Materiały użyte do produkcji litowej baterii samochodowej

Szybki rozwój pojazdów elektrycznych (EV) zwiększył zapotrzebowanie na surowce wykorzystywane do produkcji baterii litowych, co wymaga ich pozyskiwania z pierwotnych minerałów - stwarza to zarówno obawy środowiskowe, jak i społeczne.

Baterie litowe różnią się pod względem ilości magazynowanej energii i liczby ładowań, co sprawia, że wybór jednej z nich do konkretnego zastosowania ma kluczowe znaczenie.

Chemia litowo-jonowa

Baterie litowo-jonowe szybko stały się jedną z najpopularniejszych technologii w elektronice użytkowej, takiej jak telefony komórkowe i laptopy, a samochody hybrydowe również coraz częściej z nich korzystają. Ich wysoka gęstość energii umożliwia przechowywanie większej ilości energii na mniejszej przestrzeni niż w przypadku tradycyjnych technologii akumulatorowych.

Akumulatory litowo-jonowe mogą być również bezpiecznie użytkowane, jeśli są obsługiwane zgodnie z określonymi wytycznymi dotyczącymi bezpieczeństwa. Chociaż ryzyko pożaru jest w ich przypadku niższe niż w przypadku akumulatorów litowo-metalowych, niewłaściwe obchodzenie się z nimi nadal może stanowić zagrożenie.

Akumulatory litowo-jonowe działają poprzez interkalację i ekstrakcję, z jonami litu poruszającymi się tam i z powrotem między anodą i katodą, tworząc roztwór elektrolitu złożony z niewodnych rozpuszczalników, takich jak węglan etylenu lub węglan propylenu, który otacza je oba. Wilgoć nigdy nie powinna dostać się do tej baterii ze względu na silne powinowactwo litu do wody.

Rozładowanie następuje, gdy jony litu przemieszczają się z anody do roztworu elektrolitu, gdzie są uwalniane z miejsc wiązania przez prąd elektryczny, a następnie są uwalniane z wiązań z anodą - uwalniając elektrony do swobodnego przepływu przez zewnętrzne przewody w celu wykonania pracy.

Akumulatory litowo-jonowe oferują wiele zalet w porównaniu z ich odpowiednikami, w tym dobrą wydajność energetyczną i wysoki stosunek mocy do masy, niski wskaźnik samorozładowania, długą żywotność i przenośną konstrukcję. Technologia tlenku litowo-kobaltowego zapewnia większą gęstość energii niż jej alternatywy w litowo-jonowych akumulatorach samochodowych.

Elektrolit

Elektrolity są niezbędnymi minerałami, które mają zasadnicze znaczenie dla poziomu nawodnienia naszego organizmu i funkcji komórek, a także ogólnych korzyści zdrowotnych, takich jak zapobieganie zmęczeniu, zawrotom głowy i bólom głowy. Brak elektrolitów może nawet prowadzić do odwodnienia, które znacząco wpływa na życie i zakłóca codzienną rutynę na wiele sposobów.

Akumulatory litowo-jonowe opierają się na niewodnych elektrolitach, aby uniknąć reakcji z wodą i chronić elektrody przed degradacją. Często zawierają one organiczne węglany, takie jak węglan etylenu lub węglan propylenu z kompleksami, które wiążą jony litu w roztworze; ten ciekły elektrolit pozwala następnie jonom przemieszczać się między elektrodami anody i katody, wytwarzając energię elektryczną.

Gdy jony litu przemieszczają się z anody do katody przez elektrolit podczas rozładowywania, przechodzą proces insercji lub interkalacji, który przenosi ich elektrony z katody. Powoduje to wytworzenie energii chemicznej przechowywanej w zewnętrznym obwodzie ogniwa; podczas ładowania te same jony rekombinują ze swoimi elektronami, tworząc energię elektryczną.

Dinca i jego zespół pracują nad opracowaniem alternatywnych materiałów akumulatorowych, które zawierają mniej kobaltu, takich jak sód lub magnez. Takie baterie mogłyby być lżejsze i tańsze, dzięki czemu byłyby bardziej atrakcyjne dla konsumentów. Baterie niezawierające kobaltu powinny mieć lepszą żywotność, możliwość recyklingu, a nawet mogą być bezpieczniejsze w transporcie i przechowywaniu niż baterie kobaltowe.

Katoda

Katoda jest jednym z podstawowych elementów baterii litowych. Działając jako przewodnik elektryczny, ułatwia jonom litu przemieszczanie się między anodą a katodą podczas procesów rozładowywania/ładowania. Katody mogą składać się z różnych materiałów, takich jak tlenki metali przejściowych litu, tlenki wanadu, tlenki na bazie manganu lub fosforany litu, które umożliwiają odwracalną interkalację/dezinterkalację jonów litu podczas cykli rozładowania/ładowania.

Anoda jest elektrodą ujemną, odpowiedzialną za odprowadzanie elektronów do obwodu zewnętrznego podczas rozładowywania ogniwa. Z kolei katody łączą dodatnio naładowane jony litu z elektronami w elektrochemicznej reakcji redukcji na elektrodzie dodatniej. Elektrolit służy jako pośrednik w transporcie jonów litu i elektronów między anodą a katodą; sam nie bierze udziału w reakcji elektrochemicznej.

Opracowano wiele różnych materiałów katodowych; trzy najbardziej rozpowszechnione w obecnej produkcji można podsumować jako LiCoO2, LiMn2O4 i LiFePO4. Każdy z nich wykorzystuje chemię litowo-jonową; jednak ich pojemność ładowania i stabilność cykliczna różnią się w zależności od modelu.

