Nuacht Tionscail

Dearadh cadhnraí níos fearr le haghaidh feithiclí leictreacha

2021-10-22

Agus taighdeoirí ag smaoineamh ar ábhair do chadhnraí soladstaide, b'fhéidir gur mhaith leo a mheas freisin conas a d'fhéadfadh na hábhair sin dul i bhfeidhm ar mhonarú mórscála.

 

Nancy W. Stauffer | Tionscnamh Fuinnimh MIT


 

 

Tá géarghá le hastuithe carbóin a laghdú ag spreagadh gluaiseachta tapa i dtreo soghluaisteachta leictrithe agus imscaradh leathnaithe gréine agus gaoithe ar an eangach leictreach. Má thagann méadú ar na treochtaí sin mar a bhíothas ag súil leis, méadóidh an gá atá le modhanna níos fearr chun fuinneamh leictreach a stóráil.

 

“Tá gá againn leis na straitéisí go léir is féidir linn a fháil chun aghaidh a thabhairt ar bhagairt an athraithe aeráide,” a deir Elsa Olivetti PhD â07, Ollamh Comhlach Esther agus Harold E. Edgerton in Eolaíocht Ábhar agus Innealtóireacht. â Ar ndóigh, tá sé ríthábhachtach teicneolaíochtaí a fhorbairt le haghaidh stórála greille-bhunaithe ar scála mór. Ach le haghaidh feidhmchláir shoghluaiste â go háirithe, iompar â go leor taighde ag díriú ar an lae inniu a oiriúnú ceallraí litiam-ian a dhéanamh ar leaganacha atá níos sábháilte, níos lú, agus is féidir a stóráil níos mó fuinnimh le haghaidh a méid agus meáchan.â ½

 

Leanann cadhnraí litiam-ian traidisiúnta ag feabhsú, ach tá teorainneacha acu a leanann, go páirteach mar gheall ar a struchtúr. Is éard atá i gceallraí litiam-ian ná dhá leictreoid - ceann dearfach agus diúltach amháin â atá nasctha thart ar leacht orgánach (ina bhfuil carbóin). De réir mar a dhéantar an ceallraí a mhuirearú agus a urscaoileadh, téann cáithníní (nó iain) litiam atá luchtaithe go leictreach ó leictreoid amháin go dtí an ceann eile tríd an leictrilít leachtach.

 

Fadhb amháin leis an dearadh sin ná gur féidir leis an leictrilít leacht éirí so-ghalaithe agus dul trí thine ag voltais agus teochtaí áirithe. “Tá cadhnraí sábháilte go ginearálta faoin ngnáthúsáid, ach tá an riosca fós ann,” a deir Kevin Huang PhD â15, eolaí taighde i ngrúpa Olivetti.

 

Fadhb eile ná nach bhfuil cadhnraí litiam-ian oiriúnach go maith le húsáid i bhfeithiclí. Tógann pacáistí ceallraí móra, troma spás agus méadaítear meáchan iomlán na feithicle, rud a laghdaíonn éifeachtúlacht breosla. Ach tá sé deacair cadhnraí litiam-ian an lae inniu a dhéanamh níos lú agus níos éadroime agus a ndlús fuinnimh á gcoimeád acu - is é sin, an méid fuinnimh a stórálann siad in aghaidh gach graim meáchain.

 

Chun na fadhbanna sin a réiteach, tá taighdeoirí ag athrú príomhghnéithe na ceallraí litiam-ian chun leagan uile-soladach, nó “staid sholadach”, a dhéanamh. Cuireann siad leictrilít tanaí soladach in ionad an leictrilít leachtach sa lár atá cobhsaí ag raon leathan voltas agus teochtaí. Leis an leictrilít soladach sin, úsáideann siad leictreoid dhearfach ard-acmhainn agus leictreoid dhiúltach miotail litiam ard-acmhainn atá i bhfad níos tanaí ná an gnáthchiseal de charbón póiriúil. De bharr na n-athruithe sin is féidir an ceallraí iomlán a chrapadh go mór agus a cumas stórála fuinnimh a choinneáil, rud a bhainfidh dlús fuinnimh níos airde amach.

