Mga solid-state na baterya: sa loob ng karera upang baguhin ang agham ng mga de-kuryenteng sasakyan | Mga de-kuryenteng sasakyan

Mga de-kuryenteng sasakyan

Nangangako sila ng mas maraming enerhiya at isang napakahusay na hanay para sa mga driver ng EV. Ngunit maaari ba silang maghatid sa hype?

Ang pagtatrabaho sa tuyong silid sa Battery Research and Innovation Hub ng Deakin University ay walang araw sa beach.

“[It’s] mas maraming disyerto kaysa sa tabing-dagat,” sabi ng pangkalahatang tagapamahala nitong si Dr Timothy Khoo. “Sa beach, kahit papaano ay nakukuha mo pa rin ang moisture na pumapasok.”

Ang 150m² Ang dry room ay, sa pagkakaalam ni Khoo, ang pinakamalaki sa Australia para sa mga layunin ng pananaliksik at mahalaga sa paggawa ng prototyping at pagsubok sa susunod na henerasyon ng mga baterya.

“Napakahirap magtrabaho doon sa mahabang panahon,” sabi ni Khoo. “Hindi ito mapanganib ngunit ang iyong mga mata ay nagsisimulang matuyo, ang iyong balat ay nagsisimulang matuyo at parang nasa labas ka sa araw sa buong tag-araw.”

Ang silid ay dapat na tuyo dahil ang tubig, kahalumigmigan at halumigmig ay nakamamatay sa isang baterya sa panahon ng produksyon. Ang kontaminasyon, sabi ni Khoo, ay nangangahulugang maaaring hindi ito gumana o makompromiso ang pagganap nito.

Depende sa mga materyales, ang pinakamasamang sitwasyon ay maaari ding maging mapanganib.

“Hindi maganda ang reaksyon ng Lithium sa tubig,” sabi ni Khoo. “Hindi ko alam kung naka-high school ka na ba sa agham ngunit ito ay nasa parehong uri ng kemikal na kategorya gaya ng sodium, potassium – kung naitapon mo na ang sodium sa tubig, ito ay sumasabog. Ito ay isang katulad na reaksyon sa konteksto ng lithium metal.

Ang sentro ay gumagawa ng isang mabilis na negosyo, habang ang mga kumpanya ay naghahabol sa pagbuo ng susunod na henerasyon ng teknolohiya ng baterya.

Karamihan ay magiging pamilyar sa lithium-ion na baterya, na unang ginawa ng Sony noong 1990s upang palakasin ang mga portable music player nito. Mula sa mga simpleng simulang ito, ang rechargeable na baterya ng lithium-ion ay hari na ngayon, na nagpapagana sa mga mobile phone, laptop at – sa kanilang pinaka-mataas na pagganap na application – mga de-kuryenteng sasakyan.

Isa Pagsusuri ng McKinsey nagmumungkahi na ang pandaigdigang merkado ng baterya ng lithium-ion ay lalago sa isang $400bn na industriya sa 2030. Ngunit sa teknolohiyang lithium-ion na lubos na nauunawaan, ang mga naghahanap ng pagbabago sa pagbabago ay lalong tumitingin sa mga solid-state na baterya.

Hype at pag-asa

Sinabi ni Dr Rory McNulty, isang senior analyst na may Benchmark Minerals Intelligence, na ang hype sa paligid ng mga solid-state na baterya ay nabuo mula noong ang unang komersyal na solid-state na baterya ay ipinakilala ng kumpanyang Pranses na Blue Solutions noong 2015.

Ang kanilang baterya ay idinisenyo para sa paggamit sa mga e-bus ngunit may mga limitasyon sa disenyo at isang oras ng pagsingil ng apat o higit pang oras – isang paglalarawan kung gaano kahirap ang proseso ng pag-develop, kahit na para sa isang kumpanya tulad ng Toyota.

Noong nakaraang Hulyo, inihayag ng pandaigdigang higanteng kotse ang isang pambihirang tagumpay sa pagbuo ng mga solid-state na baterya na inaangkin nito na mababawas sa kalahati ang laki, timbang at gastos ng kanilang paggawa.