Baterie litowo-jonowe zależą od katody zarówno pod względem gęstości energii, jak i żywotności, ponieważ ten element przechowuje duże ilości jonów litu o wysokiej przewodności i musi przechowywać duże ich ilości, aby działać optymalnie. Aby jeszcze bardziej zmniejszyć opór i zwiększyć wydajność, jako dodatki przewodzące można dodawać różne dodatki przewodzące, takie jak sadza (CB), węgiel amorficzny (AC) lub włókna węglowe (CF); Tabela 2 przedstawia wyniki tych dodatków dotyczące pojemności rozładowania i wydajności cyklu różnych materiałów katodowych z różnymi dodatkami przewodzącymi.

Anoda

Żywotność akumulatorów litowo-jonowych w dużej mierze zależy od ich materiałów elektrodowych - znanych również jako anody i katody - które odgrywają istotną rolę w regulacji gęstości energii i zakresu napięcia. Większość baterii litowych wykorzystuje anody i katody węglowe, jednak naukowcy badają alternatywne rozwiązania.

Rozładowanie następuje, gdy anoda uwalnia jony litu do katody poprzez interkalację, tworząc prąd i moc. Podczas ładowania zachodzi jednak sytuacja odwrotna. Zamiast odprowadzać jony litu na katodę poprzez interkalację, dostają się one do elektrolitu (składającego się z soli litu zawieszonych w rozpuszczalniku węglanu dimetylu). Stąd przemieszczają się z powrotem w kierunku anody i ostatecznie wracają przez ten roztwór, aby zakończyć swój obieg wstecz.

Standardowe anody grafitowe nie mogą być używane długoterminowo, ponieważ wielokrotne wprowadzanie litu powoduje ich rozpad i utratę pojemności, nie pozostawiając funkcjonalnych ogniw LIB. Zaproponowano alternatywy, takie jak wodorotlenki metali, jednak ich wysokie napięcia interkalacji zmniejszają gęstość energii tych baterii.

Amprius, firma specjalizująca się w materiałach akumulatorowych, opracowała anodę z krzemową powłoką, która otacza krzemowe nanodruty jako jedno z potencjalnych rozwiązań. Już przetestowany w pseudosatelitarnym zestawie akumulatorów Airbus Zephyr S do celów testowych, jego wydajność była znakomita: trwał setki cykli ładowania, wytwarzając ponad 435 W h/kg energii wyjściowej.

Separator elektrod

Separator jest niezbędnym elementem baterii litowych, służącym do izolowania elektrod dodatnich i ujemnych, jednocześnie umożliwiając przepływ jonów litu. Zbudowany z porowatej membrany wykonanej z różnych materiałów poliolefinowych, takich jak polietylen lub polipropylen, jego rozmiar wpływa na to, ile prądu można pobrać podczas rozładowywania, a także określa stabilność podczas cykli.

Porowatość separatora powinna być wystarczająca, aby umożliwić jonom litu swobodne przemieszczanie się między elektrodami, z szerokim rozkładem porów, które zamykają się, gdy bateria jest odłączona lub wyłączona; optymalne rozmiary porów mieszczą się w zakresie od 30 do 100 nanometrów. Co więcej, jego przewodność również musi być wysoka.

Istotna jest również zwilżalność separatora; musi on wchłaniać odpowiednią ilość elektrolitu do swoich porów podczas pracy ogniwa, bez tworzenia się dendrytów i wzrostu SEI. Można stosować różne materiały separatorów, takie jak włóknina PP, mikroporowata jednowarstwowa warstwa PP, celuloza, włókno szklane, PTFE lub trójwarstwowa warstwa PP/PE/PP; niektóre z nich mają ulepszone właściwości, takie jak zwiększona odporność na utlenianie lub powinowactwo/zwilżalność z elektrolitami; te ulepszenia znacząco przyczyniają się do bezpieczeństwa i długowieczności baterii.

Aktualne kolektory

Kolektory prądu są niezbędnym elementem baterii litowych, ponieważ umożliwiają przepływ elektronów między elektrodami katody i anody, pomagając baterii osiągnąć wysoką gęstość energii oraz poprawiając bezpieczeństwo i wydajność. Muszą być zaprojektowane tak, aby wytrzymywać wysokie napięcia robocze bez korozji elektrod.

Metale takie jak aluminium i miedź są często wykorzystywane jako kolektory prądu ze względu na ich stosunkowo niedrogą naturę i doskonałą przewodność elektryczną, ale kruchość wymaga dużych grubości w celu utrzymania integralności mechanicznej.

Naukowcy z NREL opracowali nowatorski sposób na zmniejszenie grubości kolektora prądu przy jednoczesnym zwiększeniu gęstości energii. Metoda ta polega na powlekaniu aktywnych materiałów z separatorów baterii litowych klejem, tworząc cienkie, ale lekkie kolektory prądu, które pomogą uczynić litowe baterie samochodowe bardziej energooszczędnymi.

Naukowcy badają metody zmniejszania grubości kolektorów prądu przy jednoczesnym zwiększaniu ich stabilności elektrochemicznej. Materiały na bazie węgla oferują bardziej przyjazne dla środowiska procesy produkcyjne w porównaniu z metalami i są coraz częściej wykorzystywane jako kolektory prądu.

Oparte na węglu kolektory prądu oferują wiele zalet w porównaniu z ich sztywniejszymi odpowiednikami, w tym są lżejsze i wystarczająco elastyczne, aby poprawić gęstość energii i pojemność baterii - co jest coraz bardziej istotnym wymogiem, biorąc pod uwagę rosnącą popularność technologii litowo-jonowej.