MIT探讨如何为电动汽车设计更好的电池新能源汽车

2021-09-01

【智能汽车网】

盖世汽车讯 据外媒报道,随着减少碳排放的需求日益迫切,人们迅速转向电气化交通,并扩大在电网上部署太阳能和风能。如果这些趋势持续升级,对更好的电能储存方法的需求将会增强。

(图片来源:MIT)

麻省理工学院(MIT)材料科学与工程学副教授Elsa Olivetti表示:“大规模开发基于网格的存储技术至关重要。然而,对于移动应用,尤其是交通领域,很多研究都集中于改良目前的锂离子电池,使其更安全、更小,在单位体积和重量内存储更多的能量。”

虽然传统锂离子电池不断改进,但仍存在一些局限性,部分原因在于其结构。锂离子电池中包含正负极和电解液。这种设计的问题之一在于,在一定的电压和温度下,电解液易于挥发,并引发火灾。另一问题在于锂离子电池不太适合用于车辆。大而重的电池组会占据空间,同时增加车辆总重,并降低燃料效率。事实证明,在保持能量密度(即每克重量储存的能量)的同时,很难使现有锂离子电池变得更小、更轻。

为了解决这些问题,研究人员尝试制造全固态电池,用薄的固态电解质取代电解液。这种电解质可以在较大的电压和温度范围内保持稳定。同时,采用高容量正极,以及比通常使用的多孔碳层薄得多的锂金属负极。这使电池可以在缩减尺寸的同时保持储能能力,从而实现更高的能量密度。

研究人员Kevin Huang博士表示:“提升安全性和能量密度,被视为固态电池的两个潜在优势。然而,这只是一种预期,不一定会实现。”尽管如此,研究人员还是在努力寻找能够实现这些愿景的材料和设计。

思考实验室之外的问题

研究人员已在实验室中提出了很多有潜力选项。但是,考虑到紧迫的气候变化挑战,有必要多考虑一些实际因素。Olivetti表示:“在实验室里,我们的研究人员总是用一些指标来评估可能的材料和工艺。”例如储能能力和充放电速率。在进行既必要又重要的基础研究时,这些指标是适当的。“但如果要实现目标,我们建议针对快速扩展潜力,增设一些指标。”

基于目前业界对锂离子电池的经验,麻省理工学院(MIT)的研究人员和加州大学伯克利分校(University of California at Berkeley)的Gerbrand Ceder教授提出了三个大范围问题,帮助确定所选择的材料对于未来扩大规模的潜在制约因素。

首先,对于这种电池设计,随着生产规模的扩大,材料可用性、供应链或价格波动会成为问题吗?(请注意,采矿规模扩大带来的环境和其他问题,不在本研究范围内。)

其次,用这些材料制造电池是否会涉及困难的制造步骤,在这些步骤中部件可能会失效?

第三,基于这些材料生产高性能产品,所采取的制造措施,最终会降低还是提高电池的生产成本?

为了证明他们的方法,Olivetti、Ceder和Huang研究目前正在探讨一些电解质的化学成分和电池结构。他们求助于以前的研究成果,以选择样品。研究人员曾使用文本和数据挖掘技术,来收集文献中报告的材料,以及细节处理信息。从该数据库中,研究人员选择了几个常见选项。

材料和可用性

在固态无机电解质的世界里,主要有两种材料。一种是氧化物,其中含有氧;另一种是硫化物,其中含有硫。研究人员在每一类别内都专注于一种有前景的电解质选项,并检测其中的关键元素。

研究人员考虑的硫化物是LGPS,其中含有锂、锗、磷和硫。同时,考虑到可用性,重点关注锗,这种元素通常不单独开采,而是在煤炭和锌开采期间产生的副产品。

为了调查其可用性,研究人员着眼于过去60年间在煤炭和锌开采期间锗的年产量,以及其实际最大可生产量。结果表明,即使在最近几年,锗的产量也有可能超过现有产量的100倍。考虑到这种供应潜力,扩大生产基于LGPS电解质的固态电池,不太可能因锗的可获得性而受限。

对于研究人员所选择的氧化物LLZO(其中含有锂、镧、锆和氧),情况看起来不那么乐观。关于提取和加工镧的数据有限,因此研究人员并没有充分分析其可用性。其他三种元素储量丰富。然而,在实践过程中,必须添加少量的另一种元素(称为掺杂剂),以使LLZO易于处理。因此,研究小组将重点放在了最常用的掺杂剂钽上,作为LLZO中的主要考虑元素。

