Haja ya dharura ya kupunguza utoaji wa kaboni inasukuma hatua ya haraka kuelekea usafirishaji wa umeme na kupanua uwekaji wa nishati ya jua na upepo kwenye gridi ya taifa. Mitindo hii ikiongezeka inavyotarajiwa, hitaji la mbinu bora za kuhifadhi nishati ya umeme litaongezeka.
Tunahitaji mikakati yote tunayoweza kupata ili kukabiliana na tishio la mabadiliko ya hali ya hewa, anasema Dk Elsa Olivetti, profesa mshiriki wa sayansi ya vifaa na uhandisi huko Esther na Harold E. Edgerton. Kwa wazi, maendeleo ya teknolojia ya uhifadhi wa wingi wa gridi ni muhimu. Lakini kwa programu za rununu - haswa usafirishaji - utafiti mwingi unalenga kurekebisha ya leobetri za lithiamu-ionkuwa salama, ndogo na kuweza kuhifadhi nishati zaidi kwa ukubwa na uzito wao.
Betri za kawaida za lithiamu-ioni zinaendelea kuboresha, lakini mapungufu yao yanabakia, kwa sehemu kutokana na muundo wao.Betri za lithiamu-ioni zinajumuisha elektrodi mbili, moja chanya na moja hasi, zimewekwa kwenye kioevu kikaboni (kilicho na kaboni). Wakati betri inapochajiwa na kutolewa, chembe za lithiamu (au ioni) zilizochajiwa hupitishwa kutoka kwa elektrodi moja hadi nyingine kupitia elektroliti ya kioevu.
Shida moja ya muundo huu ni kwamba kwa viwango na joto fulani, elektroliti ya kioevu inaweza kuwa tete na kuwaka moto. Betri kwa ujumla ni salama chini ya matumizi ya kawaida, lakini hatari inabakia, anasema Dk Kevin Huang Ph.D.'15, mwanasayansi wa utafiti katika kundi la Olivetti.
Shida nyingine ni kwamba betri za lithiamu-ioni hazifai kutumika kwenye magari. Pakiti kubwa za betri nzito huchukua nafasi, huongeza uzito wa jumla wa gari na kupunguza ufanisi wa mafuta. Lakini ni vigumu kufanya betri za lithiamu-ioni za leo kuwa ndogo na nyepesi wakati wa kudumisha msongamano wao wa nishati - kiasi cha nishati iliyohifadhiwa kwa gramu ya uzito.
Ili kutatua matatizo haya, watafiti wanabadilisha vipengele muhimu vya betri za lithiamu-ion ili kuunda toleo la yote, au hali dhabiti. Wanabadilisha elektroliti kioevu katikati na elektroliti nyembamba ambayo ni thabiti juu ya anuwai ya voltages na halijoto. Kwa elektroliti hii dhabiti, walitumia elektrodi chanya ya uwezo wa juu na elektrodi hasi ya metali ya lithiamu yenye uwezo wa juu ambayo ilikuwa nene kidogo kuliko safu ya kawaida ya kaboni. Mabadiliko haya huruhusu seli ndogo zaidi kwa ujumla huku ikidumisha uwezo wake wa kuhifadhi nishati, na kusababisha msongamano mkubwa wa nishati.
Vipengele hivi - usalama ulioimarishwa na msongamano mkubwa wa nishati- pengine ni faida mbili zinazojulikana zaidi za betri zinazoweza kuwa za hali dhabiti, ilhali mambo haya yote ni ya kutazamia mbele na yanayotarajiwa, na si lazima yaweze kufikiwa. Walakini, uwezekano huu una watafiti wengi kuhangaika kutafuta nyenzo na miundo ambayo itatimiza ahadi hii.
Kufikiri zaidi ya maabara
Watafiti wamekuja na idadi ya matukio ya kuvutia ambayo yanaonekana kuahidi katika maabara. Lakini Olivetti na Huang wanaamini kwamba kutokana na udharura wa changamoto ya mabadiliko ya hali ya hewa, masuala ya ziada ya kiutendaji yanaweza kuwa muhimu. Sisi watafiti huwa tuna vipimo kwenye maabara ili kutathmini nyenzo na michakato inayowezekana, anasema Olivetti. Mifano inaweza kujumuisha uwezo wa kuhifadhi nishati na viwango vya malipo/kutoa. Lakini ikiwa lengo ni utekelezaji, tunapendekeza kuongeza vipimo ambavyo vinashughulikia mahususi uwezekano wa kuongeza kasi.
