Hvorfor lithium-ion kan styre batterier i lang tid fremover

2010 The Regents of University of California, gennem Lawrence Berkeley National Laboratory.

Det amerikanske energiministerium er lancering en stor forskningsindsats for at udvikle en ny generation af lithium-ion-batterier, der stort set er fri for kobolt, et sjældent og dyrt metal, der leveres gennem et stadig mere bekymrende forsyningskæde .

Den treårige uddannelse, en del af en bredere indsats at accelerere avancerede køretøjsteknologier, kunne i sidste ende føre til billigere, længerevarende forbrugergadgets, elbiler og netlager.

Materialeforsker Gerd Ceder fører tilsyn med et projekt under forskningsprogrammet ved Lawrence Berkeley National Lab, der sigter mod at udvikle uordnede stensalte som et alternativt materiale til katoder, den positive elektrode i en genopladelig celle. Typisk kræver katoderne i lithium-ion-batterier kobolt for at skabe og fastholde en lagdelt struktur i elektroden, som tillader lithium-ioner let at strømme igennem den. Men for flere år siden fandt Ceder og hans kolleger ud af, at denne nye klasse af materialer kunne lagre mere lithium, hvilket potentielt kunne øge energitætheden og samtidig undgå behovet for kobolt helt (se Uordnede materialer lover bedre batterier).

Lawrence Berkeley-projektet samt to på Argonne National Laboratory modtog tilsammen $12,5 millioner fra DOE's Vehicle Technologies Office.

I et interview med MIT Technology Review , diskuterede Ceder udfordringerne for at sikre, at de nye materialer fungerer som et drop-in-alternativ til batterifremstilling, årsagerne til, at lithium-ion-teknologien vil fortsætte med at dominere opbevaring i lang tid fremover - og hvorfor det tager så lang tid for enhver batterifremdrift at nå markedspladsen.

Dette interview er redigeret for plads og klarhed.

Hvad er de næste trin i udviklingen af ​​denne nye klasse af forbindelser ?

Der er gået noget i retning af fire år nu siden den første opdagelse af konceptet, og der er mere end et dusin forbindelser i denne kategori, der allerede har vist lovende funktioner. Så det er opdagelsesfasen, hvor alle går og prøver alle mulige forskellige kemier, som Lewis og Clark udforsker.

Det næste skridt er, at vi tager nogle af disse materialer, der ser lovende ud, og ser, om vi kan løse alle de små problemer, der skal løses, før vi rent faktisk kan lave et kommercielt produkt.

Opladnings-afladningshastighedskapaciteten skal være god. Cykluslevetiden, som bestemmer batteriets levetid, skal forbedres.

Og så lærer folk at lave alle mulige forarbejdningstricks og overfladebehandlinger, og sådan bliver batterier bedre og bedre.

Men jeg vil sige, at nogle af disse materialer vil gå til næste fase. Det er nok et af vores bedste bud i disse dage for katodematerialer med højere energitæthed.

Hvorfor tager det så lang tid at se nogen laboratoriefremskridt inden for opbevaring rent faktisk kommer på markedet?

For noget som helst at gøre det til et kommercielt produkt er en lang kamp, ​​selvom du gør opdagelsen hurtigere. Det er bare en meget lang vej til materialeoptimering, test, kundeaccept, alle disse ting. Til det punkt, at selv hvis jeg havde noget, der fungerede perfekt i laboratoriet i dag, ville du sandsynligvis have en seks-til-10-årig kamp.

Nogen må skalere det op. De skal teste det. Så skal de give det videre til en batteriproducent, celleproducent, som vil bruge to år på at teste det, og hvis de endelig kan lide det, kan de lave et lille produkt ud af det – noget der går til et nichemarked, fordi de ønsker ikke at tage markedsrisici med nye produkter.

For nogle år siden dig sagde at solid-state batterier nærmest er et perfekt batteri. Hvad synes du i dag?

Jeg er stadig optimistisk, at de er en reel game-changer. Og jeg tror, ​​at det ultimative produkt kunne være så godt, og det retfærdiggør, synes jeg, indsatsen og presset hen imod det. Det kunne begynde at ligne det ideelle batteri.

Når det er sagt, har vi selvfølgelig og andre mennesker i årene siden opdaget alle de problemer med det, der skal løses. Så jeg synes stadig, det er noget af det mest lovende for energilagring lige nu. Men der er en del problemer, der skal løses.

Disse faststofelektrolytter er ofte ikke stabile. Og ingen har faktisk selv fundet på en fantastisk måde at fremstille solid-state batterier på.

Du kan lave dem i laboratoriet, og virksomheder kan endda lave en prototype, men det beviser bare, at du kan gøre det. Det beviser ikke, at du kan gøre det økonomisk.

Mange af disse er ingeniørmæssige udfordringer, og jeg har den slags filosofi om, at ingeniørmæssige udfordringer bliver løst med penge. Videnskabelige problemer er i en meget anden kategori. Det er svært at sætte en tidslinje på opfindelsen.

Men jeg er overbevist om, at det vil ske.

Et andet område, hvor vi har set nogle bemærkelsesværdige investeringer i år, er netlagring. Hvilke forskningsveje synes du er lovende der?

Grid storage er efter min mening ret wild card. På kort sigt ser jeg bare, at alt er lithium-ion. Årsagen er, at den er pålidelig, og du kan købe den fra pålidelige leverandører i dag.

Du kan have en filosofisk diskussion om, hvorvidt det er den bedste form for energilagring til nettet eller ej. Men hvis du er PG&E, hvem vil du så købe fra? Startup XYZ, som måske ikke er der om tre år, eller vil du købe fra LG Chem, CATL eller Samsung?

Så jeg udelukker ikke, at andre teknologier kan trænge ind i nettet, men de bør ikke undervurdere konkurrencen fra den etablerede virksomhed. Den etablerede er altid et kraftcenter.

Det modargument, du hører, er, at der er grænser for, hvor billigt lithium-ion kan fås - og det er ikke den ideelle teknologi, der passer til de dage, uger eller endda måneders opbevaring, du muligvis har brug for til nettet (se 2,5 billioner dollars grund til, at vi ikke kan stole på batterier til at rydde op i nettet).

Lithium-ion er allerede ret billigt. Alle disse andre teknologier – selvom de på papiret kan have en lav omkostningsstruktur, skal de stadig nå dertil. Startups har brug for højværdimarkeder, og nettet er ikke et særligt højværdimarked.

Lad os tage et ekstremt eksempel - lad os se på sæsonbestemt opbevaring. Hvor meget er du villig til at betale for en kilowatt-time, som du flytter fra juni til december? Tingen skal være ufatteligt billig.

Det er ikke klart for mig, at løsningerne på disse problemer vil blive fundet i klassisk elektrokemilagring. Ikke alle problemer bør løses med batterier.

skjule