ຂ່າວອຸດສາຫະກໍາ

ການອອກແບບຫມໍ້ໄຟທີ່ດີກວ່າສໍາລັບຍານພາຫະນະໄຟຟ້າ

2021-10-22

ໃນຂະນະທີ່ນັກຄົ້ນຄວ້າພິຈາລະນາວັດສະດຸສໍາລັບແບດເຕີລີ່ລັດແຂງ, ພວກເຂົາຍັງອາດຈະຕ້ອງການພິຈາລະນາວ່າວັດສະດຸເຫຼົ່ານັ້ນສາມາດສົ່ງຜົນກະທົບຕໍ່ການຜະລິດຂະຫນາດໃຫຍ່ໄດ້ແນວໃດ.

 

Nancy W. Stauffer | ການລິເລີ່ມພະລັງງານ MIT


 

 

ຄວາມຕ້ອງການອັນຮີບດ່ວນເພື່ອຕັດການປ່ອຍອາຍຄາບອນແມ່ນການກະຕຸ້ນໃຫ້ມີການເຄື່ອນໄຫວຢ່າງໄວວາໄປສູ່ການເຄື່ອນທີ່ທີ່ມີໄຟຟ້າແລະການຂະຫຍາຍການນໍາໃຊ້ພະລັງງານແສງອາທິດແລະພະລັງງານລົມໃນຕາຂ່າຍໄຟຟ້າ. ຖ້າແນວໂນ້ມເຫຼົ່ານັ້ນເພີ່ມຂຶ້ນຕາມທີ່ຄາດໄວ້, ຄວາມຕ້ອງການສໍາລັບວິທີການທີ່ດີກວ່າການເກັບຮັກສາພະລັງງານໄຟຟ້າຈະຮຸນແຮງຂຶ້ນ.

 

"ພວກເຮົາຕ້ອງການຍຸດທະສາດທັງຫມົດທີ່ພວກເຮົາສາມາດໄດ້ຮັບເພື່ອແກ້ໄຂໄພຂົ່ມຂູ່ຂອງການປ່ຽນແປງດິນຟ້າອາກາດ," Elsa Olivetti PhD ’ 07, Esther ແລະ Harold E. Edgerton ຮອງສາດສະດາຈານດ້ານວິທະຍາສາດວັດສະດຸແລະວິສະວະກໍາ. “ແນ່ນອນ, ການພັດທະນາເທກໂນໂລຍີສໍາລັບການເກັບຮັກສາທີ່ອີງໃສ່ຕາຂ່າຍໄຟຟ້າໃນຂະຫນາດໃຫຍ່ແມ່ນສໍາຄັນ. ແຕ່ສໍາລັບແອັບພລິເຄຊັນມືຖື — ໂດຍສະເພາະ, ການຂົນສົ່ງ — ການຄົ້ນຄວ້າຫຼາຍແມ່ນສຸມໃສ່ການປັບຕົວຫມໍ້ໄຟ lithium-ion ໃນປະຈຸບັນເພື່ອເຮັດໃຫ້ຮຸ່ນທີ່ປອດໄພກວ່າ, ຂະຫນາດນ້ອຍກວ່າ, ແລະສາມາດເກັບຮັກສາພະລັງງານຫຼາຍສໍາລັບຂະຫນາດແລະນ້ໍາຫນັກຂອງພວກເຂົາ.â€

 

ແບດເຕີລີ່ lithium-ion ແບບດັ້ງເດີມຍັງສືບຕໍ່ປັບປຸງ, ແຕ່ພວກມັນມີຂໍ້ຈໍາກັດທີ່ຍັງຄົງຢູ່, ບາງສ່ວນແມ່ນຍ້ອນໂຄງສ້າງຂອງມັນ. ແບດເຕີຣີ້ lithium-ion ປະກອບດ້ວຍສອງ electrodes †"ຫນຶ່ງໃນທາງບວກແລະຫນຶ່ງ negative â€" sandwiched ປະມານຂອງແຫຼວປອດສານພິດ (carbon-contains). ໃນຂະນະທີ່ແບດເຕີຣີຖືກສາກໄຟແລະປ່ອຍອອກມາ, ອະນຸພາກທີ່ມີຄ່າໄຟຟ້າ (ຫຼື ions) ຂອງ lithium ຜ່ານ electrode ຫນຶ່ງໄປຫາອີກ electrode ຜ່ານ electrolyte ຂອງແຫຼວ.

 

ບັນຫາຫນຶ່ງຂອງການອອກແບບນັ້ນແມ່ນວ່າໃນແຮງດັນແລະອຸນຫະພູມທີ່ແນ່ນອນ, electrolyte ຂອງແຫຼວສາມາດກາຍເປັນການລະເຫີຍແລະໄຟໄຫມ້. "ແບດເຕີຣີໂດຍທົ່ວໄປແມ່ນປອດໄພພາຍໃຕ້ການໃຊ້ງານປົກກະຕິ, ແຕ່ຄວາມສ່ຽງແມ່ນຍັງມີຢູ່,", Kevin Huang PhD ’ 15, ນັກວິທະຍາສາດຄົ້ນຄ້ວາໃນກຸ່ມ Olivetti ກ່າວວ່າ.

