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Progettare batterie migliori per i veicoli elettrici

2021-10-22

Poiché i ricercatori prendono in considerazione i materiali per le batterie allo stato solido, potrebbero anche voler considerare in che modo tali materiali potrebbero influire sulla produzione su larga scala.

 

Nancy W. Stauffer | Iniziativa energetica del MIT


 

 

L'urgente necessità di ridurre le emissioni di carbonio sta spingendo un rapido passaggio verso la mobilità elettrificata e l'espansione dell'impiego di energia solare ed eolica sulla rete elettrica. Se queste tendenze si intensificheranno come previsto, la necessità di metodi migliori per immagazzinare l'energia elettrica si intensificherà.

 

"Abbiamo bisogno di tutte le strategie che possiamo ottenere per affrontare la minaccia del cambiamento climatico", afferma Elsa Olivetti PhD â07, Professore Associato di Scienza e Ingegneria dei Materiali di Esther e Harold E. Edgerton. “Ovviamente, lo sviluppo di tecnologie per lo storage basato su griglia su larga scala è fondamentale. Ma per le applicazioni mobili - in particolare i trasporti - molte ricerche si stanno concentrando sull'adattamento della batteria agli ioni di litio di oggi per realizzare versioni più sicure, più piccole e in grado di immagazzinare più energia per le loro dimensioni e peso.â ½

 

Le tradizionali batterie agli ioni di litio continuano a migliorare, ma hanno dei limiti che persistono, in parte a causa della loro struttura. Una batteria agli ioni di litio è composta da due elettrodi â uno positivo e uno negativo â inseriti a sandwich attorno a un liquido organico (contenente carbonio). Quando la batteria viene caricata e scaricata, le particelle (o ioni) di litio caricate elettricamente passano da un elettrodo all'altro attraverso l'elettrolita liquido.

 

Un problema con quel progetto è che a determinate tensioni e temperature, l'elettrolita liquido può diventare volatile e prendere fuoco. "Le batterie sono generalmente sicure in condizioni di utilizzo normale, ma il rischio è ancora lì", afferma Kevin Huang PhD â15, ricercatore nel gruppo Olivetti.

 

Un altro problema è che le batterie agli ioni di litio non sono adatte per l'uso nei veicoli. I pacchi batteria grandi e pesanti occupano spazio e aumentano il peso complessivo del veicolo, riducendo l'efficienza del carburante. Ma si sta rivelando difficile rendere le batterie agli ioni di litio di oggi più piccole e leggere mantenendo la loro densità di energia, ovvero la quantità di energia che immagazzinano per grammo di peso.

 

Per risolvere questi problemi, i ricercatori stanno modificando le caratteristiche chiave della batteria agli ioni di litio per creare una versione completamente solida o "a stato solido". Sostituiscono l'elettrolita liquido nel mezzo con un elettrolita sottile e solido che è stabile a un'ampia gamma di tensioni e temperature. Con quell'elettrolita solido, usano un elettrodo positivo ad alta capacità e un elettrodo negativo in metallo di litio ad alta capacità che è molto più sottile del solito strato di carbonio poroso. Tali modifiche consentono di ridurre considerevolmente la batteria complessiva mantenendo la sua capacità di accumulo di energia, ottenendo così una maggiore densità di energia.

 

"Queste caratteristiche - maggiore sicurezza e maggiore densità di energia - sono probabilmente i due vantaggi più spesso pubblicizzati di una potenziale batteria a stato solido", afferma Huang. Quindi chiarisce rapidamente che "tutte queste cose sono prospettiche, sperate e non necessariamente realizzate". Tuttavia, la possibilità ha molti ricercatori che si stanno arrampicando per trovare materiali e progetti che possano mantenere quella promessa.

 

Pensare oltre il laboratorio

I ricercatori hanno escogitato molte opzioni intriganti che sembrano promettenti â in laboratorio. Ma Olivetti e Huang ritengono che ulteriori considerazioni pratiche possano essere importanti, data l'urgenza della sfida del cambiamento climatico. “Ci sono sempre metriche che noi ricercatori utilizziamo in laboratorio per valutare possibili materiali e processi”, dice Olivetti. Gli esempi potrebbero includere la capacità di accumulo di energia e la velocità di carica/scarica. Quando si esegue la ricerca di base - che ritiene sia necessaria e importante - quelle metriche sono appropriate. "Ma se l'obiettivo è l'implementazione, suggeriamo di aggiungere alcune metriche che affrontano specificamente il potenziale di scalabilità rapida", afferma.

