Υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή μιας μπαταρίας αυτοκινήτου λιθίου

Η ταχεία εξάπλωση των ηλεκτρικών οχημάτων (EV) έχει αυξήσει τη ζήτηση για πρώτες ύλες που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή μπαταριών λιθίου, γεγονός που καθιστά αναγκαία την προμήθειά τους από παρθένα ορυκτά - αυτό δημιουργεί περιβαλλοντικές και κοινωνικές ανησυχίες.

Οι χημικές ενώσεις των μπαταριών λιθίου διαφέρουν ως προς το πόση ενέργεια μπορούν να αποθηκεύσουν και τον αριθμό των φορών που μπορούν να επαναφορτιστούν, καθιστώντας την επιλογή μιας μπαταρίας για τη συγκεκριμένη εφαρμογή κρίσιμη.

Χημεία ιόντων λιθίου

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν γίνει γρήγορα μια από τις τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται στα ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης, όπως τα κινητά τηλέφωνα και οι φορητοί υπολογιστές, ενώ τα υβριδικά αυτοκίνητα τις χρησιμοποιούν επίσης όλο και περισσότερο. Η υψηλή ενεργειακή πυκνότητά τους επιτρέπει την αποθήκευση μεγαλύτερης ποσότητας ενέργειας σε μικρότερους χώρους σε σχέση με τις παραδοσιακές τεχνολογίες μπαταριών.

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου μπορούν επίσης να λειτουργήσουν με ασφάλεια όταν λειτουργούν εντός συγκεκριμένων οδηγιών ασφαλείας. Παρόλο που ο κίνδυνος πυρκαγιάς τους είναι μικρότερος από τις μπαταρίες μετάλλων λιθίου, ο ακατάλληλος χειρισμός μπορεί να δημιουργήσει κινδύνους.

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου λειτουργούν μέσω παρεμβολής και εκχύλισης, με τα ιόντα λιθίου να κινούνται μπρος-πίσω μεταξύ ανόδου και καθόδου, δημιουργώντας ένα διάλυμα ηλεκτρολύτη που αποτελείται από μη υδατικούς διαλύτες, όπως ανθρακικό αιθυλένιο ή ανθρακικό προπυλένιο, το οποίο περιβάλλει και τα δύο. Η υγρασία δεν πρέπει ποτέ να εισέλθει σε αυτή τη μπαταρία λόγω της ισχυρής συγγένειας του λιθίου με το νερό.

Η εκφόρτιση λαμβάνει χώρα όταν τα ιόντα λιθίου μετακινούνται από την άνοδο και εισέρχονται σε διάλυμα ηλεκτρολύτη, όπου απελευθερώνονται από τις θέσεις δέσμευσής τους με ηλεκτρικό ρεύμα και στη συνέχεια απελευθερώνονται από τους δεσμούς τους με την άνοδο - απελευθερώνοντας ηλεκτρόνια να ρέουν ελεύθερα μέσω εξωτερικών καλωδίων για να πραγματοποιηθεί έργο.

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου προσφέρουν πολλά πλεονεκτήματα έναντι των αντίστοιχων μπαταριών, όπως καλή ενεργειακή απόδοση και υψηλή αναλογία ισχύος προς βάρος, χαμηλό ποσοστό αυτοεκφόρτισης, μεγάλη διάρκεια ζωής και φορητό σχεδιασμό. Η τεχνολογία οξειδίου του λιθίου-κοβαλτίου επιτρέπει αυξημένη ενεργειακή πυκνότητα σε σχέση με τις εναλλακτικές της στις μπαταρίες αυτοκινήτων ιόντων λιθίου.

Ηλεκτρολύτες

Οι ηλεκτρολύτες είναι ζωτικής σημασίας μέταλλα, απαραίτητα για τα επίπεδα ενυδάτωσης του σώματός μας και τις λειτουργίες των κυττάρων, καθώς και για γενικότερα οφέλη για την υγεία, όπως η πρόληψη της κόπωσης, της ζάλης και των πονοκεφάλων. Η έλλειψη ηλεκτρολυτών θα μπορούσε να οδηγήσει ακόμη και σε αφυδάτωση που επηρεάζει σημαντικά τη ζωή και διαταράσσει την καθημερινή ρουτίνα με βαθύτατους τρόπους.