钽是开采锡和铌的副产品。历史数据显示,与锗的情况相比,在锡和铌开采过程中的钽产量,更加接近其潜在最高产量。因此,对于扩大LLZO电池规模来说,钽的可获得性更需要考虑。

了解一种元素的地球储量,并不代表解决了开采等问题。研究人员探讨关键元素供应链的后续问题,如开采、加工、提炼和运输等。假设可以大量供应,相应的供应链是否也可以迅速扩大,以满足不断增长的电池需求。

在样品分析中,研究人员关注,锗和钽供应链需要达到多大的年增长率,才能为预期中的2030年电动汽车车队提供电池。例如,有观点认为,对2030年的电动汽车车队来说,需要生产足够的电池,提供总共100千兆瓦时的能量。仅依靠LGPS电池来实现这一目标,锗的供应链需要年增长50%。相比来说,因为过去的最大增长率约为 7%。仅使用LLZO电池,钽的供应链需要增长约30%,远高于约为10%的历史高位。

这些例子说明,在评估不同固态电解质的扩展潜力时,考虑材料可获得性和供应链的重要性。“即使跟锗一样,无法获得材料的可用数量,为了适应未来的电动汽车生产,可能也需要以前所未有的速度扩展供应链中的其他步骤。”

材料和加工

在评估电池设计的扩展潜力时,另一需要考虑的因素是制造过程的难易程度,及其对成本的影响。制造固态电池需要很多步骤,任何一步出现失误都会导电池生产成本提高。如同Huang所说:“你不会运输那个坏掉的电池,你会把它们扔了。但是,你已经付出了材料、时间、加工过程和金钱。”

研究人员在数据库中寻找故障率对选定固态电池设计总成本的影响。在一个例子中,他们专注于氧化物 LLZO。LLZO非常脆,在制造过程中经过高温,用于高性能固态电池的足够薄的大片材,很可能会出现破裂或翘曲。

为了确定这些故障因素对成本的影响,研究人员对组装LLZO基电池的四个关键工艺步骤进行了建模。在每一步中,都根据假设成品率计算成本,也就是加工成功而没有失败的总部件的比例。使用LLZO时的产量,远远低于其他研究设计。随着产量下降,每千瓦时电池能量的成本显著上升。例如,在最后的正极加热步骤中,多出5%的部件故障,成本就增加了约$30/kWh,考虑到此类电池的普遍接受目标成本为$100/kWh,这是个不小的数值。显然,制造难易度可能对大规模采用设计的可行性产生深远影响。

材料和性能

设计全固态电池的挑战之一来自于界面膜。在运行或制造过程中,这些界面材料变得不稳定。“原子去了不该去的地方,电池性能开始下降。”因此,大多数研究致力于提出在不同电池设计中稳定界面的方法。很多方法确实有助于提高性能。然而,采用这些方案通常需要耗费材料和时间,在大规模生产时,使电池成本上升。

为此,研究人员首先研究了氧化物LLZO,旨在通过在LLZO电解质和负极之间插入薄锡层,来稳定两者之间的界面。同时,分析实施该解决方案对成本的正负面影响。研究人员发现,添加锡隔层,可以提高储能能力,并提升性能,从而降低单位成本。但加入锡层的成本超过了节约成本,从而使最终成本高于原成本。

在另一项分析中,研究人员着眼于名为LPSCI的硫化物电解质,其中含锂、磷和硫,以及一点添加的氯。在这个例子中,正极中包含电解质材料颗粒,通过这种方式,可以确保锂离子找到通过电解质进入其他电极的途径。然而,这些添加的电解质颗粒无法与正极里的其他粒子兼容,从而产生另外一种界面问题。在这种情况下,标准的解决方案是添加粘合剂,通过另一种材料,使粒子粘合在一起。

分析表明,没有粘合剂的情况下,LPSCI基电池的性能很差,其成本高于$500/kWh。加入粘合剂后,可以明显提升电池性能,成本几乎下降至$300/kWh。在这个例子中,在电池制造过程中增加粘合剂的成本很低,不影响总体成本下降。

研究人员对文献中提到的其他有前景固态电池进行了类似研究,其结果是一致的:所选择的电池材料和工艺,不仅影响实验室的近期结果,还会影响为满足未来需求规模制造固态电池的可行性和成本。研究结果还表明,综合考虑可用性、加工需求和电池性能这三个因素,具有重要意义,因为可能涉及集体效应和权衡问题。

通过该团队的方法,可以探讨一系列问题。但是,研究人员强调,这并不是要取代实验室中用于指导材料和工艺选择的传统指标。“与之相反,这是通过广泛观察各种可能阻碍扩展进程的因素,来扩充这些指标。”

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