 

“Is dócha gurb iad na gnéithe sin “sábháilteacht fheabhsaithe agus dlús fuinnimh níos mó” an dá bhuntáiste is minice a bhaineann le ceallraí soladach-staid fhéideartha,” a deir Huang. Soiléiríonn sé go gasta ansin go bhfuil “na rudaí seo go léir ionchasach, a bhfuiltear ag súil leo, agus nach gá a bhaint amach.” Mar sin féin, tá go leor taighdeoirí ag streachailt le hábhair agus dearaí a aimsiú a fhéadfaidh an gealltanas sin a chomhlíonadh.

 

Ag smaoineamh thar an saotharlann

Tá go leor roghanna suimiúla curtha le chéile ag taighdeoirí a bhfuil cuma “dhóchasach” orthu sa tsaotharlann. Ach creideann Olivetti agus Huang go bhféadfadh gnéithe praiticiúla breise a bheith tábhachtach, i bhfianaise na práinne a bhaineann le dúshlán an athraithe aeráide. “Tá méadracht i gcónaí a úsáideann taighdeoirí sa tsaotharlann chun ábhair agus próisis fhéideartha a mheas,” a deir Olivetti. D’fhéadfadh go n-áireofaí mar shamplaí toilleadh stórála fuinnimh agus ráta muirir/scaoilte. Nuair a bhíonn buntaighde á dhéanamh aici – a mheasann sí a bheith riachtanach agus tábhachtach – tá na méadrachtaí sin oiriúnach. “Ach más cur i bhfeidhm an aidhm, molaimid cúpla méadracht a chur leis a thugann aghaidh go sonrach ar an bpoitéinseal le haghaidh scálaithe tapa,” a deir sí.

 

Bunaithe ar thaithí an tionscail le cadhnraí litiam-ian faoi láthair, molann taighdeoirí MIT agus a gcomhghleacaí Gerbrand Ceder, an tOllamh Sainiúil Innealtóireachta Daniel M. Tellep in Ollscoil California ag Berkeley, trí cheist leathana a d'fhéadfadh cabhrú le srianta féideartha a aithint. ar scála suas sa todhchaí mar thoradh ar roghnú ábhar. Ar an gcéad dul síos, leis an dearadh ceallraí seo, an bhféadfadh infhaighteacht ábhar, slabhraí soláthair, nó luaineacht praghsanna a bheith ina fhadhb de réir mar a mhéadaíonn an táirgeadh? (Tabhair faoi deara go bhfuil na hábhair imní comhshaoil ​​agus imní eile a d'eascair as mianadóireacht leathnaithe lasmuigh de raon feidhme an staidéir seo.) Ar an dara dul síos, an mbeidh céimeanna deacra déantúsaíochta i gceist le cadhnraí a mhonarú as na hábhair seo ar dócha go dteipfidh ar chodanna iad? Agus sa tríú háit, an ndéanann na bearta déantúsaíochta is gá chun táirge ardfheidhmíochta bunaithe ar na hábhair seo a chinntiú ar deireadh thiar níos ísle nó costas na gcadhnraí a tháirgtear a ardú?

 

Chun a gcur chuige a léiriú, scrúdaigh Olivetti, Ceder, agus Huang cuid de na ceimiceáin leictrilít agus na struchtúir ceallraí atá á n-imscrúdú anois ag taighdeoirí. Chun a gcuid samplaí a roghnú, chuaigh siad i ngleic le hobair roimhe seo inar úsáid siad féin agus a gcomhoibrithe teicníochtaí mianadóireachta téacs agus sonraí chun faisnéis a bhailiú ar ábhair agus sonraí próiseála a tuairiscíodh sa litríocht. Ón mbunachar sonraí sin, roghnaigh siad cúpla rogha a tuairiscíodh go minic a léiríonn raon féidearthachtaí.

 

Ábhair agus infhaighteacht

I saol na leictrilítí soladacha neamhorgánacha, tá dhá phríomhaicme ábhar - na ocsaídí, ina bhfuil ocsaigin, agus na suilfídeanna, a bhfuil sulfair iontu. Dhírigh Olivetti, Ceder, agus Huang ar rogha leictrilít amháin a bhfuil gealladh fúthu i ngach rang agus scrúdaigh siad príomhghnéithe imní gach ceann acu.

 

Ba é an suilfíd a mheas siad ná LGPS, a chomhcheanglaíonn litiam, gearmáiniam, fosfar agus sulfar. Bunaithe ar chúinsí infhaighteachta, dhírigh siad ar an ngearmáiniam, gné a ardaíonn imní go páirteach toisc nach ndéantar é a bhaint as ina aonar de ghnáth. Ina áit sin, is seachtháirge é a tháirgtear le linn mianadóireacht guail agus sinc.

