ठोस-स्टेट ब्याट्रीहरू पावर लिथियम ब्याट्रीहरूको लागि उत्तम विकल्प बन्छन्, तर त्यहाँ अझै पनि तीन कठिनाइहरू छन्

कार्बन उत्सर्जन घटाउनको लागि तत्काल आवश्यकताले यातायातको विद्युतीकरण र ग्रिडमा सौर्य र वायु उर्जाको विस्तार विस्तार गर्न द्रुत गतिमा अघि बढिरहेको छ। यदि यी प्रवृतिहरू अपेक्षित रूपमा बढ्दै जान्छ भने, विद्युत ऊर्जा भण्डारण गर्ने राम्रो तरिकाहरूको आवश्यकता तीव्र हुनेछ।

हामीलाई जलवायु परिवर्तनको खतरालाई सम्बोधन गर्न सक्ने सबै रणनीतिहरू चाहिन्छ, एस्थर र ह्यारोल्ड ई. एडगर्टनका सामग्री विज्ञान र इन्जिनियरिङका सहयोगी प्राध्यापक डा एल्सा ओलिभेट्टी भन्छिन्। स्पष्ट रूपमा, ग्रिड-आधारित मास भण्डारण प्रविधिहरूको विकास महत्त्वपूर्ण छ। तर मोबाइल अनुप्रयोगहरूको लागि - विशेष गरी यातायात - धेरै अनुसन्धान आजको अनुकूलनमा केन्द्रित छलिथियम-आयन ब्याट्रीहरूसुरक्षित, सानो र आफ्नो आकार र वजन को लागी अधिक ऊर्जा भण्डारण गर्न सक्षम हुन।

परम्परागत लिथियम-आयन ब्याट्रीहरू सुधार गर्न जारी छ, तर तिनीहरूको सीमितताहरू बाँकी छन्, आंशिक रूपमा तिनीहरूको संरचनाको कारणले।लिथियम-आयन ब्याट्रीहरू दुई इलेक्ट्रोडहरू हुन्छन्, एउटा सकारात्मक र अर्को नकारात्मक, जैविक (कार्बन युक्त) तरलमा स्यान्डविच। जब ब्याट्री चार्ज हुन्छ र डिस्चार्ज हुन्छ, चार्ज लिथियम कणहरू (वा आयनहरू) तरल इलेक्ट्रोलाइट मार्फत एक इलेक्ट्रोडबाट अर्को इलेक्ट्रोडमा पास गरिन्छ।

यस डिजाइनको साथ एउटा समस्या यो हो कि निश्चित भोल्टेज र तापमानमा, तरल इलेक्ट्रोलाइट अस्थिर हुन सक्छ र आगो समात्न सक्छ। ओलिभेट्टीको समूहका अनुसन्धान वैज्ञानिक डा केभिन हुआङ पीएचडी'१५ भन्छन्, ब्याट्रीहरू सामान्य प्रयोगमा सामान्यतया सुरक्षित हुन्छन्, तर जोखिम भने रहन्छ।

अर्को समस्या लिथियम-आयन ब्याट्री कारहरूमा प्रयोगको लागि उपयुक्त छैन। ठूला, भारी ब्याट्री प्याकले ठाउँ ओगट्छ, गाडीको समग्र तौल बढाउँछ र इन्धन दक्षता घटाउँछ। तर आजको लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूलाई तिनीहरूको ऊर्जा घनत्व - प्रति ग्राम वजनमा भण्डारण गरिएको ऊर्जाको मात्रा कायम राख्दै सानो र हल्का बनाउन गाह्रो भइरहेको छ।

यी समस्याहरू समाधान गर्न, अन्वेषकहरूले लिथियम-आयन ब्याट्रीहरूको मुख्य विशेषताहरूलाई सबै-ठोस, वा ठोस-राज्य, संस्करण सिर्जना गर्न परिवर्तन गर्दैछन्। तिनीहरूले मध्यमा तरल इलेक्ट्रोलाइटलाई पातलो ठोस इलेक्ट्रोलाइटसँग प्रतिस्थापन गर्दैछन् जुन भोल्टेज र तापमानको विस्तृत दायरामा स्थिर छ। यो ठोस इलेक्ट्रोलाइटको साथ, तिनीहरूले एक उच्च-क्षमता सकारात्मक इलेक्ट्रोड र एक उच्च-क्षमता लिथियम धातु नकारात्मक इलेक्ट्रोड प्रयोग गरे जुन सामान्य छिद्रपूर्ण कार्बन तह भन्दा धेरै कम मोटो थियो। यी परिवर्तनहरूले यसको ऊर्जा भण्डारण क्षमता कायम राख्दा धेरै सानो समग्र सेलको लागि अनुमति दिन्छ, परिणामस्वरूप उच्च ऊर्जा घनत्व।

