Werken om elektrische voertuigen van niche naar massamarkt te rijden

Werken om elektrische voertuigen van niche naar massamarkt te rijden

Anonim

door Julie Chao, Lawrence Berkeley National Laboratory

Image

Met verschillende nieuwe modellen elektrische voertuigen die dit jaar op de markt komen en volgend jaar meer, ligt het doel van president Obama om tegen 2015 1 miljoen EV's op de Amerikaanse wegen te plaatsen verleidelijk binnen handbereik. Maar wat is er nodig om dat aantal te bereiken tot 10 miljoen of zelfs 100 miljoen in 20 jaar?

Het antwoord: batterijen hebben aanzienlijke verbeteringen nodig. Concreet moeten ze goedkoper, veiliger zijn, langer meegaan en een hogere energie hebben. Het batterijonderzoeksteam van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), erkend als een van de beste in het land, houdt zich bezig met risicovol onderzoek met hoge opbrengsten op elk van die vier gebieden, waarbij wordt gestreefd naar technologische doorbraken en incrementele voorschotten. Hun werk zou kunnen helpen bij de transformatie van de voertuigindustrie en EV's net zo gewoon maken als laptops en mobiele telefoons voor Amerikaanse consumenten.

"Ik denk dat met incrementele verbeteringen in batterijen, technische vooruitgang in de auto en steun van de overheid, dit allemaal dingen zijn die het mogelijk maken", zegt Marca Doeff, wetenschapper bij Berkeley Lab. "En er is veel enthousiasme onder de bevolking als geheel, dus ik denk dat het gaat gebeuren."

Het is inderdaad een hoogtijdagen voor batterijen. In de afgelopen drie jaar heeft de batterijgroep van Berkeley Lab 24 onderzoekers aangenomen en het budget voor het BATT-programma (Department of Energy), dat wordt beheerd door Berkeley Lab, is vier jaar geleden gegroeid van $ 5 miljoen tot $ 16 miljoen dit jaar. Meer recentelijk maakte het accuteam van Berkeley Lab deel uit van twee miljoenenprijzen van DOE's Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E), gefinancierd met geld van de Recovery Act. Ten eerste werkt het Lab samen met Applied Materials, Inc. uit Santa Clara, Californië, dat $ 4, 4 miljoen kreeg om ultra-energie-efficiënte, goedkope lithium-ionbatterijen te ontwikkelen met behulp van een nieuw productieproces. In het tweede geval werkt het Lab samen met Sion Power Corp. uit Tucson, Arizona, dat $ 5 miljoen ontving om high-energy lithium-zwavelbatterijen voor elektrische voertuigen te ontwikkelen.

“De overheid heeft miljarden dollars gegeven [in leningen en subsidies met een lage rente], venture capitalists gooien geld en kijken naar het aantal startups van batterijen in de afgelopen jaren. Het is gegaan van twee of drie naar tientallen ”, zegt Venkat Srinivasan, batterijwetenschapper van Berkeley Lab en leider van de waarnemingsgroep van de Electrochemical Technologies Group. "Het mooie van de boom is dat er veel innovatie zal zijn."

Batterijontwerp: The Art of Trade-offs

Toch verwacht niemand een soepele weg naar 100 miljoen EV's. Batterijen zijn complexe elektrochemische systemen met sommige processen die zelfs wetenschappers niet helemaal begrijpen. De gewenste chemische reacties gaan gepaard met ongewenste nevenreacties die moeten worden gecontroleerd. De lijn tussen een krachtige, stabiele batterij en een krachtige, onstabiele batterij is vaak dun.

“Enerzijds zou je met je auto 300 kilometer willen rijden met een enkele lading. Aan de andere kant moet je je realiseren dat je op een energiebron met een hoge dichtheid zit ', zegt wetenschapper Robert Kostecki, die 15 jaar aan batterijen heeft gewerkt en tevens adjunct-directeur is van de afdeling Environmental Energy Technologies van Berkeley Lab. "Hoe meer energie je verpakt in een klein volume of een kleine massa, hoe gevaarlijker je kunt verwachten."

Bij het maken van een batterij draait het allemaal om afwegingen. Srinivasan maakt gebruik van een spider-diagram (zie onderstaande afbeelding) om te laten zien hoe de huidige lithium-ionbatterijen zich verhouden tot de DOE-doelen voor de FreedomCAR, een plug-in hybride elektrisch voertuig (PHEV) met een bereik van 40 mijl en een levensduur van 15 km jaar. "Het is als een string", zegt Srinivasan. "Je trekt aan het ene uiteinde, je gaat iets aan het andere uiteinde doen." Bijvoorbeeld om de energiedichtheid te verhogen, neemt de levensduur van de batterij meestal af of kan de batterij veiliger worden gemaakt, maar dan de energiedichtheid zal lager zijn.