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου βασίζονται σε μη υδατικούς ηλεκτρολύτες για την αποφυγή αντιδράσεων με το νερό και την προστασία των ηλεκτροδίων τους από την υποβάθμιση. Συχνά περιλαμβάνουν οργανικά ανθρακικά άλατα όπως ανθρακικό αιθυλένιο ή ανθρακικό προπυλένιο με σύμπλοκα που δεσμεύουν ιόντα λιθίου σε διάλυμα- αυτός ο υγρός ηλεκτρολύτης επιτρέπει στη συνέχεια στα ιόντα να κινούνται μεταξύ των ηλεκτροδίων ανόδου και καθόδου, παράγοντας ηλεκτρική ενέργεια.

Καθώς τα ιόντα λιθίου μετακινούνται από την άνοδο στην κάθοδο μέσω του ηλεκτρολύτη κατά τη διάρκεια της εκφόρτισης, υφίστανται μια διαδικασία εισαγωγής ή παρεμβολής που μεταφέρει τα ηλεκτρόνιά τους από την κάθοδο. Αυτό δημιουργεί μια παραγωγή χημικής ενέργειας που αποθηκεύεται στο εξωτερικό κύκλωμα του στοιχείου- κατά τη φόρτιση τα ίδια αυτά ιόντα επανασυνδέονται με τα ηλεκτρόνιά τους για να σχηματίσουν ηλεκτρική ενέργεια.

Ο Dinca και η ομάδα του εργάζονται για την ανάπτυξη εναλλακτικών υλικών μπαταρίας που περιέχουν λιγότερο κοβάλτιο, όπως νάτριο ή μαγνήσιο. Τέτοιες μπαταρίες θα μπορούσαν να κάνουν τις μπαταρίες ελαφρύτερες και φθηνότερες, καθιστώντας τες πιο ελκυστικές για τους καταναλωτές. Οι μπαταρίες χωρίς κοβάλτιο θα πρέπει να έχουν καλύτερη διάρκεια ζωής κύκλου, ανακυκλωσιμότητα και μπορεί ακόμη και να είναι ασφαλέστερες στη μεταφορά και την αποθήκευση από τις μπαταρίες κοβαλτίου.

Κάθοδος

Η κάθοδος είναι ένα από τα βασικά συστατικά των μπαταριών λιθίου. Λειτουργώντας ως ηλεκτρικός αγωγός, διευκολύνει τη μετακίνηση ιόντων λιθίου μεταξύ ανόδου και καθόδου κατά τη διάρκεια των διαδικασιών εκφόρτισης/φόρτισης. Οι κάθοδοι μπορεί να αποτελούνται από διάφορα υλικά όπως οξείδια μεταβατικών μετάλλων λιθίου, οξείδια βαναδίου, οξείδια με βάση το μαγγάνιο ή φωσφορικά άλατα λιθίου που επιτρέπουν την αντιστρεπτή παρεμβολή/αποδέσμευση ιόντων λιθίου κατά τη διάρκεια των κύκλων εκφόρτισης/φόρτισης.

Η άνοδος είναι ένα αρνητικό ηλεκτρόδιο, υπεύθυνο για την εκφόρτιση ηλεκτρονίων σε ένα εξωτερικό κύκλωμα κατά την εκφόρτιση του στοιχείου. Αντίθετα, οι κάθοδοι συνδυάζουν θετικά φορτισμένα ιόντα λιθίου με ηλεκτρόνια σε μια ηλεκτροχημική αντίδραση αναγωγής στο θετικό τους ηλεκτρόδιο. Ο ηλεκτρολύτης χρησιμεύει ως μεσάζων όσον αφορά τη μεταφορά ιόντων λιθίου και ηλεκτρονίων μεταξύ ανόδου και καθόδου- δεν συμμετέχει στην ίδια την ηλεκτροχημική αντίδραση.

Έχουν αναπτυχθεί πολλά διαφορετικά υλικά καθόδου- τα τρία πιο διαδεδομένα στην τρέχουσα παραγωγή μπορούν να συνοψιστούν σε LiCoO2, LiMn2O4 και LiFePO4. Καθένα από αυτά χρησιμοποιεί τη χημεία ιόντων λιθίου- ωστόσο, η χωρητικότητα φόρτισης και η σταθερότητα κατά την ανακύκλωση διαφέρουν μεταξύ των μοντέλων.

