కర్బన ఉద్గారాలను తగ్గించాల్సిన తక్షణ అవసరం రవాణాను విద్యుదీకరించడం మరియు గ్రిడ్‌పై సౌర మరియు పవన శక్తిని విస్తరించడం వైపు వేగంగా అడుగులు వేస్తోంది. ఈ పోకడలు ఊహించిన విధంగా పెరుగుతుంటే, విద్యుత్ శక్తిని నిల్వ చేయడానికి మెరుగైన పద్ధతుల అవసరం తీవ్రమవుతుంది.
వాతావరణ మార్పుల ముప్పును పరిష్కరించడానికి మనకు అన్ని వ్యూహాలు అవసరం అని ఎస్తేర్ మరియు హెరాల్డ్ ఇ. ఎడ్జెర్టన్ వద్ద మెటీరియల్ సైన్స్ మరియు ఇంజనీరింగ్ అసోసియేట్ ప్రొఫెసర్ డాక్టర్ ఎల్సా ఒలివెట్టి చెప్పారు. స్పష్టంగా, గ్రిడ్ ఆధారిత మాస్ స్టోరేజ్ టెక్నాలజీల అభివృద్ధి చాలా కీలకం. కానీ మొబైల్ అప్లికేషన్‌ల కోసం - ముఖ్యంగా రవాణా - చాలా పరిశోధనలు నేటికి అనుగుణంగా ఉంటాయిలిథియం-అయాన్ బ్యాటరీలుసురక్షితంగా, చిన్నగా మరియు వాటి పరిమాణం మరియు బరువు కోసం ఎక్కువ శక్తిని నిల్వ చేయగలగాలి.
సాంప్రదాయ లిథియం-అయాన్ బ్యాటరీలు మెరుగుపరుస్తూనే ఉన్నాయి, అయితే వాటి నిర్మాణం కారణంగా వాటి పరిమితులు అలాగే ఉన్నాయి.లిథియం-అయాన్ బ్యాటరీలు రెండు ఎలక్ట్రోడ్‌లను కలిగి ఉంటాయి, ఒకటి పాజిటివ్ మరియు ఒక నెగటివ్, సేంద్రీయ (కార్బన్-కలిగిన) ద్రవంలో శాండ్‌విచ్ చేయబడతాయి. బ్యాటరీ ఛార్జ్ చేయబడి మరియు విడుదల చేయబడినప్పుడు, చార్జ్ చేయబడిన లిథియం కణాలు (లేదా అయాన్లు) ద్రవ ఎలక్ట్రోలైట్ ద్వారా ఒక ఎలక్ట్రోడ్ నుండి మరొకదానికి పంపబడతాయి.
ఈ డిజైన్‌లో ఒక సమస్య ఏమిటంటే, నిర్దిష్ట వోల్టేజ్‌లు మరియు ఉష్ణోగ్రతల వద్ద, ద్రవ ఎలక్ట్రోలైట్ అస్థిరంగా మారుతుంది మరియు మంటలను ఆర్పుతుంది. బ్యాటరీలు సాధారణంగా సాధారణ ఉపయోగంలో సురక్షితంగా ఉంటాయి, అయితే ప్రమాదం మిగిలి ఉంది, డాక్టర్ కెవిన్ హువాంగ్ Ph.D.'15, Olivetti సమూహంలోని పరిశోధనా శాస్త్రవేత్త చెప్పారు.
మరో సమస్య ఏమిటంటే, లిథియం-అయాన్ బ్యాటరీలు కార్లలో ఉపయోగించడానికి తగినవి కావు. పెద్ద, భారీ బ్యాటరీ ప్యాక్‌లు స్థలాన్ని ఆక్రమిస్తాయి, వాహనం యొక్క మొత్తం బరువును పెంచుతాయి మరియు ఇంధన సామర్థ్యాన్ని తగ్గిస్తాయి. కానీ నేటి లిథియం-అయాన్ బ్యాటరీలను వాటి శక్తి సాంద్రతను కొనసాగించేటప్పుడు వాటిని చిన్నవిగా మరియు తేలికగా చేయడం కష్టమని నిరూపించబడింది - ప్రతి గ్రాము బరువుకు నిల్వ చేయబడిన శక్తి మొత్తం.
