211service.com
Hvorfor litium-ion kan styre batterier i lang tid fremover
2010 The Regents of University of California, gjennom Lawrence Berkeley National Laboratory.
Det amerikanske energidepartementet er lansering en stor forskningsinnsats for å utvikle en ny generasjon litium-ion-batterier stort sett fri for kobolt, et sjeldent og kostbart metall levert gjennom et stadig mer urovekkende forsyningskjede .
Det treårige programmet, en del av en bredere innsats å akselerere avanserte kjøretøyteknologier, kan til slutt føre til billigere, lengre varige forbrukerinnretninger, elbiler og nettlagring.
Materialforsker Gerd Ceder fører tilsyn med ett prosjekt under forskningsprogrammet ved Lawrence Berkeley National Lab, som tar sikte på å utvikle uordnede bergsalter som et alternativt materiale for katoder, den positive elektroden i en oppladbar celle. Vanligvis krever katodene i litium-ion-batterier kobolt for å skape og beholde en lagdelt struktur i elektroden, som gjør at litiumioner lett kan strømme gjennom den. Men for flere år siden fant Ceder og hans kolleger ut at denne nye klassen av materialer kunne lagre mer litium, og potensielt øke energitettheten samtidig som man unngår behovet for kobolt helt (se Uordnede materialer lover bedre batterier).
Lawrence Berkeley-prosjektet samt to ved Argonne National Laboratory mottok sammen 12,5 millioner dollar fra DOEs kjøretøyteknologikontor.
I et intervju med MIT Technology Review , diskuterte Ceder utfordringene for å sikre at de nye materialene fungerer som et drop-in-alternativ for batteriproduksjon, årsakene til at litium-ion-teknologi vil fortsette å dominere lagring i lang tid framover – og hvorfor det tar så lang tid før batteriutvikling for å nå markedsplassen.
Dette intervjuet er redigert for plass og klarhet.
Hva er de neste trinnene i utviklingen av denne nye klassen av forbindelser ?
Det har gått omtrent fire år siden den første oppdagelsen av konseptet, og det er mer enn et dusin forbindelser i denne kategorien som allerede har vist lovende egenskaper. Så det er oppdagelsesfasen, der alle går og prøver alle slags forskjellige kjemier, som Lewis og Clark utforsker.
Det neste trinnet er at vi skal ta noen av disse materialene som ser lovende ut og se om vi kan løse alle de små problemene som må løses før vi faktisk kan lage et kommersielt produkt.
Lade-utladningshastigheten må være god. Sykluslevetiden, som bestemmer levetiden til batteriet, må forbedres.
Og så lærer folk å gjøre alle slags prosesstriks og overflatebehandlinger, og det er slik batterier blir bedre og bedre.
Men jeg vil si at noen av disse materialene kommer til å gå til neste trinn. Det er sannsynligvis en av våre beste innsatser i disse dager for katodematerialer med høyere energitetthet.
Hvorfor tar det så lang tid å se noen laboratoriefremskritt innen lagring faktisk kommer ut på markedet?
For noe å gjøre det til et kommersielt produkt er en lang strev, selv om du gjør oppdagelsen raskere. Det er bare en veldig lang vei til materialoptimalisering, testing, kundeaksept, alle disse tingene. Til det punktet at selv om jeg hadde noe som fungerte perfekt på laboratoriet i dag, ville du sannsynligvis ha en seks-til-10 år lang slitasje.
Noen må skalere det opp. De må teste det. Deretter må de gi det videre til en batteriprodusent, celleprodusent, som vil bruke to år på å teste det og så, hvis de endelig liker det, kan de lage et lite produkt ut av det – noe som går til et nisjemarked, fordi de ønsker ikke å ta markedsrisiko med nye produkter.
For noen år siden du sa at solid-state batterier nesten er et perfekt batteri. Hva tenker du i dag?
Jeg er fortsatt optimistisk på at de er en ekte gamechanger. Og jeg tror at det ultimate produktet kan være så bra, og det rettferdiggjør, synes jeg, innsatsen og presset mot det. Det kan begynne å se ut som det ideelle batteriet.
Når det er sagt, selvfølgelig, i årene siden da har vi og andre mennesker oppdaget alle problemene med det som må løses. Så jeg tror fortsatt det er noe av det mest lovende for energilagring akkurat nå. Men det er ganske mange problemer som må løses.
Disse faststoffelektrolyttene er ofte ikke stabile. Og ingen har faktisk engang kommet opp med en flott måte å produsere solid-state-batterier på.
Du kan lage dem i laboratoriet, og selskaper kan til og med lage en prototype, men det beviser bare at du kan gjøre det. Det beviser ikke at du kan gjøre det økonomisk.
Mange av disse er ingeniørutfordringer, og jeg har en slik filosofi at ingeniørutfordringer løses med penger. Vitenskapelige problemer er i en mye annen kategori. Det er vanskelig å sette en tidslinje på oppfinnelsen.
Men jeg er sikker på at det vil skje.
Et annet område hvor vi har sett noen bemerkelsesverdige investeringer i år er nettlagring. Hvilke forskningsveier synes du er lovende der?
Rutenettlagring er ganske wild card, etter min mening. På kort sikt ser jeg bare at alt er litium-ion. Grunnen er at den er pålitelig, og du kan kjøpe den fra pålitelige leverandører i dag.
Du kan ha en filosofisk diskusjon om hvorvidt det er den beste formen for energilagring for nettet eller ikke. Men hvis du er PG&E, hvem skal du kjøpe fra? Startup XYZ, som kanskje ikke er der om tre år, eller skal du kjøpe fra LG Chem, CATL eller Samsung?
Så jeg utelukker ikke at andre teknologier kan trenge inn i nettet, men de bør ikke undervurdere konkurransen fra den etablerte. Den sittende er alltid et kraftsenter.
Motargumentet du hører er at det er grenser for hvor billig litium-ion kan bli – og det er ikke den ideelle teknologien som passer for dagene, ukene eller månedene med lagring du måtte trenge for nettet (se 2,5 billioner dollar grunnen til at vi ikke kan stole på batterier for å rydde opp i nettet).
Litium-ion er ganske billig allerede. Alle disse andre teknologiene – selv om de på papiret kan ha en lavkostnadsstruktur, må de fortsatt komme dit. Startups trenger markeder med høy verdi, og nettet er ikke et spesielt høyverdimarked.
La oss ta et ekstremt eksempel - la oss se på sesongbasert lagring. Hvor mye er du villig til å betale for en kilowattime som du flytter fra juni til desember? Tingen må være utrolig billig.
Det er ikke klart for meg at løsningene for disse problemene vil bli funnet i klassisk elektrokjemilagring. Ikke alle problemer bør løses med batterier.