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου εξαρτώνται από τις καθόδους τους τόσο για την ενεργειακή πυκνότητα όσο και για τη διάρκεια ζωής των κύκλων, καθώς το στοιχείο αυτό αποθηκεύει μεγάλες ποσότητες ιόντων λιθίου με υψηλή αγωγιμότητα και πρέπει να αποθηκεύει μεγάλες ποσότητες για να λειτουργεί βέλτιστα. Για να μειωθεί περαιτέρω η αντίσταση και να βελτιωθεί η απόδοση, μπορούν να προστεθούν ως αγώγιμα πρόσθετα διάφορα αγώγιμα πρόσθετα, όπως αιθάλη (CB), άμορφος άνθρακας (AC) ή ίνες άνθρακα (CF)- ο Πίνακας 2 παρουσιάζει τα αποτελέσματα αυτών των πρόσθετων στις χωρητικότητες εκφόρτισης και στις επιδόσεις κύκλου διαφόρων υλικών καθόδου με διάφορα αγώγιμα πρόσθετα σε σύγκριση.

Άνοδος

Η βιωσιμότητα των μπαταριών ιόντων λιθίου καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από τα υλικά των ηλεκτροδίων τους - γνωστά και ως άνοδοι και κάθοδοι - τα οποία παίζουν ουσιαστικό ρόλο στη ρύθμιση της ενεργειακής πυκνότητας και του εύρους τάσης. Οι περισσότερες μπαταρίες λιθίου χρησιμοποιούν ανόδους και καθόδους άνθρακα- ωστόσο, οι ερευνητές διερευνούν εναλλακτικές λύσεις.

Η εκφόρτιση συμβαίνει όταν η άνοδος απελευθερώνει ιόντα λιθίου στην κάθοδο μέσω παρεμβολής, δημιουργώντας ρεύμα και ισχύ. Κατά τη φόρτιση, ωστόσο, συμβαίνει το αντίστροφο. Αντί να εκλύονται ιόντα λιθίου στην κάθοδο μέσω παρεμβολής, εισέρχονται σε έναν ηλεκτρολύτη (που αποτελείται από άλατα λιθίου αιωρούμενα σε διαλύτη διμεθυλοκαρβονικού άλατος). Από εδώ ταξιδεύουν πίσω προς την άνοδο και τελικά επιστρέφουν πίσω μέσω αυτού του διαλύματος για να ολοκληρώσουν το κύκλωμά τους αντίστροφα.

Οι τυπικές άνοδοι γραφίτη δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν μακροπρόθεσμα, καθώς η επανειλημμένη εισαγωγή λιθίου προκαλεί τη διάσπασή τους και την απώλεια χωρητικότητας, χωρίς να αφήνουν λειτουργικά στοιχεία LIB. Έχουν προταθεί εναλλακτικές λύσεις, όπως τα υδροξείδια μετάλλων- ωστόσο, οι υψηλές τάσεις παρεμβολής τους μειώνουν την ενεργειακή πυκνότητα αυτών των μπαταριών.

Η Amprius, μια εταιρεία που ειδικεύεται στα υλικά μπαταριών, έχει αναπτύξει μια άνοδο με κέλυφος πυριτίου που περικλείει νανοκαλώδια πυριτίου ως μια πιθανή λύση. Έχει ήδη δοκιμαστεί σε ένα πακέτο μπαταριών του ψευδοδορυφόρου Airbus Zephyr S για δοκιμαστικούς σκοπούς, οι επιδόσεις του ήταν εξαιρετικές: διαρκεί εκατοντάδες κύκλους φόρτισης, ενώ παράγει πάνω από 435 W h/kg ενεργειακής απόδοσης.

Διαχωριστής ηλεκτροδίων

Ο διαχωριστής είναι ένα βασικό συστατικό των μπαταριών λιθίου, που χρησιμεύει για την απομόνωση των θετικών και αρνητικών ηλεκτροδίων, ενώ παράλληλα επιτρέπει τη ροή ιόντων λιθίου. Κατασκευάζεται χρησιμοποιώντας μια πορώδη μεμβράνη από διάφορα πολυολεφινικά υλικά όπως το πολυαιθυλένιο ή το πολυπροπυλένιο, το μέγεθός του επηρεάζει το πόσο ρεύμα μπορεί να ληφθεί κατά την εκφόρτιση, καθώς και τη σταθερότητα κατά την ανακύκλωση.