ఈ సమస్యలను పరిష్కరించడానికి, పరిశోధకులు ఆల్-సాలిడ్ లేదా సాలిడ్-స్టేట్ వెర్షన్‌ను రూపొందించడానికి లిథియం-అయాన్ బ్యాటరీల యొక్క ముఖ్య లక్షణాలను మారుస్తున్నారు. వారు మధ్యలో ఉన్న ద్రవ ఎలక్ట్రోలైట్‌ను సన్నని ఘన ఎలక్ట్రోలైట్‌తో భర్తీ చేస్తున్నారు, ఇది విస్తృత శ్రేణి వోల్టేజ్‌లు మరియు ఉష్ణోగ్రతలపై స్థిరంగా ఉంటుంది. ఈ ఘన ఎలక్ట్రోలైట్‌తో, వారు అధిక సామర్థ్యం గల సానుకూల ఎలక్ట్రోడ్‌ను మరియు సాధారణ పోరస్ కార్బన్ పొర కంటే చాలా తక్కువ మందంగా ఉండే అధిక-సామర్థ్యం గల లిథియం మెటల్ నెగటివ్ ఎలక్ట్రోడ్‌ను ఉపయోగించారు. ఈ మార్పులు దాని శక్తి నిల్వ సామర్థ్యాన్ని కొనసాగించేటప్పుడు చాలా చిన్న మొత్తం సెల్‌ను అనుమతిస్తాయి, ఫలితంగా అధిక శక్తి సాంద్రత ఏర్పడుతుంది.
ఈ లక్షణాలు - మెరుగైన భద్రత మరియు ఎక్కువ శక్తి సాంద్రత- సంభావ్య సాలిడ్-స్టేట్ బ్యాటరీల యొక్క రెండు సాధారణంగా ప్రచారం చేయబడిన ప్రయోజనాలు, అయినప్పటికీ ఈ విషయాలన్నీ ముందుకు చూసేవి మరియు ఆశించినవి, మరియు తప్పనిసరిగా సాధించలేనివి. అయినప్పటికీ, ఈ అవకాశం చాలా మంది పరిశోధకులు ఈ వాగ్దానాన్ని బట్వాడా చేసే పదార్థాలు మరియు డిజైన్‌లను కనుగొనడానికి ప్రయత్నిస్తున్నారు.
ప్రయోగశాలకు మించి ఆలోచిస్తున్నారు
పరిశోధకులు ప్రయోగశాలలో ఆశాజనకంగా కనిపించే అనేక చమత్కార దృశ్యాలతో ముందుకు వచ్చారు. కానీ ఒలివెట్టి మరియు హువాంగ్ వాతావరణ మార్పు సవాలు యొక్క ఆవశ్యకత కారణంగా, అదనపు ఆచరణాత్మక పరిశీలనలు ముఖ్యమైనవి కావచ్చని నమ్ముతారు. సాధ్యమయ్యే పదార్థాలు మరియు ప్రక్రియలను అంచనా వేయడానికి మేము పరిశోధకులు ఎల్లప్పుడూ ప్రయోగశాలలో కొలమానాలను కలిగి ఉన్నాము, ఒలివెట్టి చెప్పారు. ఉదాహరణలలో శక్తి నిల్వ సామర్థ్యం మరియు ఛార్జ్/డిచ్ఛార్జ్ రేట్లు ఉండవచ్చు. కానీ లక్ష్యం అమలు అయితే, వేగవంతమైన స్కేలింగ్ సంభావ్యతను ప్రత్యేకంగా పరిష్కరించే కొలమానాలను జోడించమని మేము సూచిస్తున్నాము.
