้าซึ่งมักถูกอ้างถึงเป็นเป้าหมายสำหรับปี 2573 จะต้องผลิตแบตเตอรี่ให้เพียงพอเพื่อผลิตพลังงานได้รวม 100 กิกะวัตต์ชั่วโมง เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ การใช้เฉพาะแบตเตอรี่ LGPS ห่วงโซ่อุปทานเจอร์เมเนียมจะต้องเติบโต 50% เมื่อเทียบเป็นรายปี ซึ่งขยายออกไปอีก เนื่องจากอัตราการเติบโตสูงสุดอยู่ที่ประมาณ 7% ในอดีต การใช้เพียงเซลล์ LLZO เท่านั้น ห่วงโซ่อุปทานสำหรับแทนทาลัมจะต้องเติบโตประมาณ 30% ซึ่งเป็นอัตราการเติบโตที่สูงกว่าระดับสูงสุดในอดีตที่ประมาณ 10%
ตัวอย่างเหล่านี้แสดงให้เห็นถึงความสำคัญของการพิจารณาความพร้อมของวัสดุและห่วงโซ่อุปทานเมื่อประเมินศักยภาพในการขยายขนาดของอิเล็กโทรไลต์แข็งชนิดต่างๆ Huang กล่าว: แม้ว่าปริมาณของวัสดุจะไม่เป็นปัญหา เช่น ในกรณีของเจอร์เมเนียม การขยายขนาดทั้งหมด ขั้นตอนในห่วงโซ่อุปทานเพื่อให้สอดคล้องกับการผลิตรถยนต์ไฟฟ้าในอนาคตอาจต้องมีอัตราการเติบโตที่ไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อน
วัสดุและการแปรรูป
อีกปัจจัยที่ต้องพิจารณาเมื่อประเมินศักยภาพในการปรับขยายของการออกแบบแบตเตอรี่ก็คือความยากของกระบวนการผลิตและผลกระทบที่อาจมีต่อต้นทุน การผลิตแบตเตอรี่โซลิดสเตตมีหลายขั้นตอนอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ และความล้มเหลวของขั้นตอนใดๆ จะทำให้ต้นทุนของแต่ละเซลล์ที่ผลิตสำเร็จเพิ่มขึ้น
ในฐานะตัวแทนสำหรับปัญหาในการผลิต Olivetti, Ceder และ Huang ได้สำรวจผลกระทบของอัตราความล้มเหลวต่อต้นทุนรวมของการออกแบบแบตเตอรี่โซลิดสเตตที่เลือกในฐานข้อมูลของพวกเขา ในตัวอย่างหนึ่ง พวกเขามุ่งเน้นไปที่ออกไซด์ LLZO LLZO เปราะมากและแผ่นขนาดใหญ่บางพอที่จะใช้ในแบตเตอรี่โซลิดสเตตประสิทธิภาพสูงมีแนวโน้มที่จะแตกหรือบิดเบี้ยวที่อุณหภูมิสูงที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการผลิต
เพื่อพิจารณาถึงผลกระทบด้านต้นทุนจากความล้มเหลวดังกล่าว พวกเขาได้จำลองขั้นตอนการประมวลผลหลักสี่ขั้นตอนที่เกี่ยวข้องกับการประกอบเซลล์ LLZO ในแต่ละขั้นตอน พวกเขาคำนวณต้นทุนตามผลผลิตที่สมมติขึ้น กล่าวคือ สัดส่วนของเซลล์ทั้งหมดที่ประมวลผลได้สำเร็จโดยไม่มีความล้มเหลว สำหรับ LLZO ผลผลิตต่ำกว่าการออกแบบอื่นๆ ที่พวกเขาศึกษามาก ยิ่งไปกว่านั้น เมื่อผลผลิตลดลง ต้นทุนต่อกิโลวัตต์-ชั่วโมง (kWh) ของพลังงานเซลล์ก็เพิ่มขึ้นอย่างมาก ตัวอย่างเช่น เมื่อมีการเพิ่มเซลล์อีก 5% ในขั้นตอนการทำความร้อนแคโทดสุดท้าย ต้นทุนเพิ่มขึ้นประมาณ 30 เหรียญสหรัฐฯ/kWh ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยเมื่อพิจารณาว่าต้นทุนเป้าหมายที่ยอมรับโดยทั่วไปสำหรับเซลล์ดังกล่าวคือ 100 เหรียญสหรัฐฯ/kWh เห็นได้ชัดว่าปัญหาในการผลิตอาจส่งผลกระทบอย่างมากต่อความเป็นไปได้ในการนำการออกแบบดังกล่าวไปใช้ในวงกว้าง
เวลาโพสต์: Sep-09-2022