यी सुविधाहरू - परिष्कृत सुरक्षा र अधिक ऊर्जा घनत्व- सम्भावित ठोस-राज्य ब्याट्रीहरूको दुईवटा सबैभन्दा सामान्य रूपमा टाउट गरिएका फाइदाहरू हुन्, यद्यपि यी सबै चीजहरू अगाडि-हेर्दै र आशा गरिएका छन्, र आवश्यक रूपमा प्राप्त गर्न सकिँदैन। जे होस्, यो सम्भावनाले धेरै अनुसन्धानकर्ताहरूले यस प्रतिज्ञालाई पूरा गर्ने सामग्री र डिजाइनहरू फेला पार्न खोजिरहेका छन्।

प्रयोगशाला भन्दा बाहिरको सोच

अन्वेषकहरूले धेरै चाखलाग्दो परिदृश्यहरू लिएर आएका छन् जुन प्रयोगशालामा आशाजनक देखिन्छन्। तर Olivetti र Huang विश्वास गर्छन् कि जलवायु परिवर्तनको चुनौतीको अत्यावश्यकतालाई ध्यानमा राख्दै, थप व्यावहारिक विचारहरू महत्त्वपूर्ण हुन सक्छ। हामी अन्वेषकहरूसँग सम्भव सामग्री र प्रक्रियाहरूको मूल्याङ्कन गर्न प्रयोगशालामा सधैं मेट्रिक्स हुन्छ, ओलिभेट्टी भन्छन्। उदाहरणहरूमा ऊर्जा भण्डारण क्षमता र चार्ज/डिस्चार्ज दरहरू समावेश हुन सक्छन्। तर यदि लक्ष्य कार्यान्वयन हो भने, हामी मेट्रिकहरू थप्न सुझाव दिन्छौं जसले विशेष रूपमा द्रुत स्केलिंगको सम्भावनालाई सम्बोधन गर्दछ।

सामग्री र उपलब्धता

ठोस अकार्बनिक इलेक्ट्रोलाइटको संसारमा, त्यहाँ दुई मुख्य प्रकारका सामग्रीहरू छन् - अक्सिजन युक्त अक्साइड र सल्फर युक्त सल्फाइड। ट्यान्टलम टिन र निओबियमको खननको उप-उत्पादनको रूपमा उत्पादन गरिन्छ। ऐतिहासिक तथ्याङ्कले टिन र निओबियमको उत्खनन गर्दा जर्मेनियमको तुलनामा ट्यान्टलमको उत्पादन सम्भावित अधिकतमको नजिक रहेको देखाउँछ। ट्यान्टलमको उपलब्धता LLZO-आधारित कक्षहरूको सम्भावित स्केलिंगको लागि ठूलो चिन्ताको विषय हो।
यद्यपि, जमिनमा कुनै तत्वको उपलब्धता थाहा पाउनुले यसलाई निर्माताहरूको हातमा पुग्न आवश्यक कदमहरू समाधान गर्दैन। यसैले अनुसन्धानकर्ताहरूले मुख्य तत्वहरूको आपूर्ति श्रृंखलाको बारेमा फलो-अन प्रश्नको खोजी गरे - खानी, प्रशोधन, परिष्करण, ढुवानी, इत्यादि। प्रचुर मात्रामा आपूर्ति छ भनी मान्दै, यी सामग्रीहरू पुर्‍याउने आपूर्ति श्रृंखलालाई बढ्दो मात्रामा पूरा गर्न पर्याप्त रूपमा विस्तार गर्न सकिन्छ? ब्याट्री को माग?