మెటీరియల్స్ మరియు లభ్యత
ఘన అకర్బన ఎలక్ట్రోలైట్ల ప్రపంచంలో, రెండు ప్రధాన రకాల పదార్థాలు ఉన్నాయి - ఆక్సిజన్ కలిగిన ఆక్సైడ్లు మరియు సల్ఫర్ కలిగిన సల్ఫైడ్లు. టిన్ మరియు నియోబియం యొక్క మైనింగ్ యొక్క ఉప-ఉత్పత్తిగా టాంటాలమ్ ఉత్పత్తి అవుతుంది. టిన్ మరియు నియోబియం త్రవ్వకాల సమయంలో జెర్మేనియం కంటే టాంటాలమ్ ఉత్పత్తి సంభావ్య గరిష్ట స్థాయికి దగ్గరగా ఉందని చారిత్రక డేటా చూపిస్తుంది. అందువల్ల టాంటాలమ్ లభ్యత అనేది LLZO-ఆధారిత కణాల యొక్క స్కేలింగ్‌కు మరింత ఆందోళన కలిగిస్తుంది.
అయితే, భూమిలో ఒక మూలకం యొక్క లభ్యత తెలుసుకోవడం తయారీదారుల చేతుల్లోకి రావడానికి అవసరమైన దశలను పరిష్కరించదు. మైనింగ్, ప్రాసెసింగ్, రిఫైనింగ్, ట్రాన్స్‌పోర్టింగ్ మొదలైన కీలక అంశాల సరఫరా గొలుసు గురించి పరిశోధకులు తదుపరి ప్రశ్నను పరిశోధించారు. సమృద్ధిగా సరఫరా ఉందని ఊహిస్తే, ఈ మెటీరియల్‌లను డెలివరీ చేయడానికి సరఫరా గొలుసును వృద్ధికి అనుగుణంగా త్వరగా విస్తరించవచ్చు. బ్యాటరీలకు డిమాండ్?
నమూనా విశ్లేషణలో, వారు అంచనా వేసిన 2030 ఫ్లీట్ ఎలక్ట్రిక్ వాహనాల కోసం బ్యాటరీలను అందించడానికి జెర్మేనియం మరియు టాంటాలమ్‌ల సరఫరా గొలుసు సంవత్సరానికి ఎంత పెరగాలి అనే విషయాన్ని పరిశీలించారు. ఉదాహరణకు, ఎలక్ట్రిక్ వాహనాల సముదాయం, తరచుగా 2030కి లక్ష్యంగా పేర్కొనబడింది, మొత్తం 100 గిగావాట్ గంటల శక్తిని అందించడానికి తగినంత బ్యాటరీలను ఉత్పత్తి చేయాల్సి ఉంటుంది. ఈ లక్ష్యాన్ని సాధించడానికి, LGPS బ్యాటరీలను మాత్రమే ఉపయోగించి, జెర్మేనియం సరఫరా గొలుసు సంవత్సరానికి 50% వృద్ధి చెందాలి - ఒక సాగినది, గరిష్ఠ వృద్ధి రేటు గతంలో 7% ఉంది. LLZO సెల్‌లను మాత్రమే ఉపయోగిస్తే, టాంటాలమ్ కోసం సరఫరా గొలుసు దాదాపు 30% పెరగాలి - ఇది చారిత్రక గరిష్ట స్థాయి 10% కంటే ఎక్కువగా ఉంటుంది.