Το πορώδες του διαχωριστή θα πρέπει να είναι επαρκές ώστε να επιτρέπει στα ιόντα λιθίου να κινούνται ελεύθερα μεταξύ των ηλεκτροδίων, με ευρεία κατανομή πόρων που κλείνουν όταν η μπαταρία αποσυνδέεται ή απενεργοποιείται- τα βέλτιστα μεγέθη πόρων κυμαίνονται μεταξύ 30 και 100 νανομέτρων. Επιπλέον, η αγωγιμότητά του πρέπει επίσης να είναι υψηλή.

Η διαβρεξιμότητα ενός διαχωριστή είναι επίσης σημαντική- πρέπει να απορροφά επαρκή ποσότητα ηλεκτρολύτη στους πόρους του κατά τη λειτουργία του στοιχείου, χωρίς να δημιουργούνται δενδρίτες και να αναπτύσσεται SEI. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν διάφορα υλικά διαχωριστών, όπως μη υφασμένο PP, μικροπορώδες μονοστρωματικό PP, κυτταρίνη, ίνες γυαλιού, PTFE ή τριστρωματικό PP/PE/PP- ορισμένα έχουν βελτιωμένες ιδιότητες, όπως αυξημένη αντοχή στην οξείδωση ή συγγένεια/βρεξιμότητα με τους ηλεκτρολύτες- οι βελτιώσεις αυτές συμβάλλουν σημαντικά στην ασφάλεια και τη μακροζωία της μπαταρίας.

Τρέχοντες συλλέκτες

Οι συλλέκτες ρεύματος αποτελούν βασικό συστατικό των μπαταριών λιθίου, καθώς επιτρέπουν τη ροή ηλεκτρονίων μεταξύ των ηλεκτροδίων καθόδου και ανόδου, βοηθώντας τη μπαταρία να επιτύχει υψηλή ενεργειακή πυκνότητα και βελτιώνοντας την ασφάλεια και την απόδοση. Πρέπει να είναι σχεδιασμένοι ώστε να αντέχουν σε υψηλές τάσεις λειτουργίας χωρίς διάβρωση των ηλεκτροδίων τους.

Μέταλλα όπως το αλουμίνιο και ο χαλκός χρησιμοποιούνται συχνά ως συλλέκτες ρεύματος λόγω της σχετικά φθηνής φύσης τους και της εξαιρετικής ηλεκτρικής αγωγιμότητας, αλλά η ευθραυστότητα απαιτεί μεγάλα πάχη προκειμένου να διατηρηθεί η μηχανική ακεραιότητα.

Οι επιστήμονες του NREL βρήκαν έναν νέο τρόπο να μειώσουν το πάχος του συλλέκτη ρεύματος αυξάνοντας ταυτόχρονα την ενεργειακή πυκνότητα. Η μέθοδος περιλαμβάνει την επικάλυψη ενεργών υλικών από διαχωριστές μπαταριών λιθίου με κόλλα, δημιουργώντας λεπτούς αλλά ελαφρούς συλλέκτες ρεύματος που θα βοηθήσουν να γίνουν οι μπαταρίες λιθίου αυτοκινήτων πιο ενεργειακά αποδοτικές.

Οι επιστήμονες διερευνούν μεθόδους μείωσης του πάχους των συλλεκτών ρεύματος με ταυτόχρονη αύξηση της ηλεκτροχημικής σταθερότητάς τους. Τα υλικά με βάση τον άνθρακα προσφέρουν πιο φιλικές προς το περιβάλλον διαδικασίες παραγωγής σε σύγκριση με τα μεταλλικά και χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο ως συλλέκτες ρεύματος.

Οι συλλέκτες ρεύματος με βάση τον άνθρακα προσφέρουν πολλά πλεονεκτήματα έναντι των πιο άκαμπτων ομολόγων τους, μεταξύ των οποίων το γεγονός ότι είναι ελαφρύτεροι και αρκετά εύκαμπτοι ώστε να βελτιώνουν την ενεργειακή πυκνότητα και τη χωρητικότητα ισχύος της μπαταρίας - μια ολοένα και πιο σημαντική απαίτηση δεδομένης της αυξανόμενης δημοτικότητας του ιόντων λιθίου.