 

Chun imscrúdú a dhéanamh ar a infhaighteacht, d'fhéach na taighdeoirí ar an méid gearmáiniam a táirgeadh go bliantúil le fiche bliain anuas le linn mianadóireachta guail agus since agus ansin ar an méid a d'fhéadfaí a tháirgeadh. Thug an toradh le tuiscint go bhféadfaí 100 uair níos mó gearmáiniam a tháirgeadh, fiú le blianta beaga anuas. Ós rud é go bhfuil an poitéinseal soláthair ann, ní dócha go gcuirfeadh infhaighteacht ghearmáiniam srian ar mhéadú cadhnra soladstaide bunaithe ar leictrilít LGPS.

 

Ní raibh an scéal chomh dóchasach céanna leis an ocsaíd roghnaithe ag na taighdeoirí, LLZO, atá comhdhéanta de litiam, lanthanum, siorcóiniam, agus ocsaigin. Tá eastóscadh agus próiseáil lanthanum comhchruinnithe den chuid is mó sa tSín, agus tá sonraí teoranta ar fáil, mar sin ní dhearna na taighdeoirí iarracht anailís a dhéanamh ar a infhaighteacht. Tá na trí ghné eile ar fáil go flúirseach. Mar sin féin, go praiticiúil, ní mór méid beag d'eilimint eile a dtugtar dopant ar a dtugtar dopant a chur leis ionas go mbeidh LLZO éasca le próiseáil. Mar sin dhírigh an fhoireann ar tantalam, an dopant is minice a úsáidtear, mar phríomhghné imní LLZO.

 

Déantar tantalam a tháirgeadh mar fhotháirge de mhianadóireacht stáin agus niobium. Léiríonn sonraí stairiúla go raibh an méid tantalam a tháirgtear le linn mianadóireachta stáin agus niobium i bhfad níos gaire don uasmhéid féideartha ná mar a bhí i gcás gearmáiniam. Mar sin is ábhar imní níos mó é infhaighteacht tantalam maidir le méadú féideartha ar cheallraí LLZO-bhunaithe.

 

Ach ní thugtar aghaidh ar na céimeanna is gá chun é a fháil do mhonaróir a fhios agam go bhfuil eilimint ar fáil sa talamh. Mar sin rinne na taighdeoirí imscrúdú ar cheist leantach maidir leis na slabhraí soláthair d'eilimintí ríthábhachtacha - mianadóireacht, próiseáil, scagadh, loingseoireacht, agus mar sin de. Ag glacadh leis go bhfuil soláthairtí flúirseach ar fáil, an féidir na slabhraí soláthair a sheachadann na hábhair sin a leathnú go tapa go leor chun freastal ar an éileamh atá ag fás ar chadhnraí?

 

In anailísí samplacha, d’fhéach siad ar an méid a bheadh ​​de dhíth ar shlabhraí soláthair gearmáiniam agus tantalam a fhás ó bhliain go bliain chun cadhnraí a sholáthar do chabhlach réamh-mheasta feithiclí leictreacha in 2030. Mar shampla, is minic a luadh cabhlach feithiclí leictreacha mar sprioc don bhliain 2030. bheadh ​​gá le go leor cadhnraí a tháirgeadh chun 100 uair gigawatt san iomlán fuinnimh a sheachadadh. Chun an sprioc sin a bhaint amach ag baint úsáide as cadhnraí LGPS amháin, bheadh ​​ar an slabhra soláthair gearmáiniam fás 50 faoin gcéad ó bhliain go bliain - stráice, ós rud é go raibh an ráta fáis uasta san am atá caite thart ar 7 faoin gcéad. Ag baint úsáide as cadhnraí LLZO amháin, bheadh ​​ar an slabhra soláthair tantalam fás thart ar 30 faoin gcéad - ráta fáis i bhfad os cionn an ard stairiúil de thart ar 10 faoin gcéad.

 

Léiríonn na samplaí sin an tábhacht a bhaineann le hinfhaighteacht ábhar agus slabhraí soláthair araon a mheas agus leictreailítí soladacha éagsúla á meas maidir lena n-acmhainneacht scálaithe. “Fiú nuair nach ábhar imní é cainníocht an ábhair atá ar fáil, mar atá amhlaidh i gcás gearmáiniam, d’fhéadfadh go mbeadh gá le ráta fáis atá go litriúil chun na céimeanna go léir sa slabhra soláthair a scálú chun táirgeadh feithiclí leictreacha sa todhchaí a mheaitseáil. gan fasach,â a deir Huang.