ఈ ఉదాహరణలు వివిధ ఘన ఎలక్ట్రోలైట్ల స్కేలింగ్-అప్ సామర్థ్యాన్ని అంచనా వేసేటప్పుడు మెటీరియల్ లభ్యత మరియు సరఫరా గొలుసును పరిగణనలోకి తీసుకోవడం యొక్క ప్రాముఖ్యతను చూపుతాయి, హువాంగ్ చెప్పారు: జెర్మేనియం విషయంలో వలె, పదార్థం యొక్క పరిమాణం సమస్య కానప్పటికీ, అన్నింటినీ స్కేలింగ్ చేస్తుంది. భవిష్యత్తులో ఎలక్ట్రిక్ వాహనాల ఉత్పత్తికి సరిపోయేలా సరఫరా గొలుసులోని దశలకు వాస్తవంగా అపూర్వమైన వృద్ధి రేటు అవసరం కావచ్చు.
మెటీరియల్స్ మరియు ప్రాసెసింగ్
బ్యాటరీ డిజైన్ యొక్క స్కేలబిలిటీ సామర్థ్యాన్ని అంచనా వేసేటప్పుడు పరిగణించవలసిన మరో అంశం ఏమిటంటే, తయారీ ప్రక్రియ యొక్క కష్టం మరియు అది ఖర్చుపై చూపే ప్రభావం. సాలిడ్-స్టేట్ బ్యాటరీ తయారీలో అనివార్యంగా అనేక దశలు ఉన్నాయి మరియు ఏదైనా దశ వైఫల్యం విజయవంతంగా ఉత్పత్తి చేయబడిన ప్రతి సెల్ ధరను పెంచుతుంది.
తయారీ కష్టానికి ప్రాక్సీగా, ఒలివెట్టి, సెడర్ మరియు హువాంగ్ తమ డేటాబేస్‌లో ఎంచుకున్న ఘన-స్థితి బ్యాటరీ డిజైన్‌ల మొత్తం ధరపై వైఫల్యం రేటు ప్రభావాన్ని అన్వేషించారు. ఒక ఉదాహరణలో, వారు ఆక్సైడ్ LLZO పై దృష్టి పెట్టారు. LLZO చాలా పెళుసుగా ఉంటుంది మరియు అధిక పనితీరు గల సాలిడ్ స్టేట్ బ్యాటరీలలో ఉపయోగించేంత సన్నగా ఉండే పెద్ద షీట్‌లు తయారీ ప్రక్రియలో ఉన్న అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద పగుళ్లు లేదా వార్ప్ అయ్యే అవకాశం ఉంది.
అటువంటి వైఫల్యాల యొక్క వ్యయ ప్రభావాలను నిర్ణయించడానికి, వారు LLZO కణాలను సమీకరించడంలో ఉన్న నాలుగు కీలక ప్రాసెసింగ్ దశలను అనుకరించారు. ప్రతి దశలో, వారు ఊహించిన దిగుబడి ఆధారంగా ఖర్చును లెక్కించారు, అంటే వైఫల్యం లేకుండా విజయవంతంగా ప్రాసెస్ చేయబడిన మొత్తం కణాల నిష్పత్తి. LLZO కోసం, వారు అధ్యయనం చేసిన ఇతర డిజైన్‌ల కంటే దిగుబడి చాలా తక్కువగా ఉంది; అంతేకాకుండా, దిగుబడి తగ్గడంతో, సెల్ శక్తికి కిలోవాట్-గంట (kWh) ఖర్చు గణనీయంగా పెరిగింది. ఉదాహరణకు, చివరి కాథోడ్ హీటింగ్ స్టెప్‌కి 5% ఎక్కువ సెల్‌లు జోడించబడినప్పుడు, ధర సుమారు $30/kWh పెరిగింది - అటువంటి సెల్‌ల కోసం సాధారణంగా ఆమోదించబడిన లక్ష్య ధర $100/kWh అని పరిగణనలోకి తీసుకుంటే ఒక అతితక్కువ మార్పు. స్పష్టంగా, తయారీ కష్టాలు డిజైన్‌ను పెద్ద ఎత్తున స్వీకరించే సాధ్యాసాధ్యాలపై తీవ్ర ప్రభావం చూపుతాయి.
పోస్ట్ సమయం: సెప్టెంబర్-09-2022