211service.com
Varför litiumjon kan styra batterier under lång tid framöver
2010 The Regents of University of California, genom Lawrence Berkeley National Laboratory.
Det amerikanska energidepartementet är sjösättning ett stort forskningsarbete för att utveckla en ny generation litiumjonbatterier som till stor del är fria från kobolt, en sällsynt och dyr metall som levereras genom en alltmer oroande leveranskedja .
Det treåriga programmet, en del av en bredare insats att påskynda avancerad fordonsteknik, kan så småningom leda till billigare, mer hållbara konsumentprylar, elbilar och nätlagring.
Materialforskaren Gerd Ceder övervakar ett projekt under forskningsprogrammet vid Lawrence Berkeley National Lab, som syftar till att utveckla oordnade bergsalter som ett alternativt material för katoder, den positiva elektroden i en uppladdningsbar cell. Typiskt kräver katoderna i litiumjonbatterier kobolt för att skapa och behålla en skiktad struktur i elektroden, vilket gör att litiumjoner lätt kan flöda genom den. Men för flera år sedan fann Ceder och hans kollegor att denna nya klass av material kunde lagra mer litium, vilket potentiellt ökar energitätheten samtidigt som man undviker behovet av kobolt helt (se Oordnade material lovar bättre batterier).
Lawrence Berkeley-projektet samt två vid Argonne National Laboratory fick tillsammans 12,5 miljoner dollar från DOE:s fordonsteknologikontor.
I en intervju med MIT Technology Review , diskuterade Ceder utmaningarna för att säkerställa att de nya materialen fungerar som ett drop-in-alternativ för batteritillverkning, anledningarna till att litiumjonteknologi kommer att fortsätta att dominera lagringen under en lång tid framöver – och varför det tar så lång tid för batteritillverkning för att nå marknaden.
Denna intervju har redigerats för utrymme och tydlighet.
Vilka är nästa steg i utvecklingen av denna nya klass av föreningar ?
Det har gått ungefär fyra år nu sedan den första upptäckten av konceptet, och det finns mer än ett dussin föreningar i denna kategori som redan har visat lovande egenskaper. Så det är upptäcktsfasen, där alla går och provar alla typer av olika kemier, som att Lewis och Clark utforskar.
Nästa steg är att vi ska ta några av dessa material som ser lovande ut och se om vi kan lösa alla små problem som måste lösas innan vi faktiskt kan göra en kommersiell produkt.
Kapaciteten för laddning och urladdning måste vara god. Cykellivslängden, som bestämmer batteriets livslängd, måste förbättras.
Och sedan lär sig folk att göra alla typer av bearbetningsknep och ytbehandlingar, och det är så batterier blir bättre och bättre.
Men jag skulle säga att en del av dessa material kommer att gå till nästa steg. Det är förmodligen ett av våra bästa val nu för tiden för katodmaterial med högre energidensitet.
Varför tar det så lång tid att se några laboratorieframsteg inom lagring verkligen komma ut på marknaden?
För att allt ska bli en kommersiell produkt är en lång tjafs, även om du gör upptäckten snabbare. Det är bara en mycket lång väg till materialoptimering, testning, kundacceptans, alla dessa saker. Till den grad att även om jag hade något som fungerade perfekt i labbet idag, skulle du förmodligen ha en sex-till-10-årig slöja.
Någon måste skala upp det. De måste testa det. Sedan måste de ge det vidare till en batteritillverkare, celltillverkare, som kommer att ägna två år åt att testa det och sedan, om de äntligen gillar det, kan de göra en liten produkt av det – något som går till en nischmarknad, eftersom de vill inte ta marknadsrisker med nya produkter.
För några år sedan du sa att solid state-batterier nästan är ett perfekt batteri. Vad tycker du idag?
Jag är fortfarande optimistisk att de är en riktig gamechanger. Och jag tror att den ultimata produkten kan vara så bra, och det motiverar, tycker jag, ansträngningen och strävan mot det. Det kan börja se ut som det perfekta batteriet.
Med det sagt, naturligtvis, under åren sedan dess har vi och andra människor upptäckt alla problem med det som måste lösas. Så jag tycker fortfarande att det är något av det mest lovande för energilagring just nu. Men det är ganska många problem som måste lösas.
Dessa fasta elektrolyter är ofta inte stabila. Och ingen har faktiskt ens kommit på ett bra sätt att tillverka solid-state-batterier.
Du kan göra dem i labbet, och företag kan till och med göra en prototyp, men det bevisar bara att du kan göra det. Det bevisar inte att du kan göra det ekonomiskt.
Många av dessa är tekniska utmaningar, och jag har den här typen av filosofi att ingenjörsutmaningar löses med pengar. Vetenskapliga problem är i en mycket annan kategori. Det är svårt att sätta en tidslinje för uppfinningar.
Men jag är övertygad om att det kommer att hända.
Ett annat område där vi har sett några anmärkningsvärda investeringar i år är nätlagring. Vilka forskningsvägar tycker du är lovande där?
Grid storage är ganska wild card, enligt min mening. På kort sikt ser jag bara att allt är litiumjon. Anledningen är att den är pålitlig och du kan köpa den från pålitliga leverantörer idag.
Du kan ha en filosofisk diskussion om huruvida det är den bästa formen av energilagring för elnätet eller inte. Men om du är PG&E, vem ska du köpa av? Startup XYZ, vem kanske inte är där om tre år, eller ska du köpa från LG Chem, CATL eller Samsung?
Så jag utesluter inte att andra tekniker kan tränga in i nätet, men de bör inte underskatta konkurrensen från den dominerande operatören. Den sittande operatören är alltid ett kraftpaket.
Motargumentet du hör är att det finns gränser för hur billig litiumjon kan bli – och det är inte den perfekta tekniken för de dagar, veckor eller till och med månaders lagring du kan behöva för nätet (se 2,5 biljoner dollar anledningen till att vi inte kan lita på batterier för att rensa upp nätet).
Litiumjon är redan ganska billigt. Alla dessa andra teknologier – även om de på pappret kan ha en låg kostnadsstruktur, måste de fortfarande nå dit. Nystartade företag behöver marknader med högt värde, och nätet är inte en särskilt högvärdig marknad.
Låt oss ta ett extremt exempel - låt oss titta på säsongslagring. Hur mycket är du villig att betala för en kilowattimme som du flyttar från juni till december? Saken måste vara otroligt billig.
Det är inte klart för mig att lösningarna för dessa problem kommer att hittas i klassisk elektrokemilagring. Alla problem bör inte lösas med batterier.