 

ບັນຫາອີກຢ່າງຫນຶ່ງແມ່ນວ່າຫມໍ້ໄຟ lithium-ion ບໍ່ເຫມາະສົມກັບການນໍາໃຊ້ໃນຍານພາຫະນະ. ແບັດເຕີລີຂະໜາດໃຫຍ່ ແລະໜັກໃຊ້ພື້ນທີ່ ແລະເພີ່ມນ້ຳໜັກລວມຂອງລົດ, ຫຼຸດປະສິດທິພາບນໍ້າມັນ. ແຕ່ວ່າມັນເປັນການຍາກທີ່ຈະເຮັດໃຫ້ແບດເຕີລີ່ lithium-ion ຂອງມື້ນີ້ມີຂະຫນາດນ້ອຍກວ່າແລະສີມ້ານລົງໃນຂະນະທີ່ຮັກສາຄວາມຫນາແຫນ້ນຂອງພະລັງງານຂອງມັນ - ນັ້ນແມ່ນ, ປະລິມານພະລັງງານທີ່ພວກເຂົາເກັບຮັກສາຕໍ່ກຼາມຂອງນ້ໍາຫນັກ.

 

ເພື່ອແກ້ໄຂບັນຫາເຫຼົ່ານັ້ນ, ນັກຄົ້ນຄວ້າກໍາລັງປ່ຽນລັກສະນະທີ່ສໍາຄັນຂອງຫມໍ້ໄຟ lithium-ion ເພື່ອເຮັດໃຫ້ເປັນທັງຫມົດແຂງ, ຫຼື “solid-state,†™ s ຮຸ່ນ. ພວກມັນປ່ຽນແທນ electrolyte ຂອງແຫຼວໃນກາງດ້ວຍ electrolyte ບາງໆ, ແຂງທີ່ມີຄວາມຫມັ້ນຄົງໃນລະດັບຄວາມແຮງຂອງແຮງດັນແລະອຸນຫະພູມ. ດ້ວຍ electrolyte ແຂງນັ້ນ, ພວກມັນໃຊ້ electrode ບວກທີ່ມີຄວາມຈຸສູງແລະ electrode ລົບໂລຫະ lithium ທີ່ມີຄວາມຈຸສູງ, ເຊິ່ງບາງກວ່າຊັ້ນຄາບອນທີ່ມີຮູຂຸມຂົນປົກກະຕິ. ການປ່ຽນແປງເຫຼົ່ານັ້ນເຮັດໃຫ້ມັນເປັນໄປໄດ້ທີ່ຈະຫຼຸດລົງຫມໍ້ໄຟໂດຍລວມຢ່າງຫຼວງຫຼາຍໃນຂະນະທີ່ຮັກສາຄວາມສາມາດໃນການເກັບຮັກສາພະລັງງານ, ດັ່ງນັ້ນຈຶ່ງບັນລຸຄວາມຫນາແຫນ້ນຂອງພະລັງງານທີ່ສູງຂຶ້ນ.

 

"ຄຸນສົມບັດເຫຼົ່ານັ້ນ â€" ການປັບປຸງຄວາມປອດໄພແລະຄວາມຫນາແຫນ້ນຂອງພະລັງງານຫຼາຍຂື້ນ †"ແມ່ນອາດຈະເປັນສອງຂໍ້ໄດ້ປຽບທີ່ມັກຈະຖືກຍົກຍ້ອງທີ່ສຸດຂອງຫມໍ້ໄຟແຂງທີ່ມີທ່າແຮງ," Huang ເວົ້າ. ຫຼັງຈາກນັ້ນ, ລາວຊີ້ແຈງຢ່າງໄວວາວ່າ "ສິ່ງທັງຫມົດເຫຼົ່ານີ້ແມ່ນມີຄວາມຄາດຫວັງ, ຄວາມຫວັງ, ແລະບໍ່ຈໍາເປັນຕ້ອງເປັນຈິງ." ຢ່າງໃດກໍຕາມ, ຄວາມເປັນໄປໄດ້ມີນັກຄົ້ນຄວ້າຫຼາຍຄົນພະຍາຍາມຊອກຫາອຸປະກອນແລະການອອກແບບທີ່ສາມາດສົ່ງກັບຄໍາສັນຍານັ້ນ.

 

ຄິດນອກເໜືອໄປຈາກຫ້ອງທົດລອງ

ນັກຄົ້ນຄວ້າໄດ້ມີທາງເລືອກທີ່ ໜ້າ ສົນໃຈຫຼາຍທີ່ເບິ່ງຄືວ່າດີໃນຫ້ອງທົດລອງ. ​ແຕ່ Olivetti ​ແລະ Huang ​ເຊື່ອ​ວ່າ ການ​ພິຈາລະນາ​ພາກ​ປະຕິບັດ​ເພີ່ມ​ເຕີມ​ອາດ​ຈະ​ສຳຄັນ, ຍ້ອນ​ຄວາມ​ຮີບ​ດ່ວນ​ຂອງ​ການ​ທ້າ​ທາຍ​ຕໍ່​ການ​ປ່ຽນ​ແປງ​ຂອງ​ດິນ​ຟ້າ​ອາກາດ. Olivetti ເວົ້າ​ວ່າ “ມັນ​ມີ​ຕົວ​ຊີ້​ວັດ​ທີ່​ພວກ​ເຮົາ​ນັກ​ຄົ້ນ​ຄວ້າ​ໃຊ້​ຢູ່​ໃນ​ຫ້ອງ​ທົດ​ລອງ ເພື່ອ​ປະ​ເມີນ​ຜົນ​ການ​ວັດ​ຖຸ ແລະ​ຂະ​ບວນ​ການ​ທີ່​ເປັນ​ໄປ​ໄດ້,” Olivetti ເວົ້າ​ວ່າ. ຕົວຢ່າງອາດຈະລວມເຖິງຄວາມອາດສາມາດໃນການເກັບຮັກສາພະລັງງານ ແລະອັດຕາການສາກໄຟ/ການປ່ອຍນໍ້າ. ໃນເວລາທີ່ປະຕິບັດການຄົ້ນຄວ້າພື້ນຖານ — ທີ່ນາງຖືວ່າທັງສອງມີຄວາມຈໍາເປັນແລະສໍາຄັນ — metrics ເຫຼົ່ານີ້ແມ່ນເຫມາະສົມ. "ແຕ່ຖ້າຈຸດປະສົງແມ່ນການຈັດຕັ້ງປະຕິບັດ, ພວກເຮົາແນະນໍາໃຫ້ເພີ່ມຕົວຊີ້ບອກຈໍານວນຫນ້ອຍທີ່ໂດຍສະເພາະແກ້ໄຂທ່າແຮງສໍາລັບການຂະຫຍາຍຢ່າງໄວວາ," ນາງເວົ້າ.