 

Basandosi sull'esperienza del settore con le attuali batterie agli ioni di litio, i ricercatori del MIT e il loro collega Gerbrand Ceder, il Distinguished Professor of Engineering di Daniel M. Tellep presso l'Università della California a Berkeley, suggeriscono tre domande generali che possono aiutare a identificare potenziali vincoli sul futuro scale-up come risultato della selezione dei materiali. Innanzitutto, con questo design della batteria, la disponibilità dei materiali, le catene di approvvigionamento o la volatilità dei prezzi potrebbero diventare un problema con l'aumento della produzione? (Si noti che le preoccupazioni ambientali e di altro tipo sollevate dall'attività mineraria ampliata non rientrano nell'ambito di questo studio.) In secondo luogo, la fabbricazione di batterie con questi materiali comporterà fasi di produzione difficili durante le quali è probabile che le parti si guastino? E terzo, le misure di produzione necessarie per garantire un prodotto ad alte prestazioni basato su questi materiali alla fine riducono o aumentano il costo delle batterie prodotte?

 

Per dimostrare il loro approccio, Olivetti, Ceder e Huang hanno esaminato alcune delle sostanze chimiche degli elettroliti e delle strutture delle batterie attualmente oggetto di studio dai ricercatori. Per selezionare i loro esempi, si sono rivolti a lavori precedenti in cui loro e i loro collaboratori hanno utilizzato tecniche di estrazione di testo e dati per raccogliere informazioni sui materiali e sui dettagli di elaborazione riportati nella letteratura. Da quel database, hanno selezionato alcune opzioni riportate di frequente che rappresentano una gamma di possibilità.

 

Materiali e disponibilità

Nel mondo degli elettroliti inorganici solidi esistono due classi principali di materiali: gli ossidi, che contengono ossigeno, ei solfuri, che contengono zolfo. Olivetti, Ceder e Huang si sono concentrati su un'opzione elettrolitica promettente in ciascuna classe ed hanno esaminato gli elementi chiave di interesse per ciascuna di esse.

 

Il solfuro che hanno considerato era LGPS, che combina litio, germanio, fosforo e zolfo. Sulla base di considerazioni sulla disponibilità, si sono concentrati sul germanio, un elemento che desta preoccupazioni in parte perché generalmente non viene estratto da solo. Invece, è un sottoprodotto prodotto durante l'estrazione di carbone e zinco.

 

Per studiarne la disponibilità, i ricercatori hanno esaminato la quantità di germanio prodotta annualmente negli ultimi sei decenni durante l'estrazione di carbone e zinco e poi quanto si sarebbe potuto produrre. Il risultato ha suggerito che si sarebbe potuto produrre 100 volte più germanio, anche negli ultimi anni. Dato questo potenziale di fornitura, è improbabile che la disponibilità di germanio limiti lo scale-up di una batteria a stato solido basata su un elettrolita LGPS.

 

La situazione sembrava meno promettente con l'ossido selezionato dai ricercatori, LLZO, che consiste di litio, lantanio, zirconio e ossigeno. L'estrazione e l'elaborazione del lantanio sono in gran parte concentrate in Cina e i dati disponibili sono limitati, quindi i ricercatori non hanno provato ad analizzarne la disponibilità. Gli altri tre elementi sono abbondantemente disponibili. Tuttavia, in pratica, è necessario aggiungere una piccola quantità di un altro elemento â chiamato drogante â per rendere LLZO facile da elaborare. Quindi il team si è concentrato sul tantalio, il drogante più utilizzato, come principale elemento di preoccupazione per LLZO.

 

Il tantalio è prodotto come sottoprodotto dell'estrazione di stagno e niobio. I dati storici mostrano che la quantità di tantalio prodotta durante l'estrazione di stagno e niobio era molto più vicina al potenziale massimo rispetto al germanio. Quindi la disponibilità del tantalio è più una preoccupazione per il possibile ampliamento di una batteria basata su LLZO.