नमूना विश्लेषणमा, उनीहरूले जर्मेनियम र ट्यान्टलमको आपूर्ति श्रृंखलालाई अनुमानित 2030 इलेक्ट्रिक गाडीहरूको फ्लीटको लागि ब्याट्रीहरू प्रदान गर्न वर्षमा कति बढ्नुपर्छ भनेर हेरे। उदाहरणको रूपमा, विद्युतीय सवारी साधनहरूको फ्लीट, प्रायः 2030 को लक्ष्यको रूपमा उद्धृत गरिएको, कुल 100 गिगावाट घण्टा ऊर्जा प्रदान गर्न पर्याप्त ब्याट्रीहरू उत्पादन गर्न आवश्यक छ। यो लक्ष्य हासिल गर्न, केवल LGPS ब्याट्रीहरू प्रयोग गरेर, जर्मेनियम सप्लाई चेनले वर्षमा 50% वृद्धि गर्न आवश्यक छ - एक विस्तार, किनकि विगतमा अधिकतम वृद्धि दर लगभग 7% थियो। केवल LLZO कोशिकाहरू प्रयोग गरेर, ट्यान्टलमको लागि आपूर्ति श्रृंखला लगभग 30% ले बढ्न आवश्यक छ - एक वृद्धि दर लगभग 10% को ऐतिहासिक अधिकतम माथि।

यी उदाहरणहरूले विभिन्न ठोस इलेक्ट्रोलाइटहरूको स्केलिंग-अप सम्भाव्यताको मूल्याङ्कन गर्दा सामग्रीको उपलब्धता र आपूर्ति श्रृंखलालाई विचार गर्ने महत्त्वलाई देखाउँदछ, हुआङ भन्छन्: जर्मेनियमको मामलामा जस्तै, सामग्रीको मात्रा एक मुद्दा होइन भने पनि, सबै मापन। भविष्यका विद्युतीय सवारी साधनहरूको उत्पादनसँग मेल खाने आपूर्ति शृङ्खलाका चरणहरू एक वृद्धि दर आवश्यक हुन सक्छ जुन लगभग अभूतपूर्व हो।

सामाग्री र प्रशोधन

ब्याट्री डिजाइनको स्केलेबिलिटी सम्भाव्यताको मूल्याङ्कन गर्दा विचार गर्नुपर्ने अर्को कारक भनेको निर्माण प्रक्रियाको कठिनाई र यसले लागतमा पार्ने प्रभाव हो। ठोस-स्टेट ब्याट्रीको निर्माणमा अपरिहार्य रूपमा धेरै चरणहरू समावेश छन्, र कुनै पनि चरणको विफलताले प्रत्येक सफलतापूर्वक उत्पादित सेलको लागत बढाउँछ।
निर्माण कठिनाइको लागि प्रोक्सीको रूपमा, Olivetti, Ceder र Huang ले तिनीहरूको डेटाबेसमा चयन गरिएको ठोस-स्टेट ब्याट्री डिजाइनहरूको कुल लागतमा असफलता दरको प्रभावको अन्वेषण गरे। एउटा उदाहरणमा, तिनीहरूले ओक्साइड LLZO मा ध्यान केन्द्रित गरे। LLZO धेरै भंगुर छ र ठूला पानाहरू उच्च प्रदर्शन ठोस राज्य ब्याट्रीहरूमा प्रयोग गर्न पर्याप्त पातलो छ उत्पादन प्रक्रियामा संलग्न उच्च तापक्रममा क्र्याक वा वार्प हुने सम्भावना हुन्छ।
त्यस्ता विफलताहरूको लागत प्रभावहरू निर्धारण गर्न, तिनीहरूले LLZO कक्षहरू जम्मा गर्न संलग्न चार प्रमुख प्रशोधन चरणहरू अनुकरण गरे। प्रत्येक चरणमा, तिनीहरूले अनुमानित उपजको आधारमा लागत गणना गरे, अर्थात् असफलता बिना सफलतापूर्वक प्रशोधन गरिएका कुल कक्षहरूको अनुपात। LLZO को लागि, उपज तिनीहरूले अध्ययन गरेका अन्य डिजाइनहरूको तुलनामा धेरै कम थियो; यसबाहेक, उपज घट्दै जाँदा, सेल ऊर्जाको प्रति किलोवाट-घण्टा (kWh) लागत उल्लेखनीय रूपमा बढ्यो। उदाहरणका लागि, जब अन्तिम क्याथोड तताउने चरणमा 5% थप सेलहरू थपियो, लागत लगभग $30/kWh ले बढ्यो - यस्तो कक्षहरूको लागि सामान्यतया स्वीकृत लक्ष्य लागत $100/kWh हो भन्ने विचारमा नगण्य परिवर्तन। स्पष्ट रूपमा, निर्माण कठिनाइहरूले डिजाइनको ठूलो मात्रामा अपनाउने सम्भाव्यतामा गहिरो प्रभाव पार्न सक्छ।


पोस्ट समय: सेप्टेम्बर-09-2022