 

ອີງຕາມປະສົບການຂອງອຸດສາຫະກໍາທີ່ມີຫມໍ້ໄຟ lithium-ion ໃນປັດຈຸບັນ, ນັກຄົ້ນຄວ້າ MIT ແລະເພື່ອນຮ່ວມງານຂອງພວກເຂົາ Gerbrand Ceder, Daniel M. Tellep ສາດສະດາຈານວິສະວະກໍາທີ່ມະຫາວິທະຍາໄລຄາລິຟໍເນຍທີ່ Berkeley, ແນະນໍາສາມຄໍາຖາມກວ້າງທີ່ສາມາດຊ່ວຍກໍານົດຂໍ້ຈໍາກັດທີ່ອາດມີ. ໃນ​ການ​ປັບ​ຂະ​ຫນາດ​ໃນ​ອະ​ນາ​ຄົດ​ເປັນ​ຜົນ​ມາ​ຈາກ​ການ​ຄັດ​ເລືອກ​ອຸ​ປະ​ກອນ​ການ​. ທໍາອິດ, ດ້ວຍການອອກແບບຫມໍ້ໄຟນີ້, ຄວາມພ້ອມຂອງວັດສະດຸ, ຕ່ອງໂສ້ການສະຫນອງ, ຫຼືການເຫນັງຕີງຂອງລາຄາກາຍເປັນບັນຫາໃນຂະນະທີ່ການຜະລິດເພີ່ມຂຶ້ນບໍ? (ໃຫ້ສັງເກດວ່າຄວາມກັງວົນດ້ານສິ່ງແວດລ້ອມແລະສິ່ງອື່ນໆທີ່ຍົກຂຶ້ນມາໂດຍການຂຸດຄົ້ນບໍ່ແຮ່ທີ່ຂະຫຍາຍອອກແມ່ນຢູ່ນອກຂອບເຂດຂອງການສຶກສານີ້.) ອັນທີສອງ, ການຜະລິດແບດເຕີຣີຈາກວັດສະດຸເຫຼົ່ານີ້ກ່ຽວຂ້ອງກັບຂັ້ນຕອນການຜະລິດທີ່ຍາກໃນລະຫວ່າງພາກສ່ວນໃດທີ່ອາດຈະລົ້ມເຫລວ? ແລະທີສາມ, ມາດຕະການການຜະລິດທີ່ຈໍາເປັນເພື່ອຮັບປະກັນຜະລິດຕະພັນທີ່ມີປະສິດຕິພາບສູງໂດຍອີງໃສ່ວັດສະດຸເຫຼົ່ານີ້ໃນທີ່ສຸດຫຼຸດລົງຫຼືເພີ່ມຄ່າໃຊ້ຈ່າຍຂອງແບດເຕີຣີທີ່ຜະລິດ?

 

ເພື່ອສະແດງໃຫ້ເຫັນວິທີການຂອງເຂົາເຈົ້າ, Olivetti, Ceder, ແລະ Huang ໄດ້ກວດກາບາງເຄມີ electrolyte ແລະໂຄງສ້າງຫມໍ້ໄຟໃນປັດຈຸບັນໄດ້ຖືກສືບສວນໂດຍນັກຄົ້ນຄວ້າ. ເພື່ອເລືອກຕົວຢ່າງຂອງພວກເຂົາ, ພວກເຂົາຫັນໄປຫາວຽກງານທີ່ຜ່ານມາທີ່ພວກເຂົາແລະຜູ້ຮ່ວມມືຂອງພວກເຂົາໃຊ້ຂໍ້ຄວາມ - ແລະເຕັກນິກການຂຸດຄົ້ນຂໍ້ມູນເພື່ອລວບລວມຂໍ້ມູນກ່ຽວກັບວັດສະດຸແລະລາຍລະອຽດການປຸງແຕ່ງທີ່ລາຍງານໃນວັນນະຄະດີ. ຈາກຖານຂໍ້ມູນນັ້ນ, ພວກເຂົາເຈົ້າໄດ້ເລືອກທາງເລືອກທີ່ລາຍງານເລື້ອຍໆຈໍານວນຫນ້ອຍທີ່ເປັນຕົວແທນຂອງຄວາມເປັນໄປໄດ້.