Image

Bij Berkeley Lab ligt de nadruk op lithium-ionbatterijen, die voor het eerst in 1991 in de handel werden gebracht en nog steeds worden beschouwd als de beste optie op korte termijn voor transport. Een "lithium-ion" -batterij kan in feite verwijzen naar verschillende chemiebedrijven en het batterijteam van Berkeley Lab onderzoekt er een aantal. Welke de uiteindelijke winnaar zal zijn, is nog niet duidelijk, en er kan geen enkele winnaar zijn omdat verschillende toepassingen verschillende vereisten hebben. Terwijl nieuwere alternatieven zoals lithium-zwavel en lithium-lucht veel beloven, zullen ze technologische doorbraken vereisen voordat ze een realiteit worden.

Een deel van de motivatie om batterij-innovatie snel op gang te brengen, is om de batterijproductie terug te brengen naar de Verenigde Staten. De productie van lithium-ionbatterijen, meestal voor mobiele telefoons en andere draagbare elektronica, verhuisde bijna 20 jaar geleden naar Azië, met name China, Japan en Zuid-Korea. “China en Japan hebben 15 jaar ervaring opgedaan in de kunst van het maken van een batterij. Hoe versla je dat? ”Zegt Srinivasan. "Je moet een wetenschappelijke manier bedenken om dit probleem aan te pakken."

De sleutel tot het verlengen van het leven

In principe zijn batterijen samengesteld uit een positief geladen kathode, een negatief geladen anode en een elektrolytoplossing die geladen ionen tussen de twee draagt. Als batterijen leeg raken, kunnen ze dat om een ​​aantal redenen doen. In grote lijnen vallen de oorzaken in twee categorieën: mechanische degradatie en chemische degradatie. “Het is heel moeilijk om batterijstoring te voorspellen. We kunnen het niet simuleren ', zegt Srinivasan. “Berkeley probeert een batterijsimulator te krijgen door de basisbeginselen te begrijpen van hoe batterijen falen.

Het Berkeley-team hanteert ook een fundamentele wetenschappelijke benadering van de chemische afbraak door de beschermende laag te bestuderen die zich vormt op het raakvlak tussen de elektrode en de elektrolyt - de vaste elektrolytinterface of SEI. De SEI is een van de belangrijkste componenten die de functie van een Li-ionbatterij mogelijk maken.

Stabilisatie van de elektrode / elektrolytinterface is vastgesteld als cruciaal voor het verlengen van de levensduur van een batterij. De SEI remt de spontane ontleding van de elektrolyt - meestal aan de anode. "Helaas begrijpen we niet volledig hoe deze laag wordt gevormd en functioneert en waarvan het is gemaakt", zegt Kostecki. "Het ontsnapt nog steeds aan onze beste instrumentele technieken en experimentele methoden."

Hoewel batterijen voor mobiele telefoons en persoonlijke elektronica naar verwachting niet veel langer dan twee jaar zullen werken, moeten batterijen voor auto's minstens 10, zo niet 15 jaar meegaan. "Het is geen eenvoudige technische extrapolatie om de levensduur te verlengen van twee jaar tot 15 jaar", zegt Kostecki. “Het is een enorme uitdaging. Je moet de omvang van de schadelijke neveneffecten in batterijen met een orde van grootte verminderen. ”

De SEI is een primaire focus van onderzoek voor batterijwetenschappers van Berkeley Lab. Het team brengt zijn kracht in diagnostiek en modellering naar het probleem om te detecteren en begrijpen wat er gebeurt op micro-, nano- en moleculaire niveaus terwijl de SEI wordt gevormd, de kritieke processen identificeren en deze vervolgens koppelen aan de algehele prestaties van de batterij.

Kosten verminderen

Een andere vereiste om een ​​aanzienlijk aantal elektrische voertuigen op de weg te krijgen, zijn goedkopere batterijen. De lithium-ionbatterijen van vandaag kosten ongeveer $ 1.000 / kilowattuur. Het doel van de DOE is om dat te verlagen tot $ 150 / kWh, wat een batterij veronderstelt voor een volledig elektrisch voertuig dat kan vervangen wat de meeste mensen vandaag rijden, wat een bereik van bijna 300 mijl betekent. "Het wordt heel moeilijk om dat doel te bereiken, " erkent Doeff en voegt eraan toe: "Het is waar dat we de kosten omlaag moeten brengen, maar ik weet niet of we het zover moeten krijgen."