 

Ábhair agus próiseáil

Agus measúnú á dhéanamh ar an bhféidearthacht maidir le dearadh ceallraí a mhéadú, fachtóir eile le cur san áireamh is ea an deacracht a bhaineann leis an bpróiseas monaraíochta agus conas a d’fhéadfadh tionchar a bheith aige ar chostas. Tá go leor céimeanna i gceist le ceallraí soladach-stáit a dhéanamh, agus ardaíonn teip ar aon chéim costas gach ceallraí a tháirgtear go rathúil. Mar a mhíníonn Huang, “Níl tú ag seoladh na gcadhnraí teipthe sin; tá tú ag caitheamh anuas orthu. Ach tá airgead caite agat fós ar na hábhair agus ar an am agus ar an bpróiseáil

 

Mar sheachvótálaí le haghaidh deacracht déantúsaíochta, rinne Olivetti, Ceder, agus Huang iniúchadh ar thionchar an ráta teip ar chostas iomlán dearaí roghnaithe ceallraí soladach-stáit ina mbunachar sonraí. I sampla amháin, dhírigh siad ar an ocsaíd LLZO. Tá LLZO thar a bheith brittle, agus ag na teochtaí arda a bhaineann le déantúsaíocht, is dócha go scoiltfidh nó go dlúithfidh bileog mhór atá tanaí go leor le húsáid i gceallraí soladstaide ardfheidhmíochta.

 

Chun tionchar teipeanna den sórt sin ar chostas a chinneadh, mhúnlaigh siad ceithre phríomhchéim phróiseála chun cadhnraí LLZO-bhunaithe a chur le chéile. Ag gach céim, ríomh siad costas bunaithe ar thoradh toimhdithe - is é sin, an codán de na haonaid iomlána a próiseáladh go rathúil gan teip. Leis an LLZO, bhí an toradh i bhfad níos ísle ná mar a bhí leis na dearaí eile a scrúdaigh siad; agus, de réir mar a chuaigh an toradh síos, chuaigh costas gach cileavata-uair (kWh) d'fhuinneamh ceallraí suas go suntasach. Mar shampla, nuair a theip ar 5 faoin gcéad níos mó aonad le linn na céime téimh catóide deiridh, tháinig méadú de thart ar $30/kWh ar an gcostas - athrú neamhthánach ag cur san áireamh gurb é $100/kWh an spriocchostas a nglactar leis go coitianta do chadhnraí den sórt sin. Is léir go bhféadfadh tionchar mór a bheith ag deacrachtaí déantúsaíochta ar inmharthanacht dearaidh lena ghlacadh ar scála mór.

 

Ábhair agus feidhmíocht

Ceann de na príomhdhúshláin a bhaineann le ceallraí uile-soladach a dhearadh ná “comhéadain” – is é sin, nuair a bhuaileann comhpháirt amháin le comhpháirt eile. Le linn déantúsaíochta nó oibríochta, is féidir le hábhair ag na comhéadain sin éirí éagobhsaí. “Tosaíonn adaimh ag dul chuig áiteanna nár cheart dóibh, agus tagann meath ar fheidhmíocht ceallraí,” a deir Huang.

 

Mar thoradh air sin, tá go leor taighde dírithe ar theacht suas le modhanna chun comhéadain a chobhsú i ndearaí ceallraí éagsúla. Méadaíonn go leor de na modhanna atá molta an fheidhmíocht; agus mar thoradh air sin, téann costas na ceallraí i ndollair in aghaidh an kWh síos. Ach is gnách go mbíonn ábhair agus am breise i gceist le réitigh den sórt sin a chur i bhfeidhm, rud a mhéadaíonn an costas in aghaidh an kWh le linn déantúsaíochta ar scála mór.

 

Chun an comhbhabhtáil sin a léiriú, rinne na taighdeoirí scrúdú ar a n-ocsaíd, LLZO ar dtús. Anseo, is é an sprioc an comhéadan idir an electrolyte LLZO agus an leictreoid diúltach a chobhsú trí shraith tanaí stáin a chur isteach idir an dá cheann. Rinne siad anailís ar na tionchair “dhearfacha agus diúltacha” araon ar chostas an réitigh sin a chur i bhfeidhm. Fuair ​​siad amach go méadaítear an cumas stórála fuinnimh agus go bhfeabhsaítear an fheidhmíocht nuair a chuirtear an deighilteoir stáin leis, rud a laghdaíonn an costas aonaid i ndollair/kWh. Ach tá an costas a bhaineann leis an gciseal stáin a áireamh níos mó ná an coigilteas ionas go mbeidh an costas deiridh níos airde ná an costas bunaidh.