 

ວັດສະດຸແລະຄວາມພ້ອມ

ໃນໂລກຂອງ electrolytes ອະນົງຄະທາດແຂງ, ມີສອງປະເພດຕົ້ນຕໍຂອງວັດສະດຸ — ອົກຊີ, ເຊິ່ງປະກອບດ້ວຍອົກຊີເຈນ, ແລະ sulfides, ເຊິ່ງປະກອບດ້ວຍຊູນຟູຣິກ. Olivetti, Ceder, ແລະ Huang ໄດ້ສຸມໃສ່ທາງເລືອກ electrolyte ທີ່ມີທ່າແຮງໃນແຕ່ລະຊັ້ນຮຽນແລະກວດເບິ່ງອົງປະກອບທີ່ສໍາຄັນຂອງຄວາມກັງວົນສໍາລັບແຕ່ລະຄົນ.

 

sulfide ທີ່ພວກເຂົາພິຈາລະນາແມ່ນ LGPS, ເຊິ່ງປະສົມປະສານ lithium, germanium, phosphorus, ແລະ sulfur. ອີງຕາມການພິຈາລະນາຄວາມພ້ອມ, ພວກເຂົາເຈົ້າໄດ້ສຸມໃສ່ການ germanium, ເປັນອົງປະກອບທີ່ເຮັດໃຫ້ເກີດຄວາມກັງວົນໃນບາງສ່ວນເນື່ອງຈາກວ່າມັນບໍ່ໄດ້ຖືກຂຸດຄົ້ນໂດຍທົ່ວໄປດ້ວຍຕົວມັນເອງ. ແທນທີ່ຈະ, ມັນເປັນຜົນກໍາໄລທີ່ຜະລິດໃນລະຫວ່າງການຂຸດຄົ້ນຖ່ານຫີນແລະສັງກະສີ.

 

ເພື່ອສືບສວນຄວາມພ້ອມຂອງມັນ, ນັກຄົ້ນຄວ້າໄດ້ເບິ່ງວ່າ germanium ໄດ້ຖືກຜະລິດໃນແຕ່ລະປີໃນ 6 ທົດສະວັດທີ່ຜ່ານມາໃນລະຫວ່າງການຂຸດຄົ້ນຖ່ານຫີນແລະສັງກະສີ, ແລະຫຼັງຈາກນັ້ນສາມາດຜະລິດໄດ້ຫຼາຍປານໃດ. ຜົນໄດ້ຮັບແນະນໍາວ່າ germanium ສາມາດຜະລິດໄດ້ຫຼາຍກວ່າ 100 ເທົ່າ, ເຖິງແມ່ນວ່າໃນຊຸມປີມໍ່ໆມານີ້. ເນື່ອງຈາກທ່າແຮງການສະຫນອງດັ່ງກ່າວ, ການມີຢູ່ຂອງ germanium ແມ່ນບໍ່ອາດຈະຈໍາກັດການຂະຫຍາຍຂະຫນາດຂອງຫມໍ້ໄຟຂອງສະພາບແຂງໂດຍອີງໃສ່ electrolyte LGPS.

 

ສະຖານະການເບິ່ງຄືວ່າມີແນວໂນ້ມຫນ້ອຍກັບອອກໄຊທີ່ເລືອກຂອງນັກຄົ້ນຄວ້າ, LLZO, ເຊິ່ງປະກອບດ້ວຍ lithium, lanthanum, zirconium, ແລະອົກຊີເຈນ. ການສະກັດ ແລະປຸງແຕ່ງ lanthanum ແມ່ນສຸມໃສ່ສ່ວນໃຫຍ່ໃນປະເທດຈີນ, ແລະມີຂໍ້ມູນຈໍາກັດ, ດັ່ງນັ້ນນັກຄົ້ນຄວ້າບໍ່ໄດ້ພະຍາຍາມວິເຄາະຄວາມພ້ອມຂອງມັນ. ອີກສາມອົງປະກອບແມ່ນມີຢູ່ຢ່າງອຸດົມສົມບູນ. ຢ່າງໃດກໍຕາມ, ໃນທາງປະຕິບັດ, ຈໍານວນຂະຫນາດນ້ອຍຂອງອົງປະກອບອື່ນ †"ເອີ້ນວ່າ dopant â€" ຕ້ອງໄດ້ຮັບການເພີ່ມເພື່ອເຮັດໃຫ້ LLZO ງ່າຍທີ່ຈະປຸງແຕ່ງ. ດັ່ງນັ້ນທີມງານໄດ້ສຸມໃສ່ການ tantalum, dopant ທີ່ໃຊ້ເລື້ອຍໆທີ່ສຸດ, ເປັນອົງປະກອບຕົ້ນຕໍຂອງຄວາມກັງວົນສໍາລັບ LLZO.

 

Tantalum ແມ່ນຜະລິດເປັນຜົນມາຈາກການຂຸດຄົ້ນກົ່ວ ແລະ niobium. ຂໍ້ມູນປະຫວັດສາດສະແດງໃຫ້ເຫັນວ່າປະລິມານຂອງ tantalum ທີ່ຜະລິດໃນລະຫວ່າງການຂຸດຄົ້ນແຮ່ກົ່ວແລະ niobium ແມ່ນໃກ້ຊິດກັບທ່າແຮງສູງສຸດຫຼາຍກ່ວາກໍລະນີຂອງ germanium. ດັ່ງນັ້ນການມີຂອງ tantalum ແມ່ນມີຄວາມກັງວົນຫຼາຍສໍາລັບການຂະຫນາດທີ່ເປັນໄປໄດ້ຂອງຫມໍ້ໄຟທີ່ອີງໃສ່ LLZO.