Sinalubong ito ng parehong pananabik at pag-aalinlangan, dahil sa bahagi ng Toyota na nagbuhos ng pera sa pagbuo ng mga solid-state na baterya mula noong 2006 at pag-aatubili na gumawa ng ganap na mga de-kuryenteng sasakyan sa nakalipas na dekada.

Ang pag-unlad na ito ay sinundan sa lalong madaling panahon ng isa pa noong Oktubre: Toyota at Japanese petroleum company na Idemitsu said nilalayon nilang bumuo at gumawa ng solid-state electrolyte at dalhin ito sa merkado sa 2028.

Ang Toyota ay hindi lamang ang kumpanyang nagtatrabaho sa lugar. Noong Enero, inihayag ng Volkswagen ang matagumpay na pagsubok sa isang solid-state na baterya na binuo ng QuantumScape na nakamit ang higit sa 1,000 cycle ng pag-charge at napanatili ang 95% ng kapasidad nito.

Samantala, ang mga kumpanyang Tsino tulad ng WeLion at Nio EV ay nakipagsosyo upang magmadaling maglabas ng solid-state na baterya – kahit na may mas kaunting ambisyosong chemistry – pagsapit ng 2024 ngunit sinabi ni McNulty na ang mga nasa kanlurang bansa ay kailangang maghintay hanggang sa katapusan ng dekada.

“Ang Toyota ay itinulak pabalik ang solid-state na timeline ng paghahatid nito nang ilang beses sa paglipas ng mga taon, na sa palagay ko ay isang testamento sa kung gaano kahirap ang ilan sa mga teknikal na hamon na nagpapatibay sa pagbuo ng isang nobelang teknolohiya,” sabi niya.

Mechanics ng baterya

Ang pangunahing pangako ng mga solid-state na baterya ay mas maraming enerhiya na nabuo ng isang mas maliit na baterya. Ang mga pagsisikap na paunlarin ang teknolohiya ay nagsagawa ng ilang mga diskarte ngunit sinabi ni Khoo na ang malaking atensyon ng publiko ay nakatuon sa dalawang materyales: silikon at lithium-metal.

“Silicon-based anodes, ang mga ito ay medyo mas advanced sa mga tuntunin ng kanilang teknolohikal na kahandaan kaysa sa lithium-metal na uri ng mga baterya,” sabi niya. “Puro mula sa isang pang-agham o engineering na pananaw, naniniwala ako na ang mga baterya ng lithium-metal ay medyo mas rebolusyonaryo.

“Iyon ay, kung mapapatrabaho sila ng mga tao.”

Sa pangkalahatan, mayroong tatlong sangkap na gumagawa ng isang baterya: isang katod, isang anode at isang electrolyte. Mula sa pananaw na siyentipiko o inhinyero, sabi ni Khoo, ang anode, na karaniwang kilala bilang “negatibong” bahagi ng isang baterya, ay naglalabas ng mga electron sa isang circuit; ang positibong bahagi, ang katod, ay tumatanggap ng mga papasok na electron. Ang electrolyte ay nagpapahintulot sa mga ion na lumipat sa pagitan nila.

Ang pakikipag-ugnayan ng mga sangkap na ito ay nagbibigay sa isang baterya ng “densidad ng enerhiya” nito – ang dami ng enerhiya na maaari nitong hawakan, na nauugnay sa timbang nito. Ang mas mataas na density ng mga baterya ay may mas maraming singil, na ginagawang angkop ang mga ito sa mga bagay tulad ng mga de-kuryenteng sasakyan.

Hindi tulad ng kasalukuyang mga baterya ng lithium-ion, na gumagamit ng graphite-silicon anode na may likidong electrolyte, ang mga solid-state na baterya – gaya ng ipinahihiwatig ng pangalan – ay pinapalitan ang likido para sa isang solidong materyal.

Lumilikha ito ng mas ligtas na baterya dahil walang panganib na tumagas ang likido kung mabutas ang pambalot, tulad ng sa isang aksidente sa sasakyan, at mababawasan ang pagkakataon ng sunog sa lithium. Higit sa lahat para sa mga driver ng EV, nangangako ito ng napakalaking pinabuting hanay.

Ngunit para sa lahat ng hype, ang pagbuo ng mga solid-state na baterya ay pinipigilan ng anode.

Dendrites at pag-unlad

Sa ilang mga pagkakaiba-iba doon, ang lithium-metal anode solid-state na mga baterya ay nakatanggap ng malaking atensyon bilang isang potensyal na high-performance na teknolohiya ng baterya sa hinaharap.