Afhankelijk van of de batterij voor een volledig elektrisch voertuig, een PHEV of een HEV is (hybride elektrisch voertuig, zoals de meeste Toyota Priuses op de weg vandaag, die slechts een paar mijl op zijn batterij kan gaan), zouden de vereisten anders zijn . Doeff en Tom Richardson werken voornamelijk aan het vinden van geschikte materialen voor de kathode, een van de duurste onderdelen van een batterij, samen met de separator en de elektrolytoplossing.

Het meest voorkomende kathodemateriaal in lithium-ionbatterijen is lithium-kobaltoxide. Kobalt kan echter erg duur zijn en komt ook vaak uit landen die niet politiek stabiel zijn. "Het komt erop neer dat we kobalt moeten verwijderen om de prijzen te verlagen", zegt Doeff.

Andere kathodematerialen die worden bekeken, zijn onder andere lithiumijzerfosfaat, wat aantrekkelijk is omdat het een goede hoeveelheid vermogen levert en ijzer goedkoop is, maar de energiedichtheid is inferieur. Het wordt momenteel gebruikt in elektrisch gereedschap en is een van de beste keuzes voor hybriden en PHEV's waarbij vermogen (versnelling) meer zorg baart dan energie (bereik). De uitdaging is om er meer energie uit te halen.

Een andere optie is lithium-mangaanoxide-spinel, voordelig omdat mangaan goedkoop is, hoewel het ook een lagere energiedichtheid heeft. Doeff kijkt ook naar titanium en aluminium als vervangers voor kobalt.

De grondstoffen zijn goed voor ongeveer 60 procent van de kosten van een batterij. De resterende 40 procent gaat naar de productie, een complex proces dat maar liefst 50 tot 60 stappen kan omvatten. Het verlagen van de productiekosten vereist fundamentele innovaties in de manier waarop batterijen worden gemaakt. Het is een gebied dat rijp is voor verandering, aangezien het batterijproductieproces niet veel is geëvolueerd sinds de voltaïsche stapel 210 jaar geleden werd uitgevonden.

“We hebben materiaalwetenschappers die eenentwintigste-eeuwse wetenschap ontwikkelen. Maar als je kijkt naar de manier waarop batterijen tegenwoordig worden vervaardigd, is dat niet veel anders dan het oorspronkelijke ontwerp dat [Alessandro] Volta in de negentiende eeuw gebruikte, 'zegt Kostecki. “Die discrepantie tussen de innovatie van state-of-the-art elektrodematerialen en simplistische fabricagemethoden is tegenwoordig een van de beperkende factoren voor lithium-ionbatterijen. Productieprocedures zijn momenteel grotendeels gebaseerd op vallen en opstaan. Bijgevolg worden de eigenschappen van het elektrodemateriaal ernstig aangetast door een slecht ontwerp van de batterijelektrode. ”

Grafiet is bijvoorbeeld het state-of-the-art materiaal dat wordt gebruikt in de anoden van de overgrote meerderheid van lithium-ionbatterijen. Lithiumionen kunnen alleen in grafiet reizen tussen de grafeenlagen, maar ze kunnen niet over deze gelaagde structuur bewegen. Evenzo wordt de elektriciteit alleen geleid binnen het vlak van de lagen. Grafietkoolstoffen voor Li-ionbatterijtoepassingen zijn echter niet ontworpen om deze eigenschappen volledig te benutten.

"De empirische manier waarop het vandaag wordt gedaan, is dat batterijbedrijven contact opnemen met de grafietfabrikant, alle vormen van grafiet proberen die op de markt verkrijgbaar zijn en vervolgens een aantal geselecteerde en kiezen", zegt Kostecki. “Door een meer rationele benadering te gebruiken om de structuur van grafiet te ontwerpen, zouden elektroden beter presteren. Ik geloof dat materiaalwetenschappers die werken aan de volgende generatie elektrodematerialen moeten samenwerken met ingenieurs die de batterij-elektroden en cellen rationeel kunnen ontwerpen, in plaats van deze twee functies te scheiden, zoals ze nu zijn. Het is een kans voor Berkeley Lab om al onze middelen te combineren en dit probleem op een gecoördineerde, holistische manier te benaderen. ”