 

ແຕ່ການຮູ້ເຖິງຄວາມພ້ອມຂອງອົງປະກອບໃນພື້ນທີ່ບໍ່ໄດ້ກໍານົດຂັ້ນຕອນທີ່ຈໍາເປັນເພື່ອນໍາມັນໄປຫາຜູ້ຜະລິດ. ດັ່ງນັ້ນ, ນັກຄົ້ນຄວ້າໄດ້ສືບສວນຄໍາຖາມຕິດຕາມກ່ຽວກັບຕ່ອງໂສ້ການສະຫນອງສໍາລັບອົງປະກອບທີ່ສໍາຄັນ †"ການຂຸດຄົ້ນບໍ່ແຮ່, ການປຸງແຕ່ງ, ການຫລອມໂລຫະ, ການຂົນສົ່ງ, ແລະອື່ນໆ. ສົມມຸດວ່າການສະຫນອງທີ່ອຸດົມສົມບູນ, ລະບົບຕ່ອງໂສ້ການສະຫນອງທີ່ສະຫນອງອຸປະກອນເຫຼົ່ານັ້ນສາມາດຂະຫຍາຍໄດ້ໄວພຽງພໍທີ່ຈະຕອບສະຫນອງຄວາມຕ້ອງການທີ່ເພີ່ມຂຶ້ນຂອງຫມໍ້ໄຟບໍ?

 

ໃນການວິເຄາະຕົວຢ່າງ, ພວກເຂົາເຈົ້າໄດ້ເບິ່ງວ່າລະບົບຕ່ອງໂສ້ການສະຫນອງຂອງ germanium ແລະ tantalum ຈໍາເປັນຕ້ອງມີການຂະຫຍາຍຕົວຫຼາຍປີຕໍ່ປີເພື່ອສະຫນອງຫມໍ້ໄຟສໍາລັບເຮືອຍານພາຫະນະໄຟຟ້າທີ່ຄາດຄະເນໃນປີ 2030. ຕົວຢ່າງ, ເຮືອຍານພາຫະນະໄຟຟ້າມັກຈະອ້າງວ່າເປັນເປົ້າຫມາຍສໍາລັບ 2030. ຕ້ອງການການຜະລິດຫມໍ້ໄຟພຽງພໍເພື່ອສົ່ງພະລັງງານທັງຫມົດ 100 ກິກາວັດຊົ່ວໂມງ. ເພື່ອບັນລຸເປົ້າຫມາຍດັ່ງກ່າວໂດຍໃຊ້ພຽງແຕ່ຫມໍ້ໄຟ LGPS, ລະບົບຕ່ອງໂສ້ການສະຫນອງຂອງ germanium ຈະຕ້ອງເຕີບໂຕ 50 ສ່ວນຮ້ອຍຈາກປີຕໍ່ປີ, ເນື່ອງຈາກວ່າອັດຕາການເຕີບໂຕສູງສຸດໃນອະດີດແມ່ນປະມານ 7 ສ່ວນຮ້ອຍ. ການນໍາໃຊ້ພຽງແຕ່ຫມໍ້ໄຟ LLZO, ລະບົບຕ່ອງໂສ້ການສະຫນອງສໍາລັບ tantalum ຈະຕ້ອງເຕີບໂຕປະມານ 30 ສ່ວນຮ້ອຍ †"ອັດຕາການຂະຫຍາຍຕົວທີ່ດີເຫນືອລະດັບສູງປະຫວັດສາດປະມານ 10 ສ່ວນຮ້ອຍ.

 

ຕົວຢ່າງເຫຼົ່ານັ້ນສະແດງໃຫ້ເຫັນເຖິງຄວາມສໍາຄັນຂອງການພິຈາລະນາທັງຄວາມພ້ອມຂອງວັດສະດຸແລະຕ່ອງໂສ້ການສະຫນອງໃນເວລາທີ່ການປະເມີນ electrolytes ແຂງທີ່ແຕກຕ່າງກັນສໍາລັບທ່າແຮງການຂະຫຍາຍຂອງພວກເຂົາ. "ເຖິງແມ່ນວ່າໃນເວລາທີ່ປະລິມານຂອງວັດສະດຸທີ່ມີຢູ່ແມ່ນບໍ່ເປັນຫ່ວງ, ເຊັ່ນດຽວກັນກັບກໍລະນີຂອງ germanium, ຂະຫນາດຂັ້ນຕອນທັງຫມົດໃນລະບົບຕ່ອງໂສ້ການສະຫນອງໃຫ້ສອດຄ່ອງກັບການຜະລິດຍານພາຫະນະໄຟຟ້າໃນອະນາຄົດອາດຈະຮຽກຮ້ອງໃຫ້ມີອັດຕາການຂະຫຍາຍຕົວທີ່ຮູ້ຫນັງສື. Huang ເວົ້າ​ວ່າ​ບໍ່​ເຄີຍ​ມີ​ມາ​ກ່ອນ​.

