Veijo Hänninen

Akkutekniikkaa materiaalien ja kemian ehdoilla

Tulevaisuuden akkutekniikoita etsitään paitsi raaka-aineiden saatavuusnäkökohtia huomioiden mutta myös kemiallisiin lähtökohtiin tukeutuen.

Huoli siitä, ovatko akkujen keskeiset raaka-aineet riittäviä vastaamaan tulevaa kysyntää, on lisääntymässä. Litiumioniakulla on koboltista ja nikkelistä valmistettu komponentti ja näillä kahdella metallilla on vakavia toimitusrajoituksia globaaleilla markkinoilla kirjoittaa aiheesta Exposure-julkaisulle kirjoittanut Julie Chao.

Yhdysvaltain kansallisen Lawrence Berkeleyn laboratorion (Berkeley Lab) johtaman useita vuosia kestäneen tutkimuksen jälkeen tutkijat ovat edistyneet merkittävästi akkukatodien kehittämisessä käyttämällä uutta materiaaliluokkaa, joka tarjoaa akuille saman, ellei jopa suuremman energiatiheyden kuin tavanomaiset litiumioniakut mutta jotka voidaan valmistaa edullisista ja runsaista metalleista.

DRX:ksi kutsutaan epäsäännöllisiä kivisuoloja, joissa on ylimäärä litiumia. Tämä uusi materiaaliperhe keksittiin alle 10 vuotta sitten ja mahdollistaa katodien valmistamisen ilman nikkeliä tai kobolttia.

"Klassinen litiumioniakku on palvellut meitä hyvin, mutta kun harkitsemme tulevia energian varastointivaatimuksia, sen riippuvuus tietyistä kriittisistä mineraaleista altistaa meidät paitsi toimitusketjun riskeille mutta myös ympäristö- ja sosiaalikysymyksille", sanoo Berkeley Labin Ravi Prasher. "DRX-materiaaleilla tämä tarjoaa litiumakuille mahdollisuuden olla kestävä akkuteknologian perusta tulevaisuudessa."

Vaihdetaan katodin materiaalit

Katodin osuus on yli kolmasosa akun kustannuksista. Tällä hetkellä litiumioniakkujen katodi käyttää materiaaliluokkaa, joka tunnetaan nimellä NMC, avainkomponentteina nikkeli, mangaani ja koboltti.

"Olen tehnyt katoditutkimusta yli 20 vuoden ajan etsimällä uusia materiaaleja, ja DRX on paras uusi materiaali, jonka olen ylivoimaisesti koskaan nähnyt ", kertoo Berkeley Labin Gerbrand Ceder, joka johtaa tutkimusta.

"Nykyisessä NMC-luokassa, joka rajoittuu pelkästään nikkeliin, kobolttiin ja ei-aktiiviseen mangaanikomponenttiin, klassinen litium-ioniakku on suorituskykykäyränsä lopussa, ellei siirrytä uusille katodimateriaaleille ja sitä DRX-ohjelma tarjoaa.

DRX-materiaaleilla on valtava koostumuksen joustavuus - ja tämä on erittäin vakuuttavaa, koska voit käyttää DRX-katodissa kaikenlaisia runsaita metalleja, mutta voit käyttää myös minkä tahansa tyyppistä metallia ongelmien korjaamiseen, jotka saattavat tulla esiin alkuvaiheessa suunniteltaessa uusia akkuja. Siksi olemme niin innoissamme. "

DRX-katodit voivat käyttää melkein mitä tahansa metallia nikkelin ja koboltin sijaan. Berkeley Labin tutkijat ovat keskittyneet mangaanin ja titaanin käyttöön, jotka ovat sekä runsaampia että halvempia kuin nikkeli ja koboltti.

"Mangaanioksidi ja titaanioksidi maksavat alle yhden dollarin kilolta, kun taas koboltti maksaa noin 45 dollaria kilogrammalta ja nikkeli noin 18 dollaria", Ceder sanoo. ”DRX:n avulla sinulla on mahdollisuus tehdä erittäin edullista energian varastointia. Siinä vaiheessa litiumionista tulee lyömätön ja sitä voidaan käyttää kaikkialla - ajoneuvoissa, verkossa - ja voimme todella tehdä energian varastoinnista runsasta ja edullista."

Järjestäytymätön atomirakenne

Ceder ja hänen tiiminsä kehittivät DRX-materiaaleja vuonna 2014. Akuissa katodiin kulkeutuvien litiumionien määrä ja nopeus tarkoittaa sitä, kuinka paljon energiaa ja tehoa akulla on. Tavanomaisissa katodeissa litiumionit kulkevat katodimateriaalin läpi hyvin määriteltyjä reittejä pitkin ja järjestyvät siirtymämetalliatomien (yleensä koboltin ja nikkelin) väliin siisteinä, järjestäytyneinä kerroksina.