Nyenzo na upatikanaji
Katika ulimwengu wa elektroliti dhabiti za isokaboni, kuna aina mbili kuu za nyenzo - oksidi zenye oksijeni na salfa zilizo na salfa. Tantalum huzalishwa kama zao la ziada la uchimbaji wa madini ya bati na niobium. Takwimu za kihistoria zinaonyesha kwamba uzalishaji wa tantalum uko karibu na upeo unaowezekana kuliko ule wa germanium wakati wa uchimbaji wa bati na niobium. Upatikanaji wa tantalum kwa hivyo ni wasiwasi mkubwa wa uwezekano wa kuongeza seli zinazotegemea LLZO.
Hata hivyo, kujua upatikanaji wa kipengele katika ardhi haisuluhishi hatua zinazohitajika ili kuipata mikononi mwa wazalishaji. Kwa hivyo watafiti walichunguza swali la kufuata kuhusu msururu wa ugavi wa vitu muhimu - uchimbaji madini, usindikaji, usafishaji, usafirishaji, n.k. Kwa kudhani kuna usambazaji mwingi, je, msururu wa usambazaji wa vifaa hivi unaweza kupanuliwa haraka vya kutosha kukidhi ukuaji unaokua. mahitaji ya betri?
Katika uchanganuzi wa sampuli, waliangalia ni kiasi gani mnyororo wa usambazaji wa germanium na tantalum ungehitaji kukua mwaka hadi mwaka ili kutoa betri kwa makadirio ya 2030 ya meli za magari ya umeme. Kwa mfano, kundi la magari ya umeme, ambayo mara nyingi yanatajwa kama lengo la 2030, ingehitaji kuzalisha betri za kutosha kutoa jumla ya saa 100 za nishati za gigawati. Ili kufikia lengo hili, kwa kutumia betri za LGPS pekee, mnyororo wa ugavi wa germanium ungehitaji kukua kwa 50% mwaka hadi mwaka - muda mfupi, kwani kiwango cha juu cha ukuaji kimekuwa karibu 7% hapo awali. Kwa kutumia seli za LLZO pekee, mnyororo wa usambazaji wa tantalum ungehitaji kukua kwa karibu 30% - kiwango cha ukuaji zaidi ya upeo wa kihistoria wa karibu 10%.
Mifano hii inaonyesha umuhimu wa kuzingatia upatikanaji wa nyenzo na mnyororo wa usambazaji wakati wa kutathmini uwezo wa kuongeza wa elektroliti thabiti tofauti, anasema Huang: Hata kama wingi wa nyenzo sio suala, kama ilivyo kwa germanium, kuongeza kila kitu. hatua katika msururu wa ugavi kuendana na utengenezaji wa magari ya umeme ya siku zijazo zinaweza kuhitaji kasi ya ukuaji ambayo haijawahi kushuhudiwa.
Nyenzo na usindikaji
Jambo lingine la kuzingatia wakati wa kutathmini uwezo wa kuongeza kasi wa muundo wa betri ni ugumu wa mchakato wa utengenezaji na athari ambayo inaweza kuwa nayo kwa gharama. Kuna hatua nyingi zisizoweza kuepukika zinazohusika katika utengenezaji wa betri ya hali imara, na kushindwa kwa hatua yoyote huongeza gharama ya kila seli iliyozalishwa kwa ufanisi.
Kama wakala wa ugumu wa utengenezaji, Olivetti, Ceder na Huang waligundua athari ya kiwango cha kutofaulu kwa gharama ya jumla ya miundo ya betri ya hali dhabiti iliyochaguliwa kwenye hifadhidata yao. Katika mfano mmoja, walizingatia oksidi LLZO. LLZO ni brittle sana na laha kubwa nyembamba za kutosha kutumika katika utendakazi wa hali ya juu betri zinaweza kupasuka au kupindapinda kutokana na halijoto ya juu inayohusika katika mchakato wa utengenezaji.
Ili kubaini madhara ya gharama ya kushindwa vile, waliiga hatua nne muhimu za usindikaji zinazohusika katika kuunganisha seli za LLZO. Katika kila hatua, walikokotoa gharama kulingana na mavuno yanayodhaniwa, yaani, uwiano wa seli zote ambazo zilichakatwa kwa ufanisi bila kushindwa. Kwa LLZO, mavuno yalikuwa ya chini sana kuliko miundo mingine waliyojifunza; zaidi ya hayo, mavuno yalipopungua, gharama kwa kila kilowati-saa (kWh) ya nishati ya seli iliongezeka kwa kiasi kikubwa. Kwa mfano, wakati 5% seli zaidi ziliongezwa kwenye hatua ya mwisho ya kuongeza joto ya cathode, gharama iliongezeka kwa takriban $30/kWh - badiliko lisilosahaulika ikizingatiwa kuwa gharama inayokubalika kwa jumla ya seli kama hizo ni $100/kWh. Kwa wazi, ugumu wa utengenezaji unaweza kuwa na athari kubwa juu ya uwezekano wa kupitishwa kwa kiwango kikubwa cha muundo.
Muda wa kutuma: Sep-09-2022