 

ວັດສະດຸແລະການປຸງແຕ່ງ

ໃນການປະເມີນທ່າແຮງສໍາລັບການຂະຫຍາຍຂະຫນາດຂອງການອອກແບບຫມໍ້ໄຟ, ປັດໃຈອື່ນທີ່ຕ້ອງພິຈາລະນາແມ່ນຄວາມຫຍຸ້ງຍາກຂອງຂະບວນການຜະລິດແລະວິທີການທີ່ມັນອາດຈະສົ່ງຜົນກະທົບຕໍ່ຄ່າໃຊ້ຈ່າຍ. ການຜະລິດແບດເຕີລີ່ສະຖານະແຂງໂດຍຫຼີກລ່ຽງບໍ່ໄດ້ກ່ຽວຂ້ອງກັບຫຼາຍຂັ້ນຕອນ, ແລະຄວາມລົ້ມເຫລວໃນຂັ້ນຕອນໃດກໍ່ຕາມເຮັດໃຫ້ຄ່າໃຊ້ຈ່າຍຂອງແຕ່ລະແບດເຕີຣີທີ່ຜະລິດຢ່າງສໍາເລັດຜົນ. ດັ່ງທີ່ Huang ອະທິບາຍ, †œເຈົ້າບໍ່ໄດ້ສົ່ງແບັດເຕີລີທີ່ລົ້ມເຫລວເຫຼົ່ານັ້ນ; ເຈົ້າກຳລັງຖິ້ມພວກມັນໄປ. ແຕ່ເຈົ້າຍັງໃຊ້ເງິນຢູ່ກັບວັດສະດຸ ແລະເວລາ ແລະການປຸງແຕ່ງ.â€

 

ໃນຖານະເປັນຕົວແທນສໍາລັບຄວາມຫຍຸ້ງຍາກໃນການຜະລິດ, Olivetti, Ceder, ແລະ Huang ໄດ້ຄົ້ນຫາຜົນກະທົບຂອງອັດຕາຄວາມລົ້ມເຫຼວຂອງຄ່າໃຊ້ຈ່າຍໂດຍລວມສໍາລັບການອອກແບບຫມໍ້ໄຟແຂງໃນຖານຂໍ້ມູນຂອງພວກເຂົາ. ໃນຕົວຢ່າງຫນຶ່ງ, ພວກເຂົາເຈົ້າໄດ້ສຸມໃສ່ການອອກໄຊ LLZO. LLZO ມີຄວາມເສື່ອມຫຼາຍ, ແລະໃນອຸນຫະພູມສູງທີ່ກ່ຽວຂ້ອງກັບການຜະລິດ, ແຜ່ນຂະຫນາດໃຫຍ່ທີ່ບາງພໍທີ່ຈະໃຊ້ໃນແບດເຕີຣີ້ແຂງທີ່ມີປະສິດຕິພາບສູງມີແນວໂນ້ມທີ່ຈະແຕກຫຼື warp.

 

ເພື່ອກໍານົດຜົນກະທົບຂອງຄວາມລົ້ມເຫລວດັ່ງກ່າວກ່ຽວກັບຄ່າໃຊ້ຈ່າຍ, ພວກເຂົາເຈົ້າໄດ້ສ້າງແບບຈໍາລອງສີ່ຂັ້ນຕອນການປຸງແຕ່ງທີ່ສໍາຄັນໃນການປະກອບຫມໍ້ໄຟທີ່ອີງໃສ່ LLZO. ໃນແຕ່ລະຂັ້ນຕອນ, ພວກເຂົາເຈົ້າຄິດໄລ່ຄ່າໃຊ້ຈ່າຍໂດຍອີງໃສ່ຜົນຜະລິດສົມມຸດຕິຖານ, ນັ້ນແມ່ນ, ແຕ່ສ່ວນຫນຶ່ງຂອງຫນ່ວຍງານທັງຫມົດທີ່ໄດ້ຮັບການປຸງແຕ່ງຢ່າງສໍາເລັດຜົນໂດຍບໍ່ມີການລົ້ມເຫລວ. ດ້ວຍ LLZO, ຜົນຜະລິດແມ່ນຕໍ່າກວ່າການອອກແບບອື່ນໆທີ່ພວກເຂົາໄດ້ກວດກາ; ແລະ, ເມື່ອຜົນຜະລິດຫຼຸດລົງ, ຄ່າໃຊ້ຈ່າຍຂອງພະລັງງານຫມໍ້ໄຟແຕ່ລະກິໂລວັດຊົ່ວໂມງ (kWh) ໄດ້ເພີ່ມຂຶ້ນຢ່າງຫຼວງຫຼາຍ. ຕົວຢ່າງ, ເມື່ອ 5 ເປີເຊັນຫຼາຍຫນ່ວຍລົ້ມເຫລວໃນລະຫວ່າງຂັ້ນຕອນການໃຫ້ຄວາມຮ້ອນ cathode ສຸດທ້າຍ, ຄ່າໃຊ້ຈ່າຍເພີ່ມຂຶ້ນປະມານ $ 30 / kWh — ການປ່ຽນແປງທີ່ບໍ່ສໍາຄັນພິຈາລະນາວ່າຄ່າໃຊ້ຈ່າຍເປົ້າຫມາຍທີ່ຍອມຮັບໂດຍທົ່ວໄປສໍາລັບແບດເຕີຣີ້ດັ່ງກ່າວແມ່ນ $ 100 / kWh. ຢ່າງຊັດເຈນ, ຄວາມຫຍຸ້ງຍາກໃນການຜະລິດສາມາດມີຜົນກະທົບອັນເລິກເຊິ່ງຕໍ່ຄວາມເປັນໄປໄດ້ຂອງການອອກແບບສໍາລັບການຮັບຮອງເອົາຂະຫນາດໃຫຍ່.