Cederin ryhmä huomasi, että epäjärjestyksellisellä atomirakenteella katodi pystyi pitämään enemmän litiumia - mikä tarkoittaa enemmän energiaa - mahdollistaen samalla laajemman valikoiman alkuaineita palvelemaan siirtymämetallina. He oppivat myös, että tuossa kaaoksessa litiumionit voivat helposti hyppiä ympäriinsä.

Cederin ja Guoying Chenin johtamat Berkeley Lab -ryhmät ovat edistyneet valtavasti DRX-katodien optimoinnissa litiumioniakuissa yhteistyössä kansallisten Oak Ridge ja Pacific Northwest -laboratorioiden ja UC Santa Barbaran tutkijoiden kanssa.

Esimerkiksi näiden materiaalien varausnopeus - tai kuinka nopeasti akku voi latautua - oli alun perin hyvin alhainen ja myös sen vakaus heikko. Tutkimusryhmä on löytänyt tapoja ratkaista molemmat ongelmat mallintamisen ja kokeilun avulla.

Tutkimusta vauhdittaen

Koska DRX voidaan valmistaa monilla eri alkuaineilla, tutkijat ovat myös työskennelleet sen suhteen, mitä ainetta olisi parasta käyttää, löytäen sen makean kohdan, että se on runsas, halpa ja tarjoaa hyvän suorituskyvyn. "DRX on nyt syntetisoitu melkein koko jaksollisen taulukon kanssa", Ceder sanoi.

Uusien akkumateriaalien kaupallistaminen on perinteisesti ottanut 15–20 vuotta; Ceder uskoo, että DRX-materiaalien edistymistä voidaan nopeuttaa suuremmalla tutkijatiimillä. Sellainen voisi siirtyä nopeasti ratkaisemaan jäljellä olevat ongelmat, mukaan lukien työsyklien käyttöiän parantaminen ja elektrolyytin optimointi.

Cederin laboratoriossa aloitetun työn jälkeen myös tutkijat Euroopassa ja Japanissa ovat käynnistäneet DRX-tutkimusohjelmia.

Energian varastointi kemian näkökulmasta

Eli Paster on PolyJoulen toimitusjohtaja. Hänen johtamansa startup-yhtiö pyrkii kehittämään energian varastointitekniikan uudelleen tehokkuuden lisäämiseksi ja kustannusten pienentämiseksi.

Siirtyminen kestävämpään, ympäristöystävälliseen sähköverkkoon on lisännyt uusiutuvien energialähteiden, kuten auringon ja tuulen, kasvua. Mutta uusiutuvien energialähteiden ajoittainen luonne on piristänyt kilpailua kilpailevaa näkymää energian varastointiyrityksille, jotka haluavat parantaa sähköjärjestelmän joustavuutta ja mahdollistavat uusiutuvien energialähteiden integroinnin.

"Vaikutus on se, joka ajaa PolyJoulea enemmän kuin mikään muu", toteaa Eli Paster. "Näemme vaikutuksia uusiutuvan energian integroinnin näkökulmasta, rajoittamisen näkökulmasta ja myös siirtymisestä keskitetystä energiamuotoiseen hajautettuun malliin."

PolyJoule on Massachusettsissa sijaitseva startup, joka haluaa keksiä energian varastoinnin uudelleen kemian näkökulmasta lähtien. Perustajat Ian Hunter MIT:n konetekniikan laitoksesta ja Tim Swager kemian laitoksesta ovat pitkään aiheen parissa työskennelleitä professoreita. Samaan aikaan ydinryhmä on pieni mutta erittäin taitava kokoelma kemistejä, valmistusasiantuntijoita, toimitusketjun optimoijia ja yrittäjiä, joista monet ovat kutsuttu MIT:n kotiin jossain vaiheessa.

Ideoiden kaupallistaminen tähtäimessä

"Ideat, joiden parissa työskentelemme laboratoriossamme, muuttuvat tuotteiksi kolmen tai neljän vuoden kuluttua, ja ne ovat edelleen innovatiivisia ja selvästi edellä käyrää, kun ne tulevat markkinoille", Paster sanoo. "Mutta käsitteet tulevat ennakoinnista ajatella 5-10 vuotta etukäteen. Sitä meillä on takataskussa Ianin ja Timin kaltaisten tutkijioden ansiosta. ”

PolyJoule käyttää järjestelmätason lähestymistapaa, johon liittyy tehokas analyyttinen sähkökemia ja sen ansiosta yritys on pystynyt tarkentamaan kemiallisen kennosuunnittelun 10 000 kokeilun perusteella. Tuloksena on edullinen, turvallinen ja pitkäikäinen akku. Se kykenee reagoimaan peruskuormiin ja huippukuormiin mikrosekunneissa, jolloin sama akku voi osallistua useille sähkömarkkinoille ja käyttöönoton tapauksiin.