 

In anailís eile, d'fhéach siad leictrilít sulfíde ar a dtugtar LPSCl, atá comhdhéanta de litiam, fosfar, agus sulfair le beagán clóirín breise. Sa chás seo, ionchorpraíonn an leictreoid dhearfach cáithníní den ábhar leictrilít â modh chun a chinntiú go bhféadfaidh na hiain litiam cosán a fháil tríd an leictrilít go dtí an leictreoid eile. Mar sin féin, níl na cáithníní leictrilít bhreise comhoiriúnach le cáithníní eile san leictreoid dhearfach â fadhb comhéadan eile. Sa chás seo, is é réiteach caighdeánach “ceanglóir” a chur leis, rud a fhágann go gcloíonn na cáithníní le chéile.

 

Dhearbhaigh a n-anailís go bhfuil feidhmíocht lag gan an ceanglóra, agus go bhfuil costas na ceallraí LPSCl-bhunaithe níos mó ná $500/kWh. Má chuirtear an ceanglóra leis, feabhsaíonn sé an fheidhmíocht go suntasach, agus titeann an costas de bheagnach $300/kWh. Sa chás seo, tá an costas a bhaineann leis an ceanglóra a chur leis le linn déantúsaíochta chomh híseal sin go mbaintear amach go bunúsach an laghdú ar fad ar chostais as an ceanglóra a chur leis. Anseo, íocann an modh a cuireadh i bhfeidhm chun fadhb an chomhéadain a réiteach i gcostais níos ísle.

 

Rinne na taighdeoirí staidéir den chineál céanna ar chadhnraí soladach-staid tuar dóchais inti a tuairiscíodh sa litríocht, agus bhí a gcuid torthaí comhsheasmhach: Is féidir le rogha ábhar agus próiseas ceallraí tionchar ní hamháin ar thorthaí garthéarmacha sa saotharlann ach freisin ar fhéidearthacht agus ar chostas déantúsaíochta an. ceallraí soladstaide atá beartaithe ag an scála is gá chun freastal ar éileamh sa todhchaí. Léirigh na torthaí freisin go bhfuil sé tábhachtach ag smaoineamh ar na trí fhachtóir le chéile - infhaighteacht, riachtanais phróiseála, agus feidhmíocht ceallraí - toisc go bhféadfadh éifeachtaí comhchoiteanna agus comhbhabhtálacha a bheith i gceist.

 

Tá Olivetti bródúil as an raon imní is féidir le cur chuige na foirne a fhiosrú. Ach cuireann sí i bhfios go láidir nach bhfuil sé i gceist an mhéadracht thraidisiúnta a úsáidtear chun ábhair agus roghanna próiseála a threorú sa tsaotharlann a athsholáthar. “Ina ionad sin, tá sé i gceist na méadrachtaí sin a chomhlánú trí bhreathnú go ginearálta a dhéanamh freisin ar na cineálacha rudaí a d’fhéadfadh cur isteach ar an scálaithe” rud atá tábhachtach ag cur san áireamh a dtugann Huang ‘the práinneach tic’ ar a chlog. fuinneamh glan agus athrú aeráide.

 

Thacaigh an taighde seo leis anClár Ciste Sílden Tionscnamh Fuinnimh MIT (MITEI)Ionad Fuinnimh Ísealcharbóin um Stóráil Fuinnimh; le Shell, duine de bhunaitheoirí MITEI; agus ag Oifig um Éifeachtúlacht Fuinnimh agus Fuinneamh In-athnuaite na Roinne Fuinnimh, Oifig Teicneolaíochtaí Feithicle, faoin Ardchlár Taighde ar Ábhair Battery. Thacaigh an Foras Náisiúnta Eolaíochta, an Oifig um Thaighde Cabhlaigh, agus MITEI leis an obair mhianadóireachta téacs.

 

Tá an t-alt seo le feiceáil saEarrach 2021eagrán de Energy Futures, iris an Tionscnaimh Fuinnimh MIT.