 

ວັດສະດຸແລະການປະຕິບັດ

ຫນຶ່ງໃນສິ່ງທ້າທາຍຕົ້ນຕໍໃນການອອກແບບແບດເຕີລີ່ແຂງທັງຫມົດແມ່ນມາຈາກ “interfaces†— ນັ້ນຄື, ບ່ອນທີ່ອົງປະກອບຫນຶ່ງພົບກັບອີກ. ໃນລະຫວ່າງການຜະລິດຫຼືການດໍາເນີນງານ, ວັດສະດຸໃນການໂຕ້ຕອບເຫຼົ່ານັ້ນສາມາດບໍ່ຫມັ້ນຄົງ. "ປະລໍາມະນູເລີ່ມຕົ້ນໄປບ່ອນທີ່ພວກເຂົາບໍ່ຄວນ, ແລະປະສິດທິພາບຫມໍ້ໄຟຫຼຸດລົງ," Huang ເວົ້າ.

 

ດັ່ງນັ້ນ, ການຄົ້ນຄວ້າຫຼາຍແມ່ນອຸທິດຕົນເພື່ອມາເຖິງວິທີການຂອງສະຖຽນລະພາບການໂຕ້ຕອບໃນການອອກແບບຫມໍ້ໄຟທີ່ແຕກຕ່າງກັນ. ຫຼາຍໆວິທີການທີ່ສະເຫນີແມ່ນເພີ່ມປະສິດທິພາບ; ແລະດັ່ງນັ້ນ, ຄ່າໃຊ້ຈ່າຍຂອງຫມໍ້ໄຟໃນໂດລາຕໍ່ກິໂລວັດໂມງຫຼຸດລົງ. ແຕ່ການປະຕິບັດການແກ້ໄຂດັ່ງກ່າວໂດຍທົ່ວໄປແລ້ວປະກອບດ້ວຍວັດສະດຸເພີ່ມເຕີມແລະເວລາ, ການເພີ່ມຄ່າໃຊ້ຈ່າຍຕໍ່ກິໂລວັດໂມງໃນໄລຍະການຜະລິດຂະຫນາດໃຫຍ່.

 

ເພື່ອສະແດງໃຫ້ເຫັນເຖິງການລົງທືນດັ່ງກ່າວ, ນັກຄົ້ນຄວ້າໄດ້ກວດເບິ່ງອອກໄຊຂອງພວກມັນ, LLZO. ໃນທີ່ນີ້, ເປົ້າຫມາຍແມ່ນເພື່ອສະຖຽນລະພາບການໂຕ້ຕອບລະຫວ່າງ electrolyte LLZO ແລະ electrode ລົບໂດຍການໃສ່ຊັ້ນບາງໆຂອງກົ່ວລະຫວ່າງສອງ. ພວກເຂົາເຈົ້າໄດ້ວິເຄາະຜົນກະທົບ — ທັງທາງບວກ ແລະ ທາງລົບ — ກ່ຽວກັບຄ່າໃຊ້ຈ່າຍໃນການປະຕິບັດການແກ້ໄຂນັ້ນ. ພວກເຂົາເຈົ້າພົບວ່າການເພີ່ມຕົວແຍກກົ່ວເພີ່ມຄວາມສາມາດໃນການເກັບຮັກສາພະລັງງານແລະປັບປຸງການປະຕິບັດ, ເຊິ່ງເຮັດໃຫ້ຄ່າໃຊ້ຈ່າຍຕໍ່ຫນ່ວຍຫຼຸດລົງເປັນໂດລາຕໍ່ກິໂລວັດໂມງ. ແຕ່ຄ່າໃຊ້ຈ່າຍຂອງການລວມເອົາຊັ້ນກົ່ວເກີນການປະຫຍັດດັ່ງນັ້ນຄ່າໃຊ້ຈ່າຍສຸດທ້າຍແມ່ນສູງກວ່າຄ່າໃຊ້ຈ່າຍເດີມ.

 

ໃນການວິເຄາະອີກອັນຫນຶ່ງ, ພວກເຂົາເຈົ້າໄດ້ເບິ່ງ electrolyte sulfide ທີ່ເອີ້ນວ່າ LPSCl, ເຊິ່ງປະກອບດ້ວຍ lithium, phosphorus, ແລະ sulfur ທີ່ມີ chlorine ເພີ່ມເລັກນ້ອຍ. ໃນກໍລະນີນີ້, electrode ໃນທາງບວກລວມເອົາອະນຸພາກຂອງວັດສະດຸ electrolyte †"ວິທີການຮັບປະກັນວ່າ lithium ions ສາມາດຊອກຫາເສັ້ນທາງຜ່ານ electrolyte ໄປຫາ electrode ອື່ນໆ. ແນວໃດກໍ່ຕາມ, ອະນຸພາກ electrolyte ທີ່ເພີ່ມແມ່ນບໍ່ເຂົ້າກັນໄດ້ກັບອະນຸພາກອື່ນໆໃນ electrode ໃນທາງບວກ — ບັນຫາການໂຕ້ຕອບອື່ນ. ໃນ​ກໍ​ລະ​ນີ​ນີ້​, ການ​ແກ້​ໄຂ​ມາດ​ຕະ​ຖານ​ແມ່ນ​ການ​ເພີ່ມ "binder​,​" ອຸ​ປະ​ກອນ​ການ​ທີ່​ເຮັດ​ໃຫ້​ອະ​ນຸ​ພາກ​ເຂົ້າ​ກັນ​ໄດ້​.