 

Ma conoscere la disponibilità di un elemento nel terreno non affronta i passaggi necessari per portarlo a un produttore. Quindi i ricercatori hanno studiato una domanda successiva riguardante le catene di approvvigionamento di elementi critici: estrazione, lavorazione, raffinazione, spedizione e così via. Supponendo che siano disponibili forniture abbondanti, le catene di approvvigionamento che forniscono tali materiali possono espandersi abbastanza rapidamente da soddisfare la crescente domanda di batterie?

 

Nelle analisi dei campioni, hanno esaminato la quantità di catene di approvvigionamento di germanio e tantalio che avrebbero bisogno di crescere di anno in anno per fornire batterie per una flotta di veicoli elettrici prevista nel 2030. Ad esempio, una flotta di veicoli elettrici spesso citata come obiettivo per il 2030 richiederebbe la produzione di batterie sufficienti per fornire un totale di 100 gigawattora di energia. Per raggiungere questo obiettivo utilizzando solo batterie LGPS, la catena di approvvigionamento del germanio dovrebbe crescere del 50 percento di anno in anno – un tratto, dal momento che il tasso di crescita massimo in passato è stato di circa il 7 percento. Utilizzando solo batterie LLZO, la catena di approvvigionamento del tantalio dovrebbe crescere di circa il 30%, un tasso di crescita ben al di sopra del massimo storico di circa il 10%.

 

Questi esempi dimostrano l'importanza di considerare sia la disponibilità dei materiali che le catene di approvvigionamento quando si valutano diversi elettroliti solidi per il loro potenziale di ampliamento. “Anche quando la quantità di materiale disponibile non è un problema, come nel caso del germanio, scalare tutti i passaggi della filiera per adeguarsi alla futura produzione di veicoli elettrici può richiedere un tasso di crescita che è letteralmente senza precedenti”, dice Huang.

 

Materiali e lavorazione

Nel valutare il potenziale di ampliamento della progettazione di una batteria, un altro fattore da considerare è la difficoltà del processo di produzione e il modo in cui può influire sui costi. La fabbricazione di una batteria a stato solido comporta inevitabilmente molti passaggi e un guasto in qualsiasi fase aumenta il costo di ciascuna batteria prodotta con successo. Come spiega Huang, “Non stai spedendo quelle batterie guaste; li stai buttando via. Ma hai ancora speso soldi per i materiali, il tempo e la lavorazione.â

 

Come indicatore della difficoltà di produzione, Olivetti, Ceder e Huang hanno esplorato l'impatto del tasso di guasto sul costo complessivo per progetti di batterie a stato solido selezionati nel loro database. In un esempio, si sono concentrati sull'ossido LLZO. LLZO è estremamente fragile e, alle alte temperature coinvolte nella produzione, è probabile che un foglio di grandi dimensioni che sia abbastanza sottile da poter essere utilizzato in una batteria a stato solido ad alte prestazioni si spezzi o si deformi.

 

Per determinare l'impatto di tali guasti sui costi, hanno modellato quattro fasi di elaborazione chiave nell'assemblaggio delle batterie basate su LLZO. Ad ogni passaggio, hanno calcolato il costo in base a un rendimento presunto, ovvero la frazione delle unità totali che sono state elaborate correttamente senza fallire. Con l'LLZO, la resa è stata di gran lunga inferiore rispetto agli altri modelli esaminati; e, con il diminuire della resa, il costo di ogni kilowattora (kWh) di energia della batteria è aumentato in modo significativo. Ad esempio, quando il 5% in più di unità si è guastato durante la fase finale di riscaldamento del catodo, il costo è aumentato di circa $ 30/kWh – un cambiamento non banale considerando che un costo obiettivo comunemente accettato per tali batterie è di $ 100/kWh. Chiaramente, le difficoltà di produzione possono avere un profondo impatto sulla fattibilità di un progetto per l'adozione su larga scala.

 

Materiali e prestazioni

Una delle sfide principali nella progettazione di una batteria completamente solida deriva dalle "interfacce" "ovvero, dove un componente incontra un altro. Durante la produzione o il funzionamento, i materiali su tali interfacce possono diventare instabili. "Gli atomi iniziano ad andare dove non dovrebbero e le prestazioni della batteria diminuiscono", afferma Huang.