Ervoor zorgen dat batterijen veilig blijven

Een andere belangrijke prioriteit voor batterijonderzoekers van Berkeley Lab is veiligheid, wat een probleem is geweest bij laptops en andere consumentenapparatuur. "Lithiumbatterijen gaan af en toe in vlammen op", zegt Richardson. “Het is vrij zeldzaam, maar als ze eenmaal branden, is het moeilijk om ze te laten stoppen. En er zijn toxiciteitsproblemen. "

Juist de voordelen van lithiumbatterijen - klein van formaat en hoog in energie - maken ze potentieel gevaarlijk. Verschillende factoren kunnen ervoor zorgen dat een lithiumbatterij explodeert, zoals overladen, fabricagefouten en fysieke veranderingen aan de batterij. Hoewel de kans dat een batterij uitbarst erg klein is, heeft een elektrisch voertuig waarschijnlijk honderden in een serie, met stroom die door elke batterij loopt. Als de capaciteit van een cel kleiner is dan die van de andere, wordt deze overladen, wat mogelijk tot thermische vluchtelingen leidt. Om dit aan te pakken, kan ofwel de stroom worden omgeleid rond de cel, wat gewicht en volume toevoegt, of de array kan zo worden ontworpen dat deze gewoon stopt met opladen, wat het bereik zou beperken.

Berkeley Lab ontwikkelt een interne zelfactiverende overbelastingsbeveiliging die het gewicht of volume van de cel noch de complexiteit van de productie aanzienlijk zou verhogen. Om dit te doen, kijken Richardson en Guoying Chen naar elektroactieve polymeren, een klasse polymeren met unieke eigenschappen. "Het polymeer wordt geoxideerd wanneer de cel wordt overladen en gaat van elektrisch isolerend naar geleidend", legt Chen uit. "Dus genereert het een kortsluiting in de cel, tussen de anode en de kathode, wat betekent dat er geen netto stroom naar de elektrode gaat en dus voorkomt dat de cel overladen wordt."

Tot nu toe hebben ze aangetoond dat het concept goed werkt met verschillende polymeren, maar ook met verschillende kathoden en anoden. "En het is ook omkeerbaar, dus als je stopt met overladen, wordt het polymeer weer resistent, " voegt Richardson toe.

Het werk is nu gericht op het vinden van een polymeer en een configuratie die optimale prestaties levert. "Hoe je het polymeer op de scheider plaatst, heeft een groot effect, en ook waar je het plaatst", zegt Chen.

Meer energie uit lithium-ionbatterijen wringen

Aan de andere kant van hogere veiligheid is een hogere energiedichtheid, wat een groter bereik voor het voertuig betekent. Binnen tien jaar nadat lithium-ionbatterijen begin jaren negentig op de markt werden gebracht, verdubbelde hun energiedichtheid. Srinivasan gelooft dat het binnen nog een decennium opnieuw kan verdubbelen.

Er zijn drie manieren om een ​​hogere energiedichtheid te krijgen: verhoog de capaciteit, verhoog de spanning of verlaag de hoeveelheid inactief materiaal in de batterij. Het team van Berkeley is betrokken bij alle drie aspecten. Er wordt materiaalonderzoek gedaan om de volgende generatie kathode- en anodematerialen met hoge capaciteit te vinden, en nieuwe elektrolyten waarmee de batterij op hogere spanningen werkt zonder schadelijke nevenreacties. Het Berkeley-team is bijvoorbeeld onderzoek begonnen met hun partners in BATT om het gebruik van een stabiele kathode met hoogspanning mogelijk te maken die belooft de energiedichtheid te verhogen in vergelijking met de stand van de techniek. Bovendien heeft het team wegen gezocht om de hoeveelheid inactief materiaal in de batterij te verminderen met behoud van het vermogen en de levensduur van de batterij.

Uitgaande van succes met innovatieve materialen en processen, is de tijdlijn van het laboratorium naar de markt lang voor batterijen. "Mensen zullen u vertellen dat het 10 jaar en $ 100 miljoen kost om een ​​batterijsysteem te ontwikkelen", zegt Doeff. “Zelfs als we volgende week naar het lab gingen en het volgende grote ding ontdekten dat alles had wat we nodig hadden, zou het nog tien jaar duren om zich te ontwikkelen. Dit zijn ogenschijnlijk eenvoudige apparaten, maar er is zoveel dat we er van vragen. "