Energian varastoinnin alalla on tarjolla mielenkiintoisia tekniikoita, mutta toimivia ratkaisuja on vain vähän. Mutta Paster sanoo, että PolyJoule on onnistunut yhdistämään kuilun laboratorion ja reaalimaailman välillä ottamalla teollisuuden huolenaiheet huomioon alusta alkaen. "Olemme suhtautuneet hieman ristiriitaisesti meitä aikaisempiin energian varastointiyrityksiin, jotka ovat sanoneet:" Jos rakennamme sen, he (asiakkaat) tulevat. " Sen sijaan olemme menneet suoraan asiakkaan luo ja kysyneet: 'Jos sinulla olisi parempi akun tallennussalusta, millainen se voisi olla? "

PolyJoule sanoo, että heidän kaupallisen panoksensa ansiosta ajatusprosesseihin niiden teknologisen ja kaupallisen käyttöönoton taustalla on suunniteltu akku, joka on halvempi valmistaa, edullisempi käyttää, turvallisempi ja helpompi ottaa käyttöön.

Perinteisesti litiumioniakut ovat käyttöönotetuin energian varastointiratkaisu. Litiumilla on kuitenkin haittoja, kuten kustannuksia, turvallisuusongelmia ja haitallisia ympäristövaikutuksia. Mutta PolyJoule ei ole kiinnostunut litiumista - tai itse asiassa minkäänlaisista metalleista. "Aloitamme orgaanisten alkuaineiden jaksollisesta taulukosta", Paster sanoo, "ja sieltä saamme selville, mikä toimii taloudellisesti, mitä on helppo yhdistää ja muuntaa kemiallisesti."

Turvallisempaa akkutekniikkaa

Luonnostaan turvallisemman kemian ansiosta PolyJoule säästää muun muassa järjestelmän integrointikustannuksissa. Heidän akut eivät sisällä tulenarkoja liuottimia, mikä tarkoittaa, että tulipalon hillitsemisestä ei aiheudu lisäkustannuksia.

Turvallisempi kemia tarkoittaa myös säilytyksen helppoutta ja PolyJoule -akut ovat parhaillaan maailmanlaajuisen turvallisuussertifioinnin (UL -hyväksynnän) mukaisia, jotta niitä voidaan käyttää sisätiloissa ja lentokoneissa.

Lopuksi, kemian sisäänrakennetulla suurella teholla PolyJoulen kennot voidaan ladata ja purkaa äärimmäisyyksiin ilman lämmitys- tai jäähdytysjärjestelmiä.

"Raaka -aineesta tuotteen toimitukseen tutkimme arvoketjun jokaista vaihetta kustannusten keventämiseksi", Paster sanoo. Kaikki alkaa kemian suunnittelusta maaperän runsaiden alkuaineiden ympärille, mikä mahdollistaa pienen startupin kilpailemisen suurempien toimittajien kanssa jopa pienemmissä mittakaavoissa.

On huomion arvoista, että PolyJoulen eriytyvät materiaalikustannukset ovat alle 1 dollarin kilolta, kun taas litiumkarbonaattia myydään 20 dollaria kilolta.

Ensimmäiset asiakasratkaisut

Valmistuspuolella Paster selittää, että PolyJoule alentaa kustannuksia tekemällä kennonsa vanhoissa paperitehtaissa ja varastoissa käyttämällä valmiita laitteita, joita aiemmin käytettiin pehmopaperin tai sanomalehtien painamiseen. "Käytämme laitteita, jotka ovat olleet olemassa jo vuosikymmeniä, koska emme halua luoda huipputeknologiaa, joka vaatii huippuluokan valmistusta", hän sanoo. "Haluamme luoda huipputeknologian, jota voidaan käyttää teollisuusmaissa ja muissa maissa, jotka voivat hyötyä eniten energian varastoinnista."

PolyJoulen ensimmäinen asiakas on teollinen hajautetun energian kuluttaja, jonka perustasoinen energiankulutus kasvaa kymmenkertaiseksi, kun raskaat koneet käynnistyvät kahdesti päivässä. Varhain aamulla ja myöhään iltapäivällä se kuluttaa noin 50 kilowattia 20 minuutista tuntiin, kun lähtötaso on 5 kilowattia. Se on sovellusmalli, joka on käännettävissä monille teollisuudenaloille.

Vuoden loppuun mennessä PolyJoule tulee toimittamaan asiakkaalle ensimmäisen 10 kilowattitunnin järjestelmänsä.

Syyskuu 2021