 

Di conseguenza, molte ricerche sono dedicate alla creazione di metodi per stabilizzare le interfacce in diversi modelli di batterie. Molti dei metodi proposti aumentano le prestazioni; e di conseguenza, il costo della batteria in dollari per kWh diminuisce. Ma l'implementazione di tali soluzioni generalmente comporta l'aggiunta di materiali e tempo, aumentando il costo per kWh durante la produzione su larga scala.

 

Per illustrare questo compromesso, i ricercatori hanno prima esaminato il loro ossido, LLZO. Qui, l'obiettivo è stabilizzare l'interfaccia tra l'elettrolita LLZO e l'elettrodo negativo inserendo un sottile strato di stagno tra i due. Hanno analizzato gli impatti â sia positivi che negativi â sui costi di implementazione di quella soluzione. Hanno scoperto che l'aggiunta del separatore di stagno aumenta la capacità di accumulo di energia e migliora le prestazioni, riducendo il costo unitario in dollari/kWh. Ma il costo dell'inclusione dello strato di stagno supera i risparmi in modo che il costo finale sia superiore al costo originale.

 

In un'altra analisi, hanno esaminato un elettrolita di solfuro chiamato LPSCl, che consiste di litio, fosforo e zolfo con un po' di cloro aggiunto. In questo caso, l'elettrodo positivo incorpora particelle del materiale elettrolitico, un metodo per garantire che gli ioni di litio possano trovare un percorso attraverso l'elettrolita fino all'altro elettrodo. Tuttavia, le particelle di elettrolita aggiunte non sono compatibili con altre particelle nell'elettrodo positivo – un altro problema di interfaccia. In questo caso, una soluzione standard consiste nell'aggiungere un "legante", un altro materiale che fa aderire le particelle.

 

La loro analisi ha confermato che senza il raccoglitore, le prestazioni sono scarse e il costo della batteria basata su LPSCl è superiore a $ 500/kWh. L'aggiunta del legante migliora significativamente le prestazioni e il costo diminuisce di quasi $ 300/kWh. In questo caso, il costo di aggiunta del raccoglitore durante la produzione è così basso che essenzialmente si realizza tutta la diminuzione del costo derivante dall'aggiunta del raccoglitore. Qui, il metodo implementato per risolvere il problema dell'interfaccia ripaga con costi inferiori.

 

I ricercatori hanno condotto studi simili su altre promettenti batterie allo stato solido riportate in letteratura e i loro risultati sono stati coerenti: la scelta dei materiali e dei processi delle batterie può influenzare non solo i risultati a breve termine in laboratorio, ma anche la fattibilità e il costo di produzione del batteria allo stato solido proposta alla scala necessaria per soddisfare la domanda futura. I risultati hanno anche mostrato che considerare tutti e tre i fattori insieme (disponibilità, esigenze di elaborazione e prestazioni della batteria) è importante perché potrebbero esserci effetti collettivi e compromessi.

 

Olivetti è orgogliosa della gamma di preoccupazioni che l'approccio della squadra può sondare. Ma sottolinea che non intende sostituire le metriche tradizionali utilizzate per guidare i materiali e le scelte di lavorazione in laboratorio. "Invece, ha lo scopo di integrare queste metriche guardando anche in modo ampio al tipo di cose che potrebbero ostacolare il ridimensionamento" "Una considerazione importante dato quello che Huang chiama "l'orologio che ticchetta urgente" di energia pulita e cambiamento climatico.

 

Questa ricerca è stata supportata dalProgramma di fondi di avviamentodel MIT Energy Initiative (MITEI)Centro energetico a basse emissioni di carbonio per l'accumulo di energia; da Shell, membro fondatore di MITEI; e dall'Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, Vehicle Technologies Office del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, nell'ambito dell'Advanced Battery Materials Research Program. Il lavoro di text mining è stato sostenuto dalla National Science Foundation, dall'Office of Naval Research e dal MITEI.

 

Questo articolo appare nelPrimavera 2021numero di Energy Futures, la rivista del MIT Energy Initiative.