 

ການວິເຄາະຂອງພວກເຂົາໄດ້ຢືນຢັນວ່າບໍ່ມີສານຜູກມັດ, ການປະຕິບັດແມ່ນບໍ່ດີ, ແລະຄ່າໃຊ້ຈ່າຍຂອງແບດເຕີລີ່ LPSCl ແມ່ນຫຼາຍກ່ວາ $ 500 / kWh. ການເພີ່ມ binder ປັບປຸງປະສິດທິພາບຢ່າງຫຼວງຫຼາຍ, ແລະຄ່າໃຊ້ຈ່າຍຫຼຸດລົງເກືອບ $ 300 / kWh. ໃນກໍລະນີນີ້, ຄ່າໃຊ້ຈ່າຍຂອງການເພີ່ມ binder ໃນລະຫວ່າງການຜະລິດແມ່ນຕໍ່າຫຼາຍ, ດັ່ງນັ້ນ, ຄ່າໃຊ້ຈ່າຍທັງຫມົດຫຼຸດລົງຈາກການເພີ່ມ binder ໄດ້ຖືກຮັບຮູ້. ທີ່ນີ້, ວິທີການປະຕິບັດເພື່ອແກ້ໄຂບັນຫາການໂຕ້ຕອບຈ່າຍອອກໃນຄ່າໃຊ້ຈ່າຍຕ່ໍາ.

 

ນັກຄົ້ນຄວ້າໄດ້ດໍາເນີນການສຶກສາທີ່ຄ້າຍຄືກັນຂອງແບດເຕີລີ່ລັດແຂງທີ່ມີສັນຍາອື່ນໆທີ່ລາຍງານໃນວັນນະຄະດີ, ແລະຜົນໄດ້ຮັບຂອງພວກເຂົາແມ່ນສອດຄ່ອງ: ທາງເລືອກຂອງວັດສະດຸແລະຂະບວນການຂອງແບດເຕີຣີສາມາດສົ່ງຜົນກະທົບບໍ່ພຽງແຕ່ຜົນໄດ້ຮັບໃນໄລຍະສັ້ນໃນຫ້ອງທົດລອງເທົ່ານັ້ນ, ແຕ່ຍັງເປັນໄປໄດ້ແລະຄ່າໃຊ້ຈ່າຍໃນການຜະລິດ. ສະ​ເໜີ​ແບັດ​ເຕີ​ຣີ​ແຂງ​ໃນ​ຂະ​ໜາດ​ທີ່​ຈຳ​ເປັນ​ເພື່ອ​ຕອບ​ສະ​ໜອງ​ຄວາມ​ຕ້ອງ​ການ​ໃນ​ອະ​ນາ​ຄົດ. ຜົນໄດ້ຮັບຍັງສະແດງໃຫ້ເຫັນວ່າການພິຈາລະນາທັງສາມປັດໃຈຮ່ວມກັນ — ຄວາມພ້ອມ, ຄວາມຕ້ອງການການປຸງແຕ່ງ, ແລະປະສິດທິພາບຫມໍ້ໄຟ — ແມ່ນສໍາຄັນເພາະວ່າອາດຈະມີຜົນກະທົບລວມແລະການຄ້າຂາເຂົ້າ.

 

Olivetti ມີຄວາມພູມໃຈໃນຂອບເຂດຂອງຄວາມກັງວົນທີ່ວິທີການຂອງທີມງານສາມາດສືບສວນໄດ້. ແຕ່ນາງເນັ້ນຫນັກວ່າມັນບໍ່ໄດ້ຫມາຍຄວາມວ່າຈະທົດແທນການວັດແທກແບບດັ້ງເດີມທີ່ໃຊ້ເພື່ອແນະນໍາວັດສະດຸແລະການປຸງແຕ່ງທາງເລືອກໃນຫ້ອງທົດລອງ. "ແທນທີ່ຈະ, ມັນຫມາຍຄວາມວ່າຈະເສີມການວັດແທກເຫຼົ່ານີ້ໂດຍການເບິ່ງຢ່າງກວ້າງຂວາງກ່ຽວກັບປະເພດຂອງສິ່ງທີ່ສາມາດເຂົ້າໄປໃນວິທີການຂະຫນາດ", ເປັນຄໍາພິຈາລະນາທີ່ສໍາຄັນທີ່ Huang ເອີ້ນວ່າ "ໂມງ ticking ຮີບດ່ວນ". € ຂອງພະລັງງານສະອາດແລະການປ່ຽນແປງດິນຟ້າອາກາດ.

 

ການຄົ້ນຄວ້ານີ້ໄດ້ຮັບການສະຫນັບສະຫນູນຈາກໂຄງການກອງທຶນແນວພັນຂອງ MIT Energy Initiative (MITEI)ສູນພະລັງງານຄາບອນຕ່ໍາສໍາລັບການເກັບຮັກສາພະລັງງານ; ໂດຍ Shell, ສະມາຊິກກໍ່ຕັ້ງຂອງ MITEI; ແລະໂດຍຫ້ອງການປະສິດທິພາບພະລັງງານ ແລະພະລັງງານທົດແທນຂອງກະຊວງພະລັງງານສະຫະລັດ, ຫ້ອງການເທັກໂນໂລຍີຍານພາຫະນະ, ພາຍໃຕ້ໂຄງການຄົ້ນຄວ້າວັດສະດຸຫມໍ້ໄຟຂັ້ນສູງ. ວຽກງານຂຸດຄົ້ນຂໍ້ຄວາມໄດ້ຮັບການສະຫນັບສະຫນູນຈາກມູນນິທິວິທະຍາສາດແຫ່ງຊາດ, ຫ້ອງການຄົ້ນຄ້ວາກອງທັບເຮືອ, ແລະ MITEI.

 

ບົດຄວາມນີ້ປາກົດຢູ່ໃນລະດູໃບໄມ້ປົ່ງ 2021ສະບັບຂອງ Energy Futures, ວາລະສານຂອງ MIT Energy Initiative.