Ang paghuli? Ang pagbuo ng mga ito ay nagkaroon ng problema na kilala bilang “dendrites”.

Ang mga dendrite ay nabubuo kapag ang mga lithium-ion ay “naglalagay” sa purong metal anode, na nag-iiwan ng maliliit na spurs sa ibabaw.

Sinabi ni Lee Finniear, ang punong ehekutibo ng Li-S Energy at isang founding director ng Advanced Materials and Battery Council, na habang lumalaki ang mga di-kasakdalan na ito sa paglipas ng panahon, kumikilos sila “tulad ng mataas na punto sa isang gusali sa isang pangunahing lungsod sa panahon ng pagtama ng kidlat. .”

“Sinisikap ng mga lithium-ion na hanapin ang pinakamaikling landas patungo sa anode,” sabi niya. “Kung makakakuha ka ng anumang pagkakaiba-iba o anumang uri ng mataas na punto sa anode, ito ay may posibilidad na makaakit ng higit pang mga ion, na pagkatapos ay magiging lithium, na nagpapataas ng mataas na punto.”

Depende sa kung gaano kalaki ang mga dendrite na ito, maaari nilang mabutas ang materyal na naghihiwalay sa anode mula sa cathode at maging sanhi ng short-circuit.

“At pinapatay nito ang baterya,” sabi niya.

Mayroon ding iba pang mga hamon ngunit maaaring maging mahirap ang paglutas ng mga problemang ito – at magastos – kaya naman mas pinili ng iba na magtrabaho sa mga silicon-anodes, na umaasa sa isang katulad na materyal sa ginamit sa mga photovoltaic solar panel.

Dahil ito ay lubos na konduktibo, iniisip na mas maraming silikon na ginagamit sa isang anode, mas mapapabuti ang pagganap nito.

Ang mga silicone anodes ay kumikilos tulad ng isang espongha na nagbababad sa tubig, lumalawak at kumukunot sa bawat ikot ng pagsingil. Ang pagdaragdag ng higit pang silikon ay nagpapataas kung gaano lumalawak ang anode at ang isang purong silikon na anode ay maaaring lumawak nang hanggang apat na beses ang laki nito.

Kung walang interbensyon, ang anode ay tuluyang madudurog mismo.

Ang isang pag-aayos ay nagsasangkot ng pagbubuo ng silikon sa isang espesyal na paraan, ang isa pa ay ang paghahanap ng mga additives upang baguhin ang pag-uugali nito.

Posibleng lutasin ang mga problemang ito ngunit nananatiling mahirap gawin ang mga bateryang ito na pangkomersyo para magamit sa mga EV.

Bilang mga teknolohiya sa hinaharap, ang mga linya ng pagmamanupaktura ay kailangang muling itayo at malutas ang mga isyu sa supply chain, lalo na’t walang sinuman ang kasalukuyang gumagawa ng sapat na purong lithium-metal foil upang matustusan ang mga tagagawa ng baterya ng kotse.

Ang anumang pambihirang tagumpay na tumutugon sa mga problemang ito at nagpapababa sa gastos ng produksyon para sa mga solid-state na baterya ay magiging rebolusyonaryo ngunit ang Toyota ay hanggang ngayon ay naiinis tungkol sa mga materyales na ginagamit nito sa mga anod nito.

Nang tanungin, sinabi ng isang tagapagsalita ng Toyota Australia na hindi nila ito maisisiwalat dahil ang “research and development ay ginagawa ng kanyang parent company”.

Anuman ang kaso, ang mga numero ng industriya ay pribadong nagsasabi na ito ay pinakamahusay na ipagpalagay na ang kumpanya ay hinahabol ang “lahat”.

“Nakalimutan ng mga tao na pinag-uusapan natin ang tungkol sa agham dito,” sabi ni Finniear. “Pinag-uusapan natin ang tungkol sa panghihikayat sa mga electron at ions at kemikal na gawin kung ano ang sinabi sa kanila; hindi ito software development, hindi ito isang bagay na maaari mong i-program sa iyong paraan.

“Ang mga tagumpay na ito ay talagang mahalaga ngunit nangangailangan sila ng maraming trabaho.”